渤海冰期溢油特性變化規律研究

黃　焱，宋夢然，關　湃

（1.天津大學　水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072；2.天津大學　建筑工程學院，天津　300072；3.中海石油有限公司天津分公司，天津　300452）

渤海冰期溢油特性變化規律研究

黃焱1，2，宋夢然1，2，關湃3

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.天津大學建筑工程學院，天津300072；3.中海石油有限公司天津分公司，天津300452）

當溢油事件發生在有冰覆蓋海域時，海面油膜的各項特性的變化規律將發生顯著變化。針對這一問題，采用室內試驗的方法對渤海可能發生的冰期溢油事件進行了模擬，重點針對溢油在有冰覆蓋海面上的特性變化進行了詳細觀測，并依據觀測數據對相關變化規律進行了探討。試驗中分別對輕質原油和重質原油試樣進行了測試，并針對渤海常年遇冰條件進行了模擬。試驗內容包括：油膜厚度、油膜蒸發率以及乳化黏度在不同冰塊覆蓋率下隨時間的變化情況。試驗測試結果表明，溢油的各項風化進程均將受到海冰的影響。

溢油；海冰；試驗研究

近年來，隨著全球海上石油開發、儲運的日益增長，發生重大海上溢油事故的風險隨之增加。2010年美國墨西哥灣漏油事件在國際上影響深遠，時至今日，依然讓人歷歷在目。2011年渤海蓬萊19-3油田的持續性溢油事故（如圖1所示），對我國的經濟和環境都造成了不同程度的損害。目前，我國渤海海域已投入使用的采油平臺和已鋪設的海底油氣管道中，已有70%以上服役超過15 a，這就促使渤海海域發生重大海上溢油事故的風險日益加劇。

目前，我國針對開放水域上的溢油應急處置技術已開展了多層次的研究，尤其在溢油漂移軌跡預測、溢油圍控與回收技術上取得了一些關鍵性技術的突破［1-4］。然而，當海面上有冰覆蓋時，溢油的化學及物理特性將具有極大的改變，進而致使目前針對開放水域研發的溢油應急處置模式與技術均不再適用［5-9］。我國雖地處熱帶、亞熱帶和溫帶，但我國的渤海和黃海北部，因地理位置偏北，冬季受西伯利亞南下冷空氣的直接影響，每年都有不同程度的結冰現象，成為北半球海洋結冰的南邊界。一般情況下，海冰的形式主要有以下幾種：當年平整冰、變形后的當年冰（包括重疊冰和當年冰脊）、多年浮冰塊及冰丘、冰河冰（包括冰島及冰島碎塊）。在我國渤海灣每年冰封期出現的冰主要以當年冰和變形后的當年冰為主，其中以當年平整冰最為常見，如圖2所示。

圖1　渤海蓬萊19-3油田溢油事故現場

圖2　渤海當年平整海冰

目前我國在冰區溢油應急處置技術上的研究還近乎空白，嚴重缺乏針對冰區溢油這一物理進程的基礎性研究作為支撐，已開發的溢油預測與控制回收技術均將在面對冰條件時發生失效。因此，如果2011年渤海蓬萊19-3油田的溢油事故發生在冬季海面有冰期間，則將造成更加嚴重的環境污染和經濟損失。基于此，本文采用室內試驗的方法對渤海可能發生的冰期溢油事件進行了模擬，重點針對溢油在有冰覆蓋海面上的特性變化進行了詳細觀測，并依據觀測數據對相關變化規律進行了探討。

1　冰區溢油特性變化機理分析

當原油在海水表面形成泄漏時，將同時或逐步經歷多個不同的風化進程，其中包括：擴散、蒸發（揮發）、乳化、光學氧化、分解、漂移、溶解、沉積、再次成膜、焦油球成型以及生物降解。這些進程將造成原油物理、化學性質的顯著變化。

