海上油田溢油污染风险要素及污染防治措施

曲良

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

随着我国经济的发展，石油和天然气需求不断提升，消费量快速增长。2017年我国石油产量1.92亿t，消费量达6.1亿t，对外依存度已达到68.9%，能源安全日趋严峻[1]。近年来，海洋油气资源逐步成为我国油气开发利用的新增长点。我国海洋石油资源量(不包括南海)为246亿t，占全国石油资源总量的23%；海洋天然气资源量为16万亿m3，占总量的30%[2],因此，加大海上油气勘探开发力度，已成为保障国家能源安全，缓解能源供需不足问题的必然选择。由于涉及大量易燃、易爆的石油和天然气物质，加上油田开发工艺、设备运行的复杂性，海上油田作业过程中，存在着发生海管损坏、储罐泄露、井喷等潜在风险，随之也会给海洋生态环境造成不同程度的损害[3]。因此，对海上油田作业各环节中存在的溢油污染风险要素进行识别分析，并以此为基础建立污染防治措施，对于保障海上油田勘探、开发及生产的顺利实施，具有重要意义。

有学者分析了深水作业的风险要素，并以此建立溢油污染风险评价指标体系[4]。学者们基于国内外海底管道事故数据的统计，分析了海底管道泄露事故原因，包括第三方破坏、冲刷悬空、管道腐蚀及自然灾害[5]。从溢油应急处置技术标准的角度，有学者指出我国目前的技术标准存在尚未能覆盖处置全过程的问题[6]。近期的研究中，有学者利用溢油污染风险评估技术对典型区域内的港口的溢油污染风险进行等级划分[7]。通过开展溢油风险方面的研究，学者们已经对溢油污染风险源有一定了解，但多围绕单一设施开展研究，缺少与海上油田作业特点及环境保护管理方法密切结合，溢油污染风险要素识别未能涵盖海上油田作业的主要环节，且与之相关的污染预防处置措施的研究系统性不强。

针对上述问题，为进一步提升溢油污染风险防控能力，完善海上油田溢油污染风险防范措施，本文围绕海上油田的主要作业环节和作业设施，对溢油污染风险因素进行了全面逐一分析，并结合现场作业实际情况及海上油田的环境保护方法，探讨了污染预防和处置措施，以期为海上油田勘探、开发及生产过程中污染防治提供决策依据和技术支持。

1 海上油田环境保护

海上油田采用全生命周期的环境保护，将全生命周期分为预可研阶段、可研阶段、设计阶段、建设阶段、试生产阶段、生产阶段以及废弃阶段。在预可研阶段，主要开展项目周边环境敏感资源的预评价。可研阶段，主要开展工程项目的环境影响评价，分析项目设计建造及生产阶段所产生的环境影响，以及相关的环境保护对策措施。在项目设计和建设阶段，设计并落实环境影响报告及批复文件的要求。试生产阶段主要是进行环保设备的选型、安装到位及调试完成。生产阶段按照经核准批复的环境影响评价报告要求对生产污水、生活污水、固体废弃物及废气进行处理。废弃阶段主要针对海上油田生产设施和相关海缆管线进行废弃处置的管理。

结合上述全生命周期的环境保护，与海上油田作业密切相关的溢油污染风险主要集中在海上油田的建设阶段、试生产阶段、竣工验收阶段，以及生产阶段。涉及的溢油污染风险因素包括井涌或井喷、船舶碰撞、海底管道与立管泄漏、平台储罐泄漏，以及地质性溢油。

2 海上油田溢油污染风险因素分析

2.1 海上油田建设和生产阶段的井涌或井喷

在钻、完井作业中，由于地层压力过高，泥浆比重失调、防井喷措施不当及其他误操作而导致地层压力出现欠平衡等原因，可导致发生井涌[8-9]。在生产阶段修井作业中，由于修井液比重失调、防喷措施不当及其他误操作等原因，可能引发井喷[10]。

