海上浮動核電站周邊油田井噴事故的安全風險問題研究

蘭志剛，于 汀

（中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028）

近年來，鑒于海上石油開發對清潔生產和減排的迫切需要，利用海上浮動核電站為海上油氣田開發提供能源和淡水，成為核能應用的重要開發方向。

然而，海洋石油勘探開發生產等作業內容屬于高危險作業類型，石油、天然氣本身屬于危險物質，易發生火災、爆炸等危險事件，尤其是井噴事故，更是海上油氣開發活動中面臨的重要安全風險。根據挪威科學和工業研究基金會（SINTEF） 海洋石油井噴數據庫（SINTEF Offshore Blowout Database）提供的井噴事故數據（如圖1 所示），井噴事故發生的概率在10-5～10-4[1]，遠大于陸上核電規定的設計基準概率值DBPV（10-6/堆·年），因此，需要對該外部事件的影響做出詳細的評價。

由于海洋環境的特殊性和復雜性，與陸上油田井噴事故相比，海上油田井噴事故的影響方式有所不同，復雜性也有所加劇。因此，在開展利用海上浮動核電站為海上油田供能的可

圖1 SINTEF提供的不同海洋油氣開發作業的井噴事故概率Fig.1 Blowout accident probability for various offshore oil and gas development operations provided by SINTEF

圖1 SINTEF提供的不同海洋油氣開發作業的井噴事故概率

Fig.1 Blowout accident probability for various offshore oil and gas development operations provided by SINTEF行性論證過程中，必須結合海洋環境及海上浮動核電站的特點，建立相應的技術分析方法和流程，對井噴引發的伴生、次生和衍生風險做出綜合分析，全面分析海上油田井噴事故對海上浮動核電站的影響，確保海上浮動核電站的選址安全。

1 海上油氣田井噴事故源項

井噴是指油氣開發時，由于對地層壓力控制不當，致使地層流體（如油氣和水）持續涌入井筒或噴出井口的現象。井噴發生時，通常包含溢流和井噴兩個過程。首先，當鉆井液壓小于地層壓力時，會導致地層流體侵入井內，形成溢流，而當溢流進一步失控時，會致使大量地層流體流入井內，并噴出井口，形成井噴。在海上油氣開采過程中，鉆井作業、測井作業以及油氣生產各環節均有可能發生井噴事故。而且海洋油氣開采過程中一旦發生井噴失控，會導致大量原油及易燃、易爆或有毒氣體外泄，對周邊環境和安全造成嚴重危害[2]。為防止溢流和井噴，海洋油氣開采作業中有針對性地設立了初級井控和二級井控措施，形成了預防井噴的初級屏障和二級屏障。初級屏障由鉆井液柱和水泥漿控制組成；二級屏障則由防噴器、分流器等井口控制裝置組成。井噴發生后，為防止事故擴大和蔓延，還設立了防火防爆、消防抑爆、緊急脫開系統等多重安全屏障。文獻[3]給出了井噴事故分析模型（如圖2 所示），經分析可知，井噴事故發生過程中，安全屏障被破壞得越多，井噴事故的后果就越嚴重。

圖2 井噴事故分析模型Fig.2 Blowout accident analysis model

2010 年4 月20 日，墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺固井候凝后，替水（海水替換泥漿液柱）引發液柱壓力降低，并且由于固井質量不合格，導致高壓油氣侵入，造成初級屏障失效，致使油井發生溢流。由于發現不及時，且發現溢流后，防噴器井控裝備未能發揮作用，造成二級屏障失效，引發井噴。井噴氣體涌入一處有易燃物的房間后，發生了第一起爆炸，隨后發生的爆炸又點燃了冒上來的原油。隨著井噴的持續，“深水地平線”被井噴噴發的“氣云”罩住，最后，在爆炸、燃燒中沉沒，并導致大量原油泄漏，對墨西哥灣水域造成了嚴重的環境災難，如圖3 所示。井噴事故危害之大，由此可見一斑。

圖3 墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺井噴引發的燃燒、爆炸和溢油污染（照片摘自《維基百科》）Fig.3 Burning,explosion and oil spill pollution caused by blowout on deepwater horizon drilling platform in Gulf of Mexico(photos by Courtesy of Wikipedia）

2 海上油氣田井噴可能引發的外部人為事件及其分析方法

發生海上油氣田井噴事故時，將有大量原油、易燃易爆氣體從井口噴發外泄，對于高含硫油氣田，噴發的氣體中還會含有大量的硫化氫有毒氣體。噴發的易燃易爆氣體直接形成危險氣云，而噴發的原油中含有大量的可揮發物質，揮發后也會形成易燃易爆的危險氣云。上述易燃易爆氣體如遇明火則發生燃燒；如到達爆炸的上下限濃度則可發生爆炸，爆炸產生的沖擊波和拋射物還會引發油田生產設施的起火、爆炸等連續事故，造成二次破壞，形成災害的“多米諾效應”。

