李楊，孫壽偉，袁宇翔，宋燕，馬駒，王永林

1.中海石油環(huán)保服務(wù)（天津）有限公司（天津 300452）

2.海油發(fā)展安全環(huán)保公司安全環(huán)保研究院（天津 300452）

0 引言

隨著我國海洋石油工業(yè)的持續(xù)發(fā)展與進步，海洋石油勘探活動規(guī)模和強度不斷增加，溢油事故已成為不可忽視的一項風(fēng)險。井噴溢油事故具有處理時間長、處置難度大、對生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的特點，是最為嚴(yán)重的環(huán)境污染事故類型之一[1]。

目前我國對溢油應(yīng)急機械回收設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)較為緩慢[2]，溢油應(yīng)急設(shè)備的智能化、無人化程度較低，部分溢油應(yīng)急機械回收設(shè)備已不能有效地應(yīng)對可能出現(xiàn)的井噴溢油事故。同時溢油應(yīng)急設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)過多著眼于法律法規(guī)和環(huán)境影響評估的要求，忽略了溢油應(yīng)急設(shè)備作為特種設(shè)備對事故極端環(huán)境下的耐受性。本文結(jié)合井噴事故特點，通過介紹防火圍油欄和撇油器設(shè)備的現(xiàn)狀，分析行業(yè)現(xiàn)有溢油應(yīng)急處置能力，得出防火圍油欄和撇油器的適用性與井噴溢油事故實際處置需求之間的差距，展望未來我國溢油應(yīng)急設(shè)備發(fā)展方向。

1 海上井噴事故場景分析

1.1 事故現(xiàn)場狀況分析

井噴是指鉆井過程中地層流體（石油、天然氣、水等）的壓力大于井內(nèi)壓力而大量涌入井筒，并從井口無控制地噴出的現(xiàn)象。井噴事故一旦發(fā)生于海上平臺，極有可能導(dǎo)致溢油事故。溢油事故處置過程中，首要任務(wù)是切斷溢油源，而在井噴事故中溢油源的切斷往往沒有固定規(guī)律可循，由于海上事故現(xiàn)場的復(fù)雜情況和海上井控作業(yè)的固有難度，溢油源的切斷過程往往較慢。2010 年美國墨西哥灣深水地平線鉆井平臺從事故爆發(fā)到切斷溢油源共85 天，次年的蓬萊19-3 油田溢油事故處理約80 天。從以往的規(guī)律來看，由井噴事故引起的溢油事故往往具有處理時間長、溢油量大的特點，這就意味著溢油在海面存在時間較長，溢油經(jīng)過一系列物理化學(xué)變化后黏度不斷升高，溢油的機械回收難度增大[3]。

1.2 海上井噴溢油事故應(yīng)急處置方法

井噴事故發(fā)生后，在溢油源不能被立即切斷的情況下，最為主要的任務(wù)是控制溢油，防止進一步擴散，最為常見的方式是用圍油欄圍控溢油。對于水面以上的溢油泄漏點，宜采用防火圍油欄以“O”型圍控事故平臺[4]，配合撇油器回收圍控區(qū)的溢油；如果溢油逃逸至圍控區(qū)外側(cè)，宜用工作船以“U”型或“J”型形成工作單元或自由組成回收單元進行溢油攔截和回收，溢油泄漏量較大時，可以在水面布放防火圍油欄對海面溢油進行聚集和燃燒。因此在井噴溢油事故處置中，防火圍油欄主要用于水面以上溢油的圍控與燃燒處置。海上井噴溢油事故處置方法如圖1所示。

