鉆井液排放對海洋環(huán)境影響的現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析*

蔣梅榮 郭良波 任敘合 曹 靜 李家鋼

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

在海上油氣田開發(fā)過程中，鉆井液和鉆屑是鉆井作業(yè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的主要污染物［1-2］。鉆井液分為水基、油基與合成基，由于組分不同，鉆井液對海洋環(huán)境的影響差別很大［3］。我國在現(xiàn)有條件下對水基、不含任何油類的無毒無害鉆井液的棄置辦法通常是就地排放［4］，其中水基鉆井液的排放對海洋環(huán)境的主要影響是在水體中產(chǎn)生懸浮物，而非含油鉆井液排放的懸浮沙是工程建設(shè)階段的主要不利影響之一。

鉆井液的排放對海洋環(huán)境影響的范圍，受海洋水文、氣象條件和排放的鉆井液類型、數(shù)量、速度及排放深度等各種因素影響［5］。國外研究表明［6］，鉆井液入海后，由于受海水作用，黏土粒子迅速發(fā)生絮凝，形成較大的顆粒下沉，有95%的鉆井液沉降在鉆井平臺周圍海底150 m范圍以內(nèi)；滯留在水體中的鉆井液懸浮物，由于海水的稀釋和擴散作用，離排放點100 m遠處的懸浮物濃度要比中心處降低4～5個數(shù)量級，在離排放點500 m遠處的懸浮物濃度就降到背景水平。國外學(xué)者在對不同水深與距離下總懸浮物濃度的研究亦表明，鉆井液在距排放源50倍排放管徑距離內(nèi)稀釋速度極快，在400倍排放管徑范圍內(nèi)稀釋倍數(shù)可達到1 000［7］。同時，在近場的研究中發(fā)現(xiàn)，懸浮物濃度的分布差異性極高，排放進入海洋環(huán)境后快速稀釋，距排放源10 m處濃度降低200～5 500倍，距排放源100 m處濃度降低2 900～7 700倍，并且懸浮物濃度隨水深變深而增大［8-9］。

鉆井平臺在排放廢棄鉆井液的過程中會形成高濃度的懸浮泥沙污染源，并在海水的對流和擴散作用下以羽流形式向周圍海域運移。在分層流動的水體環(huán)境中，鉆井液羽流會經(jīng)歷對流下降、動態(tài)崩塌、被動擴散等3個不同的階段［7］：對流下降階段（屬于近場）是懸浮物在排放管與中性浮力點之間的高摻混速率區(qū)域；動態(tài)崩塌階段（屬于近場）是過渡區(qū)域，當(dāng)羽流平均密度達到環(huán)境水體密度（中性浮力層）時，羽流開始崩塌；在被動擴散階段（屬于遠場），羽流動量已經(jīng)消散，混合主要是由環(huán)境湍流引起的。據(jù)調(diào)研，鉆井液排放對海洋環(huán)境的影響研究目前主要集中于100 m以內(nèi)范圍［10］，對于更大海域范圍內(nèi)懸浮物擴散的分析尚未見到。Davis等專家建議有條件時應(yīng)當(dāng)進行遠場的監(jiān)測研究，并與模型計算結(jié)果進行對比［7］。同時，公開資料顯示國際上對于墨西哥灣、東太平洋［9］、大西洋中部［11］等不同海域進行了現(xiàn)場監(jiān)測，但目前尚未見到有關(guān)中國近海區(qū)域鉆井液排放的現(xiàn)場監(jiān)測報道。

本文研究基于渤海某油田鉆井液排放對海洋環(huán)境的影響狀況，在國內(nèi)首次采用現(xiàn)場實測方法對不同時間、不同站位的懸浮物濃度進行跟蹤監(jiān)測，通過與鉆井液排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)計對比，分析懸浮物濃度分布特征，在此基礎(chǔ)上采用水動力與泥沙輸運數(shù)值模型對懸浮物擴散途徑及影響范圍進行模擬分析，以期分析其對環(huán)境水體的影響。