噴發泄露在海面上的原油，具有漂浮性、流動性、揮發性、可燃可爆性及毒性等理化特性。溢油中易揮發組分的蒸發，會在發生溢油事故的海面上空形成危險蒸氣云，如遇明火，則可能發生燃燒爆炸，并有可能點燃海面溢油，形成移動火源，對附近的海上浮動核電站形成危害。另外，井噴引發的溢油可能造成大面積海水水質污染，特別是溢油中易揮發組分的蒸發還會導致溢油特性的變化，使蒸發后留在海面上的溢油密度和黏度加大，導致其下沉至水面以下。如果漂移至海上浮動核電站附近，會對其取水造成危害，進而影響核電設施的安全。噴發的有毒氣體則形成飄移危險氣云，一旦侵入海上浮動核電站，會對工作人員造成嚴重的身體傷害，進而影響核電設施的安全運行，引發安全事故。從井噴事故和核電廠選址外部事件的對應關系上看，海洋油氣開發的井噴事故會引發一系列核電廠選址外部事件，如井噴直接噴發、原油揮發形成的易燃易爆氣體以及噴發的有毒氣體會形成易燃易爆氣云釋放始發事件；井噴引發的燃燒，包括燃燒的漂浮溢油，會形成著火始發事件；井噴引發的爆炸會形成爆炸始發事件；具有強揮發性的原油噴發，會形成危險液體泄漏始發事件；井噴危險氣云爆炸引發次生爆炸則可能形成核電廠選址外部事件中的撞擊始發事件。井噴引發的直接、次生和衍生危害如圖4 所示。

圖4 井噴引發的直接、次生和衍生危害Fig.4 Direct,secondary and derived hazards caused by blowout accidents

通過上述分析可以看出，海上油氣井噴引發的典型危害形式有噴射燃燒、蒸氣云爆炸、溢油燃燒以及大面積溢油污染等，對于高含硫油氣田，還有硫化氫毒氣擴散的危害。其對海上浮動核電站的具體危害包括沖擊波、碎片撞擊、熱輻射和毒性對人體的影響以及海水水質污染等。因此，應針對上述典型危害形式，分析海上油田井噴事故對周邊浮動核電站安全的影響非常必要。

2.1 井噴引發的噴射燃燒和溢油燃燒

陸上核電站對火災源項的篩選距離為1～2 km[4]。如果海上浮動核電站周邊石油平臺上有天然氣儲罐設施或其他天然氣生產設施，石油平臺上發生火災時可能造成上述設施發生爆炸，造成易燃易爆氣體的泄漏。如火災灼焰可以造成液化石油氣（LPG）的儲罐發生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸（BLEVE），這是發生于液化天然氣泄漏事故中最為嚴重的一種災害形式。BLEVE 的破壞性極大，會造成LPG 的噴射泄漏，加劇火勢蔓延，噴射出的天然氣也會形成危險蒸氣云。另外，爆炸產生的沖擊波和拋射物還會引發連續事故，造成二次破壞。對于由井噴引發的在石油平臺上的火災，可以參見《核電廠廠址選擇的外部人為事件》（HAD 101—2004）中有關著火時熱通量與距離的關系，進行灼烤評價[4]。由于海上浮動核電站與石油平臺間隔較遠，遠遠大于數倍的燃燒源尺寸，石油平臺上發生的火災形成的燃燒或熱輻射不會對其造成直接影響。

另外，海上油田井噴往往會導致溢油事故并引發次生火災。由于海水的流通性，海面燃燒的溢油有可能形成移動火災源。因此，海上核電不宜簡單照搬陸上核電的著火外部事件篩選距離值，還應評價火災引發的溢油事故以及可能形成移動火災源的影響。

研究表明，水面溢油的有效和持續燃燒的基本條件是燃燒油膜的厚度大于2～3 mm，當油膜厚度低于該厚度時，由于油膜熱量損失很快，油溫將降至蒸發溫度以下，導致燃燒中止[5]。根據Fay 模型結合Lehr 等油膜橢圓擴展模型[6]，油膜厚度隨時間變化的定量關系式為[7]：

式中，S——溢油面積，m2；

Vw——風速，m/s；

t——溢油時間，min；

h1（t）——油膜厚度，m；

ρw——海水密度，g/m3；

ρo,T——對應溫度T（℃）時的原油密度，g/m3。

圖5 給出了密度為0.85 的原油在發生井噴后，不同溢油量的油膜厚度隨時間的變化規律。

圖5 不同溢油量(V）的油膜厚度隨擴散時間的變化Fig.5 Change of oil film thickness with diffusion for different oil spill volume(V）