圖1 海上井噴事故現(xiàn)場溢油處置圖

控制回收水面以下的溢油較為困難。2010 年美國深水地平線事故發(fā)生時，英國BP石油公司采用了包括吸油罩、虹吸管吸油等方法回收水下溢油，受限于墨西哥灣作業(yè)區(qū)域復(fù)雜的海底環(huán)境，上述方法在溢油控制上取得的效果一般，未能從根本上在井控作業(yè)成功前控制大部分溢油。我國深水區(qū)域的溢油監(jiān)測與處置近年來有所進步，深水溢油輸移擴散模擬取得了一定的進展[5]；在水下可以采取水下機器人配合漁網(wǎng)狀吸油拖欄對水下溢油進行回收[6]；水下消油劑噴灑技術(shù)在近年來快速發(fā)展，在滿足法律法規(guī)的前提下也可作為一種處置水下溢油的方式[7]。

雖然我國在水下溢油處置技術(shù)和裝備方面取得了一定的進展，但由于水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，水下溢油探測預(yù)測以及處置等方面的技術(shù)儲備不足，我國溢油水下處置能力仍較為薄弱[8]?，F(xiàn)階段我國應(yīng)對海上井噴導(dǎo)致溢油事故的技術(shù)手段仍以對海面溢油的圍控、回收、吸附、燃燒為主。

2 防火圍油欄

2.1 防火圍油欄現(xiàn)狀

防火圍油欄是處置海上井噴溢油事故最常用的裝備，一方面用于溢油源的“O”型圍控，防火圍油欄可對海面溢油形成的流淌火進行有效防控，聚集溢油使其便于回收，從而減小溢油的不利影響；另一方面在溢油量較大時，可以聚集溢油采用燃燒的方式處置溢油。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34621—2017《圍油欄》對防火圍油欄的防火性能要求如下：連續(xù)向防火圍油欄實驗段內(nèi)傾入不少于20 mm 厚的實驗油并點燃，維持燃燒30 min，待實驗油充分自燃后，檢查防火圍油欄，金屬件應(yīng)無明顯變形，水下裙體、柔性段應(yīng)完好。采用防火阻燃涂料或包布的，只要不破壞防火圍油欄的主體結(jié)構(gòu)，允許出現(xiàn)燒毀或脫落。

國內(nèi)廠商銷售的防火圍油欄絕大多數(shù)為固體浮子式防火圍油欄，此種防火圍油欄浮體由耐高溫鋼體浮子充當(dāng)，水下裙體由耐高溫PVC或橡膠材料制成，此種類型圍油欄優(yōu)點在于制造成本較低，布放操作簡易，但機械性能一般，不耐沖擊和摩擦，圍油欄經(jīng)火焰長時間灼燒后容易解體失效。我國生產(chǎn)的WGJ型防火圍油欄如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)WGJ900 H型防火圍油欄

國外部分廠商生產(chǎn)的防火圍油欄防火能力達到了較為理想的水平。美國某公司生產(chǎn)的American固體浮子式防火圍油欄可抵御1 100 ℃高溫，在火燒情況下可維持圍油欄完整性11 h，并在2010年美國墨西哥灣深水地平線溢油事故處理中發(fā)揮了較為良好的作用，American 固體浮子式防火圍油欄作業(yè)情況如圖3所示。該公司生產(chǎn)的Hydro-Fire水冷式防火圍油欄采用海水作為冷卻介質(zhì)，在火燒情況下維持圍油欄完整性12 h，Hydro-Fire 水冷式防火圍油欄作業(yè)情況如圖4所示。

圖3 American固體浮子式防火圍油欄作業(yè)現(xiàn)場

圖4 Hydro-Fire水冷式防火圍油欄作業(yè)現(xiàn)場

2.2 井噴場景下防火圍油欄適用性分析

在井噴溢油事故中，溢油圍控最重要的是對事故中心區(qū)域的圍控。從歷史事故來看，井噴事故處置周期長，處置周期內(nèi)大量工程船對事故點進行井控、消防、拆除平臺倒塌構(gòu)筑物等工程作業(yè)，防火圍油欄在風(fēng)浪的作用下乘波擺動，不斷經(jīng)受平臺倒塌構(gòu)筑物的摩擦、船舶的沖擊及流淌火灼燒，圍油欄容易因灼燒或機械損傷導(dǎo)致失效，因而提升防火圍油欄的防火性能、機械性能以及保持圍油欄長期圍控的有效性是處理井噴溢油事故的難點。目前防火圍油欄的局限性在于：

