海上鉆井溢油預(yù)測(cè)與控制處理技術(shù)

田 崢，周建良，蔣世全，郝希寧，周定照

(中海油研究總院，北京 100027)

海上鉆井溢油預(yù)測(cè)與控制處理技術(shù)

田 崢，周建良，蔣世全，郝希寧，周定照

(中海油研究總院，北京 100027)

隨著世界海洋石油勘探開發(fā)由淺水向深海推進(jìn)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增加，海上溢油事故發(fā)生頻率增大。無論從造成的環(huán)境污染還是經(jīng)濟(jì)損失的角度，溢油災(zāi)害值得高度重視。調(diào)研了國內(nèi)外溢油監(jiān)測(cè)和污油處理兩方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀：一方面研究了國內(nèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)，從光譜和遙感監(jiān)測(cè)原理及方法的角度研究了海上溢油監(jiān)測(cè)方法等；另一方面，調(diào)研了溢油發(fā)生后處理技術(shù)。在全面調(diào)研國內(nèi)外溢油處理技術(shù)后，將其綜合分類為機(jī)械、化學(xué)等方法進(jìn)行了介紹。

海上鉆井； 溢油； 預(yù)測(cè)； 處理技術(shù)

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來，我國海洋石油工業(yè)和海運(yùn)事業(yè)迅猛發(fā)展。海上石油勘探開發(fā)具有投資風(fēng)險(xiǎn)大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、救援難度大、污染風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)；海運(yùn)事業(yè)則同樣面臨著運(yùn)輸安全的問題。2010年4月發(fā)生了震驚世界的墨西哥灣深水地平線平臺(tái)爆炸事故。此外，各國海運(yùn)(“克拉巴特山” 號(hào)、“東方大使”號(hào)、“RAYA ECLAT”號(hào)、“安?！碧?hào)、“曼德利”號(hào)等)中發(fā)生的溢油事故[1]亦不少見。因此，如何預(yù)防和治理溢油是海洋石油工業(yè)和海運(yùn)事業(yè)必須面對(duì)的問題。

1 溢油遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

1.1 海面油品監(jiān)測(cè)光譜識(shí)別原理

遙感監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)溢油的擴(kuò)散范圍、預(yù)測(cè)溢油漂移擴(kuò)散方向的重要手段。其原理主要是依據(jù)油膜對(duì)不同光譜區(qū)反射、散射的不同，選擇特定的光譜區(qū)監(jiān)測(cè)海上溢油，估算油膜厚度和海面油量。海水、輕油和重油的光譜反射曲線如圖1所示。

圖1 海水、輕油、重油的光譜反射曲線Fig. 1 Spectral reflection curves of seawater, light oil and heavy oil

根據(jù)油品在不同光譜段的光譜反射特征來研究溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)。光譜可大致分為可見光波段譜、熱紅外波段譜、紫外波段譜和微波波段譜。

在可見光波段，水面油膜比潔凈海面反射率大，應(yīng)用照相機(jī)和攝像機(jī)(工作于可見光波段0.4～0.7 μm)可以識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)，工作波段為0.63～0.68 μm的傳感器使得油膜與海水反差效果最好。

熱紅外波段譜識(shí)別技術(shù)則是利用紅外輻射計(jì)和掃描儀等設(shè)備接收和記錄紅外熱輻射能量，以此來識(shí)別油品光譜。

紫外光譜段波長(zhǎng)為0.01～0.4 μm，利用油膜產(chǎn)生的熒光特性來識(shí)別海面油膜。由于受到大氣氣溶膠的影響，紫外遙感主要在0.3～0.4 μm波段內(nèi)進(jìn)行，有效垂直高度范圍為0～200 m。其優(yōu)點(diǎn)是可以監(jiān)測(cè)薄油膜，缺點(diǎn)是受大氣條件如霧、云、煙等的影響，且夜間不能作業(yè)。