水面溢油的燃燒實驗表明，其燃燒速率約為2～3 mm/min，且燃燒速率不因油種及油的風化程度而有明顯變化[8]，因此，燃燒引起的水面溢油的油層厚度減小量Δh（t）可以用下式描述：

式中，C——單位時間水面上燃燒油膜厚度的消減率，其值為2～3 mm/min；

t——燃燒時間。

從圖6 可以看出，對于規模為10 000 m3、原油密度為0.85 的井噴溢油，在燃燒和擴散的共同作用下，海上溢油油膜厚度會很快減小，2 min之內厚度可降至2 mm以下，從而失去繼續燃燒的條件。

2.2 井噴引發的蒸氣云爆炸

井噴引發的蒸氣云由兩部分組成：一部分是油氣井直接噴發的天然氣；另一部分是井噴溢油蒸發形成的蒸氣云。

對于井噴直接噴發的蒸氣云量QUVEC，可以用式（3）計算：

圖6 溢油燃燒持續時間雖溢油量的變化Fig.6 The burning duration versus the volume of burning oil spill

式中，C——井噴氣體中爆燃氣體的體積含量；

QAOF——井噴井的絕對無阻流量；

t——噴發時間（天然氣井發生井噴15 min 后，如仍無法壓井成功，則要求必須點火放噴，此時在計算安全距離時，可選取15 min的井噴量進行計算）。

井的絕對無阻流量有二項式絕對無阻流量、指數式絕對無阻流量等不同算法，與井的類型（如直井、斜井或定向井、水平井）、有效半徑、地層壓力、地層溫度、儲層滲透率、油氣層厚度和粘度等參數有關[9]。

直接噴發的爆燃氣體質量由下式決定：WC=ρQUVEC（ρ 為噴發的爆燃氣體密度）。

對于井噴溢油蒸發形成的蒸氣云量，可根據Stiver和Mackay模型推算得出：

式中，Fv——溢油蒸發體積分數；

T——環境溫度，K；

A′，B′——與油品相關的常數，A′=6.3，B′=10.3；

T0——油的初始沸點溫度，K；

TG——蒸餾曲線的溫度梯度，K，T0和TG可以由比重指數API度計算得到；

A——油膜面積，m2；

K2——空氣端傳質系數，m/s。

根據Buchanan和Hurford提出的經驗公式：

式中，Uw——海面以上10 m處的風速，m/s。

由式（4）可得溢油蒸發量QS=FVV0。溢油蒸氣氣體質量由下式決定：WS= ρ′QS（ρ′為溢油蒸氣氣體密度）。

為便于評價爆炸影響程度，采用TNT 當量法，將井噴直接噴發的爆炸蒸氣云和井噴溢油蒸發形成的蒸氣云求和，作為總的爆炸蒸氣云，折合成TNT當量WTNT，可得：

式中，α——參與蒸氣云爆炸的有實際貢獻的燃料占泄漏燃料的百分比，平均值為4%；

QC——參與蒸氣云爆炸的爆燃氣體燃燒熱；

QTNT——TNT爆熱，可取4.52×106J/kg。

得到WTNT后，可將該值代入HAD 101—04推薦的7 kPa的正入射峰值超壓值時的設防安全距離計算公式，計算該蒸氣云爆炸的安全距離：

式中，R——設防安全距離，m；

W——爆炸源的TNT 物質量或當量，kg，對于閃點低于21 ℃的可燃液體相應的TNT當量取全部質量的0.3%；

K——設防安全系數（取值18），m·kg-1。

當海上浮動核電站與井噴蒸氣云爆炸源之間的距離大于該值時，可以認為該蒸氣云爆炸，不會對海上浮動核電站產生安全影響。否則，針對該蒸氣云爆炸外部事件應建立設計基準。

以上是井噴引發的爆炸蒸氣云在井噴點附近爆炸所產生影響的分析方法。另外，還應結合主導風向、大氣穩定度和彌散系數等氣象資料，進一步分析氣云飄向海上浮動核電站的概率、濃度分布的空間時間變化以及蒸氣云在飄向海上浮動核電站過程中著火或爆炸的概率等，以便更詳細地做出風險評估。

2.3 有毒危險氣云

對于高含硫油氣田，噴發的氣體中還會含有大量的硫化氫有毒氣體，形成的有毒飄移氣云一旦侵入海上浮動核電站，會對工作人員造成嚴重的身體傷害，進而影響核電設施的安全運行，引發安全事故。

