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海洋技术 水下溢油应急技术研究进展

随着油气田的勘探开发,我国面临水下溢油风险的风险越来越大,水下溢油应急过程中预测探测和处置等技术也更具挑战性。借鉴墨西哥湾“深水地平线”溢油事故的经验教训,储备深水溢油应急技术既满足于国家深海油气勘探开发需求,也对海洋环境保护具有深远意义。本文对国内外水下溢油应急处置过程中的监测预测以及回收处置技术进行归纳总结,了解水下溢油应急技术和研究现状,为后期水下溢油应急相关研究奠定基础。

海洋技术

一、水下溢油预测技术

⒈水下溢油物理化学过程

在建立水下溢油模型过程中,油气溶解、油气分离、油的乳化、油与沉积物的作用和油的悬浮是需要考虑的物理化学过程,影响溢油模型的准确性。Johansen建立的深水油气泄漏多相积分羽流模型考虑了气体的溶解过程,经过实验数据的验证,但模型忽略了水合物的形成和分解的反应速率。在横流作用下溢油羽流轨迹会发生倾斜,气体分离过程是至关重要的,ChenYapa利用Lagrange控制体,模拟了气体从羽流中脱离的过程。气体的分离可以降低羽流的平均浮力水平,其Z终结果是使羽流混合向远场湍流混合的转化位置发生明显变化,从而导致水下油滴和海面油膜轨迹的巨大变化。

Xie对油的乳化作用进行了详细研究,将扰动能量Z小化作为是否有乳化过程发生的标准判断,对海上溢油发生后乳化过程的水分吸收和粘度变化进行了模拟。DasanayakaYapa利用CDOG模型考察了多个因素对油污的输运和归宿的影响,包括羽流动力阶段的作用、羽流转化点的选择和气态物质的分离,认为羽流动力过程对溢油的上升时间和到达海面的位置都有显著影响。Bandara等考察了在富含悬浮物的水体中油和沉积物间的相互作用是影响较大,同时油滴和沉积物相互碰撞可以形成聚合体,65%的油会参与聚合体的形成,而当油滴和沉积物尺寸较小时(直径小于0.1mm),会形成更多的聚合体。

Socolofsky等结合“深水地平线”溢油事故的观测数据和一些实验室数据对悬浮油的形成机制进行了研究,海水的非线性层化结构是悬浮油形成的一个重要原因。BandaraYapa对溢油喷射过程中油滴/气泡的粒径分布进行了深入研究。

Yapa等利用CDOG模型进行了相关的模拟研究,在浮力羽流阶段油滴的大小对羽流行为的影响不大,但在浮力羽流结束后油滴的行为对油滴尺寸非常敏感,这使不同尺寸的油滴浮出海面的时间和地点都不尽相同。

⒉水下溢油模型

水下溢油模型也是由浅水模型开始的,Winiarski和Frick首次提出用Lagrange 方法模拟羽流。LeeCheung在提出的JETLAG模型中也使用了Lagrange方法,也考虑了强迫卷吸过程。YapaZheng所建的模型将羽流看作各成分间互不转化的混合流体(油滴和气泡),并指出气泡的上升速度大于羽流速度,但忽略了气泡溢出速度对羽流的影响,没考虑气体的溶解过程和水体流动对油/气羽流中气体的分离作用,同时,Zheng Yapa (1998) 将该模型与实验数据进行了对比验证。

Barbosa等将水合物的形成过程加入到羽流模型中,对深水井喷过程进行模拟,但都没有与实验数据做过对比,无法证明模型的有效性。Spaulding等提出了模拟水合物形成的深水模型。Zheng等在已建立三维模型的基础上,开发了一个深水油/气井喷模型(CDOG),考虑了在深水环境中高压低温条件下气体的相变因素。ChenYapaCDOG的模拟结果与在挪威海的实地观测数据进行对比,二者具有很好的一致性。近年来,国内部分学者开始对水下溢油模型和行为机理进行了研究。

二、水下溢油探测技术

水下溢油探测技术较海面溢油监测更加困难,而能见度低等环境条件大大增加了溢油探测的难度。鉴于水下溢油对环境的危害性,国外已在水下溢油探测方面开展了十几年的相关工作。本文主要对声呐探测技术、激光荧光雷达和荧光偏振等进行介绍。

⒈声呐探测技术

声呐探测技术基于水体、沉积物、含油沉积物等密度和声速差异性,其产生的散射信号不同,通过信号分析或声呐图像识别等手段判定溢油分布区域,是实现水下油污快速探测的手段。油斑对声学信号的吸收率远高于砂质底质,所以油斑散射轻度要低于砂质底质,因此利用声呐设备得到的散射强度图像可以显示油斑分布范围。

