劉莉峰,曲 良

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300461)

海上油田平臺溢油風(fēng)險分析*
——以秦皇島32-6油田工程為例

劉莉峰,曲 良

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300461)

海上油田開發(fā)由于涉及石油和天然氣等易燃易爆產(chǎn)品,加之油田開發(fā)工藝、設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜,對溢油事故風(fēng)險分析與措施管理提出了較高的要求。文章以秦皇島32-6油田工程為例,對油田建設(shè)和生產(chǎn)階段的溢油風(fēng)險因素、事故發(fā)生概率進(jìn)行了分析,并提出了預(yù)防管理措施,以期為海上油田環(huán)境保護(hù)管理與應(yīng)急措施的制定提供技術(shù)支持和決策保障。

海上油田;溢油風(fēng)險;分析

在海上油田建設(shè)開發(fā)過程中,由于涉及大量易燃易爆石油和天然氣產(chǎn)品,加上油田開發(fā)工藝、設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜性,因而存在著發(fā)生油氣泄漏、火災(zāi)爆炸等重大事故的潛在風(fēng)險。在鉆/完井和生產(chǎn)階段,存在烴類物質(zhì)和有害氣體釋放現(xiàn)象,如控制不當(dāng)導(dǎo)致氣體達(dá)到一定濃度將引發(fā)火災(zāi)和爆炸,從而導(dǎo)致原油入海,造成環(huán)境污染[1]。在鉆/完井和生產(chǎn)階段由于不恰當(dāng)?shù)淖⑷?可能會導(dǎo)致地層壓漏,也可引發(fā)溢油事故[2]。對上述所涉及設(shè)施和工作環(huán)節(jié)開展翔實(shí)的溢油風(fēng)險分析及防控措施探討是目前海上油氣田勘探開發(fā)環(huán)境保護(hù)管理所關(guān)注的重點(diǎn)。秦皇島32-6油田位于渤海灣的中北部,油田范圍內(nèi)平均水深約20 m,為了使油田持續(xù)保持穩(wěn)產(chǎn),通過對油田地質(zhì)開發(fā)特征的研究,依托現(xiàn)有海上生產(chǎn)設(shè)施、海管等資源,通過加密井網(wǎng)及新建平臺,達(dá)到提高采收率的目的。本研究著重探討了秦皇島32-6油田開發(fā)和生產(chǎn)過程中的溢油風(fēng)險,并以此提出了海上油田溢油風(fēng)險預(yù)防管理措施,旨在為油田溢油應(yīng)急管理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 溢油風(fēng)險因素分析

溢油風(fēng)險因素分析是基于現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究的分析,主要包括建設(shè)階段和生產(chǎn)階段兩個主要方面。

1.1 建設(shè)階段

在工程鉆/完井階段,參加鉆/完井作業(yè)的設(shè)備有鉆井船、值班船、供應(yīng)船和直升機(jī)。在此階段可能發(fā)生的溢油事故包括井噴、輸油軟管破裂、船舶碰撞和直升機(jī)墜落等。

1.1.1 井涌或井噴

在鉆/完井階段,存在發(fā)生井涌和井噴的可能性。當(dāng)?shù)貙訅毫^高、且鉆井泥漿比重失調(diào)以及防井噴措施不當(dāng)時,首先出現(xiàn)井涌現(xiàn)象,一旦控制不當(dāng),將有大量原油和天然氣物質(zhì)噴出,引發(fā)井噴,井噴時有大量烴類氣體釋放,聚集到爆炸濃度后遇明火將發(fā)生火災(zāi)、爆炸,對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[3]。井噴發(fā)生后,一般都是由于井壁坍塌或者是地層壓力下降而自然停止噴射。

1.1.2 輸油軟管破裂

鉆/完井階段,在供應(yīng)船向鉆井船輸油時操作失誤或輸油軟管破裂可能造成燃料油泄漏。由于輸油作業(yè)有嚴(yán)格的操作規(guī)定,輸油軟管定期更換,同時儲油軟管較短,內(nèi)部存油量很小,輸油作業(yè)時供應(yīng)船與受油設(shè)施均有人值班監(jiān)視,一旦發(fā)生事故立即關(guān)泵停輸,因此不會造成大規(guī)模泄漏。