含H2S 天然氣井井噴事故期間釋放的H2S 總量Q取決于天然氣井絕對無阻流量QAOF、天然氣井的H2S含量CH2S和井噴事故持續時間t，即：

求得天然氣井井噴事故期間釋放的H2S的總量Q 后，可以用高斯煙羽模型計算危險氣團擴散至海上浮動核電站廠址的濃度：

式中，C(x,y,z)——危險氣云源下風向地面（x，y）坐標處的空氣中有毒氣體濃度；

Q——危險氣云泄漏飄移事故期間危險氣體煙團的排放量；

σy、σz——y、z 方向上的大氣擴散參數。

《含硫化氫油氣井井下作業推薦作法》（SY/T 6610—2005）列舉出了人體暴露于H2S導致的典型危害和特征。NRC RG1.78—2001 給出了各類危險化學品（包括H2S）泄漏釋放事故對核電廠產生的潛在影響的毒性極限濃度閾值，其中明確規定H2S的主控室可居留性毒性極限濃度閾值為150 mg/m3。在分析海上油田井噴事故釋放的H2S對周邊海上浮動核電站的安全風險時，可以將該值作為評價準則[10]。如果計算得出井噴H2S擴散至廠址的濃度，大于或等于上述濃度，應將H2S井噴作為設計基準事件。

其他井噴有毒氣體也可根據其暴露濃度限值參照以上方法進行分析。

2.4 井噴溢油引發的海水污染

海上油田發生井噴后如不能很快予以控制，將導致大量原油泄于海中，引發嚴重的海洋環境污染事故。通常海上油田均配有較充足的溢油應急設備，并制訂了溢油應急計劃，可從容應對小型溢油。當發生中、大型溢油事故時，應啟動應急計劃，借助周邊海區可調用的溢油回收設備、環保船等應急資源，利用圍油欄和溢油分散劑，進行溢油應急處理，以最大限度地降低溢油風險。

井噴溢油進入海洋水體環境后，在復雜的物理、化學和生物作用下，將經歷以下3大類變化過程：（1）擴展過程。指溢油在重力、黏力和表面張力聯合作用下，會在海面擴散形成油膜的過程，并隨著油膜的擴散以及海洋中風、浪的作用，油膜越來越薄，擴散面積越來越大。（2）輸移過程。指溢油在海洋動力環境的作用下的遷移運動過程，包括水平方向的漂移、擴散及垂直方向的混合懸浮過程。（3）風化過程。特指引起溢油組成性質發生改變的所有過程，主要包括：蒸發、溶解、乳化、光氧化、生物降解、吸附沉降、水體的混合擴散及海洋生物的體內代謝等，如圖7所示。

圖7 海洋溢油變化過程Fig.7 The changing process of physicochemical properties of marine oil spills

在上述變化過程中，溢油會以漂浮在海面的油膜、溶解狀態、乳化狀態和凝聚態殘余物4種形式存在。許多油類易吸收水而形成油包水乳化液，這種乳狀液通常很黏，不容易消散。特別是瀝青質含量大于0.5%的油，易形成穩定的乳狀液。高黏度油，如重質原油和重燃料油，容易在水面形成不易分散的厚油層，可在水面存留數周。另外，海面波浪運動與流速的剪切會使油的乳化微粒進入水中，引起乳化溢油的垂向混合。由于乳化油滴的實際密度隨著溢油的風化過程而變化，經過垂向混合后產生的乳化油滴的運動軌跡可能繼續向下沉降，也可能向海面上浮，這取決于乳化油滴和海水之間的密度差。

上述過程會嚴重污染海水水質，如果被溢油污染的海水通過取水口進入發電冷卻裝置，會污染冷卻水管，降低傳熱效率，影響發電裝置的正常運行。因此，應利用溢油模型計算溢油擴散擴展、漂移和風化的相關參數，最終確定能否影響取排水或產生其他影響。

3 結論

海上油田井噴是一種高風險事故，也是油氣田開發過程中最主要的特征風險之一，一旦失控會引發嚴重后果。從井噴事故和核電廠選址外部事件的對應關系上看，海洋油氣開發的井噴事故有可能引發危險氣云、燃燒、爆炸和危險液體泄漏等一系列核電廠選址外部事件，因此，開展海上油田核能利用時，在選址階段必須將其作為重要的風險進行分析和評估。評估中，應特別關注井噴引發的噴射燃燒和溢油燃燒、井噴形成的爆燃蒸氣云的飄移和爆炸、井噴溢油引發的海水污染以及井噴引發的有毒危險氣云。由于燃燒的溢油會形成移動火源，評估中還應對井噴引發的溢油燃燒以及形成移動火源的可能性進行分析。本文提出安全風險分析技術方案，為開展海上油田井噴事故對周邊浮動核電站的安全風險分析評估提供了參考。