海上油田溢油污染風(fēng)險(xiǎn)要素及污染防治措施

曲良

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油和天然氣需求不斷提升，消費(fèi)量快速增長。2017年我國石油產(chǎn)量1.92億t，消費(fèi)量達(dá)6.1億t，對(duì)外依存度已達(dá)到68.9%，能源安全日趨嚴(yán)峻[1]。近年來，海洋油氣資源逐步成為我國油氣開發(fā)利用的新增長點(diǎn)。我國海洋石油資源量(不包括南海)為246億t，占全國石油資源總量的23%；海洋天然氣資源量為16萬億m3，占總量的30%[2],因此，加大海上油氣勘探開發(fā)力度，已成為保障國家能源安全，緩解能源供需不足問題的必然選擇。由于涉及大量易燃、易爆的石油和天然氣物質(zhì)，加上油田開發(fā)工藝、設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜性，海上油田作業(yè)過程中，存在著發(fā)生海管損壞、儲(chǔ)罐泄露、井噴等潛在風(fēng)險(xiǎn)，隨之也會(huì)給海洋生態(tài)環(huán)境造成不同程度的損害[3]。因此，對(duì)海上油田作業(yè)各環(huán)節(jié)中存在的溢油污染風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行識(shí)別分析，并以此為基礎(chǔ)建立污染防治措施，對(duì)于保障海上油田勘探、開發(fā)及生產(chǎn)的順利實(shí)施，具有重要意義。

有學(xué)者分析了深水作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)要素，并以此建立溢油污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]。學(xué)者們基于國內(nèi)外海底管道事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，分析了海底管道泄露事故原因，包括第三方破壞、沖刷懸空、管道腐蝕及自然災(zāi)害[5]。從溢油應(yīng)急處置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度，有學(xué)者指出我國目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在尚未能覆蓋處置全過程的問題[6]。近期的研究中，有學(xué)者利用溢油污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)對(duì)典型區(qū)域內(nèi)的港口的溢油污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分[7]。通過開展溢油風(fēng)險(xiǎn)方面的研究，學(xué)者們已經(jīng)對(duì)溢油污染風(fēng)險(xiǎn)源有一定了解，但多圍繞單一設(shè)施開展研究，缺少與海上油田作業(yè)特點(diǎn)及環(huán)境保護(hù)管理方法密切結(jié)合，溢油污染風(fēng)險(xiǎn)要素識(shí)別未能涵蓋海上油田作業(yè)的主要環(huán)節(jié)，且與之相關(guān)的污染預(yù)防處置措施的研究系統(tǒng)性不強(qiáng)。

針對(duì)上述問題，為進(jìn)一步提升溢油污染風(fēng)險(xiǎn)防控能力，完善海上油田溢油污染風(fēng)險(xiǎn)防范措施，本文圍繞海上油田的主要作業(yè)環(huán)節(jié)和作業(yè)設(shè)施，對(duì)溢油污染風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了全面逐一分析，并結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)實(shí)際情況及海上油田的環(huán)境保護(hù)方法，探討了污染預(yù)防和處置措施，以期為海上油田勘探、開發(fā)及生產(chǎn)過程中污染防治提供決策依據(jù)和技術(shù)支持。

1 海上油田環(huán)境保護(hù)

海上油田采用全生命周期的環(huán)境保護(hù)，將全生命周期分為預(yù)可研階段、可研階段、設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段、試生產(chǎn)階段、生產(chǎn)階段以及廢棄階段。在預(yù)可研階段，主要開展項(xiàng)目周邊環(huán)境敏感資源的預(yù)評(píng)價(jià)。可研階段，主要開展工程項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)，分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)建造及生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的環(huán)境影響，以及相關(guān)的環(huán)境保護(hù)對(duì)策措施。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)階段，設(shè)計(jì)并落實(shí)環(huán)境影響報(bào)告及批復(fù)文件的要求。試生產(chǎn)階段主要是進(jìn)行環(huán)保設(shè)備的選型、安裝到位及調(diào)試完成。生產(chǎn)階段按照經(jīng)核準(zhǔn)批復(fù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告要求對(duì)生產(chǎn)污水、生活污水、固體廢棄物及廢氣進(jìn)行處理。廢棄階段主要針對(duì)海上油田生產(chǎn)設(shè)施和相關(guān)海纜管線進(jìn)行廢棄處置的管理。

