渤海冰期溢油特性变化规律研究

黄　焱，宋梦然，关　湃

（1.天津大学　水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津　300072；2.天津大学　建筑工程学院，天津　300072；3.中海石油有限公司天津分公司，天津　300452）

渤海冰期溢油特性变化规律研究

黄焱1，2，宋梦然1，2，关湃3

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.天津大学建筑工程学院，天津300072；3.中海石油有限公司天津分公司，天津300452）

当溢油事件发生在有冰覆盖海域时，海面油膜的各项特性的变化规律将发生显著变化。针对这一问题，采用室内试验的方法对渤海可能发生的冰期溢油事件进行了模拟，重点针对溢油在有冰覆盖海面上的特性变化进行了详细观测，并依据观测数据对相关变化规律进行了探讨。试验中分别对轻质原油和重质原油试样进行了测试，并针对渤海常年遇冰条件进行了模拟。试验内容包括：油膜厚度、油膜蒸发率以及乳化黏度在不同冰块覆盖率下随时间的变化情况。试验测试结果表明，溢油的各项风化进程均将受到海冰的影响。

溢油；海冰；试验研究

近年来，随着全球海上石油开发、储运的日益增长，发生重大海上溢油事故的风险随之增加。2010年美国墨西哥湾漏油事件在国际上影响深远，时至今日，依然让人历历在目。2011年渤海蓬莱19-3油田的持续性溢油事故（如图1所示），对我国的经济和环境都造成了不同程度的损害。目前，我国渤海海域已投入使用的采油平台和已铺设的海底油气管道中，已有70%以上服役超过15 a，这就促使渤海海域发生重大海上溢油事故的风险日益加剧。

目前，我国针对开放水域上的溢油应急处置技术已开展了多层次的研究，尤其在溢油漂移轨迹预测、溢油围控与回收技术上取得了一些关键性技术的突破［1-4］。然而，当海面上有冰覆盖时，溢油的化学及物理特性将具有极大的改变，进而致使目前针对开放水域研发的溢油应急处置模式与技术均不再适用［5-9］。我国虽地处热带、亚热带和温带，但我国的渤海和黄海北部，因地理位置偏北，冬季受西伯利亚南下冷空气的直接影响，每年都有不同程度的结冰现象，成为北半球海洋结冰的南边界。一般情况下，海冰的形式主要有以下几种：当年平整冰、变形后的当年冰（包括重叠冰和当年冰脊）、多年浮冰块及冰丘、冰河冰（包括冰岛及冰岛碎块）。在我国渤海湾每年冰封期出现的冰主要以当年冰和变形后的当年冰为主，其中以当年平整冰最为常见，如图2所示。

图1　渤海蓬莱19-3油田溢油事故现场

图2　渤海当年平整海冰

目前我国在冰区溢油应急处置技术上的研究还近乎空白，严重缺乏针对冰区溢油这一物理进程的基础性研究作为支撑，已开发的溢油预测与控制回收技术均将在面对冰条件时发生失效。因此，如果2011年渤海蓬莱19-3油田的溢油事故发生在冬季海面有冰期间，则将造成更加严重的环境污染和经济损失。基于此，本文采用室内试验的方法对渤海可能发生的冰期溢油事件进行了模拟，重点针对溢油在有冰覆盖海面上的特性变化进行了详细观测，并依据观测数据对相关变化规律进行了探讨。

1　冰区溢油特性变化机理分析

当原油在海水表面形成泄漏时，将同时或逐步经历多个不同的风化进程，其中包括：扩散、蒸发（挥发）、乳化、光学氧化、分解、漂移、溶解、沉积、再次成膜、焦油球成型以及生物降解。这些进程将造成原油物理、化学性质的显著变化。