1）防火圍油欄主要適用于平靜海況時溢油的圍控作業(yè)，在開闊水域作業(yè)時，海況等級超過四級，防火圍油欄極易失效，圍控效果大幅降低。根據(jù)以往事故處置經(jīng)驗，井噴事故處置時間長達數(shù)月，在對固定海上平臺數(shù)月的處置期內(nèi)，偶發(fā)的惡劣海況對防火圍油欄的圍控造成較大影響，已圍控溢油存在逃逸的風(fēng)險。

2）井噴溢油事故中對防火圍油欄的耐灼燒程度的要求，遠超國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火圍油欄在20 mm 厚實驗油燃燒20 min 的耐灼燒強度，國產(chǎn)防火圍油欄在事故現(xiàn)場高溫火焰灼燒下可能解體，失去對溢油的圍控作用。

2.3 防火圍油欄產(chǎn)品開發(fā)展望

2.3.1 加強提升惡劣海況下防火圍油欄圍控效果的研發(fā)

在惡劣海況下圍控溢油一直是行業(yè)內(nèi)的一個難點，在惡劣海況影響下，溢油更容易逃逸，可增加防火圍油欄整體高度，提升圍控效果。增加圍油欄裙體高度可有效加大圍油欄失效的臨界水流速度[9]，干舷高度升高可有效提高飛濺失效的臨界水流速度[10]，因而增加防火圍油欄整體高度是提升圍油欄圍控效果的有效手段。目前國內(nèi)外市場防火圍油欄整體高度較低，一般不超過1.1 m，在此方面具備一定提升空間。

還可以通過研發(fā)新形狀的圍油欄提升圍油欄的圍控效果，在這一方面我國高校及科研院所對圍油欄的構(gòu)造做出了一定的創(chuàng)新。楊浩天、張川通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)改變圍油欄裙擺底部形狀可有效改變圍油欄的滯油性能[11]。生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境研究所開發(fā)了可拼接成型的抗風(fēng)浪圍油欄，如圖5所示，通過定位浮標(biāo)、GPS 定位儀及位置調(diào)整控制器及太陽能電池板可實現(xiàn)在惡劣海況下的圍油欄定位[12]，此類圍油欄稍加改造即可成為具備定位功能的防火圍油欄。西南石油大學(xué)科研團隊開發(fā)了一種防飛濺穩(wěn)固式圍油欄，如圖6所示，在傳統(tǒng)圍油欄的基礎(chǔ)上增加了溢油擋板，裙體改造為網(wǎng)狀裙體，減小了水流對水下圍油欄裙體的沖擊，有效提高了圍油欄在高速水域的穩(wěn)固性和防溢油飛濺能力[13]。

圖5 可拼接成型的抗風(fēng)浪圍油欄

圖6 防飛濺穩(wěn)固式圍油欄

2.3.2 加強對防火圍油欄防火性能與機械性能的研發(fā)

