采用水下喷射气流控制导管架平台井口区碎冰堆积的方法技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种防止流冰在导管架平台井口区发生堆积的
控制方法。
背景技术
在全球的海洋中，海冰的分布面积为3770万平方公里，占全球洋面的11.8％。如果
加入冰山分布海域，则包括流冰在内的海冰面积为7260万平方公里，占全球洋面的
22.9％。由此可见，海冰在海洋中占据了重要的地位。而正是在这些长期或短期被海冰覆
盖的海域中，蕴藏了丰富的海洋资源，进而促使近三十年来，各国在寒冷海域中开展的
经济活动呈高速增长的态势。其中，以海上油气资源的开发、海洋可再生能源的利用和
航运活动的发展最为迅猛，海上油气开采平台、海上风电机组等各类海洋工程结构相继
矗立在寒冷海域，这些海洋工程结构的安全性能就必然面临着大面积流冰作用的威胁。
导管架式结构目前是我国浅水重冰区中的海上油气平台采用的主要结构型式，这种
海洋工程结构有一个主要的特征，即井口区由一系列呈阵列型式排布的直立式套管组成。
因此，在海面上存在大面积的漂移海冰时，导管架平台井口区发生严重的碎冰堆积就成
为我国浅水重冰区中常见的海冰灾害现象。这种海冰堆积现象会引发一系列后续的工程
事故，因此，必须采取有效的措施对流冰在导管架平台井口区的堆积进行控制。
目前，对于导管架平台井口区的碎冰堆积采用的控制措施包括：一)发生显著堆积
后人工清除；二)喷淋热水融化。这些简单的措施显然在控制效果上存在严重的问题。
首先，一旦碎冰发生显著堆积后，采用人工清除的方法仅能对套管外表面的碎冰层进行
干预，并且受到实际场地的限制，很难进行。其次，采用热水喷淋的方法通常仅在短时
间内可对碎冰堆的表层形成清除，很难形成整体的瓦解。同时，在冬季气温环境下，热
水的喷淋还可能进一步造成碎冰的深层冻结，进而致使碎冰堆积更加坚固。
目前，国际上的最新研究表明：碎冰在导管架平台井口区的堆积进程存在以下重要
规律：一)井口区局部流场的滞流效应是形成碎冰堆积的主要初始诱因；二)井口区隔
水套管阵列与邻近主桩腿形成的联合结构滞留效应，是促使碎冰堆积规模快速发展的主
要因素之一；三)碎冰堆积的水下部分规模大于其水上部分，即碎冰堆积的主要构成在
水下；四)碎冰堆积进程具有很大的区域不均衡性，即大部分碎冰均堆积在首先与冰排
发生作用的前两排导管附近区域内；五)碎冰堆积进程一旦开始，其发展速度是迅速的，
触底式堆积一般在很短的时间内即可形成；六)发展最快、规模最大的碎冰堆积行为，
发生在冰排向导管架结构井口区与主桩腿距离最近一侧行进的过程中。因此，对于碎冰
的过流动力以及下潜运动控制，成为有效控冰技术的关键性目标。然而，目前在现有的
导管架平台井口区碎冰堆积控制措施中，尚未出现能够实现这一关键性目标的方法。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种采用水下喷射气流控制导管架
平台井口区碎冰堆积的方法，该方法能够防止流冰在导管架平台井口区发生下潜堆积。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种采用水下喷射
气流控制导管架平台井口区碎冰堆积的方法，采用竖直向上的连贯高压气流在距离海平
面以下的预设高程处分别对偏离井口区几何中心的井口区中部、隔水套管阵列内侧靠近
四个角点位置处、破冰锥体与隔水套管阵列发生交叉的区域和碎冰重点堆积区域进行点
喷射，并使连贯高压气流在相应喷射区域的整个高程内产生气爆效应和气水二相湍流效
应，在自由水面处具有推动碎冰块向远端撤离的爆破能量和影响范围。
所述连贯高压气流的水下喷射点距离海平面的高程为2.5m。
所述连贯高压气流的输出压力为1500kPa，流量为13m3/min。
所述连贯高压气流的输出温度不低于20℃。
本发明具有的优点和积极效果是：通过理论分析和实验，掌握堆积冰成因机理，从
堆积冰成因源头解决问题，采用连贯高压气流从水下喷射堆积成冰的关键部位，利用高
压气泡的气爆效应促使局部流场具备较大的运动能量，进而对关键区域的漩涡生成与滞
流效应形成关键性的抑制作用；利用气水二相湍流效应大幅度遏制碎冰的下潜运动，进
而有效抑制碎冰的水下堆积进程；利用高压气流的连贯性和在接近自由水面时具有的充
足爆破能量和影响范围，推动碎冰块向远端撤离，排出流场。综上所述，本发明直接破
坏导致井口区碎冰堆积进程所依赖的基础条件，进而致使碎冰块的水上堆积进程丧失快
速发展的来源基础。本发明可针对我国浅水重冰区的导管架平台，进行流冰在井口区前
