海上油田溢油污染風險要素及污染防治措施

曲良

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

隨著我國經濟的發展，石油和天然氣需求不斷提升，消費量快速增長。2017年我國石油產量1.92億t，消費量達6.1億t，對外依存度已達到68.9%，能源安全日趨嚴峻[1]。近年來，海洋油氣資源逐步成為我國油氣開發利用的新增長點。我國海洋石油資源量(不包括南海)為246億t，占全國石油資源總量的23%；海洋天然氣資源量為16萬億m3，占總量的30%[2],因此，加大海上油氣勘探開發力度，已成為保障國家能源安全，緩解能源供需不足問題的必然選擇。由于涉及大量易燃、易爆的石油和天然氣物質，加上油田開發工藝、設備運行的復雜性，海上油田作業過程中，存在著發生海管損壞、儲罐泄露、井噴等潛在風險，隨之也會給海洋生態環境造成不同程度的損害[3]。因此，對海上油田作業各環節中存在的溢油污染風險要素進行識別分析，并以此為基礎建立污染防治措施，對于保障海上油田勘探、開發及生產的順利實施，具有重要意義。

有學者分析了深水作業的風險要素，并以此建立溢油污染風險評價指標體系[4]。學者們基于國內外海底管道事故數據的統計，分析了海底管道泄露事故原因，包括第三方破壞、沖刷懸空、管道腐蝕及自然災害[5]。從溢油應急處置技術標準的角度，有學者指出我國目前的技術標準存在尚未能覆蓋處置全過程的問題[6]。近期的研究中，有學者利用溢油污染風險評估技術對典型區域內的港口的溢油污染風險進行等級劃分[7]。通過開展溢油風險方面的研究，學者們已經對溢油污染風險源有一定了解，但多圍繞單一設施開展研究，缺少與海上油田作業特點及環境保護管理方法密切結合，溢油污染風險要素識別未能涵蓋海上油田作業的主要環節，且與之相關的污染預防處置措施的研究系統性不強。

針對上述問題，為進一步提升溢油污染風險防控能力，完善海上油田溢油污染風險防范措施，本文圍繞海上油田的主要作業環節和作業設施，對溢油污染風險因素進行了全面逐一分析，并結合現場作業實際情況及海上油田的環境保護方法，探討了污染預防和處置措施，以期為海上油田勘探、開發及生產過程中污染防治提供決策依據和技術支持。

1 海上油田環境保護

海上油田采用全生命周期的環境保護，將全生命周期分為預可研階段、可研階段、設計階段、建設階段、試生產階段、生產階段以及廢棄階段。在預可研階段，主要開展項目周邊環境敏感資源的預評價。可研階段，主要開展工程項目的環境影響評價，分析項目設計建造及生產階段所產生的環境影響，以及相關的環境保護對策措施。在項目設計和建設階段，設計并落實環境影響報告及批復文件的要求。試生產階段主要是進行環保設備的選型、安裝到位及調試完成。生產階段按照經核準批復的環境影響評價報告要求對生產污水、生活污水、固體廢棄物及廢氣進行處理。廢棄階段主要針對海上油田生產設施和相關海纜管線進行廢棄處置的管理。

結合上述全生命周期的環境保護，與海上油田作業密切相關的溢油污染風險主要集中在海上油田的建設階段、試生產階段、竣工驗收階段，以及生產階段。涉及的溢油污染風險因素包括井涌或井噴、船舶碰撞、海底管道與立管泄漏、平臺儲罐泄漏，以及地質性溢油。

2 海上油田溢油污染風險因素分析

2.1 海上油田建設和生產階段的井涌或井噴

在鉆、完井作業中，由于地層壓力過高，泥漿比重失調、防井噴措施不當及其他誤操作而導致地層壓力出現欠平衡等原因，可導致發生井涌[8-9]。在生產階段修井作業中，由于修井液比重失調、防噴措施不當及其他誤操作等原因，可能引發井噴[10]。