微波是波長(zhǎng)處在1～300 mm的電磁波。其具有較好的大氣透射率，受大氣條件影響較小。既可以在惡劣天氣條件下工作，也可以在黑夜中作業(yè)，具有較好的監(jiān)測(cè)性能。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為航空遙感監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和雷達(dá)監(jiān)測(cè)三種。

1.2.1 航空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著現(xiàn)代偵查手段的需要，航空傳感器系統(tǒng)迅速發(fā)展。航空遙感記錄波段范圍從可見光、紫外、紅外、遠(yuǎn)紅外到微波領(lǐng)域，極大地豐富了海岸帶監(jiān)視與調(diào)查中的領(lǐng)域和范圍，能夠用于確定溢油、區(qū)分懸浮泥沙和浮游生物。

然而，目前還沒有一種全能的傳感器在各種條件下均能提供監(jiān)測(cè)信息，需要將多種傳感器配合使用。因此，傳感器組成的綜合系統(tǒng)是目前最理想的溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

美國海岸警備隊(duì)配備的“空中慧眼”由五種傳感器組成：X波段側(cè)視雷達(dá)、微波輻射計(jì)、紅外掃描儀、紫外掃描儀、微光脈沖驅(qū)動(dòng)分幅攝像機(jī)。近年通過改進(jìn)，雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率提高到2000 kW(原454 W)，能發(fā)現(xiàn)21 km遠(yuǎn)處的321 lm強(qiáng)度的燈光，能對(duì)200 n mile以內(nèi)海域環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)圖像對(duì)于溢油現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和清理回收應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常明顯。衛(wèi)星圖像可以提供精確的溢油地理位置信息、擴(kuò)散范圍與漂移方向。利用高分辨率的圖像還可以分析油膜的物理形狀、油膜帶結(jié)構(gòu)和位置。圖2給出了一幅衛(wèi)星溢油監(jiān)測(cè)圖例。

圖2 衛(wèi)星溢油監(jiān)測(cè)圖例Fig. 2 Satellite monitoring of oil spill

如2000年4月19日發(fā)生在天津渤海老鐵山海域的油輪泄漏事故。通過衛(wèi)星監(jiān)測(cè)出其溢油中心位于38.7°N，121.0°E。油膜受風(fēng)浪潮汐作用向北偏東漂移18 km，漂移速度為0.45 km/h。經(jīng)計(jì)算油膜面積約20.57 km2，溢油量為1.99 t。

目前運(yùn)行的分辨率在30 m左右的衛(wèi)星有多顆，如SPOT、LANDSAT TM等?！昂Ｑ笠惶?hào)”(HY-1A)衛(wèi)星是我國第一顆海洋衛(wèi)星，其星下點(diǎn)地面分辨率為1 100 m，每行像元數(shù)為1 024，量化級(jí)數(shù)為10 bit，可見光輻射精度為10%。

1.2.3 星載合成孔徑雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種工作在微波波段的遙感器。通過對(duì)地發(fā)射微波，接收回波，產(chǎn)生二維圖像實(shí)施監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)條件不受日照和天氣條件限制，具有一定穿透能力。21世紀(jì)是SAR衛(wèi)星向縱深發(fā)展的新時(shí)期，高分辨率、多極化、多波段、多模式、短重復(fù)觀測(cè)周期衛(wèi)星組將為海上溢油監(jiān)測(cè)提供豐富的信息源。例如美國的Seasat-1衛(wèi)星。其系統(tǒng)性能見表1。

表1 Seasat-1衛(wèi)星系統(tǒng)性能

2 海上常規(guī)溢油處理技術(shù)

溢油事故發(fā)生后，最常用的做法是采用圍油設(shè)施將溢油限制在一定區(qū)域內(nèi)[2]， 然后再應(yīng)用其他技術(shù)清除溢油。目前，國際上對(duì)溢油的處理基本有兩大類：機(jī)械方法和化學(xué)方法。此外，還有少量使用的生物技術(shù)等輔助手段。