2.2 海上油田的建设、生产和废弃阶段的船舶碰撞

船舶是海上油田作业必不可少的作业设施，其碰撞风险也贯穿于海上油田的建设、生产和废弃阶段。施工船舶受风、流、浪等影响，可能发生与附近航路船舶或与周围设施之间的碰撞，导致船舶燃料油储舱破裂泄漏。同时，生产过程中，供应船舶进行人员、物资运送过程中，与平台设施之间也可能发生碰撞。

2.3 海上油田生产阶段的海底管道与立管泄漏

因管材腐蚀、船舶锚挂等原因，海底管道与立管发生穿孔、破裂等事故，将导致油气泄漏。当海底管道和立管发生泄漏事故时，其应急关断系统将关断相应的输送系统，关断后管道内部分原油会缓慢泄出。该污染风险发生的外部原因常包括海面失落重物的撞击、渔船拖网或误抛锚、自然灾害，内部原因则有管道腐蚀、材料缺陷等[11-12]。

2.4 海上油田生产阶段的设施储罐泄漏

设施储罐是海上油田生产阶段的常规设备，分为常压储罐和带压储罐。由于阀门失效、管件失效、腐蚀、材料失效或破裂、操作错误、仪表和控制失效等原因将引发储罐泄漏，从而产生溢油污染的风险[13-14]。

2.5 海上油田建设和生产阶段的地质性溢油

地质性溢油常发生在钻井和注水作业过程中。在钻井作业过程中，如油气田表层套管下深不足或固井质量未达到标准要求，在钻遇异常高压油气层时可能产生地质性油气泄漏[15]。同时，在生产过程中，注水井如存在不恰当注入，会导致储层压力高压异常，储层流体将沿地质断层运移至海床而造成油气泄漏[16]。

3 溢油污染防范措施

针对溢油污染风险因素的分析，在防范措施方面，需要从海上油田设施、地质性溢油和管理体系方面对风险源加进行管控。

3.1 设施防范措施

3.1.1 井喷

1)油管强度设计采用较高的安全系数，选择优质封隔器并及时更换损坏元件。

2)配备防喷设备、压井材料及井控设备。

3.1.2 设施储罐容器泄漏

1)合理布放设备，对危险区采用防火、防爆设备，并采取隔离措施以降低风险。

2)安装火焰和气体探测器，以监测工艺流程中的火灾发生和可燃气体浓度的变化。

3.1.3 海底管道

1)建立操作规程与管理制度，对海底管道进行不定期局部检测和定期全面检测。

2)油气储运系统的管道设置相应的压力、温度报警系统,以及应急关断系统。

3.2 地质性溢油防范措施

3.2.1 方案设计

1)将井轨迹加载地震剖面上，充分分析井与周边断层的关系，优化井身轨迹，尽量规避穿越断层。

2)制定漏失风险堵漏措施，适当调整井身结构或增加套管。

3.2.2 钻完井作业

1)依据油藏方案，开展钻前井控分析，校核井身结构及套管程序。

2)配备钻井液材料，及时处理可能遇到的溢流和井涌。

3.2.3 生产作业

1)根据砂体压力分析情况，设计注入压力和注入量，进行注采比优化，实施分层配注。

2)制定注水系统日常作业和监控程序，设置注水压力和流量实时监测。对于达到最高注入压力仍无法满足配注要求的井，实施酸洗酸化作业。

3.3 溢油污染防治体系

溢油污染防治主要包括溢油污染预防、污染物预测、预警和污染物的处置。结合海上油田的环保管理内容，建立涵盖项目全生命周期的溢油污染防治体系，将有助于提高溢油污染事故风险管控水平，有效提升事故的应对处置效果。

