海上浮式油水置換儲油艙內水中含油濃度模型試驗

劉東喜,雷麗君,王晉,韓盼盼,尤云祥,劉巍巍

(1.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306；2.北京高泰深海技術有限公司，北京100011；3.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

近年來，國際深海浮式平臺技術呈現出鉆井、生產和原油儲卸等多功能集成于一體的發展趨勢。浮式鉆井生產儲卸油船(floating drilling production storage and offloading，FDPSO)[1-4]和立式圓柱形鉆井生產儲卸油平臺(spar drilling production storage and offloading，SDPSO)[5-6]大多采用油水置換技術實現儲卸油操作。

油水置換儲油(亦稱濕式儲油)與干式儲油是目前海上儲油裝置(浮式儲卸油船、浮式生產儲卸油裝置、海底儲油艙，以及重力式儲油平臺等)使用的2種基本儲油模式[7]。干式儲油系統采用與陸地儲油罐類似的存儲方式，原油上部空間充滿惰性保護氣體防止燃爆；濕式儲油結構內部始終充滿油和水，基于油水置換技術實現進油排水和進水排油操作。與海上干式儲油艙相比，油水置換儲油艙的優點很多，例如，受風浪、海流和冰等影響較小；需要的壓載量較小；結構承受載荷較小；無爆炸風險，安全性較高；儲油成本較低。目前，油水置換儲油技術在國內還沒有得到實際工程應用，但在國外己廣泛應用于海底儲油艙和重力式平臺等30余座海洋結構物[8]，其中包括2014年安裝在北海的Solan海底鋼質儲油艙[9](儲油量30萬桶)和2016年安裝在加拿大外海的Hebron重力式混凝土平臺(儲油量120萬桶)。

海上油水置換儲油艙在儲卸油過程中，海水對艙壁凝油層和結蠟層的剪切作用會使得部分凝油和蠟脫離沉積層而進入海水中，同時，原油的擴散作用也會促使原油穿過油水界面進入海水中，這2種作用都會增加儲油艙內海水的含油質量濃度。當海水中的含油質量濃度超過一定程度時，平臺進行儲油操作置換到大海中的水就有可能超過國際要求的含油污水排放標準[10]，進而對海洋環境造成污染。FDPSO和SDPSO平臺內置的油水置換儲油艙與國外實際應用的海底油水置換儲油艙存在顯著區別：前者漂浮在海面上，而后者則被固定在海底。在風、浪、流等海洋環境載荷的共同作用下，浮式油水置換儲油艙必然會產生運動，從而引起艙內油水分層液體的晃蕩。液體晃蕩會對艙壁凝油層產生沖刷作用，進一步增加壓載水的含油質量濃度。只有了解儲油艙內水中含油質量濃度，才能在設計結構物時確定是否需要增加油水分離設備以及所增加設備的分離效率。

油水置換儲油艙內水中含油濃度問題的主要研究方法是模型試驗，但由于試驗研究要求使用真實原油和海水進行測試才能保證可信度，試驗的難度和成本較大。

為此，考慮以浮式SDPSO平臺儲油系統為原型，開展模型試驗，分析儲油艙模型縮尺比、儲油艙制作材料、原油物性、油水界面移動速度，以及平臺運動等參數對儲油艙內水中含油濃度的影響。

1 試驗裝置

浮式SDPSO平臺及其油水置換儲油系統如圖1。主要組成如下：位于硬艙的中心井和油沉箱，位于中間艙的儲油艙，位于軟艙的水沉箱，由上部模塊延伸到油沉箱的輸油管，從中心井底部貫穿到外部海水的外水管，從中心井頂部貫穿到水沉箱底部的內水管，中心井和油沉箱之間被隔板隔開。儲油艙為立式圓柱型，高120 m，直徑32 m，儲油能力50萬桶。

圖1 SDPSO平臺及其油水置換儲油系統

儲油系統的注油排水和排油注水操作流程如下：平臺生產的原油從輸油管進入儲油艙頂部，油水界面以0.35 m/h的速度向下移動，儲油艙底部海水通過內水管從水沉箱被輸送到中心井頂部，由于重力效應，置換水中含有的微量原油會浮于水面之上。同時，中心井底部海水在靜水壓力作用下從外水管排出到大海。卸油時，上部設施中的油泵將艙內原油抽走，油水界面以4 m/h的速度向下移動，海水在壓力作用下通過平臺底部的進水口自動進入儲油艙。

SDPSO平臺儲油系統油水置換試驗裝置主要由儲油系統模型、油箱、水箱、油泵、水泵、管道、流量計、閥門、水中含油分析儀組成，其中，水中含油分析儀與儲油艙底部連通，見圖2。3套模型試驗裝置的相關參數見表1。

