渤海鉆井平臺生活污水“零排放”技術(shù)

岳明，陳卓，張羽臣，李治衡，張磊

中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津300459）

0 引言

渤海是半封閉型內(nèi)海，海域自凈能力較弱，環(huán)境承載能力有限。環(huán)渤海地區(qū)人口眾多，經(jīng)濟(jì)總量較大。近年來，隨著渤海沿岸經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，近海海域生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)，突發(fā)性海洋環(huán)境事件日益增多。為了實(shí)現(xiàn)“人海和諧”的目標(biāo)，環(huán)渤海的遼寧省、河北省、天津市、山東省根據(jù)《關(guān)于建立渤海海洋生態(tài)紅線制度的若干意見》，制定了區(qū)域性質(zhì)的地方性海洋生態(tài)紅線劃定報告。目前紅線劃定方案有效期至2020年，每3～5年進(jìn)行一次修訂，渤海海域的一切生產(chǎn)活動參照報告執(zhí)行。

鉆井平臺的污染物主要可以分為固體廢物與生產(chǎn)污水，其中，鉆井液、固體廢棄物等對環(huán)境會產(chǎn)生影響，在渤海海洋生態(tài)紅線制定前就已經(jīng)有了較成熟的處理手段。鉆井平臺在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的其他污水（如甲板含油污水、廚房衛(wèi)生間污水、醫(yī)務(wù)室污水等），由于含有油、有機(jī)物和重金屬等有害物質(zhì)，也會對環(huán)境造成影響。但海上鉆井平臺的空間有限，這一部分生活污水的有效處理受到了極大的制約，如何處理生活污水成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)污水“零排放”的關(guān)鍵。

為此，針對目前生活污水處理方式存在的問題，結(jié)合鉆井平臺的實(shí)際情況，提出了鉆井平臺改造方案及標(biāo)準(zhǔn)，改造后的鉆井平臺不僅能解決生活污水“零排放”的問題，而且最大程度地提高了平臺空間的利用率，形成了效果好、可推廣應(yīng)用的鉆井平臺生活污水“零排放”技術(shù)。

1 鉆井平臺污染物及常規(guī)處理技術(shù)

1.1 鉆井平臺污染物

鉆井平臺的污染物主要包括以下內(nèi)容：

1）非水基鉆井液。主要包括油基鉆井液和合成基鉆井液。2009年渤海作業(yè)補(bǔ)充了對鉆井液基液的生物毒性要求，并將油基鉆井液拓展為非水基鉆井液，將一級海域的使用要求LC50從10 000 mg/L提高到了15 000 mg/L。其中合成基在多年以前曾在渤海得到過應(yīng)用，合成基鉆井液在復(fù)雜井中應(yīng)用潛力大，近年經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，逐漸形成了環(huán)境友好型合成基鉆井液，目前可獲得3種基液已經(jīng)基本確定可以在渤海使用，并檢測合格。歐盟規(guī)定:含油、含危險成分的鉆井液屬于危險廢棄物[1]。我國非水基鉆井液仍嚴(yán)格按照全回收原則在海上應(yīng)用。因此對于海洋環(huán)境“零污染”。

2）水基鉆井液。水基鉆井液主要成分為氯化鈉、碳酸鈉、淀粉、黃原膠、瓜膠、聚胺、聚醚等，屬于環(huán)境友好型泥漿體系，在渤海大部分海域符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

3）海上鉆井設(shè)施的機(jī)艙、機(jī)房和甲板含油污水。海上鉆井作業(yè)過程中需要清洗設(shè)備，甲板衛(wèi)生，尤其針對密閉艙室的污水、空調(diào)冷凝水、主要成分對環(huán)境影響較小，但是在生態(tài)敏感區(qū)，仍然按照“零排放”的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4）海上鉆井平臺、油氣生產(chǎn)設(shè)施區(qū)的廚房、洗手間排出的含有洗滌劑的污水，經(jīng)過平臺生活污水處理裝置處置后，其中懸浮物、油類等含量大幅下降，主要成為以有機(jī)物、洗滌劑為主，按渤海要求處理后COD（指化學(xué)需氧量，在一定嚴(yán)格的條件下，水中的還原性物質(zhì)在外加的強(qiáng)氧化劑的作用下，被氧化分解時所消耗氧化劑的數(shù)量，以mg/L表示）不高于300 mg/L，且必須經(jīng)過消毒和粉碎處理。廁所排出的含有糞、尿的污水，以及醫(yī)務(wù)室排出的普通污水，在生態(tài)保護(hù)區(qū)也需要進(jìn)行全回收作業(yè)。