这些变化进程的动态特征在很大程度上取决于具体的海洋环境条件和气象条件。一般来说，原油中较轻成分的蒸发（挥发）进程具有十分显著的重要性，在正常气象条件下，原油发生泄漏的最初，将会有近50%的体积发生蒸发（挥发）。这一风化进程将致使原油中的水溶性组分比重大幅下降，进而造成原油浓缩度的大幅下降。然而，当溢油事件发生在有冰覆盖的海域时，较低的环境温度将会导致油膜的厚度增加，同时浮冰的存在也会降低原油的挥发率。国际上已进行的实测经验表明［5］，在靠近极地区域的巴伦支海海域，破碎冰覆盖区域内的海上溢油事件发生的最初一周内，其挥发比例仅为25%～30%。这样一来，溢油内各项化学成分的比重将在低温环境的影响下出现改变，即促使原油中的水溶性组分比重加大。在低温环境的促进下，这种包含大量水溶性化学成分的溢油将很快被压入（冻结、封闭）海冰材料内部。

冰是水的结晶体，在海冰形成的过程中，海水中的盐分析出并开始转移到下方，其中部分被截留在冰体内部形成盐水泡。因此当海冰形成时，底层冰体具有一个盐水层，而冰内盐水泡的浓度则随着温度的下降而上升，即为一种消耗盐水体积来提高冰相态的效应。随着温度的下降，天然海水中各种盐类的最低溶解温度开始出现，从而这些盐分开始沉淀。当包含大量水溶性化学成分的溢油被封闭在冰材料内部时，相似的物理进程同样将会出现。此时，溢油将伴随海水内的盐分以相同的路径被封闭起来，进而形成沉淀。当冰在春天升温融化，表面盐层液化并优先通过柱状细胞间隙从冰中排出，形成自顶到底的盐水通道。而此时，被封闭在冰体内的油也通过在盐水通道的移动和部分冰体融化溢出到海水表面。

同时，不同的溢油模式将导致不同的油-冰相互作用进程出现。当溢油源自水下时，冰盖将断裂为众多的小块，在这种情况下，溢油将伴随着诸多的小碎冰块发生漂移。而当溢油发生在水面时，溢油仅能致使冰盖在较小的局部区域内发生断裂，此时溢油和碎冰混杂的水面被未断裂的坚实冰盖包围，这样在水动力效应的影响下，溢油将随时出现下潜至冰盖下部的可能。由此可见，当溢油发生在冰区时，其漂移方式及轨迹均将发生很大改变。

在开放海域环境下，风和海流是控制溢油膜漂移进程的重要因素。在风的作用下，溢油膜通常可以获取3%～10%的风速形成漂移扩散，这样在泄漏发生的最初几分钟时间内，溢油膜即可形成上百平方米的扩散范围。海流的作用是类似的，但作用形式体现为水下的压力变化，进而造成油膜迅速变薄，并向外扩散。同样，海上浮冰的漂移也是由风和海流驱动的，但由于海冰的表面粗糙度远高于溢油膜，因此在同等环境条件下，海冰的漂移速度是快于油膜的。这样，冰油混合的模式就会随着漂移的发生而愈加严重，进而致使现有油膜扩散方程中的各项力学平衡关系被完全打破。

2　冰区溢油特性变化与扩散特征的室内试验观测

基于对上述特性变化的机理性认识，在天津大学冰力学与冰工程实验室内进行了一系列的试验观测。

2.1试验概述

实验室低温空间面积达216.0 m2，用于容纳冰池并进行模型试验，冰池长20.0 m，宽5.0 m，深1.8 m。实验室制冷系统主要设备包括压缩机组、冷风机，并通过精心设计的均压送风顶棚对低温冰池室内的空气降温，可精确控制制冷量、温降速度和室内风速，从而可使试验中的制冰温度在-25℃～0℃的范围内进行精准的调节控制。

试验中采用人工引晶的方式在低温环境下制备冻结冰。当水温降至0℃同时气温降至-10℃时，采用喷雾引晶的方式促使冰排开始生长。采用此技术制备的冰排具有小且均匀的冰晶体尺寸 （直径小于1 mm），并且具有与天然海冰完全一致的柱状纹理结构，如图3所示。当冰晶核在水面形成后，降低室温至-22℃促使冰生长至目标冰厚。