這些變化進程的動態特征在很大程度上取決于具體的海洋環境條件和氣象條件。一般來說，原油中較輕成分的蒸發（揮發）進程具有十分顯著的重要性，在正常氣象條件下，原油發生泄漏的最初，將會有近50%的體積發生蒸發（揮發）。這一風化進程將致使原油中的水溶性組分比重大幅下降，進而造成原油濃縮度的大幅下降。然而，當溢油事件發生在有冰覆蓋的海域時，較低的環境溫度將會導致油膜的厚度增加，同時浮冰的存在也會降低原油的揮發率。國際上已進行的實測經驗表明［5］，在靠近極地區域的巴倫支海海域，破碎冰覆蓋區域內的海上溢油事件發生的最初一周內，其揮發比例僅為25%～30%。這樣一來，溢油內各項化學成分的比重將在低溫環境的影響下出現改變，即促使原油中的水溶性組分比重加大。在低溫環境的促進下，這種包含大量水溶性化學成分的溢油將很快被壓入（凍結、封閉）海冰材料內部。

冰是水的結晶體，在海冰形成的過程中，海水中的鹽分析出并開始轉移到下方，其中部分被截留在冰體內部形成鹽水泡。因此當海冰形成時，底層冰體具有一個鹽水層，而冰內鹽水泡的濃度則隨著溫度的下降而上升，即為一種消耗鹽水體積來提高冰相態的效應。隨著溫度的下降，天然海水中各種鹽類的最低溶解溫度開始出現，從而這些鹽分開始沉淀。當包含大量水溶性化學成分的溢油被封閉在冰材料內部時，相似的物理進程同樣將會出現。此時，溢油將伴隨海水內的鹽分以相同的路徑被封閉起來，進而形成沉淀。當冰在春天升溫融化，表面鹽層液化并優先通過柱狀細胞間隙從冰中排出，形成自頂到底的鹽水通道。而此時，被封閉在冰體內的油也通過在鹽水通道的移動和部分冰體融化溢出到海水表面。

同時，不同的溢油模式將導致不同的油-冰相互作用進程出現。當溢油源自水下時，冰蓋將斷裂為眾多的小塊，在這種情況下，溢油將伴隨著諸多的小碎冰塊發生漂移。而當溢油發生在水面時，溢油僅能致使冰蓋在較小的局部區域內發生斷裂，此時溢油和碎冰混雜的水面被未斷裂的堅實冰蓋包圍，這樣在水動力效應的影響下，溢油將隨時出現下潛至冰蓋下部的可能。由此可見，當溢油發生在冰區時，其漂移方式及軌跡均將發生很大改變。

在開放海域環境下，風和海流是控制溢油膜漂移進程的重要因素。在風的作用下，溢油膜通常可以獲取3%～10%的風速形成漂移擴散，這樣在泄漏發生的最初幾分鐘時間內，溢油膜即可形成上百平方米的擴散范圍。海流的作用是類似的，但作用形式體現為水下的壓力變化，進而造成油膜迅速變薄，并向外擴散。同樣，海上浮冰的漂移也是由風和海流驅動的，但由于海冰的表面粗糙度遠高于溢油膜，因此在同等環境條件下，海冰的漂移速度是快于油膜的。這樣，冰油混合的模式就會隨著漂移的發生而愈加嚴重，進而致使現有油膜擴散方程中的各項力學平衡關系被完全打破。

2　冰區溢油特性變化與擴散特征的室內試驗觀測

基于對上述特性變化的機理性認識，在天津大學冰力學與冰工程實驗室內進行了一系列的試驗觀測。

2.1試驗概述

實驗室低溫空間面積達216.0 m2，用于容納冰池并進行模型試驗，冰池長20.0 m，寬5.0 m，深1.8 m。實驗室制冷系統主要設備包括壓縮機組、冷風機，并通過精心設計的均壓送風頂棚對低溫冰池室內的空氣降溫，可精確控制制冷量、溫降速度和室內風速，從而可使試驗中的制冰溫度在-25℃～0℃的范圍內進行精準的調節控制。