2.1 機(jī)械方法

機(jī)械方法主要是回收、吸附，然后對(duì)收回的含油污染物進(jìn)行二次處理。

2.1.1 圍堵回收處理法

二十多年來，數(shù)百種溢油圍堵、回收裝置已經(jīng)問世。最常用的裝置為圍油欄和各種撇油器等，如圖3所示。圍油欄可將溢油圍在一定區(qū)域內(nèi)予以回收；撇油器是溢油回收的主要設(shè)施，有帶式、圓盤式、拖把式等多種形式。目前，世界各國正在研制開發(fā)適應(yīng)性更強(qiáng)的外海浮木擋柵和撇乳器，可以在外海和急流中使用。

圖3 海上溢油圍欄Fig. 3 Oil spill fence

2.1.2 材料吸附法

使用材料吸附溢油也是一種較常見的處理方法。親油性的吸油材料如吸油氈等能使溢油被粘在其表面而吸附回收。制作吸油材料的原料有高分子材料(聚乙烯、聚丙烯、聚酯等)、無機(jī)材料(硅藻土、珍珠巖、浮石、膨潤土等)和植物纖維(稻草、麥桿、木屑、草灰、蘆葦?shù)?[3]。利用吸油材料吸附海面溢油，然后進(jìn)行循環(huán)回收利用是一種簡(jiǎn)單有效的治理溢油的方法，適用于淺海和海岸邊及比較平靜的海面。

2.1.3 減壓井法

在漏油井附近打一口減壓井，以在海床下切斷漏油井的油源，然后通過灌注特殊材料，徹底封閉漏油井。此方法適用于儲(chǔ)層能量較高、油藏埋深較淺、井口壓力控制能力較弱的油氣井。其優(yōu)點(diǎn)是能從源頭上進(jìn)行溢油控制；缺點(diǎn)是需要一定作業(yè)時(shí)間，而且需要控制好井眼軌跡，尤其要做好防碰控制。

2.2 化學(xué)方法

化學(xué)方法主要是通過化學(xué)途徑進(jìn)行化學(xué)分散、焚燒等。

2.2.1 化學(xué)藥劑法

化學(xué)藥劑法主要通過使用化學(xué)藥劑如分散劑、集油劑和凝油劑等[4]清理海上溢油。

乳化分散劑(又稱消油劑)是當(dāng)前廣泛使用于海上溢油處理的一類化學(xué)藥劑。分散劑能將溢油分散成很小的微粒，微粒隨海流和潮汐在海洋中分散開來，并通過微生物的作用分解消失。

集油劑是一種防止油擴(kuò)散的界面活性劑，適合于在港灣附近使用，溢油層較薄時(shí)最適宜，其活性劑成分應(yīng)是不揮發(fā)的。目前常用的有失水山梨糖醇單月桂酸酯、失水山梨糖醇單油酸酯、十八碳烯醇等。它們的毒性較低。集油劑采用的溶劑一般是低分子醇類、酮類和氯化烴類。

采用凝油劑的最大優(yōu)點(diǎn)是毒性低，溢油可回收，不受風(fēng)浪影響，能有效防止石油擴(kuò)散，提高圍油欄和回收裝置的使用效率。目前使用的凝油劑主要是山梨糖醇衍生物類、氨基酸衍生物類、高分子聚合物類、蠟類等。

2.2.2 焚燒法

現(xiàn)場(chǎng)焚燒可在海上泄漏時(shí)快速有效地清除水面上的大量油品?，F(xiàn)場(chǎng)焚燒是操作性強(qiáng)的溢油處理技術(shù)，當(dāng)發(fā)生重大溢油事故導(dǎo)致大面積溢油污染而采用燃燒處理時(shí)，需要在溢油初期盡快進(jìn)行，其要求是油膜厚度至少3 mm。