1.1.3 船舶碰撞

在鉆/完井階段主要有鉆井船、供應(yīng)船,船舶與鉆井船和周圍設(shè)施之間可能產(chǎn)生碰撞,從而可能導(dǎo)致鉆井船儲油罐、供應(yīng)船儲油艙發(fā)生泄漏。

1.1.4 直升機(jī)墜落

鉆/完井期間,直升機(jī)用于運(yùn)送作業(yè)人員和鉆井平臺亟須物資。設(shè)備故障以及人員操作失誤有可能造成直升機(jī)墜落。直升機(jī)停降坪遠(yuǎn)離鉆井船出油設(shè)施,同時直升機(jī)儲油較小,所以即使直升機(jī)發(fā)生墜落事故也不可能造成大量油類物質(zhì)入海。

1.2 生產(chǎn)階段

工程新建平臺、海底管線以及鉆/完井過程中可能發(fā)生井涌/井噴、平臺容器泄漏、火災(zāi)爆炸、海管與立管泄漏、船舶碰撞等[4]。對于斷裂系統(tǒng)特別復(fù)雜的油田,由于不恰當(dāng)?shù)淖⑷?可能導(dǎo)致在鉆/完井作業(yè)中發(fā)生井涌等工程風(fēng)險,或可能導(dǎo)致地層壓漏,并由此引起油氣泄漏事故發(fā)生[5]。

1.2.1 井涌或井噴

生產(chǎn)階段在修井作業(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,可能發(fā)生井涌,若不及時控制或控制不當(dāng),可能引發(fā)井噴事故。伴隨井噴釋放的有油品和大量烴類物質(zhì),當(dāng)烴類物質(zhì)聚集到爆炸濃度后,遇明火可能引發(fā)平臺火災(zāi)、爆炸[6]。

1.2.2 生產(chǎn)區(qū)平臺容器泄漏

在生產(chǎn)階段平臺容器由于閥失效、管件失效 (三通管、彎頭、法蘭、螺栓、螺母、墊片等)、腐蝕、材料失效 (管子、管件、容器破裂)、操作錯誤、儀表和控制失效等原因可能引發(fā)泄漏,泄漏后處理和收集不當(dāng),可能導(dǎo)致溢油入海。

1.2.3 平臺火災(zāi)、爆炸

生產(chǎn)階段,平臺上進(jìn)行油氣的輸送、儲存或處理等作業(yè),可能由于設(shè)備或人為誤操作等原因引起油氣泄漏,當(dāng)泄漏物濃度聚集達(dá)到爆炸極限時遇到諸如靜電起火、機(jī)械撞擊起火或吸煙等明火便釀成火災(zāi)和爆炸,從而導(dǎo)致事故升級,可能造成油品泄漏入海。

1.2.4 海底管道與立管泄漏

海底管道與立管可能因穿孔、破裂等事故導(dǎo)致油氣泄漏。研究表明,導(dǎo)致海底管道與立管事故的外部原因包括海面失落重物的撞擊、漁船拖網(wǎng)或誤拋錨、自然災(zāi)害等;內(nèi)部原因有管道腐蝕、材料缺陷等;此外還有人員誤操作等原因[7]。

1.2.5 船舶碰撞和直升機(jī)墜落

在生產(chǎn)階段,主要有供應(yīng)船、直升機(jī)進(jìn)行人員、物質(zhì)的運(yùn)送和供給,供應(yīng)船與平臺等周圍設(shè)施之間可能產(chǎn)生碰撞造成船舶儲油艙泄漏,直升機(jī)運(yùn)輸中可能由于設(shè)備故障、人員誤操作等原因造成墜落,從而導(dǎo)致原油泄漏。