美国海岸警卫队研发中心对沉底油的检测和回收进行了研究,评估并开发了沉底油监测系统,并在Ohmsett水池进行了测试。研究认为,频率240460kHz的多波束声呐探测到的油斑和砂质底面的反射强度值的差值在1015dB,而频率100kHz的多波束声呐探测到的油斑和砂质底面的反射强度值差值小于等于5dB。侧扫声呐在垂向角为30°到80°时,探测到的油斑和砂质底面的反射强度值的差值较高,为15dB左右。

声呐探测可在低能见度情况下使用,监测范围大,但图像解译时间长,且没有快速识别海底油斑的软件,易受到生物作用的干扰,如植被(尤其是藻类)和动物等。在实际作业过程中,可先用侧扫声呐快速的探测大面积的油污,再用多波束声呐或者前视声呐来精确确定油污的具体位置。

⒉激光荧光雷达

激光荧光雷达是一种主动传感器,其原理是石油中特定化合物吸收紫外光后变成激发状态,发射荧光。原油主要由饱和芬香烃碳水化合物、酯类和沥青质组成,多环芳烃(PAHs)是由包含强不饱和链的稠环组成的化合物。因为PAHs 的结构在光的作用下发出荧光,通过发射荧光,油基化合物吸收的光能返回到周围环境,使分子回归原始基态。大量研究表明高能量的紫外光,波长200400nm是Z有效的激发源,可以产生Z强的荧光发射。多环芳烃化合物在紫外光的作用下可以发生明显的荧光现象,发射的波长位于可见光波段400600nm(紫色至橘色)。同样,烷烃分子也会在紫外光的作用下发出荧光,但是其发出的光波长不在可见光范围内(320400nm),识别油不可行。

⒊荧光偏振

美国EIC实验室开发的水下激光遥感传感器(Oscar),搭载到各种平台上,探测海床及水体中的油污。在美国海岸队的支持下,Oscar的性能在国家溢油应急实施测试监测重油中得到验证。荧光方法可通过光纤探针遥测,对多环芳烃的存在非常敏感,易于实现设备小型化。荧光偏振通过增加偏振信息,提高了荧光技术对油的反应,对于粘度大的重油来说,受偏振光激发时会出现明显的荧光偏振。但除了受自然存在的荧光物质干扰外,环境光或反射光也会影响效果。

三、水下溢油处置技术

2010年4月的“深水地平线”溢油事故深刻地展示了水下油污处置回收的巨大困难,如何快速解决水下的油污处置是国际石油生产企业、政府和民众广泛关注的问题。目前主要的处置技术包括水下溢油源封堵、救援井及消油剂水下使用技术。

⒈水下溢油源封堵

水下溢油源封堵主要通过防喷器或者加注较重的钻井液对泄漏点进行封堵,但在没有安装防喷器或防喷器失效的情形下发生的海底溢油,其溢油源的封堵主要依靠盖帽技术。2011年8 个国际油气公司联合资源开发由Oceaneering公司负责制造了深海井口干预系统SWIS设备,包括4个盖帽用以关闭失控的海底油井和2个硬件工具包用来清除碎屑同时在井口喷洒消油剂,可以应对全球水深至3000m的海底溢油事故,目前存放于挪威、巴西、南非和新加坡等四个地方,随时准备海运或空运至溢油事发地点。

⒉救援井法

救援井法是通过在事故井附近打减压井,实现与事故油井在底部的连通,在远低于事故油井喷口的位置对泄漏原油进行拦截和分流,降低井内压力,以实现通过注入钻井液和水泥的手段封堵溢油源。2010年墨西哥湾溢油事故在2010715日使用盖帽技术成功封堵溢油源之后,钻成2口救援井才彻底清除了事故根源。

⒊消油剂水下使用技术

在2010年“深水地平线”溢油事故中,为了避免泄漏原油大面积到达海面,对敏感岸线栖息地和海滩造成影响,首次采用了消油剂水下喷洒的方式,在破损管道口、防喷器和盖帽装置的消油剂喷洒环处进行水下消油剂的喷洒作业。通过在深水作业船上利用卷绕装置将连续油管布放至水下溢油源附近,采用压力泵实现消油剂在连续油管中向下输运,Z后在水下机器人辅助下在溢油口处开展消油剂的水下喷洒作业。Paris等通过应用水动力和随机浮力粒子追踪耦合模型对水体中石油烃组分行为和归宿进行了模拟,并模拟了入侵深度开始的油的远场输送过程。同时中国海油已经完成了消油剂水下应用技术的研究,对消油剂水下应急效果进行了评估,消油剂水下喷洒设备目前正研制过程中。

四、结语

我国南海深水海域特殊的环境条件给深水油气开发带来更多的挑战,并且勘探开发技术和工程装备尚不完善,应急处置能力薄弱,尤其是我国在水下溢油探测预测以及处置等方面的技术储备不足。因此,我们应该借鉴国内外经验教训,加强深水溢油应急技术攻关,通过本文对国内外水下溢油监测预测和处置技术进行归纳总结,为应急处置和技术研发奠定基础。