李純軍

(中國石油遼河油田油氣集輸公司)

0 引 言

隨著石油勘探開發(fā)的重點由淺海向深海、超深海轉(zhuǎn)移，海洋石油勘探開發(fā)已成為重要的開發(fā)方式之一。隨著世界范圍內(nèi)能源消耗的增加，海洋石油勘探開發(fā)活動逐漸加劇。原油從油田經(jīng)煉化后運送至消費者整個鏈條，共需10～15個環(huán)節(jié)，如油輪、管道、鐵路、油罐車等[1]。在原油輸送環(huán)節(jié)，均存在溢油風險[2]。據(jù)粗略統(tǒng)計，30%～50%溢油事件是由人類活動導致的，20%～40%溢油事件是由于設備設施失效或故障導致的[3]。

溢油事件的發(fā)生會導致惡劣的環(huán)境影響、經(jīng)濟處罰等。2010年4月20日，震驚中外的墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生井噴著火，進而引發(fā)大規(guī)模溢油事件[4]。經(jīng)過近三個月，作業(yè)者才將水下漏油點堵住，溢出的原油污染了近155萬km2的海域，對墨西哥灣沿岸的生態(tài)環(huán)境造成了巨大影響。BP公司為處理水下漏油口封堵、海上溢油付出了巨大代價，最終被處以208億美元罰款。

顯然，海洋環(huán)保重點工作之一就是防止溢油事件發(fā)生[5]。政府部門制定了嚴格的法律條文，各大石油公司針對海洋石油溢油也建立了完整性管理體系，建立了溢油應急處置體系，并開發(fā)了一些處理技術[6]。事實上，近十年來，隨著HSE管理的升級，溢油事件發(fā)生的頻率逐漸減少[7]。

為此，本文總結(jié)了海洋石油溢油的幾種類型，綜述了溢油監(jiān)測的主要方式、原理和應用，總結(jié)了溢油處理的常用技術，并對溢油探測和處理技術的發(fā)展提出了展望。

1 上游海洋溢油事故分類

海洋石油勘探開發(fā)和運輸各個環(huán)節(jié)，水上、水下各類設備設施均存在發(fā)生溢油事件的可能[1]。石油工業(yè)可粗略地分為上游和下游兩個領域[2]。海洋石油勘探、開發(fā)和運輸均屬于上游，本文將海洋石油溢油從鉆完井、海底管道、油輪等方面[5]開展論述。

1.1 鉆完井溢油

井噴失控是鉆完井過程中最大的風險，也是性質(zhì)最惡劣、危害最大的事故[8]。井噴發(fā)生的原因有多種，對地質(zhì)條件和穩(wěn)定性估計不足，鉆井操作會引發(fā)地質(zhì)失穩(wěn)，進而引發(fā)井噴泄漏；鉆井過程中操作不當也可能導致井噴事故，如水泥密度選取不合理、水泥未按規(guī)定返至地面等情況；設備設施管理不嚴格也存在類似風險隱患，如防噴器組等井控設備未按期檢驗、井下安全閥未安裝等問題[9]。鉆完井過程中，人為操作失誤是引發(fā)溢油風險的最主要原因[2]。當發(fā)生鉆完井失控時，首先發(fā)生井涌，繼而發(fā)生更嚴重的井噴；若不能及時控制井噴，則可能發(fā)生火災爆炸事故和溢油事件，這對于海洋石油生產(chǎn)來說是災難性的。