1.2.6 地質(zhì)性油氣泄漏事故

對于斷裂系統(tǒng)十分復(fù)雜的油田,不恰當(dāng)?shù)淖⑷霑斐蓛訅毫Ω邏寒惓?如儲層附近恰好存在著連通海床的自然地質(zhì)斷層,儲層壓力可能使儲層流體沿附近的地質(zhì)斷層自儲層段運(yùn)移至海床而造成油氣泄漏事故[8]。此外,如油田表層套管下深不足或固井質(zhì)量較差,在鉆遇異常高壓油氣層時,也可能產(chǎn)生地質(zhì)性油氣泄漏事故。

2 溢油事故源項分析

2.1 事故概率

2.1.1 井涌或井噴

挪威科學(xué)和工業(yè)研究基金會(SINTEF)海洋石油井噴數(shù)據(jù)庫(SINTEF Offshore Blowout Database)統(tǒng)計分析了從1980年1月1日到2005年1月1日在美國墨西哥灣外大陸架、英國大陸架、挪威海域等海洋石油開發(fā)過程中發(fā)生的事故數(shù)據(jù)[9]。常規(guī)井的井涌或井噴概率見表1。秦皇島32-6油田工程新鉆101口常規(guī)井。據(jù)此估算,鉆/完井過程中發(fā)生井涌的概率為9.82×10-2次,發(fā)生井噴的概率為1.64×10-2次,其中水下事故比重為33%。本次工程新鉆的101口井發(fā)生井涌的概率為2.93×10-4次/年,井噴的概率為4.24×10-3次/年,其中水下事故比重為12.5%。

表1 井涌和井噴事故概率

2.1.2 平臺容器泄漏

秦皇島32-6油田工程新建平臺上的容器通常分為常壓容器和壓力容器,平臺主要帶壓容器包括生產(chǎn)加熱器、生產(chǎn)分離器、電脫水器、熱化學(xué)脫水器和閉式排放罐等;常壓容器包括開式排放罐和柴油系統(tǒng)中柴油罐等。根據(jù)風(fēng)險評估數(shù)據(jù)目錄統(tǒng)計結(jié)果,主要泄漏概率見表2。

表2 容器泄漏概率數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.1.3 海底管道及立管泄漏

學(xué)者們統(tǒng)計了相關(guān)海域1 567條海管的泄漏概率信息[10](表3)。

表3 海底管線及立管管道泄漏概率

除注水管線外,秦皇島32-6油田工程共新建6條海底混輸管道和12條立管,以平臺周圍500 m范圍內(nèi)作為安全區(qū),則新建管道情況如表4。

表4 新建管道概況

海管發(fā)生泄漏事故的概率為5.84×10-3次/年,立管發(fā)生泄漏事故的概率為9.34×10-3次/年。

2.1.4 船舶碰撞事故

平臺附近主要有供應(yīng)船、值班船等。此外,在該海域航行的外來航船也有可能與平臺設(shè)施發(fā)生碰撞。船舶與平臺等油田設(shè)施發(fā)生碰撞的概率見表5。

表5 船舶碰撞概率

秦皇島32-6油田工程將新建2座綜合處理平臺、2座井口平臺,船舶碰撞產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷的概率為2.0×10-5次/年。發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷不一定引起溢油事故,因此,引發(fā)溢油事故的概率將更小。

2.2 溢油事故后果分析

溢油事故后果的嚴(yán)重程度與溢油規(guī)模密切相關(guān)。溢油量越大,其對環(huán)境的損害程度也越嚴(yán)重。因此,可以用不同類型溢油事故的溢油量大小來表征溢油事故后果的嚴(yán)重程度。

2.2.1 建設(shè)階段溢油量

建設(shè)階段溢油事故的主要泄放物質(zhì)包括井流 (原油、天然氣、巖屑和鉆井液)和燃料油。如前所述,發(fā)生井噴事故時,井流的噴放量很大,難以估計。以下只能給出燃料油的最大可能溢油量。