试验中共进行了两种原油试样的测试，具体参数见表1。试验中针对渤海常年遇冰厚条件进行了模拟，即冰厚8 cm。试验中的温度环境采用渤海冬季平均气温-5℃。试验中冰块的覆盖率为10%～85%，共6种条件。为系统刻画单纯海面覆冰条件对溢油性质的影响，因此试验中未对风和流环境进行模拟。

表1　试验原油试样参数

在完成试验冰体的制备后，在水池内圈定测试范围，并在其中将冰盖切割为0.5～1.0 m见方的冰块，如图4所示。随后在测试区内采用软管注入原油，每次注入时间为1 min。测量油膜水面覆盖范围和厚度：试验的前10 min内每隔2 min测量和计算一次油膜范围和厚度变化，在10 min后，每隔5 min测量和计算一次油膜范围和厚度变化。其中，对于油膜厚度的测量，采用在0.1 m×0.1 m的测试区内取样测量溢油体积，并根据取样区域面积计算油膜厚度的方式实现。按照上述时间间隔，同样取样测量溢油体积，换算原油蒸发量，同时提取油样进行黏度测量。累计测量2 h，期间室内气温保持-5℃。最后取冰样测试其中油烃含量和分布。

图3　试验中制备的冻结冰

图4　测试范围和冰块切割

2.2观测结果分析

试验观测中首先发现，油膜的扩散在冰块的簇拥之下受到抑制，而相应的抑制水平是随冰覆盖率的不同发生变化的。以轻质油试验为例，当冰覆盖率仅为10%时，油膜的扩散在初期是发展迅速的，因而其表征参数油膜厚度也随时间呈快速下降的趋势，如图5所示。但当油膜开始遭遇漂浮在水面的冰块后，其扩散进程开始受到抑制并发生停滞。同时，随着油温的下降，油膜的蒸发效应也趋于停滞，其黏度也开始逐步上升，进而造成在短时间内油膜厚度还有上升的迹象。然而这种短时间内的相对平衡状态终将以油膜穿越冰块覆盖区的形式打破，此后，油膜又将进入一种较为稳定的扩散状态。

当冰覆盖率提升至85%时，油膜在扩散的初期即遭遇冰块的抑制作用，因此，其扩散进程始终是以一种缓慢且稳定的状态发展的，如图6所示。同时，在冰的高覆盖率影响下，油膜的扩散将很快趋于一种平衡停滞的状态（如图6中显示的5 000 s后的测试规律）。

其次，黏度对油膜扩散速度具有主要影响，即黏度越高扩散越缓慢，并且其受冰块影响的程度也越高。将每组次试验中最终测算得到的油膜厚度进行比较，可以得到最终油膜厚度随冰覆盖率变化的规律，如图7所示。可以看到，随着冰块覆盖率的增加，油膜组最终厚度呈上升的趋势，这说明油膜的扩散速度是随冰块覆盖率的上升而下降的。试验中两种原油的注入体积与初始注入区域面积是一样的，因此可判断其初始厚度是一样的，由此，比较图7中显示的两种油质试验结果还可发现，重质油的扩散水平明显低于轻质油，显然，黏度的差异是导致其差别的关键。同时还应注意到，当冰块覆盖率进入较高水平时（大于40%），轻质油扩散状态的变化较之重质油是更为显著的。

图5　油膜厚度变化测算结果（轻质油、冰覆盖率10%）

图6　油膜厚度变化测算结果（轻质油、冰覆盖率85%）

图7　油膜最终厚度随冰覆盖率的变化

图8　油膜蒸发率监测结果（轻质油）

图9　油膜乳化黏度监测结果（轻质油）

图10　油膜包裹冰块并进一步渗入

另一方面，油膜的蒸发水平也受到冰覆盖率重要影响。同样以轻质油试验为例，图8显示了3种冰覆盖率下原油的蒸发率随时间的变化。观察测试结果可以看到，油膜的蒸发水平受到冰覆盖率重要影响，冰覆盖率越大，蒸发水平受到越显著的抑制，相应的其黏度也开始逐步上升。而同时，油膜乳化黏度的变化又呈现出近乎相反的规律，如图9所示。由此可见，在不同的冰覆盖率下，油膜的蒸发与乳化进程均受到不同程度的抑制，而油膜的扩散又受到蒸发与乳化进程相反规律的控制。