結(jié)合上述全生命周期的環(huán)境保護(hù)，與海上油田作業(yè)密切相關(guān)的溢油污染風(fēng)險(xiǎn)主要集中在海上油田的建設(shè)階段、試生產(chǎn)階段、竣工驗(yàn)收階段，以及生產(chǎn)階段。涉及的溢油污染風(fēng)險(xiǎn)因素包括井涌或井噴、船舶碰撞、海底管道與立管泄漏、平臺(tái)儲(chǔ)罐泄漏，以及地質(zhì)性溢油。

2 海上油田溢油污染風(fēng)險(xiǎn)因素分析

2.1 海上油田建設(shè)和生產(chǎn)階段的井涌或井噴

在鉆、完井作業(yè)中，由于地層壓力過高，泥漿比重失調(diào)、防井噴措施不當(dāng)及其他誤操作而導(dǎo)致地層壓力出現(xiàn)欠平衡等原因，可導(dǎo)致發(fā)生井涌[8-9]。在生產(chǎn)階段修井作業(yè)中，由于修井液比重失調(diào)、防噴措施不當(dāng)及其他誤操作等原因，可能引發(fā)井噴[10]。

2.2 海上油田的建設(shè)、生產(chǎn)和廢棄階段的船舶碰撞

船舶是海上油田作業(yè)必不可少的作業(yè)設(shè)施，其碰撞風(fēng)險(xiǎn)也貫穿于海上油田的建設(shè)、生產(chǎn)和廢棄階段。施工船舶受風(fēng)、流、浪等影響，可能發(fā)生與附近航路船舶或與周圍設(shè)施之間的碰撞，導(dǎo)致船舶燃料油儲(chǔ)艙破裂泄漏。同時(shí)，生產(chǎn)過程中，供應(yīng)船舶進(jìn)行人員、物資運(yùn)送過程中，與平臺(tái)設(shè)施之間也可能發(fā)生碰撞。

2.3 海上油田生產(chǎn)階段的海底管道與立管泄漏

因管材腐蝕、船舶錨掛等原因，海底管道與立管發(fā)生穿孔、破裂等事故，將導(dǎo)致油氣泄漏。當(dāng)海底管道和立管發(fā)生泄漏事故時(shí)，其應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)將關(guān)斷相應(yīng)的輸送系統(tǒng)，關(guān)斷后管道內(nèi)部分原油會(huì)緩慢泄出。該污染風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的外部原因常包括海面失落重物的撞擊、漁船拖網(wǎng)或誤拋錨、自然災(zāi)害，內(nèi)部原因則有管道腐蝕、材料缺陷等[11-12]。

2.4 海上油田生產(chǎn)階段的設(shè)施儲(chǔ)罐泄漏

設(shè)施儲(chǔ)罐是海上油田生產(chǎn)階段的常規(guī)設(shè)備，分為常壓儲(chǔ)罐和帶壓儲(chǔ)罐。由于閥門失效、管件失效、腐蝕、材料失效或破裂、操作錯(cuò)誤、儀表和控制失效等原因?qū)⒁l(fā)儲(chǔ)罐泄漏，從而產(chǎn)生溢油污染的風(fēng)險(xiǎn)[13-14]。

2.5 海上油田建設(shè)和生產(chǎn)階段的地質(zhì)性溢油

地質(zhì)性溢油常發(fā)生在鉆井和注水作業(yè)過程中。在鉆井作業(yè)過程中，如油氣田表層套管下深不足或固井質(zhì)量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在鉆遇異常高壓油氣層時(shí)可能產(chǎn)生地質(zhì)性油氣泄漏[15]。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，注水井如存在不恰當(dāng)注入，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力高壓異常，儲(chǔ)層流體將沿地質(zhì)斷層運(yùn)移至海床而造成油氣泄漏[16]。

3 溢油污染防范措施

針對(duì)溢油污染風(fēng)險(xiǎn)因素的分析，在防范措施方面，需要從海上油田設(shè)施、地質(zhì)性溢油和管理體系方面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源加進(jìn)行管控。