堆积的预防和控制，可将碎冰堆积的形成规模降低80％以上。
附图说明
图1为本发明应用的平面示意图；
图2为本发明应用的立面图。
图中：1、空气压缩机，2、平台底层甲板，3、破冰锥体，4、隔水套管，5-1、
5-2、5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、水下气流喷射喷嘴，6-1、控制阀门，6-2、输送总管，6-3、
输送支管。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图
详细说明如下：
一种采用水下喷射气流控制导管架平台井口区碎冰堆积的方法，采用竖直向上的连
贯高压气流在距离海平面以下的预设高程处分别对偏离井口区几何中心的井口区中部、
隔水套管阵列内侧靠近四个角点位置处、破冰锥体与隔水套管阵列发生交叉的区域处和
碎冰重点堆积区域进行点喷射，并使连贯高压气流在相应喷射区域的整个高程内产生气
爆效应和气水二相湍流效应，在自由水面处具有推动碎冰块向远端撤离的爆破能量和影
响范围。以在自由水面处推动碎冰块向远端撤离，排出流场。
本发明的原理为：
通过在关键点位布置连贯高压气流喷射点，并使连贯高压气流产生气爆效应、气水
二相湍流效应、在自由水面处具有充足的爆破能量和影响范围，气爆效应能够促使局部
流场具备较大的运动能量，进而对关键区域的漩涡生成与滞流效应形成关键性的抑制作
用；气水二相湍流效应能够大幅度遏制碎冰的下潜运动，进而有效抑制碎冰的水下堆积
进程。在自由水面处具有的充足爆破能量和影响范围，能够推动碎冰块向远端撤离，最
终排出在流场之外。本发明采用连贯高压气流直接破坏导致井口区碎冰堆积进程所依赖
的基础条件，进而致使碎冰块的水上堆积进程丧失快速发展的来源基础。
本发明采用连贯高压气流从水下对井口区碎冰堆积关键部位进行喷射，从根本上抑
制了碎冰的堆积。下面结合实施例做进一步的详细说明：请参阅图1～图2，在偏离井口
区几何中心位置的井口区中部布置1个水下气流喷射喷嘴5-1，以避开中心位置隔水套管
4对气泡扰动作用的遮蔽；在隔水套管阵列内侧靠近四个角点的位置，设置4个水下气流
喷射喷嘴5-2、5-3、5-4、5-5，在破冰锥体3与隔水套管阵列发生交叉的区域内布置1个
水下气流喷射喷嘴5-6，具体地讲，水下气流喷射喷嘴5-6布置在破冰锥体3和与其靠近
的隔水套管4之间的位置处，以形成对联合结构滞留效应的重点控制；在水下气流喷射
喷嘴5-2和水下气流喷射喷嘴5-3喷口连线靠近水下气流喷射喷嘴5-2的位置处布置1个
水下气流喷射喷嘴5-7，以形成对重点堆积区域的增强型控制。7个喷嘴的内径均采用
45mm。7个喷嘴统一布置在距离海平面以下2.5m高程处。在本实施例中，采用7个水下
气流喷射喷嘴对井口区碎冰堆积关键部位喷射连贯高压气流，连贯高压气源由安放在位
于平台底层甲板2上的空气压缩机1提供，空气压缩机1与7个并联的水下气流喷射喷
嘴通过高压气流输送管路连接。在平台所处海域出现显著的结冰现象时，开启空气压缩
机1。
在本实施例中，所述连贯高压气流的水下喷射点也就是上述的7个水下气流喷射喷
嘴距离海平面的高程为2.5m。所述连贯高压气流的输出压力为1500kPa，流量为13m3/min。
所述连贯高压气流的输出温度不低于20℃。
上述连贯高压气流的输出参数需结合高压气流输送管路的结构，并通过控制空气压
缩机1的输出获得。在本实施例中，采用出泵压力1500kPa、出泵流量13m3/min的空气
压缩机，作为高压喷射气流的输入端口设备。根据平台上空气压缩机1安放的实际位置，
设计高压气流输送管路，如图2所示，高压气流输送管路包括与空气压缩机1直接相连
的输送总管6-2，与各喷嘴相连接的输送支管6-3以及设置在空气压缩机1出口处的控制
阀门6-1，输送总管6-2和输送支管6-3的内径均为120mm。管路布置应以不直接迎冰为
原则，即输送总管6-2和输送支管6-3应经由隔水套管群围合的空间延伸至水下。
上述水下气流喷射系统的管线应作定期启动与检测，以防止海洋生物的附着-堵塞。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述
的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普
通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，
还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。