含水层及水体溢油污染三维应急响应

2018-04-26 09:23，，

船海工程 2018年2期

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(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100； 2.中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300457)

随着经济的高速发展，人们对能源的需求已经触及到地球的每一寸肌肤，从海湾、开阔海域、深水区到陆地湖区、河岸区等等，但凡是有石油储量的地方，都存在或计划进行石油勘探开发，而且如今随着技术的发展，石油勘探开发活动远远比早期活动复杂得多，对环境的影响也更加深远。然而在2010年中国渤海蓬莱19-3油田溢油事故发生以前，人们很少去思考溢油从非人工组件中泄漏出来的应对措施，虽然在此之前也曾发生过类似事故。人们并不真正清楚当溢油存在于水体中而非海面上时采用何种措施去定位、跟踪、清除溢油，对溢油最终进入地下水、含水层的过程也并不十分了解[1]，进而导致其他环境问题的发生。

溢油发生的原因不尽相同，然而溢油应急响应的策略在原理上却基本相同：监视监控、制定策略、调配资源以清除泄漏的溢油。

随着事故的不断发生，溢油发生的原因也超越了原来的理解范畴。不断改变的观点已经迫使石油公司和溢油应急响应组织来重新审视目前所使用的应急响应策略，去寻求创新的技术和理念来应对溢油的挑战。

基于应急响应实践经验及实验室数据分析，本研究通过分析溢油的原因，提出新的应急响应策略，向溢油应急响应组织提出新的概念，即三维溢油应急响应。本研究将有助于石油公司面对新的挑战，并引导其制定合适的环境政策，最终减小石油工业活动对人类、环境所产生的影响。

1 溢油的来源

2008年5月发生在英国北海的Tordis及2011年夏天发生在中国渤海的蓬莱19-3油田溢油事故，引起了大众对溢油污染事件的极大关注。两起事故发生的原因都不在于人工组件的问题，而是所谓的地质性泄漏，是由于人为因素导致地质断层以及人工操作失误，这正好可以认为地层中的原油已经进入水体的三维空间中。

对于溢油二维应急响应的过度关注已经影响到了整个溢油应对历史上响应策略及设备的发展。石油企业和溢油应急组织对于水面溢油已经通过溢油回收技术或者吸附消散技术进行处理，但是并未深入思考溢油对于水体及海底生态系统的破坏(见图1)，这个问题已经对其他行业组织产生影响并可能对后代产生不良影响。

图1 地质性溢油及三维应急响应示意

应对地质性溢油，最主要的挑战是没有有效的方法去封堵其泄漏源头，迟缓的行动会导致溢油大量泄漏，进入水体、漂浮到海面上造成水体及海面的大面积污染，这将花费巨大的资金去处理溢油，而收效却可能甚微。再者，不推荐使用化学消油剂，因为化学消油剂使得溢油变成小油滴，难以回收并长期存在与水体中，对整个水生生态系统产生危害，这是不可接受的。

1.1 对含水层的影响

地层断裂会导致地层中储藏的石油及油水进入含水层中，无论该地下水是否被石油公司利用或是被其他行业或普通人使用。尽管土壤结构不均匀时，石油不能完全渗透到土壤中，而且运移非常不规则，但轻质油或轻组分可能通过某种土壤迅速运移。在20世纪90年代中国西北地区的一些油区中确实发生过这种现象，在一些极端个例中曾有农民的饮用水井中在一夜之间全是原油。

根据2013年MEP的一项对中国乡村地下水及地表用水情况的调查，有798户村民的饮用水曾经被不明来源的石油污染[2]。

另一个例子发生在2007年，在中国北方一个以泉水著称的城市近郊的一座山上，一条输油管线发生泄漏，并导致管线周边的饮用水水库发生污染，见图2。

图2 地下水储层与含水层之间的通道

在没有仪器帮助的情况下，人类对汽油污染体积分数的敏感度在0.05×10-6以上，而对于原油，人类的感知体积分数范围在0.2×10-6以上，所以并不是每个人都可以立即感知到有害水体。这就类似于当你面对一大杯油污水，往其中滴入一小滴汽油，虽然感知不出汽油，但是你依然不会去喝，因为其对人体有害。

