海上油氣開發(fā)水下井噴溢油的化學(xué)分散技術(shù)研究

錢國棟,張傳合,趙宇鵬,宋燕

(中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司 天津 300450)

0 引言

隨著深水油氣開發(fā)的推進(jìn),深水鉆井平臺油氣泄漏、海底輸油管線破裂和沉船溢油等事故風(fēng)險日趨增加。大量水下溢油進(jìn)入海洋環(huán)境,對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類造成嚴(yán)重威脅。2010年墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺的井噴爆炸事故導(dǎo)致約500萬桶原油泄漏入海,對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害[1]。在此次溢油事故中,為避免大量溢油上升到海面造成海洋和海岸線污染,有關(guān)部門采用多種手段在海底溢油口直接處置溢油,包括溢油源封堵、溢油源集控和消油劑水下噴注等[2],約有3 000 m3的Corexit 9500A 消油劑直接在水下泄漏井口噴注,噴注量占消油劑總用量的40%[3]。目前學(xué)界對水下噴注消油劑的效果及其生態(tài)影響仍缺乏認(rèn)識:有觀點(diǎn)認(rèn)為消油劑在泄漏井口噴注可保證消油劑與原油最大限度地混合,使油水界面張力降低1～2個數(shù)量級,進(jìn)而將溢油分散成更多的小油滴并在水體懸浮,并在數(shù)周至數(shù)月內(nèi)被微生物降解[4-7];但有學(xué)者利用水動力和隨機(jī)羽流粒子跟蹤模型對水下溢油軌跡進(jìn)行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)噴注消油劑后上升到海面的溢油量并無顯著減少[8]。

我國南海是重要的能源戰(zhàn)略區(qū),其油氣資源有70%集中在深水海域[9]。由于該海域油氣藏分布復(fù)雜[10],且因內(nèi)波和臺風(fēng)等因素導(dǎo)致海洋環(huán)境惡劣[11],發(fā)生水下井噴溢油事故的風(fēng)險增加。目前國內(nèi)缺乏有效的水下溢油應(yīng)急處置技術(shù)和裝備,尚不具備深水水下溢油處置作業(yè)能力[12]。鑒于已有研究對消油劑水下噴注的有益探索,為應(yīng)對我國南海水下井噴溢油事故,有必要研究水下溢油消油劑應(yīng)用技術(shù)。本研究采用我國南海海域的原油,通過模擬試驗(yàn)研究消油劑的類型、使用量和噴注位置對溢油分散效果的影響,并提出深水水下消油劑使用技術(shù)體系,為我國南海海上油氣開發(fā)提供技術(shù)保障。

1 消油劑水下噴注試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置和條件

消油劑水下噴注試驗(yàn)系統(tǒng)為1 套常壓試驗(yàn)裝置,由試驗(yàn)水槽、試驗(yàn)用水配制水槽、溢油噴射單元、消油劑噴注單元和信息采集單元5個部分組成。試驗(yàn)水槽的高度為2 m,長度和寬度均為1 m;溢油噴射單元與試驗(yàn)水槽底部相連,將溢油以特定速度豎直噴射進(jìn)入水槽水體;消油劑噴注單元向特定方向噴注消油劑;信息采集單元實(shí)時采集試驗(yàn)水槽中的油滴粒徑信息。

試驗(yàn)原油為中質(zhì)原油,20℃時的密度為837.8 kg/m3,運(yùn)動粘度為8.1 mm2/s,凝點(diǎn)為-6℃,界面張力為31.4 m N/m。選擇4種消油劑開展試驗(yàn),分別為GM-2、FK-2、JFT 和RS-1。根據(jù)消油劑泵的頻率特性,將消油劑和原油的添加比例(劑油比)分別設(shè)置為1∶12、1∶10、1∶8和1∶5。消油劑噴注口與溢油噴射口的水平距離分別為10 mm、20 mm、40 mm 和60 mm,垂直高度分別為10 mm、20 mm 和60 mm。試驗(yàn)海水溫度約為10℃,鹽度為31.5‰。