防火圍油欄可分為兩種：一種由防火材料制成的防火圍油欄，依靠防火材質(zhì)耐高溫特性；另一種則通過冷卻劑對圍油欄降溫，達到耐火要求。從兩種防火圍油欄在事故中的實際表現(xiàn)來看，兩種圍油欄的耐火性表現(xiàn)接近，均可抵御高溫燃燒10 h 以上。結(jié)合井噴事故現(xiàn)場對防火圍油欄較為嚴(yán)苛的性能要求，對比性能較為出色的防火圍油欄材質(zhì)上的差距，我國可在防火圍油欄欄體的耐火性能和機械性能方面進行探索。美國某公司開發(fā)的American防火圍油欄，采用高科技陶瓷作為浮體，含有不銹鋼織物的圍油欄包布。丹麥某公司開發(fā)的PyroBoom 防火圍油欄由特殊耐火材料和金屬材料制成。另外二代水冷式防火圍油欄因其獨有的水冷特性，在海上溢油處理中可長期抵御海面油火的灼燒，其存放和使用類似于普通充氣式橡膠圍油欄，具備存放占地面積小的優(yōu)點。美國某公司開發(fā)的Hydro-Fire二代防火圍油欄在深水地平線溢油事故處置中發(fā)揮了較為理想的效果。而對于水冷式圍油欄，國內(nèi)一些廠家僅申請了專利，尚無廠商對水冷式防火圍油欄進行量產(chǎn)。

機械性能方面，水冷型防火圍油欄由于存在氣室，容易出現(xiàn)像傳統(tǒng)充氣式圍油欄氣室損壞、圍油欄失效的情況；固體浮子式防火圍油欄中較出色的產(chǎn)品如美國某公司生產(chǎn)的American 固體浮子式圍油欄，其采用耐高溫PVC、不銹鋼織網(wǎng)、耐高溫陶瓷織物連接圍油欄各節(jié)欄體，即使PVC失效，織物和織網(wǎng)仍能維持圍油欄的整體性，且在作業(yè)現(xiàn)場耐刮擦，不會因機械損傷而輕易失效，因而在機械性能方面，固體浮子式防火圍油欄優(yōu)于水冷型防火圍油欄。

3 撇油器

3.1 撇油器現(xiàn)狀

撇油器是用于移除水面溢油的機械裝置，開闊水域多采用親油式撇油器對溢油進行回收，親油式撇油器一般包括撇油頭、動力站和儲油囊，在使用時用液壓管線將撇油頭和動力站連接，動力站向撇油頭提供動力，撇油頭刷輪轉(zhuǎn)動將水面溢油回收并由泵轉(zhuǎn)運至儲油囊。

撇油器在海上平臺井噴事故中，可由工作船吊裝進入事故中心圍控區(qū)對圍控的溢油進行回收，也可配合兩船布放的圍油欄對逃逸的溢油進行圍控集中回收。

3.2 井噴場景下撇油器適用性分析

井噴事故發(fā)生后，事故中心區(qū)域溢油在圍油欄圍控區(qū)域內(nèi)不斷累加，作業(yè)船舶吊裝撇油器進入中心圍控區(qū)域，對中心區(qū)域溢油進行回收，海上惡劣海況偶發(fā)，撇油器在惡劣海況下收油效率降低。在溢油回收作業(yè)時常受到工程作業(yè)的影響而無法按時進行，圍控區(qū)域內(nèi)原油不斷風(fēng)化和乳化，溢油黏度逐漸增高，導(dǎo)致撇油器無法回收。惡劣海況導(dǎo)致中心部分溢油逃逸，中心圍控區(qū)域外由兩艘或三艘工作船組成工作單元，形成“U”和“J”型圍掃回收溢油。

3.2.1 稠油的回收

親油式撇油器對中黏度（10～100 mPa·s）原油有著較好的回收效果，而對于高黏度（大于100 mPa·s）的稠油回收效果不甚理想。而井噴溢油事故現(xiàn)場由于其高危險性，存在溢油在圍油欄圍控區(qū)內(nèi)積存乳化風(fēng)化后黏度升高的現(xiàn)象。近年來我國新開發(fā)的部分海上油田出產(chǎn)油品達到了稠油或超稠油的水平，如我國遼東灣海域某海上油田出產(chǎn)油品黏度達到了74 462 mPa·s，超過了GB/T 31971.3—2015《船舶與海上技術(shù)海上環(huán)境保護撇油器性能實驗第3 部分高黏度油》規(guī)定的9 級原油——瀝青的黏度，一旦稠油海上油田發(fā)生溢油或圍控區(qū)溢油乳化黏度升高，常規(guī)的親油式撇油器和機械提升式撇油器在作業(yè)時，機械刷輪或提升設(shè)備的動力有限，將出現(xiàn)刷輪無法刷起稠油的情況。