取鉆井裝置、供應(yīng)船和直升機(jī)的最大儲油量以及燃料油輸油軟管過油量作為鉆井階段的可能最大溢油排放量 (表6)。

表6 鉆井階段可能溢油量

2.2.2 生產(chǎn)階段溢油量

油田生產(chǎn)階段溢油事故的主要泄放物包括井流、原油和燃料油。工程各平臺生產(chǎn)階段可能發(fā)生的風(fēng)險溢油量如表7所示。

表7 生產(chǎn)運(yùn)營期最大溢油量

當(dāng)井口平臺/綜合平臺發(fā)生起火爆炸事故 時,在采取消防措施的同時,將視事故發(fā)生的位置和嚴(yán)重程度,采取相應(yīng)級別的應(yīng)急關(guān)斷,一般不會導(dǎo)致大量原油入海。在消防和應(yīng)急關(guān)斷措施均失效的極端情況下,大量井流將流入海洋,但這種事故下的最大溢油排污量很難定量給出。

當(dāng)海底管道和立管發(fā)生泄漏事故時,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)部分原油會緩慢泄出。這里考慮了管道最大輸油量、應(yīng)急關(guān)斷反應(yīng)時間、管道的容積等特性,估算100 m3作為海管和立管的溢油量。

當(dāng)輸油軟管和卸載軟管等輸送管道發(fā)生泄漏事故時,其應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)均將立即關(guān)斷相應(yīng)的輸送系統(tǒng),溢油量取決于應(yīng)急反應(yīng)時間、輸送速率和管道的容積,關(guān)斷后管道內(nèi)殘留的部分液體將泄漏出去。因此這里均以其各自的管道容積與應(yīng)急關(guān)斷前溢出量之和作為它們的風(fēng)險溢油量。

對于供應(yīng)船,取其燃料油艙的容積作為風(fēng)險溢油量。

上述的溢油量是本著保守原則在極端前提下給出的,實(shí)際上的溢油量的大小受斷裂部位、裂口大小及應(yīng)急反應(yīng)措施的及時性和有效性的制約。

2.3 最大可信事故

由以上的分析可知,秦皇島32-6油田工程鉆/完井階段和生產(chǎn)階段的主要溢油事故來自井噴、平臺容器泄漏、火災(zāi)爆炸、直升機(jī)墜落、海管/立管泄漏、船舶碰撞等。不同的溢油事故帶來的環(huán)境風(fēng)險程度不同。事故風(fēng)險高低通常用風(fēng)險值大小來表征,風(fēng)險值定義為風(fēng)險概率與事故后果或危害程度的乘積。進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險分析的目的是識別那些環(huán)境風(fēng)險程度較高的溢油事故,從而采取相應(yīng)的防范措施。

根據(jù)各類事故發(fā)生概率和可能發(fā)生的溢油規(guī)模,可將油田開發(fā)工程溢油事故的相對環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行歸納(表8)。

表8 各類溢油事故環(huán)境風(fēng)險判別

以下就油田溢油事故中環(huán)境風(fēng)險相對高的井噴、海管/立管破裂和平臺起火爆炸的環(huán)境風(fēng)險樹進(jìn)行分析,以確定各種事故情況下的環(huán)境風(fēng)險級別。環(huán)境風(fēng)險級別依次分為A、B、C、D四級。A級表示對環(huán)境影響嚴(yán)重,D級表示對環(huán)境無影響。

圖1 井噴事故環(huán)境風(fēng)險事故樹

表9 井噴事故環(huán)境風(fēng)險事故樹定量化分析

從井噴事故環(huán)境風(fēng)險事故樹及其定量化分析(圖1,表9)可以看出。一旦發(fā)生井噴,則多數(shù)情況下將發(fā)生火災(zāi)和爆炸。在發(fā)生井噴而未發(fā)生火災(zāi)的情況下,井噴物將全部進(jìn)入海洋,故環(huán)境風(fēng)險級別為A。發(fā)生井噴火災(zāi)—爆炸/未爆炸事故的頻率分別為3.1×10-4次/a和3.4× 10-5次/a。當(dāng)井噴引起火災(zāi)和爆炸事故時,雖然部分井噴物被燃燒,減少了進(jìn)入大氣和海洋的總量,但是火災(zāi)和爆炸事故將可能引起事故升級,因此井噴而導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸時的環(huán)境風(fēng)險級別也為A。

