渤海钻井平台生活污水“零排放”技术

岳明，陈卓，张羽臣，李治衡，张磊

中海石油（中国）有限公司 天津分公司（天津300459）

0 引言

渤海是半封闭型内海，海域自净能力较弱，环境承载能力有限。环渤海地区人口众多，经济总量较大。近年来，随着渤海沿岸经济社会的发展，近海海域生态环境持续恶化，生态系统处于亚健康状态，突发性海洋环境事件日益增多。为了实现“人海和谐”的目标，环渤海的辽宁省、河北省、天津市、山东省根据《关于建立渤海海洋生态红线制度的若干意见》，制定了区域性质的地方性海洋生态红线划定报告。目前红线划定方案有效期至2020年，每3～5年进行一次修订，渤海海域的一切生产活动参照报告执行。

钻井平台的污染物主要可以分为固体废物与生产污水，其中，钻井液、固体废弃物等对环境会产生影响，在渤海海洋生态红线制定前就已经有了较成熟的处理手段。钻井平台在生产过程中产生的其他污水（如甲板含油污水、厨房卫生间污水、医务室污水等），由于含有油、有机物和重金属等有害物质，也会对环境造成影响。但海上钻井平台的空间有限，这一部分生活污水的有效处理受到了极大的制约，如何处理生活污水成为实现生产污水“零排放”的关键。

为此，针对目前生活污水处理方式存在的问题，结合钻井平台的实际情况，提出了钻井平台改造方案及标准，改造后的钻井平台不仅能解决生活污水“零排放”的问题，而且最大程度地提高了平台空间的利用率，形成了效果好、可推广应用的钻井平台生活污水“零排放”技术。

1 钻井平台污染物及常规处理技术

1.1 钻井平台污染物

钻井平台的污染物主要包括以下内容：

1）非水基钻井液。主要包括油基钻井液和合成基钻井液。2009年渤海作业补充了对钻井液基液的生物毒性要求，并将油基钻井液拓展为非水基钻井液，将一级海域的使用要求LC50从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过应用，合成基钻井液在复杂井中应用潜力大，近年经过技术攻关，逐渐形成了环境友好型合成基钻井液，目前可获得3种基液已经基本确定可以在渤海使用，并检测合格。欧盟规定:含油、含危险成分的钻井液属于危险废弃物[1]。我国非水基钻井液仍严格按照全回收原则在海上应用。因此对于海洋环境“零污染”。

2）水基钻井液。水基钻井液主要成分为氯化钠、碳酸钠、淀粉、黄原胶、瓜胶、聚胺、聚醚等，属于环境友好型泥浆体系，在渤海大部分海域符合排放标准。

3）海上钻井设施的机舱、机房和甲板含油污水。海上钻井作业过程中需要清洗设备，甲板卫生，尤其针对密闭舱室的污水、空调冷凝水、主要成分对环境影响较小，但是在生态敏感区，仍然按照“零排放”的标准执行。

4）海上钻井平台、油气生产设施区的厨房、洗手间排出的含有洗涤剂的污水，经过平台生活污水处理装置处置后，其中悬浮物、油类等含量大幅下降，主要成为以有机物、洗涤剂为主，按渤海要求处理后COD（指化学需氧量，在一定严格的条件下，水中的还原性物质在外加的强氧化剂的作用下，被氧化分解时所消耗氧化剂的数量，以mg/L表示）不高于300 mg/L，且必须经过消毒和粉碎处理。厕所排出的含有粪、尿的污水，以及医务室排出的普通污水，在生态保护区也需要进行全回收作业。

5）石油生产活动中产生的一切塑料制品和其他废弃物，包括残油、废油、含油垃圾及其残夜残渣等[2-3]，在渤海一类海域禁止入海。

6）固体废弃物，包括食品废弃物和生活中产生的其他固体垃圾[4]，经过分类垃圾箱收集运转。

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

其中非水基钻井液、固体废弃物等正常海域也不允许排放，因此一直以来都是通过集装箱形式进行收集，然后通过船舶运输回陆地进行处理。水基钻井液在部分海域可以达标排放，而对于排放要求严格的生态保护区、农渔业区等（图1），渤海实现生

图1 环渤海三省一市“禁止开发区”与“限制开发区”示意图

1.2 常规污水处理技术

由于产生的地点不同，污水水质差别非常大，不可能以一种固定的装置及流程有效地处理不同油田的污水.常规处理工艺及设备对药剂依赖性较大，一般采用的污水处理方法包括WCB型生化技术、MBR膜生物反应技术[6]、物化技术[7]、电解技术，或几种技术的综合应用产品[8-9]等。但以上技术有一些缺点不适用于海上平台，比如：装置体积庞大[10]、能耗高；处理污水种类单一；需要大量化学药剂，药剂费用高、有危险性等问题。考虑到渤海大部分钻井平台设计目的为钻井，平台设备布置紧凑，空间比较紧张，同时要控制“零排放”系统的运行费用，因此常规污水处理技术难以满足钻井平台生活污水的处理需求，不具备在平台增加污水处理设施进行就地净化的条件。