3.2.2 撇油器的限制因素

親油式撇油器主要短板在于整套設(shè)備受限因素過多：適用于開闊水域的大型撇油器的撇油頭體積和質(zhì)量均較大，使用時需使用船用吊車才能完成布放；撇油器在甲板上的操作需人工手動參與，在危險的井噴溢油事故現(xiàn)場，人工作業(yè)增加了現(xiàn)場作業(yè)人員的人身傷害風(fēng)險；撇油器的操作半徑受限，因而在開闊水域配合“U”型或“J”型布放的圍油欄進行動態(tài)溢油回收作業(yè)時操作極為不便。

3.3 撇油器產(chǎn)品開發(fā)展望

3.3.1 開發(fā)針對稠油的鏟式撇油器

適用于開闊海域的刷式撇油器和機械提升式撇油器對稠油進行回收時效率大大降低，并且上述兩種撇油器對惡劣海況的耐受力較弱。鏟式撇油器對于回收海面稠油、過度風(fēng)化形成的塊狀原油效果極佳，回收速率快。同時惡劣海況對此種溢油回收方式幾乎沒有影響，在惡劣海況下，無論是回收風(fēng)化的溢油或稠油，鏟式撇油器均能起到理想的效果。我國尚無廠家生產(chǎn)此種裝備，芬蘭某公司開發(fā)的LAMOR LRB撇油器集刷式撇油器和鏟式撇油器功能為一體，如圖7和圖8所示，該設(shè)備可在開闊水域、冰區(qū)、岸灘高效清理回收溢油。國內(nèi)廠商可以此為參考，開發(fā)具備較高機械性能、可搭載于工作船的鏟式撇油器。

圖7 LAMOR LRB撇油器在開闊水域作業(yè)

圖8 LAMOR LRB撇油器在冰區(qū)作業(yè)

3.3.2 開發(fā)集動力、回收、儲油于一體的自航撇油器

基于撇油器設(shè)備較為沉重，動力模塊、撇油模塊、儲油模塊相互分離，撇油器操作受人力限制等因素，開發(fā)集動力、回收、儲油于一體的自航撇油器或自動收油船可大大提升撇油器在海面的機動性和收油效率，減小海上溢油回收作業(yè)人員的操作風(fēng)險。目前行業(yè)內(nèi)現(xiàn)存溢油回收設(shè)備智能化較低[14]，對自航撇油器或自航溢油收油船的開發(fā)還處于探索階段，僅提出了相關(guān)理論，尚未有國內(nèi)外廠商生產(chǎn)，但溢油回收船舶無人化仍是造船行業(yè)的趨勢[15]，未來自航撇油器、自航溢油回收船或?qū)⑴c無人機系統(tǒng)和溢油偵測雷達系統(tǒng)結(jié)合，在事故現(xiàn)場指定區(qū)域范圍內(nèi)開展溢油回收工作，用自航撇油器代替人工作業(yè)的方式將更加安全、高效。

4 結(jié)束語

海上油氣井噴溢油是嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染事故，事故危害大，持續(xù)時間長，在環(huán)境多變的海上處置溢油是一項高風(fēng)險高強度的作業(yè)。本文結(jié)合井噴事故現(xiàn)場狀況，對比分析當(dāng)前國內(nèi)外溢油應(yīng)急設(shè)備的實際情況和性能差距，對未來我國溢油應(yīng)急設(shè)備的研發(fā)進行合理預(yù)測和展望，以期為我國海洋環(huán)保裝備制造業(yè)提供參考和借鑒。