試驗(yàn)開始時,將試驗(yàn)原油噴射進(jìn)入水體,同時按比例噴注消油劑。利用高速工業(yè)相機(jī),在水槽頂部下方50 cm 處實(shí)時采集水體中油滴的圖片。采用Image-Pro Plus軟件處理油滴圖片,得到油滴粒徑的數(shù)據(jù),進(jìn)而統(tǒng)計(jì)油滴體積分?jǐn)?shù)。

1.2 消油劑的原油處置效果

1.2.1 消油劑類型的影響

在劑油比為1∶5的條件下,不同類型消油劑作用下的原油處置效果如圖1所示。

圖1 不同類型消油劑作用下油滴體積分?jǐn)?shù)的分布曲線

由圖1可以看出:GM-2 消油劑作用下的油滴粒徑均低于300μm,其中100～150μm 區(qū)間的油滴體積分?jǐn)?shù)最大,最大值達(dá)26.55%;FK-2消油劑作用下的油滴粒徑分布區(qū)間較大,其中300～350μm 區(qū)間的油滴體積分?jǐn)?shù)最大,最大值達(dá)14.91%;JFT 消油劑作用下的油滴粒徑均低于400μm,其中150～200μm 區(qū)間的油滴體積分?jǐn)?shù)最大,最大值達(dá)25.46%;RS-1消油劑作用下的油滴粒徑分布區(qū)間也較大,其中100～150μm 區(qū)間的油滴體積分?jǐn)?shù)最大,最大值達(dá)20.21%。經(jīng)對比,GM-2消油劑對試驗(yàn)原油的分散效果最優(yōu)。

1.2.2 消油劑使用量的影響

在不同劑油比的條件下,GM-2 消油劑的原油處置效果如圖2所示。

圖2 不同劑油比條件下油滴體積分?jǐn)?shù)的分布曲線

由圖2可以看出:在1∶5、1∶8和1∶10的劑油比條件下,隨著劑油比的減小,油滴體積分?jǐn)?shù)的分布曲線逐漸右移,表明劑油比增大有助于試驗(yàn)原油的分散;在劑油比為1∶12時,油滴粒徑的分布曲線向左偏移較大,可能是圖像處理過程中的誤差所致。

1.2.3 消油劑噴注位置的影響

在消油劑噴注的垂直高度為10 mm 的條件下,不同水平距離下的原油處置效果如圖3所示。

圖3 不同水平距離下油滴體積分?jǐn)?shù)的分布曲線

由圖3可以看出:當(dāng)水平距離分別為10 mm、20 mm、40 mm 和60 mm 時,油滴粒徑分別低于300μm、350μm、400μm 和450μm;50～200μm區(qū)間的油滴體積分?jǐn)?shù)超過油滴總體積的65%;油滴體積分?jǐn)?shù)的分布總體差異不大,表明在消油劑噴口距離溢油噴口60 mm 內(nèi)進(jìn)行消油劑噴注,水平距離的變化對原油處置效果的影響很小。

在消油劑噴注的水平距離為10 mm 的條件下,不同垂直高度下的原油處置效果如圖4所示。

圖4 不同垂直高度下油滴體積分?jǐn)?shù)的分布曲線

由圖4 可以看出:當(dāng)垂直高度為10 mm 和20 mm時,油滴體積分?jǐn)?shù)的分布差異不大;當(dāng)垂直高度達(dá)到60 mm 時,小粒徑油滴的體積分?jǐn)?shù)有所降低,即消油劑對試驗(yàn)原油的分散效果減弱。究其原因,可能是在10 mm 和20 mm 高度時,噴射的原油還未來得及發(fā)生物理分散,此時噴注消油劑有助于增強(qiáng)消油劑與原油的混合,并經(jīng)歷共同破碎的過程,從而取得較好的原油分散效果;而在60 mm 高度時,噴射的原油已經(jīng)發(fā)生一定程度的分散,消油劑與原油的混合能量減弱,導(dǎo)致原油分散效果減弱。