2.2 海上油田的建設、生產和廢棄階段的船舶碰撞

船舶是海上油田作業必不可少的作業設施，其碰撞風險也貫穿于海上油田的建設、生產和廢棄階段。施工船舶受風、流、浪等影響，可能發生與附近航路船舶或與周圍設施之間的碰撞，導致船舶燃料油儲艙破裂泄漏。同時，生產過程中，供應船舶進行人員、物資運送過程中，與平臺設施之間也可能發生碰撞。

2.3 海上油田生產階段的海底管道與立管泄漏

因管材腐蝕、船舶錨掛等原因，海底管道與立管發生穿孔、破裂等事故，將導致油氣泄漏。當海底管道和立管發生泄漏事故時，其應急關斷系統將關斷相應的輸送系統，關斷后管道內部分原油會緩慢泄出。該污染風險發生的外部原因常包括海面失落重物的撞擊、漁船拖網或誤拋錨、自然災害，內部原因則有管道腐蝕、材料缺陷等[11-12]。

2.4 海上油田生產階段的設施儲罐泄漏

設施儲罐是海上油田生產階段的常規設備，分為常壓儲罐和帶壓儲罐。由于閥門失效、管件失效、腐蝕、材料失效或破裂、操作錯誤、儀表和控制失效等原因將引發儲罐泄漏，從而產生溢油污染的風險[13-14]。

2.5 海上油田建設和生產階段的地質性溢油

地質性溢油常發生在鉆井和注水作業過程中。在鉆井作業過程中，如油氣田表層套管下深不足或固井質量未達到標準要求，在鉆遇異常高壓油氣層時可能產生地質性油氣泄漏[15]。同時，在生產過程中，注水井如存在不恰當注入，會導致儲層壓力高壓異常，儲層流體將沿地質斷層運移至海床而造成油氣泄漏[16]。

3 溢油污染防范措施

針對溢油污染風險因素的分析，在防范措施方面，需要從海上油田設施、地質性溢油和管理體系方面對風險源加進行管控。

3.1 設施防范措施

3.1.1 井噴

1)油管強度設計采用較高的安全系數，選擇優質封隔器并及時更換損壞元件。

2)配備防噴設備、壓井材料及井控設備。

3.1.2 設施儲罐容器泄漏

1)合理布放設備，對危險區采用防火、防爆設備，并采取隔離措施以降低風險。

2)安裝火焰和氣體探測器，以監測工藝流程中的火災發生和可燃氣體濃度的變化。

3.1.3 海底管道

1)建立操作規程與管理制度，對海底管道進行不定期局部檢測和定期全面檢測。

2)油氣儲運系統的管道設置相應的壓力、溫度報警系統,以及應急關斷系統。

3.2 地質性溢油防范措施

3.2.1 方案設計

1)將井軌跡加載地震剖面上，充分分析井與周邊斷層的關系，優化井身軌跡，盡量規避穿越斷層。

2)制定漏失風險堵漏措施，適當調整井身結構或增加套管。

3.2.2 鉆完井作業

1)依據油藏方案，開展鉆前井控分析，校核井身結構及套管程序。

2)配備鉆井液材料，及時處理可能遇到的溢流和井涌。

3.2.3 生產作業

1)根據砂體壓力分析情況，設計注入壓力和注入量，進行注采比優化，實施分層配注。

2)制定注水系統日常作業和監控程序，設置注水壓力和流量實時監測。對于達到最高注入壓力仍無法滿足配注要求的井，實施酸洗酸化作業。

3.3 溢油污染防治體系

溢油污染防治主要包括溢油污染預防、污染物預測、預警和污染物的處置。結合海上油田的環保管理內容，建立涵蓋項目全生命周期的溢油污染防治體系，將有助于提高溢油污染事故風險管控水平，有效提升事故的應對處置效果。