1 現(xiàn)場監(jiān)測方法

1.1 調(diào)查范圍

本次環(huán)境影響跟蹤監(jiān)測圍繞渤海A平臺展開，平臺位置及周圍海洋功能區(qū)劃如圖1所示。根據(jù)鉆井液排放實際擴散情況，在距平臺200～1 400 m范圍內(nèi)進行現(xiàn)場監(jiān)測。

圖1 渤海A平臺位置及周圍海洋功能區(qū)劃示意圖Fig.1 Location of the Platform A and the surrounding marine functional zonings in Bohai sea

1.2 站位布設(shè)

此次鉆井液的跟蹤監(jiān)測共布設(shè)18個監(jiān)測站位（P1—P18），并增加4個對照站（DZ1—DZ4，距平臺距離均為3 000 m）。監(jiān)測站位采樣時按照P1—P18（數(shù)字從小到大）的順序進行監(jiān)測。在鉆井液排放完成后選取P2、P5、P8站繼續(xù)開展調(diào)查，以獲取水質(zhì)恢復(fù)的時間及濃度變化規(guī)律，站位示意見圖2。

因鉆井液排放時間較短，排放完成時跟蹤監(jiān)測正在進行，所以恢復(fù)期的3次監(jiān)測T1h、T2h、T4h穿插在2次跟蹤監(jiān)測T1m與T2m的過程當(dāng)中，T1h、T2h、T2m、T4h監(jiān)測時刻分別為鉆井液排放結(jié)束后的1、2、3、4 h。

圖2 渤海A平臺鉆井液排放跟蹤監(jiān)測站位示意圖Fig.2 Schematic diagram of the drilling fluid discharge tracking and monitoring station of Platform A in Bohai sea

2 跟蹤監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 鉆井液排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2018年7月5 日水基鉆井液排放量為10 m3，排放時長為23 min，排放速率為26 m3／h。常規(guī)數(shù)模預(yù)測一次性排放量一般為210 m3，排放持續(xù)時間6 h，排放源強35 m3／h，鉆井液性質(zhì)亦為水基。

從與常規(guī)數(shù)模預(yù)測數(shù)據(jù)的對比可以看出，相比常規(guī)數(shù)模中的預(yù)測情況，在現(xiàn)場實際排放中，一次性排放量降低了95.2%，排放持續(xù)時間降低了93.7%，排放源強降低了25.7%。這說明此次實際排放鉆井液數(shù)量、時間、源強均小于常規(guī)預(yù)測值；從源頭來看，相比于常規(guī)預(yù)測情況，本次實際作業(yè)中鉆井液對海洋環(huán)境的污染影響偏小。

2.2 懸浮物濃度及分布特征

圖3為渤海A平臺跟蹤監(jiān)測期T1m時表層懸浮物濃度平面分布圖。不同圓形大小代表不同濃度的懸浮物，圓形面積越大，懸浮物濃度越大。

從圖3中可見，調(diào)查海區(qū)內(nèi)表層（水平面以下0.5 m）海水中懸浮物濃度變化范圍在4.0～10.9 mg／L之間，平均濃度值為6.9 mg／L。中層（水平面以下10 m）、底層（海床以上2 m）懸浮物濃度平面分布圖與表層圖類似，在此僅給出濃度值：中層海水中懸浮物濃度在4.1～15.8 mg／L之間變化，平均濃度值為6.8 mg／L；底層海水中懸浮物濃度變化范圍在4.2～9.2 mg／L之間，平均濃度值為6.6 mg／L。從濃度值可以看出，表、中、底3層平均濃度為6.9、6.8、6.6 mg／L，沿水深均勻分布。

圖3 渤海A平臺跟蹤監(jiān)測期表層懸浮物濃度平面分布圖Fig.3 Plane distribution of suspended solids concentration for the surface layer in the discharge period of Platform A in Bohai sea