試驗中采用人工引晶的方式在低溫環境下制備凍結冰。當水溫降至0℃同時氣溫降至-10℃時，采用噴霧引晶的方式促使冰排開始生長。采用此技術制備的冰排具有小且均勻的冰晶體尺寸 （直徑小于1 mm），并且具有與天然海冰完全一致的柱狀紋理結構，如圖3所示。當冰晶核在水面形成后，降低室溫至-22℃促使冰生長至目標冰厚。

試驗中共進行了兩種原油試樣的測試，具體參數見表1。試驗中針對渤海常年遇冰厚條件進行了模擬，即冰厚8 cm。試驗中的溫度環境采用渤海冬季平均氣溫-5℃。試驗中冰塊的覆蓋率為10%～85%，共6種條件。為系統刻畫單純海面覆冰條件對溢油性質的影響，因此試驗中未對風和流環境進行模擬。

表1　試驗原油試樣參數

在完成試驗冰體的制備后，在水池內圈定測試范圍，并在其中將冰蓋切割為0.5～1.0 m見方的冰塊，如圖4所示。隨后在測試區內采用軟管注入原油，每次注入時間為1 min。測量油膜水面覆蓋范圍和厚度：試驗的前10 min內每隔2 min測量和計算一次油膜范圍和厚度變化，在10 min后，每隔5 min測量和計算一次油膜范圍和厚度變化。其中，對于油膜厚度的測量，采用在0.1 m×0.1 m的測試區內取樣測量溢油體積，并根據取樣區域面積計算油膜厚度的方式實現。按照上述時間間隔，同樣取樣測量溢油體積，換算原油蒸發量，同時提取油樣進行黏度測量。累計測量2 h，期間室內氣溫保持-5℃。最后取冰樣測試其中油烴含量和分布。

圖3　試驗中制備的凍結冰

圖4　測試范圍和冰塊切割

2.2觀測結果分析

試驗觀測中首先發現，油膜的擴散在冰塊的簇擁之下受到抑制，而相應的抑制水平是隨冰覆蓋率的不同發生變化的。以輕質油試驗為例，當冰覆蓋率僅為10%時，油膜的擴散在初期是發展迅速的，因而其表征參數油膜厚度也隨時間呈快速下降的趨勢，如圖5所示。但當油膜開始遭遇漂浮在水面的冰塊后，其擴散進程開始受到抑制并發生停滯。同時，隨著油溫的下降，油膜的蒸發效應也趨于停滯，其黏度也開始逐步上升，進而造成在短時間內油膜厚度還有上升的跡象。然而這種短時間內的相對平衡狀態終將以油膜穿越冰塊覆蓋區的形式打破，此后，油膜又將進入一種較為穩定的擴散狀態。

當冰覆蓋率提升至85%時，油膜在擴散的初期即遭遇冰塊的抑制作用，因此，其擴散進程始終是以一種緩慢且穩定的狀態發展的，如圖6所示。同時，在冰的高覆蓋率影響下，油膜的擴散將很快趨于一種平衡停滯的狀態（如圖6中顯示的5 000 s后的測試規律）。

其次，黏度對油膜擴散速度具有主要影響，即黏度越高擴散越緩慢，并且其受冰塊影響的程度也越高。將每組次試驗中最終測算得到的油膜厚度進行比較，可以得到最終油膜厚度隨冰覆蓋率變化的規律，如圖7所示。可以看到，隨著冰塊覆蓋率的增加，油膜組最終厚度呈上升的趨勢，這說明油膜的擴散速度是隨冰塊覆蓋率的上升而下降的。試驗中兩種原油的注入體積與初始注入區域面積是一樣的，因此可判斷其初始厚度是一樣的，由此，比較圖7中顯示的兩種油質試驗結果還可發現，重質油的擴散水平明顯低于輕質油，顯然，黏度的差異是導致其差別的關鍵。同時還應注意到，當冰塊覆蓋率進入較高水平時（大于40%），輕質油擴散狀態的變化較之重質油是更為顯著的。

