海上浮式油水置换储油舱内水中含油浓度模型试验

刘东喜,雷丽君,王晋,韩盼盼,尤云祥,刘巍巍

(1.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306；2.北京高泰深海技术有限公司，北京100011；3.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

近年来，国际深海浮式平台技术呈现出钻井、生产和原油储卸等多功能集成于一体的发展趋势。浮式钻井生产储卸油船(floating drilling production storage and offloading，FDPSO)[1-4]和立式圆柱形钻井生产储卸油平台(spar drilling production storage and offloading，SDPSO)[5-6]大多采用油水置换技术实现储卸油操作。

油水置换储油(亦称湿式储油)与干式储油是目前海上储油装置(浮式储卸油船、浮式生产储卸油装置、海底储油舱，以及重力式储油平台等)使用的2种基本储油模式[7]。干式储油系统采用与陆地储油罐类似的存储方式，原油上部空间充满惰性保护气体防止燃爆；湿式储油结构内部始终充满油和水，基于油水置换技术实现进油排水和进水排油操作。与海上干式储油舱相比，油水置换储油舱的优点很多，例如，受风浪、海流和冰等影响较小；需要的压载量较小；结构承受载荷较小；无爆炸风险，安全性较高；储油成本较低。目前，油水置换储油技术在国内还没有得到实际工程应用，但在国外己广泛应用于海底储油舱和重力式平台等30余座海洋结构物[8]，其中包括2014年安装在北海的Solan海底钢质储油舱[9](储油量30万桶)和2016年安装在加拿大外海的Hebron重力式混凝土平台(储油量120万桶)。

海上油水置换储油舱在储卸油过程中，海水对舱壁凝油层和结蜡层的剪切作用会使得部分凝油和蜡脱离沉积层而进入海水中，同时，原油的扩散作用也会促使原油穿过油水界面进入海水中，这2种作用都会增加储油舱内海水的含油质量浓度。当海水中的含油质量浓度超过一定程度时，平台进行储油操作置换到大海中的水就有可能超过国际要求的含油污水排放标准[10]，进而对海洋环境造成污染。FDPSO和SDPSO平台内置的油水置换储油舱与国外实际应用的海底油水置换储油舱存在显著区别：前者漂浮在海面上，而后者则被固定在海底。在风、浪、流等海洋环境载荷的共同作用下，浮式油水置换储油舱必然会产生运动，从而引起舱内油水分层液体的晃荡。液体晃荡会对舱壁凝油层产生冲刷作用，进一步增加压载水的含油质量浓度。只有了解储油舱内水中含油质量浓度，才能在设计结构物时确定是否需要增加油水分离设备以及所增加设备的分离效率。

油水置换储油舱内水中含油浓度问题的主要研究方法是模型试验，但由于试验研究要求使用真实原油和海水进行测试才能保证可信度，试验的难度和成本较大。

为此，考虑以浮式SDPSO平台储油系统为原型，开展模型试验，分析储油舱模型缩尺比、储油舱制作材料、原油物性、油水界面移动速度，以及平台运动等参数对储油舱内水中含油浓度的影响。

1 试验装置

浮式SDPSO平台及其油水置换储油系统如图1。主要组成如下：位于硬舱的中心井和油沉箱，位于中间舱的储油舱，位于软舱的水沉箱，由上部模块延伸到油沉箱的输油管，从中心井底部贯穿到外部海水的外水管，从中心井顶部贯穿到水沉箱底部的内水管，中心井和油沉箱之间被隔板隔开。储油舱为立式圆柱型，高120 m，直径32 m，储油能力50万桶。

图1 SDPSO平台及其油水置换储油系统

储油系统的注油排水和排油注水操作流程如下：平台生产的原油从输油管进入储油舱顶部，油水界面以0.35 m/h的速度向下移动，储油舱底部海水通过内水管从水沉箱被输送到中心井顶部，由于重力效应，置换水中含有的微量原油会浮于水面之上。同时，中心井底部海水在静水压力作用下从外水管排出到大海。卸油时，上部设施中的油泵将舱内原油抽走，油水界面以4 m/h的速度向下移动，海水在压力作用下通过平台底部的进水口自动进入储油舱。

SDPSO平台储油系统油水置换试验装置主要由储油系统模型、油箱、水箱、油泵、水泵、管道、流量计、阀门、水中含油分析仪组成，其中，水中含油分析仪与储油舱底部连通，见图2。3套模型试验装置的相关参数见表1。