圖2 海管/立管事故環(huán)境風(fēng)險事故樹

表10 海管/立管事故環(huán)境風(fēng)險事故樹定量化分析

海管泄漏介質(zhì)主要為原油。由于其泄漏源在水下,因而一般情況下不會出現(xiàn)火災(zāi)和爆炸事故。泄漏到海面上的油氣通常不會被引燃,多數(shù)情況下圍油欄能夠起到圍油作用。只有當(dāng)圍油欄或溢油分散劑不起作用時,才會出現(xiàn)B級環(huán)境風(fēng)險。如果泄漏得不到控制,且圍油欄和溢油分散劑均不起作用時,則會出現(xiàn)A級環(huán)境風(fēng)險,本油田開發(fā)工程項目海管泄漏風(fēng)險概率為9.3×10-5次/a(圖2,表10)。

3 溢油風(fēng)險管理

防止溢油事故發(fā)生的最有效的途徑就是從工程設(shè)計、施工建造和安裝以及生產(chǎn)管理上采取有效的防范措施,消除事故隱患,及時制止事故苗頭,盡可能避免油氣泄漏事故的發(fā)生。

3.1 設(shè)計階段防范措施

為保證工程各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)性和抗疲勞程度,在設(shè)計階段應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),正確應(yīng)用設(shè)計規(guī)范和建造安裝規(guī)范。工程設(shè)計嚴(yán)格執(zhí)行國家有關(guān)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及遵循國際通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),實(shí)施這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可以保證工程設(shè)計、建造和安裝質(zhì)量,是確保安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

海底管道和立管的設(shè)計,以國際上認(rèn)可的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),選用大于設(shè)計壽命的環(huán)境條件重現(xiàn)期。海底管道及立管外管的防腐采取防腐涂層與陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)方法,還留有一定的腐蝕余量,在輸送流體中加入緩蝕劑、殺菌劑進(jìn)一步阻止海管內(nèi)部腐蝕。作為應(yīng)急措施,設(shè)置有應(yīng)急安全閥,在緊急情況下可以進(jìn)行緊急關(guān)斷保護(hù)。

3.2 施工階段防范措施

為防止鉆井階段井噴事故的發(fā)生,工程建設(shè)應(yīng)采取如下措施:① 井口控制安全屏蔽由機(jī)械或液壓控制的監(jiān)測裝置組成,用來控制井噴;② 選擇優(yōu)質(zhì)封隔器并及時更換損壞元件;③ 配備安全有效的防噴設(shè)備和良好的壓井材料及井控設(shè)備;④ 對關(guān)鍵崗位的操作人員進(jìn)行專業(yè)技術(shù)培訓(xùn),堅持持證上崗,建立健全井控管理系統(tǒng);⑤加強(qiáng)生產(chǎn)時的觀測,及時發(fā)現(xiàn)先兆,按正確的關(guān)井程序?qū)嵭杏行Э刂?并及時組織壓井作業(yè);⑥ 設(shè)置二氧化碳滅火系統(tǒng),關(guān)鍵場所設(shè)手提滅火器;⑦ 制定嚴(yán)密的溢油應(yīng)急計劃,一旦發(fā)生井噴便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施;⑧ 保證鉆井、鉆井液處理和壓井等設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn);⑨ 配備反應(yīng)靈敏的滅火系統(tǒng);⑩ 嚴(yán)格實(shí)施鉆井作業(yè)規(guī)程,防止違章作業(yè),將人為因素降至最低;配置守護(hù)船值班;在鉆/完井作業(yè)過程中備足鉆井液材料,以便及時、妥善地處理可能遇到的溢流和井涌。