每组试验测试中，在对上述参数完成监测后，又对冰块试样进行了化学性质测试。测试结果表明，油烃在沿冰厚方向上均有渗入，而重质油相对轻质油则具有更大的渗冰性。如图10所示，油膜的扩散受到浮冰的阻碍后，开始形成对冰块的包裹并向水下发展，进而由水下形成向冰体内部的渗入。

3　结论与讨论

本文采用室内试验的方法对渤海可能发生的冰期溢油事件进行了模拟，重点针对溢油在有冰覆盖海面上的特性变化进行了详细观测，并依据观测数据获得以下规律性结论：

（1）随着冰块覆盖率的增加，油膜的扩散速度呈下降的趋势，当冰块聚集度在40%以上时，油膜厚度的缩减速率显著降低。

（2）黏度对油膜扩散速度有主要影响，即黏度越高扩散越缓慢，并且其受冰块影响的程度也越高。

（3）在不同的冰覆盖率下，油膜的蒸发与乳化进程均受到不同程度的抑制，而油膜的扩散又受到蒸发与乳化进程相反规律的控制。

（4）冰块试样测试表明，油烃在沿冰厚方向上均有渗入，因此其随海冰漂移并向水下泄漏的可能性很高。

［1］满春志，刘欢.海上溢油应急处置技术探讨［J］.油气田环境保护，2012，22（6）：50-52.

［2］洪梦娟，耿安朝，魏芳.区域海上溢油事故应急响应与处理能力研究［J］.浙江海洋学院学报，2012，31（6）：527-531.

［3］李彤，谢志宜.水上事故溢油漂移轨迹预测模型研究与应用［J］.环境科学与管理，2013，38（7）：56-61.

［4］马丽，李吉鹏，陆志强.海洋溢油生态损害简易评估方法研究［J］.海洋通报，2013，32（1）：113-120.

［5］Daling P S，Brandvik P J，Mackay D，et al.Characterisation of Crude Oils for Environmental Purposes［J］.Oil&Chemical Pollution，1990，7：199-224.

［6］Gjφsteen J，Lφset S.Laboratory Experiments on Oil Spreading in Broken Ice［J］.Cold Regions Science and Technology，2004，38：103-116.

［7］BellinoP，Flynn MR，Rangwala AS.AStudyofSpreadingofCrude Oil in an Ice Channel［J］.Journal ofLoss Prevention in the Process Industries，2013，26：558-561.

［8］Fingas MF，Hollebone BP.ReviewofBehaviour ofOil in FreezingEnvironments［J］.Marine Pollution Bulletin，2003，47：333-340.

［9］Brandvik P J，Faksness LG.WeatheringProcesses in Arctic Oil Spills：Meso-Scale Experiments with Different Ice Conditions［J］.Cold Regions Science and Technology，2009，55：160-166.

Study on the Varying Regularity of Oil Spill Properties During the Ice Period of the Bohai Sea

HUANG Yan1，2，SONG Meng-Ran1，2，GUAN Pai3
1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
3.CNOOC Ltd.-Tianjin，Tianjin 300452，China

When oil spills occur in ice-covered sea areas，the varying regularity of the properties of surface oil film will have significant changes.To tackle this problem，experiments were performed to simulate possible oil spilling events in the ice-covered period of the Bohai Sea.The variations of oil spill properties were carefully observed and measured，and discussions were carried out on the relative varying regularity based on the observing data.Light and heavy crude oil samples were respectively tested in the experiments，with simulation targeted for the usual ice condition in the Bohai Sea.The experiments include measuring the oil spill thickness，evaporative loss rate and the emulsion viscosity that changes with time under different ice coverage.The testing results indicate that the weathering processes of oil spills are influenced by the presence of sea ice.

oil spill；sea ice；experimental study

X55

A

1003-2029（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.001

2016-02-25

天津市海洋局19-3专项资助项目（19-3BC2014-06），国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目（51021004）

黄焱（1978-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为海洋工程环境。E-mail：hjacyky@tju.edu.cn