海洋石油溢油探测与处理技术进展

李纯军

(中国石油辽河油田油气集输公司)

0 引 言

随着石油勘探开发的重点由浅海向深海、超深海转移，海洋石油勘探开发已成为重要的开发方式之一。随着世界范围内能源消耗的增加，海洋石油勘探开发活动逐渐加剧。原油从油田经炼化后运送至消费者整个链条，共需10～15个环节，如油轮、管道、铁路、油罐车等[1]。在原油输送环节，均存在溢油风险[2]。据粗略统计，30%～50%溢油事件是由人类活动导致的，20%～40%溢油事件是由于设备设施失效或故障导致的[3]。

溢油事件的发生会导致恶劣的环境影响、经济处罚等。2010年4月20日，震惊中外的墨西哥湾“深水地平线”钻井平台发生井喷着火，进而引发大规模溢油事件[4]。经过近三个月，作业者才将水下漏油点堵住，溢出的原油污染了近155万km2的海域，对墨西哥湾沿岸的生态环境造成了巨大影响。BP公司为处理水下漏油口封堵、海上溢油付出了巨大代价，最终被处以208亿美元罚款。

显然，海洋环保重点工作之一就是防止溢油事件发生[5]。政府部门制定了严格的法律条文，各大石油公司针对海洋石油溢油也建立了完整性管理体系，建立了溢油应急处置体系，并开发了一些处理技术[6]。事实上，近十年来，随着HSE管理的升级，溢油事件发生的频率逐渐减少[7]。

为此，本文总结了海洋石油溢油的几种类型，综述了溢油监测的主要方式、原理和应用，总结了溢油处理的常用技术，并对溢油探测和处理技术的发展提出了展望。

1 上游海洋溢油事故分类

海洋石油勘探开发和运输各个环节，水上、水下各类设备设施均存在发生溢油事件的可能[1]。石油工业可粗略地分为上游和下游两个领域[2]。海洋石油勘探、开发和运输均属于上游，本文将海洋石油溢油从钻完井、海底管道、油轮等方面[5]开展论述。

1.1 钻完井溢油

井喷失控是钻完井过程中最大的风险，也是性质最恶劣、危害最大的事故[8]。井喷发生的原因有多种，对地质条件和稳定性估计不足，钻井操作会引发地质失稳，进而引发井喷泄漏；钻井过程中操作不当也可能导致井喷事故，如水泥密度选取不合理、水泥未按规定返至地面等情况；设备设施管理不严格也存在类似风险隐患，如防喷器组等井控设备未按期检验、井下安全阀未安装等问题[9]。钻完井过程中，人为操作失误是引发溢油风险的最主要原因[2]。当发生钻完井失控时，首先发生井涌，继而发生更严重的井喷；若不能及时控制井喷，则可能发生火灾爆炸事故和溢油事件，这对于海洋石油生产来说是灾难性的。

1.2 海底管道溢油

海底管道是海上平台向外输送油气产物的最主要手段[10]。海底管道一般从海上平台至陆岸终端，滩浅海油田海底管道长度稍短，深海和超深海原油管道则长度较长，可达上百公里[11]；滩浅海油田海底管道埋深较浅，一般在10 m以下，对于深海、超深海海上油田，管道铺设最大水深可达3 000 m，目前全球范围内有接近200条超过1 000 m以上的海底管道。从原油管道流动保障的角度，海底管道应带有一定厚度的保温层，并采用清管等手段保证海底管道的流动截面[12]。当然，在海底管道设计和铺设时，应确保海底管道的路由和埋深符合相关规范，同时应避开锚区。但在海浪的作用下，海底管道仍有被冲出原路由的可能，即出现海底管道裸露、悬空等问题[13]。因第三方破坏、海洋环境等引发的海底管道破坏失效事故屡见不鲜。由于海底管道内油气压力较高，若出现管道破损发生溢油事故，管内原油会源源不断涌出，若管道埋深较深，海洋溢油的范围会进一步扩大。