圖5　油膜厚度變化測算結果（輕質油、冰覆蓋率10%）

圖6　油膜厚度變化測算結果（輕質油、冰覆蓋率85%）

圖7　油膜最終厚度隨冰覆蓋率的變化

圖8　油膜蒸發率監測結果（輕質油）

圖9　油膜乳化黏度監測結果（輕質油）

圖10　油膜包裹冰塊并進一步滲入

另一方面，油膜的蒸發水平也受到冰覆蓋率重要影響。同樣以輕質油試驗為例，圖8顯示了3種冰覆蓋率下原油的蒸發率隨時間的變化。觀察測試結果可以看到，油膜的蒸發水平受到冰覆蓋率重要影響，冰覆蓋率越大，蒸發水平受到越顯著的抑制，相應的其黏度也開始逐步上升。而同時，油膜乳化黏度的變化又呈現出近乎相反的規律，如圖9所示。由此可見，在不同的冰覆蓋率下，油膜的蒸發與乳化進程均受到不同程度的抑制，而油膜的擴散又受到蒸發與乳化進程相反規律的控制。

每組試驗測試中，在對上述參數完成監測后，又對冰塊試樣進行了化學性質測試。測試結果表明，油烴在沿冰厚方向上均有滲入，而重質油相對輕質油則具有更大的滲冰性。如圖10所示，油膜的擴散受到浮冰的阻礙后，開始形成對冰塊的包裹并向水下發展，進而由水下形成向冰體內部的滲入。

3　結論與討論

本文采用室內試驗的方法對渤海可能發生的冰期溢油事件進行了模擬，重點針對溢油在有冰覆蓋海面上的特性變化進行了詳細觀測，并依據觀測數據獲得以下規律性結論：

（1）隨著冰塊覆蓋率的增加，油膜的擴散速度呈下降的趨勢，當冰塊聚集度在40%以上時，油膜厚度的縮減速率顯著降低。

（2）黏度對油膜擴散速度有主要影響，即黏度越高擴散越緩慢，并且其受冰塊影響的程度也越高。

（3）在不同的冰覆蓋率下，油膜的蒸發與乳化進程均受到不同程度的抑制，而油膜的擴散又受到蒸發與乳化進程相反規律的控制。

（4）冰塊試樣測試表明，油烴在沿冰厚方向上均有滲入，因此其隨海冰漂移并向水下泄漏的可能性很高。

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Study on the Varying Regularity of Oil Spill Properties During the Ice Period of the Bohai Sea

HUANG Yan1，2，SONG Meng-Ran1，2，GUAN Pai3
1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
3.CNOOC Ltd.-Tianjin，Tianjin 300452，China

When oil spills occur in ice-covered sea areas，the varying regularity of the properties of surface oil film will have significant changes.To tackle this problem，experiments were performed to simulate possible oil spilling events in the ice-covered period of the Bohai Sea.The variations of oil spill properties were carefully observed and measured，and discussions were carried out on the relative varying regularity based on the observing data.Light and heavy crude oil samples were respectively tested in the experiments，with simulation targeted for the usual ice condition in the Bohai Sea.The experiments include measuring the oil spill thickness，evaporative loss rate and the emulsion viscosity that changes with time under different ice coverage.The testing results indicate that the weathering processes of oil spills are influenced by the presence of sea ice.

oil spill；sea ice；experimental study

X55

A

1003-2029（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.001

2016-02-25

天津市海洋局19-3專項資助項目（19-3BC2014-06），國家自然科學基金創新研究群體科學基金資助項目（51021004）

黃焱（1978-），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為海洋工程環境。E-mail：hjacyky@tju.edu.cn