5）石油生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的一切塑料制品和其他廢棄物，包括殘油、廢油、含油垃圾及其殘夜殘渣等[2-3]，在渤海一類海域禁止入海。

6）固體廢棄物，包括食品廢棄物和生活中產(chǎn)生的其他固體垃圾[4]，經(jīng)過分類垃圾箱收集運(yùn)轉(zhuǎn)。

7）雨雪水及甲板沖洗水（含油部分）[5]。其中雨雪水按照下雨雪前15 min收集，甲板沖洗水全部收集。

其中非水基鉆井液、固體廢棄物等正常海域也不允許排放，因此一直以來都是通過集裝箱形式進(jìn)行收集，然后通過船舶運(yùn)輸回陸地進(jìn)行處理。水基鉆井液在部分海域可以達(dá)標(biāo)排放，而對于排放要求嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)等（圖1），渤海實(shí)現(xiàn)生

圖1 環(huán)渤海三省一市“禁止開發(fā)區(qū)”與“限制開發(fā)區(qū)”示意圖

1.2 常規(guī)污水處理技術(shù)

由于產(chǎn)生的地點(diǎn)不同，污水水質(zhì)差別非常大，不可能以一種固定的裝置及流程有效地處理不同油田的污水.常規(guī)處理工藝及設(shè)備對藥劑依賴性較大，一般采用的污水處理方法包括WCB型生化技術(shù)、MBR膜生物反應(yīng)技術(shù)[6]、物化技術(shù)[7]、電解技術(shù)，或幾種技術(shù)的綜合應(yīng)用產(chǎn)品[8-9]等。但以上技術(shù)有一些缺點(diǎn)不適用于海上平臺，比如：裝置體積龐大[10]、能耗高；處理污水種類單一；需要大量化學(xué)藥劑，藥劑費(fèi)用高、有危險性等問題。考慮到渤海大部分鉆井平臺設(shè)計目的為鉆井，平臺設(shè)備布置緊湊，空間比較緊張，同時要控制“零排放”系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，因此常規(guī)污水處理技術(shù)難以滿足鉆井平臺生活污水的處理需求，不具備在平臺增加污水處理設(shè)施進(jìn)行就地凈化的條件。

2 鉆井平臺生活污水“零排放”技術(shù)

2.1 改造原則

由于無法在平臺上增加污水處理設(shè)施，因此根據(jù)鉆井平臺流程及艙容特點(diǎn)，采用在平臺預(yù)處理后儲存于壓載艙，并間歇性外輸?shù)募夹g(shù)方案。該方案的重點(diǎn)在于對鉆井平臺進(jìn)行改造從而建立污染物的收集艙。鉆井平臺改造方案的原則為確保鉆井平臺的原功能不變，且改造后的結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性需求，改造方案具有可行性。

2.2 鉆井平臺污水收集艙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 鉆井平臺污水收集艙額定容積

收集艙容積確定主要受生活污水、降雨量和生產(chǎn)污水量的產(chǎn)生量影響，并受鉆井平臺靠船周期影響，因此需要首先確定收集艙的額定容積（最小容積）。

收集艙的額定容積Q由以下公式確定：

式中：Q1、Q2、Q3分別為生活污水量、降雨量與生產(chǎn)污水量，m3；t為收集艙的自持時間，考慮值班船的值班周期，一般情況下3～5 d。

1）生活污水量。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施人員生活污水量計算公式為：

式中：Q1為每日生活污水量，m3；n為平臺生活污水定額，L/（人·天）；N為平臺人數(shù)，人；1.2為安全系數(shù)（考慮水量的波動性）。

一般情況下，平臺生活污水定額350 L/（人·天），平臺人數(shù)＜救生艇最大乘客數(shù)。

2）降雨量。降雨量由各個海域的15 min最大降雨量每小時多少毫米和主甲板及飛機(jī)甲板面積的大小來確定總的降雨量，計算公式為：

3）生產(chǎn)污水量。生產(chǎn)污水包括鉆井水量、倒艙污水，以及沖洗水量。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每日生產(chǎn)污水量小于10 m3。

鉆井平臺因布置緊湊，不再新增收集艙用來臨時儲存不允許排放的污染物，當(dāng)鉆井平臺在鉆修井的期間，壓載艙處于空閑狀態(tài)，所以利用壓載艙作為污染物的收集艙。壓載艙的容積需大于收集艙額定容積。