2 钻井平台生活污水“零排放”技术

2.1 改造原则

由于无法在平台上增加污水处理设施，因此根据钻井平台流程及舱容特点，采用在平台预处理后储存于压载舱，并间歇性外输的技术方案。该方案的重点在于对钻井平台进行改造从而建立污染物的收集舱。钻井平台改造方案的原则为确保钻井平台的原功能不变，且改造后的结构满足稳定性需求，改造方案具有可行性。

2.2 钻井平台污水收集舱设计标准

2.2.1 钻井平台污水收集舱额定容积

收集舱容积确定主要受生活污水、降雨量和生产污水量的产生量影响，并受钻井平台靠船周期影响，因此需要首先确定收集舱的额定容积（最小容积）。

收集舱的额定容积Q由以下公式确定：

式中：Q1、Q2、Q3分别为生活污水量、降雨量与生产污水量，m3；t为收集舱的自持时间，考虑值班船的值班周期，一般情况下3～5 d。

1）生活污水量。海上油气生产设施人员生活污水量计算公式为：

式中：Q1为每日生活污水量，m3；n为平台生活污水定额，L/（人·天）；N为平台人数，人；1.2为安全系数（考虑水量的波动性）。

一般情况下，平台生活污水定额350 L/（人·天），平台人数＜救生艇最大乘客数。

2）降雨量。降雨量由各个海域的15 min最大降雨量每小时多少毫米和主甲板及飞机甲板面积的大小来确定总的降雨量，计算公式为：

3）生产污水量。生产污水包括钻井水量、倒舱污水，以及冲洗水量。根据实际生产经验，每日生产污水量小于10 m3。

钻井平台因布置紧凑，不再新增收集舱用来临时储存不允许排放的污染物，当钻井平台在钻修井的期间，压载舱处于空闲状态，所以利用压载舱作为污染物的收集舱。压载舱的容积需大于收集舱额定容积。

2.2.2 收集舱洗舱管线及外输泵选型

为了确保收集舱内清洁干净，确保压载后的海水指标符合要求，压载舱增加洗舱装置，舱底布置海水管路，利用钻井平台海水系统进行喷射冲洗，根据平台海水泵压力及洗舱经验值，确定洗舱海水管线压力不低于0.4 MPa，满足舱内清洁效率及质量要求。进入舱室内的污染物将通过外输泵外输到左右舷公用站接口进行外输。外输时间按照2～3 h进行考虑。

2.2.3 收集舱通风及安全标准

一般船舶舱室设置有通风口，主要分自然通风和机械通风。考虑到有可能舱室类型变化，可根据原舱室功能情况调整通风设施。推荐换气次数2～6次，防止舱室内沼气聚集，并排出异味污浊空气。如原通风口位置在人员通道附近，建议用风道将通风口引至舷边敞开区域，避免影响船上人员安全。在通风口位置需增加可燃气探头及硫化氢探头，对舱室内的气体进行监测。探头的具体布置原则参考NFPA72:2019标准相关规定。

2.2.4 收集舱结构标准

传统的图像压缩系统对于前端采集到的图像处理多使用芯片MAX9247和MAX9250进行数据的串化和解串,具有PCB布板空间大、信号线相互干扰、占用FPGA资源、以及前端数据传输速率慢导致后续图像的完整度和清晰度受到影响等问题。而FPGA芯片内部集成有SelectIO资源,通过配置其内部资源和IO端口,可以用内部资源实现功能要求,而不会占用FPGA的资源[2],同时可以节省PCB布板空间,减少布线之间的信号干扰,能够实现低压高速稳定的信号传输功能。鉴于此,本文提出一种传统工业图像压缩系统的改进设计方案。

穿舱壁的管件布置应避免破坏舱壁扶强材，如若破坏其连续性，需要进行结构加强，并对破坏位置进行油漆修复，满足收集舱的涂装专业相关要求。当所有盖和贯穿件包括管子连接件的安装接近完工阶段时，应进行舱室密封性试验。试验内容包括：充气试验（试验压力0.02 MPa）、灌水试验（海水或其他批准使用的液体，试验压头取至溢流管顶部或液舱顶以上2.4 m，取大者）。