1.2 海底管道溢油

海底管道是海上平臺向外輸送油氣產(chǎn)物的最主要手段[10]。海底管道一般從海上平臺至陸岸終端，灘淺海油田海底管道長度稍短，深海和超深海原油管道則長度較長，可達上百公里[11]；灘淺海油田海底管道埋深較淺，一般在10 m以下，對于深海、超深海海上油田，管道鋪設最大水深可達3 000 m，目前全球范圍內(nèi)有接近200條超過1 000 m以上的海底管道。從原油管道流動保障的角度，海底管道應帶有一定厚度的保溫層，并采用清管等手段保證海底管道的流動截面[12]。當然，在海底管道設計和鋪設時，應確保海底管道的路由和埋深符合相關規(guī)范，同時應避開錨區(qū)。但在海浪的作用下，海底管道仍有被沖出原路由的可能，即出現(xiàn)海底管道裸露、懸空等問題[13]。因第三方破壞、海洋環(huán)境等引發(fā)的海底管道破壞失效事故屢見不鮮。由于海底管道內(nèi)油氣壓力較高，若出現(xiàn)管道破損發(fā)生溢油事故，管內(nèi)原油會源源不斷涌出，若管道埋深較深，海洋溢油的范圍會進一步擴大。

1.3 油輪溢油

世界原油產(chǎn)量的60%是通過油輪運輸?shù)?，油輪一般用來將原油從產(chǎn)地輸送至油庫或港口，是大規(guī)?？缪筝斔驮偷闹饕绞街籟14]。一艘典型的大型油輪長度在300～330 m，其橫梁約為50～60 m，可輸送大約200萬桶原油(3.18×105m3)[2]。同樣地，海上浮式生產(chǎn)儲油輪(Floating Production Storage & Offloading，F(xiàn)PSO[15])除了具備原油輸送功能，還有生產(chǎn)和儲存的功能。相撞(兩艘油輪相撞)和撞船(油輪撞向固定設施)是油輪碰撞的兩種形式，馬來西亞Bunga Kelana 3號碰撞和Exxon Valdez觸礁引發(fā)的溢油是典型的溢油和環(huán)境污染事件[16]。雖然油輪溢油不像鉆完井、海底管道會源源不斷地溢油，但由于其原油運輸量較大，對海洋環(huán)境的危害同樣不可忽視。

2 探測技術

原油是黑褐色黏稠油狀液體，由于密度低于海水，溢出后的原油漂浮于水面；在油層和水層之間原油和水(以及鹽水)可以形成復雜的乳狀液[17]。乳狀液的穩(wěn)定性與原油種類和物性(如稠油、含蠟原油等)、海水含鹽量[18]、溫度有關，也受到波浪、潮汐[19]的影響。

大多數(shù)海洋溢油事件發(fā)生在海洋表面[20]，因此較多的溢油模型假設溢油發(fā)生在海洋表面，建立了二維海平面擴散數(shù)學模型[21]；但是，溢油源頭在水下的情況不可忽略[22]，因此三維模型才是更通用、更適用的溢油擴散模型[23]。

在明確原油物性、風化程度、來源及對環(huán)境的潛在影響之后，原油溢油監(jiān)測技術才有意義，才能更準確。利用漂浮原油與海水之間、以及不同厚度油層對各種波長的光吸收透過特性的差異，開發(fā)了眾多遠程探測和監(jiān)測技術，如可見光、紅外線、紫外線等，用來遠程確定是否發(fā)生溢油及溢油層厚度。各種技術均有各自的優(yōu)缺點和適用條件，目前更偏重于各類技術的綜合運用和小型化發(fā)展，在此總結(jié)了目前常用的、適用于海洋溢油的遠程監(jiān)測技術。

2.1 視覺感受器

視覺感受器[24](Visual Sensors)是指使用可見光譜的設備或技術，通常包括傳統(tǒng)攝像機和視頻攝像機，這些設備成本較低。由于在正常使用時，其設備會受到干擾(見圖1)，因此主要被用來記錄泄漏或為其他手段提供參考。

圖1 海上溢油照片[1]

2.2 紅外傳感器

紅外傳感器(Infrared Sensor)是指利用紅外技術對海洋溢油監(jiān)測的技術[25]。由于水上漂浮的原油可吸收太陽的紅外輻射，在紅外成像中，發(fā)生溢油的區(qū)域與未發(fā)生溢油的區(qū)域有顯著的顏色區(qū)別(見圖2)，這可作為區(qū)分溢油與否的一項重要技術。但是海洋中的其他物質(zhì)也會干擾溢油區(qū)域識別的準確性，如雜草、生物油、碎屑、海洋和河流前沿等均有類似信號[25]。此外，由于不同厚度的原油對紅外光吸收度不同，與視覺傳感器相比，紅外傳感器不僅能確定該區(qū)域有無原油，還可提供原油厚度等信息[26]。當然，由于原油比熱容小于水，夜間溢油區(qū)域比周圍海水冷，考慮其他各類干擾因素，紅外傳感器不適用于夜間的探測。