表1 SDPSO平台储油系统油水置换模型试验参数

图2 海上浮式油水置换储油舱模型试验装置

模型试验装置的实物图见图3。试验装置I进行了简化，储油系统模型未考虑中心井、油沉箱和水沉箱。此外，由于1∶40模型试验装置需要研究风浪流导致的平台运动对储油舱内水中含油浓度的影响，所以该试验装置增设了一台晃荡模拟装置，该装置包括运动平台和控制系统，试验开始之前，把上海交通大学海洋深水试验池风浪流试验得到的SDPSO平台在10年一遇冬季风暴下的纵摇运动时历曲线加载到晃荡模拟装置的控制系统中，即可实现立式储油舱的不规则纵摇运动模拟。

图3 海上浮式油水置换储油舱试验模型实物

2 模型试验结果及分析

2.1 储油舱模型缩尺比的影响

搭建试验装置I，采用碳素合金钢制作2个缩尺比为1∶120和1∶80的储油舱，原油采用重质油。

试验过程中，储油舱静止不动，油水界面移动速度与原型储油系统保持一致。试验结果见图4。

图4 储油舱模型缩尺比对水中含油浓度的影响

由图4可见，2种缩尺比下的储油舱模型试验结果都没有随置换次数的增加而呈现上升或下降的趋势，水中含油浓度值比较接近，均在0～5 mg/L范围之间，表明缩尺比对储油舱内水中含油浓度的影响不大。

2.2 储油舱模型制作材料的影响

搭建试验装置II和III，分别采用有机玻璃和碳素合金钢制作两个缩尺比为1∶47和1∶40的储油舱，原油采用中质油，试验过程中，储油舱静止不动，油水界面移动速度与原型储油系统保持一致。试验结果见图5。

图5 储油舱模型制作材料对水中含油浓度的影响

由图5可见，2种材质制作的储油舱模型试验结果差异比较明显，有机玻璃储油舱内水中含油浓度随着置换次数的增加变化不大，始终低于1 mg/L，而碳素合金钢储油舱内水中含油浓度随置换次数的增加呈上升趋势，最终可达5 mg/L，表明储油舱模型制作材料对水中含油浓度的影响较大。分析认为原因如下：有机玻璃储油舱内壁光滑，原油粘壁效应比较弱，卸油时进入水中的原油较少。

2.3 平台运动的影响

搭建试验装置III，原油采用中质油，开展静态工况时储油舱静止不动，开展动态工况时使储油舱在10年一遇冬季风暴下做不规则摇摆运动，试验过程中，油水界面移动速度与原型储油系统保持一致。试验结果如图6。

图6 平台运动对水中含油浓度的影响

从图6中可以看出，储油舱静止和晃动两种状态下水中含油浓度都随置换次数呈现递增的趋势，储油舱晃动状态下水中含油浓度始终大于静止状态下水中含油浓度，表明储油舱运动导致的液体晃荡会对舱壁凝油层产生冲刷作用，进而增加水的含油浓度。

2.4 原油物性的影响

搭建试验装置III，原油采用中质油和重质油，试验过程中，储油舱在十年一遇冬季风暴下做不规则摇摆运动，油水界面移动速度与原型储油系统保持一致。试验结果见图7。

图7 原油物性对水中含油浓度的影响

由图7可见，2种物性原油的试验结果差异不明显，最大含油浓度都不超过7 mg/L，表明原油物性对储油舱内水中含油浓度的影响不大。

2.5 油水界面移动速度的影响

搭建试验装置III，原油采用中质油，试验过程中，储油舱在10年一遇冬季风暴下做不规则摇摆运动，油水界面移动速度为原型速度和2倍加速。试验结果见图9。

从图8可以看出，油水置换速度增加会增大储油舱内水中含油浓度，这是因为油水界面移动速度的增加意味着原油和海水的流动速度变大，进而会增大海水对舱壁凝油层的剪切效应。

图8 油水界面移动速度对水中含油浓度的影响

3 结论

1)缩尺比和原油物性对储油舱内水中含油浓度的影响不大；有机玻璃制作的储油舱内壁较光滑，原油粘壁效应较弱，水中含油浓度较小；储油舱运动导致的液体晃荡会对舱壁凝油层会产生冲刷作用，进而增加水中含油浓度；油水界面移动速度的增加会增大海水对舱壁凝油层的剪切效应，进而增大储油舱内水中含油浓度。

2)各种工况下的储油舱内水中含油浓度始终不超过10 mg/L，远低于国家规定[10]的海洋石油开发工业含油污水的一级排放标准(30 mg/L)，表明在油水置换储油舱的实际应用中，储油操作时被置换出的海水可以直接排入大海。