海上油氣開發水下井噴溢油的化學分散技術研究

錢國棟,張傳合,趙宇鵬,宋燕

(中海石油環保服務(天津)有限公司 天津 300450)

0 引言

隨著深水油氣開發的推進,深水鉆井平臺油氣泄漏、海底輸油管線破裂和沉船溢油等事故風險日趨增加。大量水下溢油進入海洋環境,對海洋生態系統和人類造成嚴重威脅。2010年墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺的井噴爆炸事故導致約500萬桶原油泄漏入海,對海洋環境造成嚴重損害[1]。在此次溢油事故中,為避免大量溢油上升到海面造成海洋和海岸線污染,有關部門采用多種手段在海底溢油口直接處置溢油,包括溢油源封堵、溢油源集控和消油劑水下噴注等[2],約有3 000 m3的Corexit 9500A 消油劑直接在水下泄漏井口噴注,噴注量占消油劑總用量的40%[3]。目前學界對水下噴注消油劑的效果及其生態影響仍缺乏認識:有觀點認為消油劑在泄漏井口噴注可保證消油劑與原油最大限度地混合,使油水界面張力降低1～2個數量級,進而將溢油分散成更多的小油滴并在水體懸浮,并在數周至數月內被微生物降解[4-7];但有學者利用水動力和隨機羽流粒子跟蹤模型對水下溢油軌跡進行預測,發現噴注消油劑后上升到海面的溢油量并無顯著減少[8]。

我國南海是重要的能源戰略區,其油氣資源有70%集中在深水海域[9]。由于該海域油氣藏分布復雜[10],且因內波和臺風等因素導致海洋環境惡劣[11],發生水下井噴溢油事故的風險增加。目前國內缺乏有效的水下溢油應急處置技術和裝備,尚不具備深水水下溢油處置作業能力[12]。鑒于已有研究對消油劑水下噴注的有益探索,為應對我國南海水下井噴溢油事故,有必要研究水下溢油消油劑應用技術。本研究采用我國南海海域的原油,通過模擬試驗研究消油劑的類型、使用量和噴注位置對溢油分散效果的影響,并提出深水水下消油劑使用技術體系,為我國南海海上油氣開發提供技術保障。

1 消油劑水下噴注試驗

1.1 試驗裝置和條件

消油劑水下噴注試驗系統為1 套常壓試驗裝置,由試驗水槽、試驗用水配制水槽、溢油噴射單元、消油劑噴注單元和信息采集單元5個部分組成。試驗水槽的高度為2 m,長度和寬度均為1 m;溢油噴射單元與試驗水槽底部相連,將溢油以特定速度豎直噴射進入水槽水體;消油劑噴注單元向特定方向噴注消油劑;信息采集單元實時采集試驗水槽中的油滴粒徑信息。

試驗原油為中質原油,20℃時的密度為837.8 kg/m3,運動粘度為8.1 mm2/s,凝點為-6℃,界面張力為31.4 m N/m。選擇4種消油劑開展試驗,分別為GM-2、FK-2、JFT 和RS-1。根據消油劑泵的頻率特性,將消油劑和原油的添加比例(劑油比)分別設置為1∶12、1∶10、1∶8和1∶5。消油劑噴注口與溢油噴射口的水平距離分別為10 mm、20 mm、40 mm 和60 mm,垂直高度分別為10 mm、20 mm 和60 mm。試驗海水溫度約為10℃,鹽度為31.5‰。

試驗開始時,將試驗原油噴射進入水體,同時按比例噴注消油劑。利用高速工業相機,在水槽頂部下方50 cm 處實時采集水體中油滴的圖片。采用Image-Pro Plus軟件處理油滴圖片,得到油滴粒徑的數據,進而統計油滴體積分數。

1.2 消油劑的原油處置效果

1.2.1 消油劑類型的影響

在劑油比為1∶5的條件下,不同類型消油劑作用下的原油處置效果如圖1所示。

圖1 不同類型消油劑作用下油滴體積分數的分布曲線

由圖1可以看出:GM-2 消油劑作用下的油滴粒徑均低于300μm,其中100～150μm 區間的油滴體積分數最大,最大值達26.55%;FK-2消油劑作用下的油滴粒徑分布區間較大,其中300～350μm 區間的油滴體積分數最大,最大值達14.91%;JFT 消油劑作用下的油滴粒徑均低于400μm,其中150～200μm 區間的油滴體積分數最大,最大值達25.46%;RS-1消油劑作用下的油滴粒徑分布區間也較大,其中100～150μm 區間的油滴體積分數最大,最大值達20.21%。經對比,GM-2消油劑對試驗原油的分散效果最優。