表1 SDPSO平臺儲油系統油水置換模型試驗參數

圖2 海上浮式油水置換儲油艙模型試驗裝置

模型試驗裝置的實物圖見圖3。試驗裝置I進行了簡化，儲油系統模型未考慮中心井、油沉箱和水沉箱。此外，由于1∶40模型試驗裝置需要研究風浪流導致的平臺運動對儲油艙內水中含油濃度的影響，所以該試驗裝置增設了一臺晃蕩模擬裝置，該裝置包括運動平臺和控制系統，試驗開始之前，把上海交通大學海洋深水試驗池風浪流試驗得到的SDPSO平臺在10年一遇冬季風暴下的縱搖運動時歷曲線加載到晃蕩模擬裝置的控制系統中，即可實現立式儲油艙的不規則縱搖運動模擬。

圖3 海上浮式油水置換儲油艙試驗模型實物

2 模型試驗結果及分析

2.1 儲油艙模型縮尺比的影響

搭建試驗裝置I，采用碳素合金鋼制作2個縮尺比為1∶120和1∶80的儲油艙，原油采用重質油。

試驗過程中，儲油艙靜止不動，油水界面移動速度與原型儲油系統保持一致。試驗結果見圖4。

圖4 儲油艙模型縮尺比對水中含油濃度的影響

由圖4可見，2種縮尺比下的儲油艙模型試驗結果都沒有隨置換次數的增加而呈現上升或下降的趨勢，水中含油濃度值比較接近，均在0～5 mg/L范圍之間，表明縮尺比對儲油艙內水中含油濃度的影響不大。

2.2 儲油艙模型制作材料的影響

搭建試驗裝置II和III，分別采用有機玻璃和碳素合金鋼制作兩個縮尺比為1∶47和1∶40的儲油艙，原油采用中質油，試驗過程中，儲油艙靜止不動，油水界面移動速度與原型儲油系統保持一致。試驗結果見圖5。

圖5 儲油艙模型制作材料對水中含油濃度的影響

由圖5可見，2種材質制作的儲油艙模型試驗結果差異比較明顯，有機玻璃儲油艙內水中含油濃度隨著置換次數的增加變化不大，始終低于1 mg/L，而碳素合金鋼儲油艙內水中含油濃度隨置換次數的增加呈上升趨勢，最終可達5 mg/L，表明儲油艙模型制作材料對水中含油濃度的影響較大。分析認為原因如下：有機玻璃儲油艙內壁光滑，原油粘壁效應比較弱，卸油時進入水中的原油較少。

2.3 平臺運動的影響

搭建試驗裝置III，原油采用中質油，開展靜態工況時儲油艙靜止不動，開展動態工況時使儲油艙在10年一遇冬季風暴下做不規則搖擺運動，試驗過程中，油水界面移動速度與原型儲油系統保持一致。試驗結果如圖6。

圖6 平臺運動對水中含油濃度的影響

從圖6中可以看出，儲油艙靜止和晃動兩種狀態下水中含油濃度都隨置換次數呈現遞增的趨勢，儲油艙晃動狀態下水中含油濃度始終大于靜止狀態下水中含油濃度，表明儲油艙運動導致的液體晃蕩會對艙壁凝油層產生沖刷作用，進而增加水的含油濃度。

2.4 原油物性的影響

搭建試驗裝置III，原油采用中質油和重質油，試驗過程中，儲油艙在十年一遇冬季風暴下做不規則搖擺運動，油水界面移動速度與原型儲油系統保持一致。試驗結果見圖7。

圖7 原油物性對水中含油濃度的影響

由圖7可見，2種物性原油的試驗結果差異不明顯，最大含油濃度都不超過7 mg/L，表明原油物性對儲油艙內水中含油濃度的影響不大。

2.5 油水界面移動速度的影響

搭建試驗裝置III，原油采用中質油，試驗過程中，儲油艙在10年一遇冬季風暴下做不規則搖擺運動，油水界面移動速度為原型速度和2倍加速。試驗結果見圖9。

從圖8可以看出，油水置換速度增加會增大儲油艙內水中含油濃度，這是因為油水界面移動速度的增加意味著原油和海水的流動速度變大，進而會增大海水對艙壁凝油層的剪切效應。

圖8 油水界面移動速度對水中含油濃度的影響

3 結論

1)縮尺比和原油物性對儲油艙內水中含油濃度的影響不大；有機玻璃制作的儲油艙內壁較光滑，原油粘壁效應較弱，水中含油濃度較小；儲油艙運動導致的液體晃蕩會對艙壁凝油層會產生沖刷作用，進而增加水中含油濃度；油水界面移動速度的增加會增大海水對艙壁凝油層的剪切效應，進而增大儲油艙內水中含油濃度。

2)各種工況下的儲油艙內水中含油濃度始終不超過10 mg/L，遠低于國家規定[10]的海洋石油開發工業含油污水的一級排放標準(30 mg/L)，表明在油水置換儲油艙的實際應用中，儲油操作時被置換出的海水可以直接排入大海。