3.3 生產(chǎn)階段防范措施

3.3.1 海底管道事故防范措施

① 嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行施工,并在施工中保證海底管道焊接質(zhì)量。海管電纜施工作業(yè)期間加強(qiáng)對原有設(shè)施的保護(hù)。管道鋪設(shè)完成,要進(jìn)行掃線、清管和試壓。② 制訂相應(yīng)的管線保護(hù)和檢測程序,由值班船對管線沿途進(jìn)行巡視,驅(qū)散在安全區(qū)范圍內(nèi)作業(yè)的漁船,對海底管道進(jìn)行不定期局部檢測和定期全面檢測,確保海底管道的安全性。③ 油氣儲運(yùn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備和管線均設(shè)置相應(yīng)的壓力、液位和溫度報警系統(tǒng)與安全泄壓保護(hù)裝置,對易于發(fā)生泄漏的管路全部根據(jù)最大壓力和最高溫度設(shè)計,重要生產(chǎn)裝置和單元均設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)。④ 定期對油田各條管線進(jìn)行清管作業(yè),以減少腐蝕等原因?qū)芫€的影響。所有新建海底管道入口設(shè)置旁路式內(nèi)腐蝕監(jiān)/檢測裝置,在生產(chǎn)中定期通過內(nèi)腐蝕監(jiān)測裝置監(jiān)測管道腐蝕情況。⑤ 在海管電纜交叉跨越鋪設(shè)施工時,采用混凝土支墩法等保護(hù)原有海管電纜的方法。在已有管道或電纜跨越位置的兩側(cè)放置混凝土墊塊,然后將新建管線鋪設(shè)于混凝土壓塊上方,最后再在交叉點(diǎn)位置新建管線上方鋪設(shè)一層混凝土壓塊,以保護(hù)新建管線。實(shí)際施工時采用水下機(jī)器人ROV進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,從而保障施工質(zhì)量。⑥加強(qiáng)巡視和監(jiān)測,防止?jié)O船拋錨等作業(yè)對管線的損害。

3.3.2 平臺容器泄漏事故防范措施

① 設(shè)計中針對各生產(chǎn)設(shè)施采取充分的安全防護(hù)措施,精心考慮各部分的合理布放,對危險區(qū)采用防火、防爆設(shè)備,并采取有效的隔離措施來降低危險程度。② 主要設(shè)備、生產(chǎn)裝置和單元均設(shè)置相應(yīng)的壓力、液位和溫度報警系統(tǒng)與安全泄壓保護(hù)裝置及應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)。③ 在生產(chǎn)工藝區(qū)裝備火焰和氣體探測器,以監(jiān)測工藝流程中的火情和可燃?xì)怏w濃度,發(fā)現(xiàn)異常及時報警。

3.3.3 船舶碰撞事故防范措施

制訂相應(yīng)的保護(hù)和檢測程序,由值班船對平臺周圍進(jìn)行巡視,驅(qū)散在安全區(qū)范圍內(nèi)作業(yè)的漁船,確保平臺設(shè)施的安全性。按照《海上固定平臺安全規(guī)則》的要求在平臺上設(shè)置助航標(biāo)識燈、障礙燈、霧笛平臺標(biāo)志牌等。

4 小結(jié)

溢油風(fēng)險分析與措施制定是海上油田開發(fā)環(huán)境保護(hù)管理的重要環(huán)節(jié),也是溢油應(yīng)急決策制定與判斷的基礎(chǔ)。通過分析建設(shè)與生產(chǎn)階段各個環(huán)節(jié)溢油事故發(fā)生的概率,并制定具有針對性的措施,是海上油田開發(fā)順利進(jìn)行保障。同時風(fēng)險概率分析也將為事故發(fā)生后溢油污染環(huán)境預(yù)警和污染處置措施的制定提供技術(shù)支持。

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國家科技支撐計劃(2012BAC14B02);中國海洋石油總公司科技項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25JAB NFCY 2012-02).