渤海灣應(yīng)急救援船功能配置及建議

劉英偉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

中海油在渤海灣累計(jì)鉆完井超過3千口，預(yù)計(jì)到2025年將新增鉆井3172口，其中難度和風(fēng)險(xiǎn)較大的探井和調(diào)整井占比例達(dá) 42%。井控風(fēng)險(xiǎn)仍是最具顛覆性的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生井噴失控事故，將危及鉆井人員安全、污染自然環(huán)境、破壞油氣資源，且給石油工業(yè)帶來嚴(yán)重的負(fù)面社會(huì)影響[1]。應(yīng)對(duì)井噴事故，常按照清障、滅火、重新安裝井口、壓井等幾個(gè)關(guān)鍵步驟進(jìn)行處理[2]。海上井噴搶險(xiǎn)，有別于陸地的場(chǎng)地支撐，須有大型作業(yè)設(shè)備參與協(xié)同，諸如鉆井平臺(tái)、浮吊、應(yīng)急救援多功能船等。

在墨西哥灣深水地平線溢油事件中，為控制油污飄散，出動(dòng)了三用工作船布設(shè)圍油欄，噴灑消油劑；為控制鉆井平臺(tái)火勢(shì)，出動(dòng)了三用工作船進(jìn)行噴淋、滅火；為封堵水下泄漏，下封井裝置，動(dòng)用了多功能修井平臺(tái)Q4000；為水下ROV作業(yè)，動(dòng)用了ROV工作母船；為收集回收的原油，動(dòng)用了吸油船；為轉(zhuǎn)移回收的原油，動(dòng)用了穿梭油輪；為鉆探救援井，動(dòng)用了浮式鉆井平臺(tái)。最終依靠救援井成功制服了井噴。在整個(gè)應(yīng)急過程中，多專業(yè)、多工種密切協(xié)作，緊密配合，尤其是應(yīng)急前期工作中，對(duì)泄漏點(diǎn)的源頭控制是工作的重點(diǎn)，其間多功能修井平臺(tái) Q4000發(fā)揮了舉足輕重的作用。

1 國(guó)外應(yīng)急救援船救援能力現(xiàn)狀

國(guó)際上應(yīng)急救援船主要包括2類：一為應(yīng)急響應(yīng)救援船(Emergency Response Rescue Vessel，ERRV)，一為應(yīng)急救援多功能船(Multi-purpose Support Vessel，MSV)，二者在功能上沒有明顯界限，均用于井噴失控應(yīng)急救援。國(guó)外尤其是英國(guó)北海已經(jīng)建有多艘 MSV(表1)[3]。

表1 典型的應(yīng)急救援多功能船Tab.1 Typical multi-purpose support vessel

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)急救援船能力現(xiàn)狀

中石油于2006年成立了中國(guó)石油海上應(yīng)急救援響應(yīng)中心，基地總部位于曹妃甸，并在曹妃甸、塘沽和營(yíng)口設(shè)立了救援站，主要配備了 12艘多功能工作船：中油應(yīng)急 101、102和 103，搜救船中油應(yīng)急 201和 202，小型溢油回收船中油應(yīng)急 301～307[4]。其中，“中油應(yīng)急 101～103”是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的集溢油回收、海上消防和搜救等功能于一體的應(yīng)急工作船；“中油應(yīng)急 201～202”是集搜救和海上消防功能于一體的搜救船(配備兩門消防炮，泡沫艙容積滿足30min滅火需要)；“中油應(yīng)急 301～307”是專業(yè)小型多功能溢油回收船[5]。中石油的海上應(yīng)急救援，整體工作重心向環(huán)保消防方向傾斜，配合其他的圍控和回收設(shè)備，收油能力超過100m3/h[6]。

中海油配備了海洋石油 251、252、253、255、256共 5艘溢油回收船，溢油回收總能力 900m3/h，總污油回收艙容積2760m3，除海洋石油252和253部署在渤海外，其他3艘船分別布署在大亞灣和南海西部海域。

交通部下屬的北海、東海和南海救助局，分別配備了各類救助船舶，以覆蓋渤海海域和黃海西部的北海救助局為例，共配備了 6000kW 以上的救助船10艘，功能主要側(cè)重于消防、人員搜救、船舶拖帶，部分還具備破冰和油污回收功能[7]。

3 應(yīng)急救援船作業(yè)能力需求分析

根據(jù)已有的油氣田井噴搶險(xiǎn)救援案例，結(jié)合海上鉆完井應(yīng)急救援特點(diǎn)分析，應(yīng)急救援船將覆蓋自航、動(dòng)力定位、滅火、吊裝、壓井支持等多種功能，以提升應(yīng)急響應(yīng)效率。

3.1 自航

當(dāng)應(yīng)急情況發(fā)生后，救援裝備快速動(dòng)員，將極大地提高響應(yīng)效率，避免事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大?！秶?guó)家水上交通安全監(jiān)管和救助系統(tǒng)布局規(guī)劃》規(guī)定，至2020年，指定水域在沿海離岸 100海里應(yīng)急到達(dá)時(shí)間不超過 90min[8]。對(duì)于非自航自升式鉆井平臺(tái)，靜水狀態(tài)下拖航速度不小于 4節(jié)，具備自航能力的平臺(tái)，疊加拖航速度不宜大于10節(jié)[9]。考慮到渤海灣作業(yè)的鉆井平臺(tái)，多為非自航式，需要大型拖輪拖帶或者大型駁船干拖才能到達(dá)指定地點(diǎn)，若作搶險(xiǎn)救援使用，拖航航速成為制約響應(yīng)效率的關(guān)鍵，推薦應(yīng)急救援多功能船要具備自航能力。