1)预可研阶段。关注污染事故的影响程度。针对项目周围的敏感目标，分析确定溢油污染可能影响范围及污染损害程度。

2)可行性研究阶段。结合环境影响评价中分析的环境风险、最大可信事故及预测的溢油漂移轨迹，提出针对性的溢油污染处置措施。

3)设计建造阶段。根据项目施工方案，制定适合于建造现场的溢油应急预案，突出钻完井过程中的溢油风险管控与处置措施，落实溢油应急物资。

4)生产阶段。关注生产工艺流程的风险。根据油气田生产工艺、现场作业环境，制定溢油应急计划，落实溢油应急物资，定期开展溢油应急演习。

5)废弃阶段。根据井口封堵切割和海管清洗封存方案，制定相应的溢油应急计划，落实溢油应急物资。

4 现场污染处置

4.1 海面溢油处置

4.1.1 物理方法

撇油器和围油栏是广泛使用的溢油污染物处置措施。按照工作原理，撇油器可分为亲油式、真空式、堰式及机械式。学者们以回收效率为指标，开展了不同油膜厚度、传送带倾斜角度、传送速度、海流速度以及波高条件下，带式亲油撇油器使用效果变化的一系列研究发现，撇油器的回收效率随倾斜角度的减小而增加，而油层厚度以及转速与回收效率成正相关性[17]。

围油栏布放能够减小污染物的扩散，控制或缩小污染面积。学者们发现相同模拟风浪条件下，围裙体部分较短的围油栏围控效果优于较长，而将裙部结构安装于浮体外侧中部，形成简易的堰状结构，可以使溢油污染物随海流沿围油栏进入围控区域[18]。

4.1.2 化学方法

溢油分散剂的主要有效成分是表面活性剂。表面活性剂通过降低油/水之间的界面张力，形成易于分散的水包油结构，阻挡油滴结合，达到分散的效果[19]。国际组织和我国均出台了指导海面消油剂使用的方法[20]，规定了溢油分散剂的性能指标、喷洒粒径、用量、剂/油比等。

4.2 水下溢油处置

4.2.1 行为过程

水下溢油浮射羽流是得到广泛认可的水下溢油行为特征[21]。溢出的物流以射流形式喷出，在高压低温环境条件生成水合物，在地层或海底管道压力的作用下上升，随着压力作用的下降，上升速度逐渐减弱，溢油在浮力作用下上升。在上升过程中，受水平横流影响，粒径不同的油滴相互分离形成羽流。抵达海面的溢油在外部风浪条件下，发生风化、扩散等过程。

基于行为过程的分析，学者们对水下溢油过程进行了模拟与预测，如CDOG和DEEPBLOW溢油模型[22]。也有学者针对水下溢油过程中的羽流和对流阶段，利用Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法，建立羽流动力模型和对流扩散模型，并结合实验室条件下的水槽实验进行了验证[23]。

4.2.2 水下处置

1)钻孔抽油技术。该处置方法通过设计回收系统，达到回收沉船石油烃类污染物的目的[24]。主要工作内容包括水上操作进行的钻孔作业、潜水员进行的管线连接与抽油及可视化控制系统监控[25]。受水深所带来的设备承载压力、人员安全、开孔定位、实时监控等因素的影响，目前的钻孔抽油方法多集中于近岸海域[26-27]。

2)溢油分散剂水下使用技术。目前，溢油分散剂水下使用技术已成为水下溢油污染处置技术领域研究和关注的重点。在溢油分散剂使用过程中，海面船舶通过输送软管将溢油分散剂输送至水下，经ROV操作将溢油分散剂控制在溢油处喷洒。该方法与海面相比，水下环境较稳定，受外界干扰小。同时，在溢油点进行喷洒，减少了外界环境因素对在溢油扩散过程中对其性质的影响[28]。

5 结论

海上油田全生命周期中存在着井涌或井喷、船舶碰撞、海底管道与立管泄漏、设施储罐泄漏、地质性溢油等风险。采取针对性的设施防范措施、建立涵盖全油田生命周期的溢油污染防治体系，以及完善海面和水下溢油处置技术，能够有效提升溢油污染风险防控能力。但极端条件下，海上油田溢油污染风险的管控措施还需进一步强化。