2 深水水下消油劑使用技術(shù)體系

2.1 消油劑的類型和使用量

我國分別依據(jù)《海洋石油勘探開發(fā)常用消油劑性能指標(biāo)及檢驗(yàn)方法》(HY/T 044-1997)[13]和《溢油分散劑 技術(shù)條件》(GB 18188.1-2000)[14]開展消油劑的性能檢驗(yàn)和使用許可,目前經(jīng)認(rèn)定許可使用的消油劑類型超過20種。

對于海底井噴溢油,由于較低的水體溫度會對消油劑的使用效果產(chǎn)生較大影響,須選擇在低溫下具有良好乳化效果的消油劑。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,GM-2消油劑對試驗(yàn)原油的分散效果最優(yōu),適合應(yīng)用于我國南海水下溢油應(yīng)急處置。在深水高壓條件下,消油劑對溢油的分散效果同樣明顯,且溢油分散效果隨劑油比的增大而增強(qiáng)。

常規(guī)型消油劑的使用量通常為處置溢油量的30%～100%。海面溢油噴灑消油劑基于海面風(fēng)浪的混合破碎,不同于水下井噴溢油噴注消油劑基于紊動混合機(jī)理,因此二者的混合能量不同,消油劑分散效果不同,消油劑的使用量也有所差異。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,水下噴注消油劑的使用量為溢油量的10%時即可獲得良好的分散效果。

2.2 消油劑水下噴注技術(shù)

消油劑水下噴注作業(yè)須依托專業(yè)的工作船和水下噴注裝備。中國海洋石油集團(tuán)有限公司自主研發(fā)深水消油劑水下噴注裝備[15],該裝備為2 個40 HQ標(biāo)準(zhǔn)集裝箱大小的結(jié)構(gòu)撬裝,以“海洋石油257”號深水環(huán)保船為載體,通過連續(xù)油管將消油劑注入1 500 m 水深的井口附近并利用ROV 夾持注劑頭,實(shí)現(xiàn)對井噴溢油的分散處置。

為保持消油劑水下噴注作業(yè)的穩(wěn)定性以及增強(qiáng)消油劑與溢油的混合程度,消油劑噴注應(yīng)為逆流方向。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,消油劑注劑頭與溢油口的水平距離對溢油分散效果的影響不大,但須保證將消油劑順利注入;消油劑注劑頭與溢油口的垂直高度對溢油分散效果的影響較大,須將消油劑注劑頭的垂直高度保持在井口直徑的10倍之內(nèi)。由于深水井噴事故中的溢油向上噴射,消油劑水下噴注的角度應(yīng)保持水平或斜向下方向,從而增強(qiáng)消油劑與溢油的混合程度。

3 結(jié)語

消油劑水下噴注能夠有效促進(jìn)我國南海海底井噴溢油的分散,不同消油劑水下噴注條件下的溢油分散效果不同。GM-2消油劑對試驗(yàn)原油呈現(xiàn)良好的分散性能,且消油劑對原油的分散效果隨劑油比的增大而增強(qiáng)。在一定范圍內(nèi),消油劑噴口與井口的水平距離對溢油分散效果的影響極小,而垂直高度對溢油分散效果的影響較大。

本研究從消油劑的類型、使用量和水下噴注技術(shù)等方面建立深水水下消油劑使用技術(shù)體系,為我國南海海上油氣開發(fā)可能面臨的水下井噴溢油事故提供有效的應(yīng)急處置技術(shù)手段。建議未來加強(qiáng)深水溢油事故應(yīng)急演練,通過演練進(jìn)一步檢驗(yàn)并完善消油劑水下噴注技術(shù)體系,提升深水溢油的應(yīng)急處置能力。