1.2 对水体的影响

在深水环境中，由于多种自然因素影响，如颗粒沉积、风化等因素原油颗粒可能会沉降到水底，或悬浮于水体中。这对于二维的溢油应急响应，只能通过某种方式将油扩散到海面才可以采取响应措施，并将海面溢油处理完即表示响应终止，或者根本就无法处理。但对于三维溢油应急响应，处置工作还远远没有结束。当溢油在留存与水体或海底中时，还会有很多挑战。

1)当溢油悬浮在水体中时，很难追踪和定位。

2)没有有效的围控方法和设备去围控溢油。

3)没有有效的撇油器或其他设备去回收溢油。

4)黏度往往很高，难以用泵回收。

5)随着深海海流高速漂移。

不论溢油是在含水层亦或水体中，目前的处置技术并不成熟，也没有人可以知晓在经历一次灾难性的溢油事故后究竟有多少油残留于水体中。

1.3 地质断层的敏感地质条件

大多数的含水层在油层以下，而含气层在油层以上，水库是通过含水层进行源源不断的补给，为了确认地质条件是否会导致地层断裂，应该重点关注以下几点。

①水库库区地层可能有大断层、大尺度破裂缝隙；

②不同区域的压力不同；

③有浅层气存在；

④含水层与水库之间的通道敏感脆弱。

水汽蒸发形成云层，并形成降水落入海洋或者陆地，降水落入地面，形成溪流最终还是汇入海洋。降水、地表水流，汇聚着新鲜淡水进入湖泊和含水层,见图3。

图3 含水层来源示意

如果地下水来自于周边地区，而这些地区受到石油污染，那么将进一步导致含水层发生污染，其污染扩散风险就大大增加。

1.4 操作性失误

未经评估的注水和水力压裂是地质性溢油的两个主要因素，而人类本身就是这一原因的罪魁祸首。注水是目前保持油田产量的一个主要技术，然而，注入效率低可能导致过早突破，产生较差的注入剖面(通道、裂缝和漏区)，从而通过加大注水压力来实现，这就有可能导致局部地层压力过高最终使地层破裂，发生地质性溢油事故。

水力压裂是开采岩石储层中原油的另一种技术，是在充分了解压裂与地下水资源的关联关系的基础上，通过水力压裂技术增加油或天然气流进入井筒，进而提高产量。

依据石油企业的观点，水力压裂不存在使饮用水发生溢油污染的风险，因为压裂是在深层的含水层下进行的，并不会影响到含水层，然而这些含水层正是饮用水井中水的来源，在有些情况下水力压裂正是饮用水污染的最大威胁。在开发浅层石油或浅层天然气资源的地方，钻井活动可以直接在抽取饮用水的含水层中进行。

2 三维溢油应急响应措施

常规的溢油响应或二维响应仅仅是对表面溢油污染进行判断和处理，而三维溢油应急响应提出了新的要求，即需要用三维的视角来进行预防和响应。

2.1 预防

从地质调查和实际资料中收集到信息，越详细的资料越有利于进行预防和反应。在勘探生产活动中，及时进行动态监测和补充调查，将有效避免最坏情况的发生[5]。

除了关注钻井设计、套管设计和储层特征，利用单一减压井或减压井群来释放地层压力也是可以提前采取的措施。为了节约成本，已有的井可以在紧急情况下作为减压井使用，因此，在早期设计阶段就需要经过详细计划以满足该井后期可以作为减压井来使用。

为了处理沉底油，需要三维模型来跟踪它的行为和归宿，以便于对其进行定位。由中海石油环保服务(天津)有限公司联合国家海洋局第一海洋研究所开发的二维溢油漂移轨迹预测系统——中国近海海域溢油漂移预测与决策支持系统已经被广泛应用，该系统利用表面流的数据库来对海洋表面的溢油速度和方向进行预测(见图4)。这些数据库的经验和知识，无论是实时的还是模拟的，都可被用于三维溢油数值模型开发。