3.1 設(shè)施防范措施

3.1.1 井噴

1)油管強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用較高的安全系數(shù)，選擇優(yōu)質(zhì)封隔器并及時(shí)更換損壞元件。

2)配備防噴設(shè)備、壓井材料及井控設(shè)備。

3.1.2 設(shè)施儲(chǔ)罐容器泄漏

1)合理布放設(shè)備，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)采用防火、防爆設(shè)備，并采取隔離措施以降低風(fēng)險(xiǎn)。

2)安裝火焰和氣體探測(cè)器，以監(jiān)測(cè)工藝流程中的火災(zāi)發(fā)生和可燃?xì)怏w濃度的變化。

3.1.3 海底管道

1)建立操作規(guī)程與管理制度，對(duì)海底管道進(jìn)行不定期局部檢測(cè)和定期全面檢測(cè)。

2)油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的管道設(shè)置相應(yīng)的壓力、溫度報(bào)警系統(tǒng),以及應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)。

3.2 地質(zhì)性溢油防范措施

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

1)將井軌跡加載地震剖面上，充分分析井與周邊斷層的關(guān)系，優(yōu)化井身軌跡，盡量規(guī)避穿越斷層。

2)制定漏失風(fēng)險(xiǎn)堵漏措施，適當(dāng)調(diào)整井身結(jié)構(gòu)或增加套管。

3.2.2 鉆完井作業(yè)

1)依據(jù)油藏方案，開展鉆前井控分析，校核井身結(jié)構(gòu)及套管程序。

2)配備鉆井液材料，及時(shí)處理可能遇到的溢流和井涌。

3.2.3 生產(chǎn)作業(yè)

1)根據(jù)砂體壓力分析情況，設(shè)計(jì)注入壓力和注入量，進(jìn)行注采比優(yōu)化，實(shí)施分層配注。

2)制定注水系統(tǒng)日常作業(yè)和監(jiān)控程序，設(shè)置注水壓力和流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)于達(dá)到最高注入壓力仍無法滿足配注要求的井，實(shí)施酸洗酸化作業(yè)。

3.3 溢油污染防治體系

溢油污染防治主要包括溢油污染預(yù)防、污染物預(yù)測(cè)、預(yù)警和污染物的處置。結(jié)合海上油田的環(huán)保管理內(nèi)容，建立涵蓋項(xiàng)目全生命周期的溢油污染防治體系，將有助于提高溢油污染事故風(fēng)險(xiǎn)管控水平，有效提升事故的應(yīng)對(duì)處置效果。

1)預(yù)可研階段。關(guān)注污染事故的影響程度。針對(duì)項(xiàng)目周圍的敏感目標(biāo)，分析確定溢油污染可能影響范圍及污染損害程度。

2)可行性研究階段。結(jié)合環(huán)境影響評(píng)價(jià)中分析的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、最大可信事故及預(yù)測(cè)的溢油漂移軌跡，提出針對(duì)性的溢油污染處置措施。

3)設(shè)計(jì)建造階段。根據(jù)項(xiàng)目施工方案，制定適合于建造現(xiàn)場的溢油應(yīng)急預(yù)案，突出鉆完井過程中的溢油風(fēng)險(xiǎn)管控與處置措施，落實(shí)溢油應(yīng)急物資。

4)生產(chǎn)階段。關(guān)注生產(chǎn)工藝流程的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)油氣田生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，制定溢油應(yīng)急計(jì)劃，落實(shí)溢油應(yīng)急物資，定期開展溢油應(yīng)急演習(xí)。

5)廢棄階段。根據(jù)井口封堵切割和海管清洗封存方案，制定相應(yīng)的溢油應(yīng)急計(jì)劃，落實(shí)溢油應(yīng)急物資。

4 現(xiàn)場污染處置

4.1 海面溢油處置

4.1.1 物理方法

撇油器和圍油欄是廣泛使用的溢油污染物處置措施。按照工作原理，撇油器可分為親油式、真空式、堰式及機(jī)械式。學(xué)者們以回收效率為指標(biāo)，開展了不同油膜厚度、傳送帶傾斜角度、傳送速度、海流速度以及波高條件下，帶式親油撇油器使用效果變化的一系列研究發(fā)現(xiàn)，撇油器的回收效率隨傾斜角度的減小而增加，而油層厚度以及轉(zhuǎn)速與回收效率成正相關(guān)性[17]。