重大改装平台一般应进行倾斜试验，如免做倾斜实验，则应争得主管机关同意；如平台经过任何改造以致对其稳性有实质性影响时，该平台应重新进行倾斜试验。对现有船进行改装、修理导致的空船重量与重心位置的变化也可以通过计算加以确定。若改装后的空船重量不超过批准的（或最近的上一次改装后批准的）空船重量的2%或者2 t（取较大者），且重心纵向位置与批准的（或最近的上一次改装后批准）的空船重心纵向位置的差别不超过1%的船长，则可以免做倾斜试验，但此后的所有稳性资料应使用计算得到的空船重量、空船LCG（重心纵向位置）与空船VCG（重心垂向位置）。如深舱改造方案对船体重量中心影响符合上述要求，可以免做倾斜实验，但需要向主管机关送审重新核算重量中心后的相关稳性计算文件。

3 应用实例

3.1 渤海五号钻井平台“零排放”改造方案

渤海五号是非自航自升移动式近海钻井平台。根据收集舱设计标准，生活污水量为50.4×103m3、雨水量4×103m3、生产污水量10×103m3，按照3天储存量计算得出Q为193.2×103m3，经过计算渤海五号钻井平台的左右艉压载水舱舱容280×103m3满足作为污水收集舱的需求，将平台污水汇集储存在两个舱室内。

具体改造内容包括：

1）增加左舷压载舱外输泵2台（一用一备），右舷压载舱外输泵1台。

2）增设生活污水处理装置排出粉碎泵；粉碎泵出口管线引至左舷压载舱，保留原排海管线。生活污水排出管线上安装电磁流量计和公用气吹扫口。

3）甲板地漏管线引入左、右舷压载舱（图2）。

4）洗衣机排出液管线连通并引至锅炉隔舱进行收集；锅炉隔舱顶部安装排放泵用于排水。

图2 左右艉压载水舱位置图

3.2 渤海五号钻井平台改造结构强度及稳性校核

3.2.1 平台重量变化

本次改造的污水将占用原左、右艉压载水舱，同时新增管线及设备等。这些改造将永久固定在平台上，将引起空船（不含桩腿）重量重心的变化，重心变化计算结果详见表1。由表1结果可知，空船（不含桩腿）重量由4 790.2 t增加至4 804.4 t，增加量约为0.3%，重心变化也不明显。重心纵向位置由0.64 m减少为0.61 m的变化量为0.03 m（小于1%船长），因此本次改造可以免做倾斜试验，满足设计需求。

3.2.2 可变荷载

改造方案确定后，两个污水舱（原左、右艉压载水舱）的结构形式并未改变，只是对其使用功能进行了调整，并不会对原左、右艉压载水舱的结构造成影响。

由于本次改造需要铺设相应的管线和布置设备，空船重将增加14.15 t,本次改造将造成最大可变荷载降低。故各个工况下，最大可变荷载需考虑本次改造新增重量的影响。计算结果见表2。

1）拖航和漂浮状态。在改造后，拖航工况下，船体仍需满足吃水小于3.6 m，以及重心高度小于15.48 m的要求，核算方法按《渤海五号钻井平台操船手册》执行。另外，空船重增加了14.15 t，可变荷载降低为788.77 t。该工况下，两个舱室密闭，两个污水舱按照实际压载量考虑可变荷载。

2）升船正常钻井状态。在改造后，正常钻井状态下，各桩腿仍需满足承载力小于1 820 t的要求，核算方法按《渤海五号钻井平台操船手册》执行。另外，空船重增加了14.15 t，可变荷载降低为1 485.85 t。该工况下，两个舱室正常使用，两个污水舱按照实际排放量考虑可变荷载。

3）风暴自存状态。改造后，风暴自存状态下，各桩腿仍需满足承载力小于1 450 t的要求，核算方法按《渤海五号钻井平台操船手册》执行。另外，空船重增加了14.15 t，可变荷载降低为788.77 t。该工况下，两个舱室应密闭，两个污水舱按照实际压载量考虑可变荷载。

4）正常降船状态。在改造后，常规的降船要求按《渤海五号钻井平台操船手册》执行。另外，空船重增加了14.15 t，可变荷载降低为788.77 t。该工况下，两个舱室密闭，两个污水舱按照实际压载量考虑可变荷载。

表1 空船重量重心改造前后变化情况

表2 可变载荷

4 结论

1）结合钻井平台实际情况，根据钻井平台流程及舱容特点，建立了在平台预处理后储存于压载舱，并间歇性外输的钻井平台生活污水“零排放”技术方案。

2）建立了钻井平台污水收集舱设计标准。对收集舱容积、舱洗舱管线及外输泵、收集舱通风及安全、收集舱结构等进行了明确的规定。

3）根据钻井平台生活污水“零排放”技术要求对渤海五号钻井平台成功进行了改造。