3.2 動(dòng)力定位

通過調(diào)研渤海灣在開發(fā)的 51個(gè)油田，水深＜10m的僅有JZ9-3、QK17-2和QK17-3，占比約6%，其余油田水深在 10～31.5m 之間?？紤]到油田之間的水下海管布設(shè)、船舶風(fēng)浪靠泊的便利性，拋錨作業(yè)的安全性以及對(duì)漁業(yè)捕撈和生產(chǎn)的影響等，應(yīng)急救援船應(yīng)減少錨泊作業(yè)，配備動(dòng)力定位系統(tǒng)。

安裝有 DP2級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單一故障(不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下、規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向[10]。為保證搶險(xiǎn)過程中，尤其是惡劣海況條件下，作業(yè)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，避免船舶偶發(fā)故障帶來的干擾，推薦應(yīng)急救援船配備 DP2動(dòng)力定位系統(tǒng)。

3.3 消防能力

以鉆井平臺(tái)型長(zhǎng)(X)138m，型寬(Z)84m，型高(Y)116m為模型，采用較大模擬計(jì)算空間，計(jì)算域選定為600m×400m×300m。按照表2中的油氣噴出物和表3中的天然氣摩爾組分，采用 Fluent前處理器 Gambit分塊網(wǎng)格劃分法劃分計(jì)算域網(wǎng)格，計(jì)算過程分為 3步：①引入風(fēng)速計(jì)算穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)，采用對(duì)數(shù)律風(fēng)廓線方程表征風(fēng)速隨距離海平面高度的變化；②引入泄漏源計(jì)算井噴氣體噴射擴(kuò)散過程，確定可燃?xì)庠瓶臻g分布；③引入點(diǎn)火源計(jì)算可燃混合氣云燃爆過程，分析燃爆超壓、高溫、熱輻射發(fā)展特性及傷害影響范圍。

表2 井噴油氣噴出量Tab.2 Oil and gas flow of blowout

表3 模擬井氣體摩爾組成(%)Tab.3 Gas molar composition of simulated well(%)

如圖1所示，隨著噴射火穩(wěn)定發(fā)展，5s后熱輻射場(chǎng)基本穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處熱輻射強(qiáng)度穩(wěn)定在23.65kW/m2以上。如圖2所示，取火焰高度的1/3處為火焰中心(Y＝88m，Z＝0m)，火焰熱輻射隨著距離火焰中心距離增大而減小，距離火焰中心 30m 熱輻射強(qiáng)度迅速下降，30m區(qū)域外熱輻射強(qiáng)度遞減緩慢，50m區(qū)域外熱輻射強(qiáng)度穩(wěn)定在較低水平。

圖1 鉆臺(tái)區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)熱輻射變化Fig.1 Thermal radiation changes at monitoring points in drill floor area

圖2 熱輻射距離火焰中心變化Fig.2 Change in thermal radiation distance from center of flame

按照 PHAST軟件計(jì)算分析，在均勻覆蓋前提下，控制火焰需要 3000m3/h的用水量。參考中國(guó)船級(jí)社 2018版《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》，按照 FiFi-2級(jí)配備應(yīng)急救援船的消防能力，即水炮最低數(shù)量 3座，消防泵最低數(shù)量 2臺(tái)，配備消防泵最低總?cè)萘?200m3/h[11]。

3.4 吊裝能力

渤海區(qū)域主要依靠 5條浮吊(表4)進(jìn)行導(dǎo)管架和上部模塊的安裝，吊高和吊重均在其對(duì)應(yīng)的作業(yè)能力覆蓋范圍內(nèi)。考慮到應(yīng)急救援船的可用甲板面積、船舶穩(wěn)性、機(jī)動(dòng)性等，配置工作用小型吊機(jī)，大型吊機(jī)依托現(xiàn)有浮吊資源。

表4 渤海區(qū)域主要浮吊技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main parameters of floating crane in Bohai Bay

3.5 壓井支持能力

常規(guī)壓井或救援井壓井，均需要通過高壓泵組向井內(nèi)泵入壓井液，大的艙容可以為撬裝式固井泵組、泥漿泵組、連續(xù)油管等供液，并兼顧壓載、溢油回收等多種功能。按照斜深 6000m的井需要壓井進(jìn)行計(jì)算， 244.5mm套管下深 5000m，裸眼 215.9mm井眼深度 1000m，以 2倍空井容積計(jì)算，需要壓井液542m3，泥漿艙艙容建議不低于800m3。

4 結(jié) 論

①在墨西哥灣，北海等油氣富集區(qū)，多功能應(yīng)急救援船在油氣田井控應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)中，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。渤海灣作為國(guó)內(nèi)作業(yè)量最集中的油氣田海域，應(yīng)急救援資源相對(duì)豐富，但功能分散，管理分散，重心在溢油、環(huán)保和人員搜救，建議配備應(yīng)急救援船，將面向淺水油氣田搶險(xiǎn)的應(yīng)急救援能力，進(jìn)行功能整合，提高響應(yīng)效率。

②建議將自航、DP2動(dòng)力定位、FiFi-2級(jí)消防能力、大艙容作為淺水應(yīng)急救援船建造的標(biāo)準(zhǔn)配置，同時(shí)預(yù)留一定的甲板面積，以滿足模塊化撬裝設(shè)備的布設(shè)，或應(yīng)對(duì)搶險(xiǎn)所需的功能拓展。

③深水井控應(yīng)急救援設(shè)備與淺水存在較大差異，對(duì)船舶性能和功能也提出更高要求，建議應(yīng)急救援船建造按照水深進(jìn)行功能區(qū)劃和配置，提高裝備的針對(duì)性和利用率。