圖2 海上溢油紅外照片[1]

2.3 激光熒光傳感器

以上兩節(jié)針對的是原油對于可見光和紅外光兩種光的透過和吸收現(xiàn)象。同樣地，原油被紫外光譜中的激光照射可觸發(fā)熒光現(xiàn)象，針對紫外光譜所開發(fā)的探測技術被稱為激光熒光傳感器(Laser Fluorosensors)[27]。由于所受干擾很少，激光熒光傳感器是目前最強大的遙感工具。但激光熒光傳感器缺點是成本過高、尺寸過大、質(zhì)量過大。

2.4 無源微波傳感器

根據(jù)不同厚度浮油對微波輻射吸收信號的不同而開發(fā)的技術被稱為無源微波傳感器(Passive Microwave Sensors)[25]。雖然此技術不能完全用來測量溢油層絕對厚度，但可以測量相對厚度。其優(yōu)點是可適用于大霧和黑暗中的檢測，缺點是空間分辨率差、成本相對較高。

2.5 雷 達

以上4種檢測方式是借助原油和海水對不同頻率光的吸收和反射特性差異，雷達(Radar)可借助浮油對小波浪(長度約為幾厘米)的平息作用開展檢測[26]。但利用雷達檢測時容易出現(xiàn)假目標。此外，雷達技術適用的風速范圍為2～6 m/s，低于此風速范圍，小波浪在溢油區(qū)和海洋之間產(chǎn)生的信號差異不能被雷達檢測到；高于此風速范圍，波浪可通過溢油層傳播，雷達無法檢測出波浪之間的波谷，無法獲得有效的數(shù)據(jù)。同樣地，此方法不適用于海岸線附近或海岬之間，因為風的雷達信號與原油類似。雷達技術雖然由于設備體積大、費用高，適用范圍有限，但卻比較適用于大范圍搜索，尤其適用于夜間、霧天及其他惡劣條件下使用。

2.6 衛(wèi) 星

許多衛(wèi)星可提供可見光譜圖像，但除非出現(xiàn)大規(guī)模原油溢出，使原油與海洋形成鮮明對比，否則無法從這些圖像中看到石油[28]。目前有若干雷達衛(wèi)星，其適用條件與雷達類似。盡管有這些限制，衛(wèi)星雷達圖像在繪制大型石油泄漏的地圖時特別有用，可在幾個小時內(nèi)提供數(shù)據(jù)，這在溢油處置中非常重要?，F(xiàn)代的溢油大多依賴于雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

3 處理技術

為防止?jié)撛谝缬?、溢油擴散及對環(huán)境造成的二次污染，需對已發(fā)生的溢油進行處理?；谟退换ト?、原油密度低于海水等原油物理化學特性、海洋海浪和洋流的遷移作用，可選擇使用物理屏障等方式對溢油進行控制?？紤]到油水乳狀液的性質(zhì)，對溢油回收處理時需進行破乳，進行油水分離，以提高溢油處理效率。但在溢油初期，同一個地方會源源不斷地涌出原油，圍油欄和撇油器等效果不佳時，需要開展溢油原位處理。

3.1 圍油欄

圍油欄是漂浮的物理屏障[29]，主要有三個作用：一是防止原油在水面上擴散，使原油集中，增加其厚度以促進原油回收；二是將溢油轉(zhuǎn)移到海岸線上合適的收集點，以便隨后通過真空卡車、泵等進行清除；三是將溢油從經(jīng)濟上重要或生物上敏感的地點轉(zhuǎn)移，如港口入口、發(fā)電站等。