1)預可研階段。關注污染事故的影響程度。針對項目周圍的敏感目標，分析確定溢油污染可能影響范圍及污染損害程度。

2)可行性研究階段。結合環境影響評價中分析的環境風險、最大可信事故及預測的溢油漂移軌跡，提出針對性的溢油污染處置措施。

3)設計建造階段。根據項目施工方案，制定適合于建造現場的溢油應急預案，突出鉆完井過程中的溢油風險管控與處置措施，落實溢油應急物資。

4)生產階段。關注生產工藝流程的風險。根據油氣田生產工藝、現場作業環境，制定溢油應急計劃，落實溢油應急物資，定期開展溢油應急演習。

5)廢棄階段。根據井口封堵切割和海管清洗封存方案，制定相應的溢油應急計劃，落實溢油應急物資。

4 現場污染處置

4.1 海面溢油處置

4.1.1 物理方法

撇油器和圍油欄是廣泛使用的溢油污染物處置措施。按照工作原理，撇油器可分為親油式、真空式、堰式及機械式。學者們以回收效率為指標，開展了不同油膜厚度、傳送帶傾斜角度、傳送速度、海流速度以及波高條件下，帶式親油撇油器使用效果變化的一系列研究發現，撇油器的回收效率隨傾斜角度的減小而增加，而油層厚度以及轉速與回收效率成正相關性[17]。

圍油欄布放能夠減小污染物的擴散，控制或縮小污染面積。學者們發現相同模擬風浪條件下，圍裙體部分較短的圍油欄圍控效果優于較長，而將裙部結構安裝于浮體外側中部，形成簡易的堰狀結構，可以使溢油污染物隨海流沿圍油欄進入圍控區域[18]。

4.1.2 化學方法

溢油分散劑的主要有效成分是表面活性劑。表面活性劑通過降低油/水之間的界面張力，形成易于分散的水包油結構，阻擋油滴結合，達到分散的效果[19]。國際組織和我國均出臺了指導海面消油劑使用的方法[20]，規定了溢油分散劑的性能指標、噴灑粒徑、用量、劑/油比等。

4.2 水下溢油處置

4.2.1 行為過程

水下溢油浮射羽流是得到廣泛認可的水下溢油行為特征[21]。溢出的物流以射流形式噴出，在高壓低溫環境條件生成水合物，在地層或海底管道壓力的作用下上升，隨著壓力作用的下降，上升速度逐漸減弱，溢油在浮力作用下上升。在上升過程中，受水平橫流影響，粒徑不同的油滴相互分離形成羽流。抵達海面的溢油在外部風浪條件下，發生風化、擴散等過程。

基于行為過程的分析，學者們對水下溢油過程進行了模擬與預測，如CDOG和DEEPBLOW溢油模型[22]。也有學者針對水下溢油過程中的羽流和對流階段，利用Lagrange積分法和Lagrange粒子追蹤法，建立羽流動力模型和對流擴散模型，并結合實驗室條件下的水槽實驗進行了驗證[23]。

4.2.2 水下處置

1)鉆孔抽油技術。該處置方法通過設計回收系統，達到回收沉船石油烴類污染物的目的[24]。主要工作內容包括水上操作進行的鉆孔作業、潛水員進行的管線連接與抽油及可視化控制系統監控[25]。受水深所帶來的設備承載壓力、人員安全、開孔定位、實時監控等因素的影響，目前的鉆孔抽油方法多集中于近岸海域[26-27]。

2)溢油分散劑水下使用技術。目前，溢油分散劑水下使用技術已成為水下溢油污染處置技術領域研究和關注的重點。在溢油分散劑使用過程中，海面船舶通過輸送軟管將溢油分散劑輸送至水下，經ROV操作將溢油分散劑控制在溢油處噴灑。該方法與海面相比，水下環境較穩定，受外界干擾小。同時，在溢油點進行噴灑，減少了外界環境因素對在溢油擴散過程中對其性質的影響[28]。

5 結論

海上油田全生命周期中存在著井涌或井噴、船舶碰撞、海底管道與立管泄漏、設施儲罐泄漏、地質性溢油等風險。采取針對性的設施防范措施、建立涵蓋全油田生命周期的溢油污染防治體系，以及完善海面和水下溢油處置技術，能夠有效提升溢油污染風險防控能力。但極端條件下，海上油田溢油污染風險的管控措施還需進一步強化。