使用什么方法或什么類型的設(shè)施，取決于溢油所在海區(qū)環(huán)境條件、原油特性等?？梢圆捎玫囊缬托孤?duì)策和清除技術(shù)包括多種。這些技術(shù)的應(yīng)用與溢油現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、氣象等各方面條件密切相關(guān)，同時(shí)還需要考慮因?qū)嵤┻@些技術(shù)而引起環(huán)境破壞的可能性。

2.3 其他方法

近年來還出現(xiàn)了一些新的海上溢油處理方法，如微生物降解法。生物處理法由于毒副作用小而得到了普遍重視。可在溢油海區(qū)撒播營養(yǎng)物質(zhì)，使微生物大量繁殖[5]，從而促進(jìn)溢油的氧化和分解，達(dá)到清除溢油的目的。

3 結(jié)束語

(1) 海上石油溢油監(jiān)測(cè)是預(yù)防溢油污染擴(kuò)大的直接手段。目前雖然遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，但一定程度上受海洋氣候、日照和分辨精度的限制。

(2) 綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)是同時(shí)綜合利用幾種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。通過該技術(shù)，能增大監(jiān)測(cè)范圍，提高技術(shù)可靠性。區(qū)域間加強(qiáng)合作、聯(lián)合預(yù)防也是溢油監(jiān)測(cè)未來發(fā)展的趨勢(shì)。

(3) 溢油災(zāi)害發(fā)生后，除常規(guī)的圍欄操作外，目前正在進(jìn)行研究和實(shí)踐的方法不少，如圍堵回收、材料吸附、化學(xué)藥劑等，需針對(duì)不同作業(yè)環(huán)境，從時(shí)間性和效率上考慮，選擇合適的方法。

(4) 防患于未然，從源頭抓起是關(guān)鍵。嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)步驟、定期進(jìn)行設(shè)備檢查和保養(yǎng)等是排除隱患的關(guān)鍵。

[1] 薛振奎, 劉方明, 楊天冰. 我國油氣管道技術(shù)綜述[C]// 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院.管道科學(xué)研究論文選集(1999～2003). 北京: 石油工業(yè)出版社, 2004. 8-9.

[2] 趙文芳. 海上石油設(shè)施溢油防治技術(shù)[J]. 中外能源, 2007, 12(3): 102.

[3] Society of Petroleum Engineers, American Association of Petroleum Geologists, World Petroleum Council. Petroleum resources management system [EB/OL]. http://www.spe.org/industry/docs/Petroleum_Resources_Management_System_2007.pdf.

[4] 黃藝，禮曉，蔡佳亮. 石油污染生物修復(fù)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 18(1): 361.

[5] Brakstad O G, Bonaunet K. Biodegradation of petroleum hydrocarbons in seawater at low temperatures (0～5 ℃) and bacterial communities associated with degradation[J]. Biodegradation, 2006, 17(1): 71.

AnalysisonOilSpillPrediction,ControlandProcessingTechnologiesUsedinOffshoreDrilling

TIAN Zheng, ZHOU Jian-liang, JIANG Shi-quan, HAO Xi-ning， ZHOU Ding-zhao

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

With the proceeding of offshore oil exploration and development from shallow water to deepwater, the risk of oil spill accident in oil drilling increases. High attention should be paid to the oil spill disaster, either from the viewpoint of environmental pollution or from economic losses. We introduce the research and application status of oil spill monitoring technology and effluent oil treatment. On one hand, domestic oil spill monitoring technology is studied from the principle and method of the spectral and remote sensing monitoring technologies. On the other hand, the effluent oil processing technology after the oil spill is studied. After comprehensive investigation, the methods are classified into mechanical and chemical ones and introduced separately.

offshore drilling; oil spill; prediction; processing technology

P744; TE991.5

A

2095-7297(2014)01-0021-04

2014-02-21

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-001)、中國海洋石油總公司前期項(xiàng)目(2011PFS-003)

田崢(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事巖石力學(xué)在深水鉆完井中的應(yīng)用方面的研究。