1.2.2 消油劑使用量的影響

在不同劑油比的條件下,GM-2 消油劑的原油處置效果如圖2所示。

圖2 不同劑油比條件下油滴體積分數的分布曲線

由圖2可以看出:在1∶5、1∶8和1∶10的劑油比條件下,隨著劑油比的減小,油滴體積分數的分布曲線逐漸右移,表明劑油比增大有助于試驗原油的分散;在劑油比為1∶12時,油滴粒徑的分布曲線向左偏移較大,可能是圖像處理過程中的誤差所致。

1.2.3 消油劑噴注位置的影響

在消油劑噴注的垂直高度為10 mm 的條件下,不同水平距離下的原油處置效果如圖3所示。

圖3 不同水平距離下油滴體積分數的分布曲線

由圖3可以看出:當水平距離分別為10 mm、20 mm、40 mm 和60 mm 時,油滴粒徑分別低于300μm、350μm、400μm 和450μm;50～200μm區間的油滴體積分數超過油滴總體積的65%;油滴體積分數的分布總體差異不大,表明在消油劑噴口距離溢油噴口60 mm 內進行消油劑噴注,水平距離的變化對原油處置效果的影響很小。

在消油劑噴注的水平距離為10 mm 的條件下,不同垂直高度下的原油處置效果如圖4所示。

圖4 不同垂直高度下油滴體積分數的分布曲線

由圖4 可以看出:當垂直高度為10 mm 和20 mm時,油滴體積分數的分布差異不大;當垂直高度達到60 mm 時,小粒徑油滴的體積分數有所降低,即消油劑對試驗原油的分散效果減弱。究其原因,可能是在10 mm 和20 mm 高度時,噴射的原油還未來得及發生物理分散,此時噴注消油劑有助于增強消油劑與原油的混合,并經歷共同破碎的過程,從而取得較好的原油分散效果;而在60 mm 高度時,噴射的原油已經發生一定程度的分散,消油劑與原油的混合能量減弱,導致原油分散效果減弱。

2 深水水下消油劑使用技術體系

2.1 消油劑的類型和使用量

我國分別依據《海洋石油勘探開發常用消油劑性能指標及檢驗方法》(HY/T 044-1997)[13]和《溢油分散劑 技術條件》(GB 18188.1-2000)[14]開展消油劑的性能檢驗和使用許可,目前經認定許可使用的消油劑類型超過20種。

對于海底井噴溢油,由于較低的水體溫度會對消油劑的使用效果產生較大影響,須選擇在低溫下具有良好乳化效果的消油劑。根據試驗結果,GM-2消油劑對試驗原油的分散效果最優,適合應用于我國南海水下溢油應急處置。在深水高壓條件下,消油劑對溢油的分散效果同樣明顯,且溢油分散效果隨劑油比的增大而增強。

常規型消油劑的使用量通常為處置溢油量的30%～100%。海面溢油噴灑消油劑基于海面風浪的混合破碎,不同于水下井噴溢油噴注消油劑基于紊動混合機理,因此二者的混合能量不同,消油劑分散效果不同,消油劑的使用量也有所差異。根據試驗結果,水下噴注消油劑的使用量為溢油量的10%時即可獲得良好的分散效果。

2.2 消油劑水下噴注技術

消油劑水下噴注作業須依托專業的工作船和水下噴注裝備。中國海洋石油集團有限公司自主研發深水消油劑水下噴注裝備[15],該裝備為2 個40 HQ標準集裝箱大小的結構撬裝,以“海洋石油257”號深水環保船為載體,通過連續油管將消油劑注入1 500 m 水深的井口附近并利用ROV 夾持注劑頭,實現對井噴溢油的分散處置。

為保持消油劑水下噴注作業的穩定性以及增強消油劑與溢油的混合程度,消油劑噴注應為逆流方向。根據試驗結果,消油劑注劑頭與溢油口的水平距離對溢油分散效果的影響不大,但須保證將消油劑順利注入;消油劑注劑頭與溢油口的垂直高度對溢油分散效果的影響較大,須將消油劑注劑頭的垂直高度保持在井口直徑的10倍之內。由于深水井噴事故中的溢油向上噴射,消油劑水下噴注的角度應保持水平或斜向下方向,從而增強消油劑與溢油的混合程度。

3 結語

消油劑水下噴注能夠有效促進我國南海海底井噴溢油的分散,不同消油劑水下噴注條件下的溢油分散效果不同。GM-2消油劑對試驗原油呈現良好的分散性能,且消油劑對原油的分散效果隨劑油比的增大而增強。在一定范圍內,消油劑噴口與井口的水平距離對溢油分散效果的影響極小,而垂直高度對溢油分散效果的影響較大。

本研究從消油劑的類型、使用量和水下噴注技術等方面建立深水水下消油劑使用技術體系,為我國南海海上油氣開發可能面臨的水下井噴溢油事故提供有效的應急處置技術手段。建議未來加強深水溢油事故應急演練,通過演練進一步檢驗并完善消油劑水下噴注技術體系,提升深水溢油的應急處置能力。