2.2.2 收集艙洗艙管線及外輸泵選型

為了確保收集艙內(nèi)清潔干凈，確保壓載后的海水指標(biāo)符合要求，壓載艙增加洗艙裝置，艙底布置海水管路，利用鉆井平臺海水系統(tǒng)進(jìn)行噴射沖洗，根據(jù)平臺海水泵壓力及洗艙經(jīng)驗(yàn)值，確定洗艙海水管線壓力不低于0.4 MPa，滿足艙內(nèi)清潔效率及質(zhì)量要求。進(jìn)入艙室內(nèi)的污染物將通過外輸泵外輸?shù)阶笥蚁瞎谜窘涌谶M(jìn)行外輸。外輸時間按照2～3 h進(jìn)行考慮。

2.2.3 收集艙通風(fēng)及安全標(biāo)準(zhǔn)

一般船舶艙室設(shè)置有通風(fēng)口，主要分自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。考慮到有可能艙室類型變化，可根據(jù)原艙室功能情況調(diào)整通風(fēng)設(shè)施。推薦換氣次數(shù)2～6次，防止艙室內(nèi)沼氣聚集，并排出異味污濁空氣。如原通風(fēng)口位置在人員通道附近，建議用風(fēng)道將通風(fēng)口引至舷邊敞開區(qū)域，避免影響船上人員安全。在通風(fēng)口位置需增加可燃?xì)馓筋^及硫化氫探頭，對艙室內(nèi)的氣體進(jìn)行監(jiān)測。探頭的具體布置原則參考NFPA72:2019標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。

2.2.4 收集艙結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)的圖像壓縮系統(tǒng)對于前端采集到的圖像處理多使用芯片MAX9247和MAX9250進(jìn)行數(shù)據(jù)的串化和解串,具有PCB布板空間大、信號線相互干擾、占用FPGA資源、以及前端數(shù)據(jù)傳輸速率慢導(dǎo)致后續(xù)圖像的完整度和清晰度受到影響等問題。而FPGA芯片內(nèi)部集成有SelectIO資源,通過配置其內(nèi)部資源和IO端口,可以用內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)功能要求,而不會占用FPGA的資源[2],同時可以節(jié)省PCB布板空間,減少布線之間的信號干擾,能夠?qū)崿F(xiàn)低壓高速穩(wěn)定的信號傳輸功能。鑒于此,本文提出一種傳統(tǒng)工業(yè)圖像壓縮系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計方案。

穿艙壁的管件布置應(yīng)避免破壞艙壁扶強(qiáng)材，如若破壞其連續(xù)性，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，并對破壞位置進(jìn)行油漆修復(fù)，滿足收集艙的涂裝專業(yè)相關(guān)要求。當(dāng)所有蓋和貫穿件包括管子連接件的安裝接近完工階段時，應(yīng)進(jìn)行艙室密封性試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：充氣試驗(yàn)（試驗(yàn)壓力0.02 MPa）、灌水試驗(yàn)（海水或其他批準(zhǔn)使用的液體，試驗(yàn)壓頭取至溢流管頂部或液艙頂以上2.4 m，取大者）。

重大改裝平臺一般應(yīng)進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，如免做傾斜實(shí)驗(yàn)，則應(yīng)爭得主管機(jī)關(guān)同意；如平臺經(jīng)過任何改造以致對其穩(wěn)性有實(shí)質(zhì)性影響時，該平臺應(yīng)重新進(jìn)行傾斜試驗(yàn)。對現(xiàn)有船進(jìn)行改裝、修理導(dǎo)致的空船重量與重心位置的變化也可以通過計算加以確定。若改裝后的空船重量不超過批準(zhǔn)的（或最近的上一次改裝后批準(zhǔn)的）空船重量的2%或者2 t（取較大者），且重心縱向位置與批準(zhǔn)的（或最近的上一次改裝后批準(zhǔn)）的空船重心縱向位置的差別不超過1%的船長，則可以免做傾斜試驗(yàn)，但此后的所有穩(wěn)性資料應(yīng)使用計算得到的空船重量、空船LCG（重心縱向位置）與空船VCG（重心垂向位置）。如深艙改造方案對船體重量中心影響符合上述要求，可以免做傾斜實(shí)驗(yàn)，但需要向主管機(jī)關(guān)送審重新核算重量中心后的相關(guān)穩(wěn)性計算文件。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 渤海五號鉆井平臺“零排放”改造方案