為了解鉆井液排放后水質(zhì)恢復(fù)情況與濃度變化規(guī)律，圖4給出了恢復(fù)期間P2、P5、P8站懸浮物濃度變化趨勢圖。

圖4 渤海A平臺P2、P5、P8站懸浮物濃度變化趨勢圖Fig.4 Recovery characteristics of the suspended solids concentration in P2，P5 and P8 stations of Platform A in Bohai sea

從圖4中可見，P2站底層懸浮物濃度在排放結(jié)束4 h時有顯著升高，表層和中層變化不大；P5站懸浮物濃度在排放結(jié)束2 h達到濃度最高值，然后緩慢降至初始濃度水平；P8站中層懸浮物濃度在跟蹤監(jiān)測時濃度較高，隨后濃度呈現(xiàn)逐漸下降的總體趨勢，表層和底層變化不明顯，恢復(fù)期懸浮物濃度范圍為：4.4～15.8 mg／L，恢復(fù)期監(jiān)測中，P8站表、中、底3層懸浮物平均濃度為6.5、7.0、7.0 mg／L，沿水深均勻分布。

為進一步驗證分析結(jié)論，得到正確的鉆井液懸浮物分布規(guī)律，對4個對照監(jiān)測站位的懸浮物濃度背景值進行了分析。表1為4個對照監(jiān)測站位表層、中層、底層懸浮物濃度監(jiān)測情況。對照站位表層海水中懸浮物濃度變化范圍在14.4～15.5 mg／L之間，平均值為15.0 mg／L；中層海水中懸浮物濃度在14.8～22.2 mg／L之間變化，平均濃度17.5 mg／L；底層海水中懸浮物濃度變化范圍在15.0～17.7 mg／L之間，平均值為16.1 mg／L。對照站監(jiān)測懸浮物濃度范圍為14.4～22.2 mg／L。對照站監(jiān)測中，表、中、底三層懸浮物平均濃度接近15.0、17.5、16.1 mg／L，較為均勻。

表1 渤海A平臺對照監(jiān)測站位懸浮物濃度監(jiān)測情況Table 1 Monitoring situation of suspended solids concentration in the control monitoring station of Platform A in Bohai sea

表2為歷次監(jiān)測（監(jiān)測期站位是P1—P18，恢復(fù)期是P2、P5、P8，對照站是DZ1～DZ4）懸浮物濃度范圍及表、中、底3層平均濃度的對比情況。從表中可以看出，監(jiān)測期、恢復(fù)期監(jiān)測懸浮物最大濃度均為15.8 mg／L，均小于對照站監(jiān)測懸浮物濃度最大值（22.2 mg／L）；同時，監(jiān)測期、恢復(fù)期監(jiān)測懸浮物表、中、底3層平均濃度均小于對照站監(jiān)測表、中、底3層懸浮物平均濃度。綜上可知，鉆井液排放量較?。ㄟh低于常規(guī)數(shù)模預(yù)測的排放量），懸浮物進入水體后迅速被海水稀釋，不會對周圍海水懸浮物濃度造成明顯影響。

表2 渤海A平臺歷次監(jiān)測懸浮物濃度范圍及表、中、底3層海水懸浮物平均濃度的對比情況Table 2 Comparison of the range and average concentration of surface，middle and bottom layers of seawater for suspended solids of the previous monitoring of Platform A in Bohai sea

3 數(shù)值模擬分析

由于現(xiàn)場實測與模型試驗費用昂貴，因此在日常工作中需要采用數(shù)值模擬進行預(yù)測?；诠こ虒嶋H需要，建立了鉆井液排放擴散數(shù)值模型，采用實測數(shù)據(jù)進行模型驗證，并采用常規(guī)排放量對其擴散情況進行了分析。