圍油欄布放能夠減小污染物的擴(kuò)散，控制或縮小污染面積。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)相同模擬風(fēng)浪條件下，圍裙體部分較短的圍油欄圍控效果優(yōu)于較長，而將裙部結(jié)構(gòu)安裝于浮體外側(cè)中部，形成簡易的堰狀結(jié)構(gòu)，可以使溢油污染物隨海流沿圍油欄進(jìn)入圍控區(qū)域[18]。

4.1.2 化學(xué)方法

溢油分散劑的主要有效成分是表面活性劑。表面活性劑通過降低油/水之間的界面張力，形成易于分散的水包油結(jié)構(gòu)，阻擋油滴結(jié)合，達(dá)到分散的效果[19]。國際組織和我國均出臺(tái)了指導(dǎo)海面消油劑使用的方法[20]，規(guī)定了溢油分散劑的性能指標(biāo)、噴灑粒徑、用量、劑/油比等。

4.2 水下溢油處置

4.2.1 行為過程

水下溢油浮射羽流是得到廣泛認(rèn)可的水下溢油行為特征[21]。溢出的物流以射流形式噴出，在高壓低溫環(huán)境條件生成水合物，在地層或海底管道壓力的作用下上升，隨著壓力作用的下降，上升速度逐漸減弱，溢油在浮力作用下上升。在上升過程中，受水平橫流影響，粒徑不同的油滴相互分離形成羽流。抵達(dá)海面的溢油在外部風(fēng)浪條件下，發(fā)生風(fēng)化、擴(kuò)散等過程。

基于行為過程的分析，學(xué)者們對(duì)水下溢油過程進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)，如CDOG和DEEPBLOW溢油模型[22]。也有學(xué)者針對(duì)水下溢油過程中的羽流和對(duì)流階段，利用Lagrange積分法和Lagrange粒子追蹤法，建立羽流動(dòng)力模型和對(duì)流擴(kuò)散模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件下的水槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[23]。

4.2.2 水下處置

1)鉆孔抽油技術(shù)。該處置方法通過設(shè)計(jì)回收系統(tǒng)，達(dá)到回收沉船石油烴類污染物的目的[24]。主要工作內(nèi)容包括水上操作進(jìn)行的鉆孔作業(yè)、潛水員進(jìn)行的管線連接與抽油及可視化控制系統(tǒng)監(jiān)控[25]。受水深所帶來的設(shè)備承載壓力、人員安全、開孔定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控等因素的影響，目前的鉆孔抽油方法多集中于近岸海域[26-27]。

2)溢油分散劑水下使用技術(shù)。目前，溢油分散劑水下使用技術(shù)已成為水下溢油污染處置技術(shù)領(lǐng)域研究和關(guān)注的重點(diǎn)。在溢油分散劑使用過程中，海面船舶通過輸送軟管將溢油分散劑輸送至水下，經(jīng)ROV操作將溢油分散劑控制在溢油處噴灑。該方法與海面相比，水下環(huán)境較穩(wěn)定，受外界干擾小。同時(shí)，在溢油點(diǎn)進(jìn)行噴灑，減少了外界環(huán)境因素對(duì)在溢油擴(kuò)散過程中對(duì)其性質(zhì)的影響[28]。

5 結(jié)論

海上油田全生命周期中存在著井涌或井噴、船舶碰撞、海底管道與立管泄漏、設(shè)施儲(chǔ)罐泄漏、地質(zhì)性溢油等風(fēng)險(xiǎn)。采取針對(duì)性的設(shè)施防范措施、建立涵蓋全油田生命周期的溢油污染防治體系，以及完善海面和水下溢油處置技術(shù)，能夠有效提升溢油污染風(fēng)險(xiǎn)防控能力。但極端條件下，海上油田溢油污染風(fēng)險(xiǎn)的管控措施還需進(jìn)一步強(qiáng)化。