渤海五號是非自航自升移動式近海鉆井平臺。根據(jù)收集艙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，生活污水量為50.4×103m3、雨水量4×103m3、生產(chǎn)污水量10×103m3，按照3天儲存量計算得出Q為193.2×103m3，經(jīng)過計算渤海五號鉆井平臺的左右艉壓載水艙艙容280×103m3滿足作為污水收集艙的需求，將平臺污水匯集儲存在兩個艙室內(nèi)。

具體改造內(nèi)容包括：

1）增加左舷壓載艙外輸泵2臺（一用一備），右舷壓載艙外輸泵1臺。

2）增設(shè)生活污水處理裝置排出粉碎泵；粉碎泵出口管線引至左舷壓載艙，保留原排海管線。生活污水排出管線上安裝電磁流量計和公用氣吹掃口。

3）甲板地漏管線引入左、右舷壓載艙（圖2）。

4）洗衣機(jī)排出液管線連通并引至鍋爐隔艙進(jìn)行收集；鍋爐隔艙頂部安裝排放泵用于排水。

圖2 左右艉壓載水艙位置圖

3.2 渤海五號鉆井平臺改造結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)性校核

3.2.1 平臺重量變化

本次改造的污水將占用原左、右艉壓載水艙，同時新增管線及設(shè)備等。這些改造將永久固定在平臺上，將引起空船（不含樁腿）重量重心的變化，重心變化計算結(jié)果詳見表1。由表1結(jié)果可知，空船（不含樁腿）重量由4 790.2 t增加至4 804.4 t，增加量約為0.3%，重心變化也不明顯。重心縱向位置由0.64 m減少為0.61 m的變化量為0.03 m（小于1%船長），因此本次改造可以免做傾斜試驗(yàn)，滿足設(shè)計需求。

3.2.2 可變荷載

改造方案確定后，兩個污水艙（原左、右艉壓載水艙）的結(jié)構(gòu)形式并未改變，只是對其使用功能進(jìn)行了調(diào)整，并不會對原左、右艉壓載水艙的結(jié)構(gòu)造成影響。

由于本次改造需要鋪設(shè)相應(yīng)的管線和布置設(shè)備，空船重將增加14.15 t,本次改造將造成最大可變荷載降低。故各個工況下，最大可變荷載需考慮本次改造新增重量的影響。計算結(jié)果見表2。

1）拖航和漂浮狀態(tài)。在改造后，拖航工況下，船體仍需滿足吃水小于3.6 m，以及重心高度小于15.48 m的要求，核算方法按《渤海五號鉆井平臺操船手冊》執(zhí)行。另外，空船重增加了14.15 t，可變荷載降低為788.77 t。該工況下，兩個艙室密閉，兩個污水艙按照實(shí)際壓載量考慮可變荷載。

2）升船正常鉆井狀態(tài)。在改造后，正常鉆井狀態(tài)下，各樁腿仍需滿足承載力小于1 820 t的要求，核算方法按《渤海五號鉆井平臺操船手冊》執(zhí)行。另外，空船重增加了14.15 t，可變荷載降低為1 485.85 t。該工況下，兩個艙室正常使用，兩個污水艙按照實(shí)際排放量考慮可變荷載。

3）風(fēng)暴自存狀態(tài)。改造后，風(fēng)暴自存狀態(tài)下，各樁腿仍需滿足承載力小于1 450 t的要求，核算方法按《渤海五號鉆井平臺操船手冊》執(zhí)行。另外，空船重增加了14.15 t，可變荷載降低為788.77 t。該工況下，兩個艙室應(yīng)密閉，兩個污水艙按照實(shí)際壓載量考慮可變荷載。

4）正常降船狀態(tài)。在改造后，常規(guī)的降船要求按《渤海五號鉆井平臺操船手冊》執(zhí)行。另外，空船重增加了14.15 t，可變荷載降低為788.77 t。該工況下，兩個艙室密閉，兩個污水艙按照實(shí)際壓載量考慮可變荷載。

表1 空船重量重心改造前后變化情況

表2 可變載荷

4 結(jié)論

1）結(jié)合鉆井平臺實(shí)際情況，根據(jù)鉆井平臺流程及艙容特點(diǎn)，建立了在平臺預(yù)處理后儲存于壓載艙，并間歇性外輸?shù)你@井平臺生活污水“零排放”技術(shù)方案。

2）建立了鉆井平臺污水收集艙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。對收集艙容積、艙洗艙管線及外輸泵、收集艙通風(fēng)及安全、收集艙結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了明確的規(guī)定。

3）根據(jù)鉆井平臺生活污水“零排放”技術(shù)要求對渤海五號鉆井平臺成功進(jìn)行了改造。