3.1 數(shù)值模型設(shè)置

通過MIKE來實現(xiàn)工程海域的潮流場運動與海域污染物擴散影響，MIKE采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，在時間上采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動量方程與輸運方程。在模擬潮流場的基礎(chǔ)上，根據(jù)泥沙輸運模塊，對懸浮泥沙的擴散途徑及影響范圍進行預(yù)測，以便分析其對環(huán)境水體產(chǎn)生的影響。該模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，整個計算區(qū)域由14 275個節(jié)點和27 621個三角單元組成，最小空間步長約為20 m。其計算域范圍及網(wǎng)格劃分見圖5。

3.2 模型驗證

利用泥沙輸運模型對渤海A平臺本次鉆井液排放過程中懸浮物濃度變化的最大影響范圍進行數(shù)值模擬。表3為數(shù)值模擬中懸浮物濃度增量最大影響距離及面積。從數(shù)模統(tǒng)計結(jié)果可見，在各懸浮物濃度增量情況下，表、中、底3層影響范圍較為接近，這與第2節(jié)中監(jiān)測結(jié)果規(guī)律一致，證明模型可靠。

圖5 渤海A平臺鉆井液排放模擬海域計算網(wǎng)格與附近海域網(wǎng)格示意圖Fig.5 Grid distribution of the simulated sea area and the local densification grid around the drilling Platform A in Bohai sea

表3 數(shù)值模擬得到的渤海A平臺懸浮物增量最大影響距離及面積Table 3 Maximum impact distance and area of the suspension solids increment of Platform A in Bohai sea by numberical simulation

在對懸浮物增量影響范圍包絡(luò)線圖與最大影響距離及面積的對比分析基礎(chǔ)上，選取P2、P5、P8、P11等4處關(guān)鍵站位鉆井液排放的計算值與監(jiān)測值進行了對比。圖6分別為表層、中層、底層關(guān)鍵站位處鉆井液排放計算值與監(jiān)測值的對比情況。從對比分析可見，關(guān)鍵站位處懸浮物濃度的模擬值與實測結(jié)果吻合較好，證明數(shù)值模型可靠。

3.3 常規(guī)模擬結(jié)果分析

圖6 渤海A平臺關(guān)鍵站位處鉆井液排放計算值與監(jiān)測值的對比情況Fig.6 Comparison between the monitored and numerical values of suspended solids concentration of key station of Platform A in Bohai sea

基于經(jīng)過驗證的數(shù)值模型，計算在常規(guī)條件下鉆井液排放的影響面積、超標最遠距離與恢復(fù)時間，計算條件為：鉆井液排放速率35 m3／h，連續(xù)排放10 h。鉆井液排放懸浮物濃度預(yù)測值統(tǒng)計如表4所示。表中超一、三、四類分別對應(yīng)于懸浮物濃度超過《海水水質(zhì)標準》［12］第一、二（三）、四類標準。

表4 渤海A平臺鉆井液排放SS濃度預(yù)測值統(tǒng)計Table 4 Statistics of predicted SS concentration of drilling fluid’s discharge of Platform A in Bohai sea

經(jīng)模擬計算，超一類只存在于表層和中層，超一類最大包絡(luò)面積為0.386 km2，超三類只存在于表層且其面積很小，僅有0.003 km2，未出現(xiàn)超四類面積，底層無超標面積，長軸基本沿該海域主流向方向，見圖7。

圖7 模擬計算得到的渤海A平臺鉆井液排放懸浮物濃度包絡(luò)圖Fig.7 Envelope diagram of suspended solids concentration of drilling fluid discharge Platform A in Bohai sea by numberical simulation

4 結(jié)論

1）現(xiàn)場監(jiān)測中鉆井液對海洋環(huán)境的污染影響偏小，表層、中層、及底層平均濃度沿水深整體呈均勻分布。2）鉆井液排放懸浮物擴散數(shù)值結(jié)果分布規(guī)律與監(jiān)測結(jié)果相吻合，證明數(shù)值模型的可靠性。

3）模擬預(yù)測結(jié)果表明，懸浮物超標面積主要在表層和中層，超一類最遠距離約1 300 m，水質(zhì)恢復(fù)時間約0.5 h。