為承受風和浪的力量，圍油欄由浮力材料和縱向張力構件(鏈或鋼絲)制成[30]，最重要的特性是其防油能力和抗彎曲能力。最常用的是硬性圍油欄和吸附性圍油欄[31]，硬性圍油欄主要由圓柱形浮子組成，吸附性圍油欄包含了一根能用來吸附原油的柱形材料，但吸附性圍油欄缺乏硬性圍油欄擋油的材料，不能長時間使用。

海浪、水流、潮汐和原油的快速擴散可能會限制圍油欄的操作[31]。圍油欄的有效設計和布設可以最大限度地減少風浪等自然條件的影響。圖3為包圍島嶼的圍油欄。

圖3 包圍島嶼的圍油欄[2]

3.2 撇油器

撇油器是一種機械裝置，主要用來除去水面上浮的油[32]，其在大小、應用、容量及回收效率方面差異很大。按工作原理，可將撇油器分成不同的類型，如圓盤撇油器、刷式撇油器或堰式撇油器，因此可適用于不同的區(qū)域(如近海、淺水或河流)、回收不同黏度的原油(如重油或輕油)等。撇油器有多種形式[33]，包括內(nèi)置在船舶或密封裝置中的獨立裝置，以及以固定或移動(前進)模式運行收油的裝置。撇油器可帶有儲存回收原油的空間，或含油分離器以處理回收的原油。

撇油器的有效性是根據(jù)其回收的油量以及隨油帶走的水量來評定的，取決于多種因素，如石油泄漏的類型、石油的性質(zhì)(如黏度、滑膜厚度)、海洋條件、風速、環(huán)境溫度及冰或碎屑的存在。多數(shù)撇油器在浮油相對較厚的時候能發(fā)揮最好的作用，當油層較薄時則使用效果受到影響。因此，在撇油器有效使用之前，必須用圍油欄收集原油。為了盡可能多地回收原油，撇油器被放置在油柵前面或任何原油最集中的地方。

3.3 原位燃燒

原位燃燒是一種在泄漏地點控制原油燃燒的技術，可以迅速地從水面上除去溢油[34]。而且其除油效率高，對厚浮油，去除效率可以輕易超過90%[35]。其做法也相對簡單，將用圍油欄控制的浮油，用點火裝置點燃，可以非常迅速地啟動溢油的原位燃燒[36]。溢油原位燃燒的情況見圖4。

圖4 溢油原位燃燒[2]

4 結(jié)論與展望

近年來，隨著海洋石油勘探開發(fā)技術的進步和海洋HSE監(jiān)管的更加嚴格，海上溢油事故有所減少。但海洋石油勘探、開發(fā)和運輸各環(huán)節(jié)仍存在溢油風險，尤其是鉆完井過程、海底管道、油輪碰撞等，溢油風險相對較高。目前，對于海洋石油容易導致溢油風險環(huán)節(jié)已經(jīng)有很多研究成果，風險辨識、評價相對比較清楚；對于原油物性、油水乳狀液性質(zhì)也有較深的研究。目前可采用視覺感受器、紅外傳感器、激光熒光傳感器、無源微波傳感器、雷達、衛(wèi)星等一種或多種技術開展遠程溢油監(jiān)測，同時采用圍油欄圍控海上溢油，利用撇油器、原位燃燒等方式處理溢油，海洋溢油探測和處理技術仍在不斷發(fā)展中。

基于對以上兩項技術的理解，提出兩點展望：

一是傳感器技術的進步將推動以遠程監(jiān)測為主的應急探測工具開發(fā)，高敏度相機和熱紅外相機價格相對低廉，可以進一步降低成本，減小傳感器尺寸和復雜性。多技術耦合的遠程探測技術將適用于不同情況下的溢油監(jiān)測。計算機能力的迅速提升將綜合處理不同技術的檢測數(shù)據(jù)，以提高海上溢油探測的精確性。

二是隨著對油水乳狀液物性、波浪流等研究的不斷深入，在溢油圍控、回收、燃燒之外，將開發(fā)出更多的原油溢油處置技術和一體化、撬裝化的處理裝置，溢油處置效率有望進一步提高，對環(huán)境的影響也有望進一步降低。