1.3 油轮溢油

世界原油产量的60%是通过油轮运输的，油轮一般用来将原油从产地输送至油库或港口，是大规模跨洋输送原油的主要方式之一[14]。一艘典型的大型油轮长度在300～330 m，其横梁约为50～60 m，可输送大约200万桶原油(3.18×105m3)[2]。同样地，海上浮式生产储油轮(Floating Production Storage & Offloading，FPSO[15])除了具备原油输送功能，还有生产和储存的功能。相撞(两艘油轮相撞)和撞船(油轮撞向固定设施)是油轮碰撞的两种形式，马来西亚Bunga Kelana 3号碰撞和Exxon Valdez触礁引发的溢油是典型的溢油和环境污染事件[16]。虽然油轮溢油不像钻完井、海底管道会源源不断地溢油，但由于其原油运输量较大，对海洋环境的危害同样不可忽视。

2 探测技术

原油是黑褐色黏稠油状液体，由于密度低于海水，溢出后的原油漂浮于水面；在油层和水层之间原油和水(以及盐水)可以形成复杂的乳状液[17]。乳状液的稳定性与原油种类和物性(如稠油、含蜡原油等)、海水含盐量[18]、温度有关，也受到波浪、潮汐[19]的影响。

大多数海洋溢油事件发生在海洋表面[20]，因此较多的溢油模型假设溢油发生在海洋表面，建立了二维海平面扩散数学模型[21]；但是，溢油源头在水下的情况不可忽略[22]，因此三维模型才是更通用、更适用的溢油扩散模型[23]。

在明确原油物性、风化程度、来源及对环境的潜在影响之后，原油溢油监测技术才有意义，才能更准确。利用漂浮原油与海水之间、以及不同厚度油层对各种波长的光吸收透过特性的差异，开发了众多远程探测和监测技术，如可见光、红外线、紫外线等，用来远程确定是否发生溢油及溢油层厚度。各种技术均有各自的优缺点和适用条件，目前更偏重于各类技术的综合运用和小型化发展，在此总结了目前常用的、适用于海洋溢油的远程监测技术。

2.1 视觉感受器

视觉感受器[24](Visual Sensors)是指使用可见光谱的设备或技术，通常包括传统摄像机和视频摄像机，这些设备成本较低。由于在正常使用时，其设备会受到干扰(见图1)，因此主要被用来记录泄漏或为其他手段提供参考。

图1 海上溢油照片[1]

2.2 红外传感器

红外传感器(Infrared Sensor)是指利用红外技术对海洋溢油监测的技术[25]。由于水上漂浮的原油可吸收太阳的红外辐射，在红外成像中，发生溢油的区域与未发生溢油的区域有显著的颜色区别(见图2)，这可作为区分溢油与否的一项重要技术。但是海洋中的其他物质也会干扰溢油区域识别的准确性，如杂草、生物油、碎屑、海洋和河流前沿等均有类似信号[25]。此外，由于不同厚度的原油对红外光吸收度不同，与视觉传感器相比，红外传感器不仅能确定该区域有无原油，还可提供原油厚度等信息[26]。当然，由于原油比热容小于水，夜间溢油区域比周围海水冷，考虑其他各类干扰因素，红外传感器不适用于夜间的探测。

图2 海上溢油红外照片[1]

2.3 激光荧光传感器

以上两节针对的是原油对于可见光和红外光两种光的透过和吸收现象。同样地，原油被紫外光谱中的激光照射可触发荧光现象，针对紫外光谱所开发的探测技术被称为激光荧光传感器(Laser Fluorosensors)[27]。由于所受干扰很少，激光荧光传感器是目前最强大的遥感工具。但激光荧光传感器缺点是成本过高、尺寸过大、质量过大。

2.4 无源微波传感器

根据不同厚度浮油对微波辐射吸收信号的不同而开发的技术被称为无源微波传感器(Passive Microwave Sensors)[25]。虽然此技术不能完全用来测量溢油层绝对厚度，但可以测量相对厚度。其优点是可适用于大雾和黑暗中的检测，缺点是空间分辨率差、成本相对较高。

2.5 雷 达

以上4种检测方式是借助原油和海水对不同频率光的吸收和反射特性差异，雷达(Radar)可借助浮油对小波浪(长度约为几厘米)的平息作用开展检测[26]。但利用雷达检测时容易出现假目标。此外，雷达技术适用的风速范围为2～6 m/s，低于此风速范围，小波浪在溢油区和海洋之间产生的信号差异不能被雷达检测到；高于此风速范围，波浪可通过溢油层传播，雷达无法检测出波浪之间的波谷，无法获得有效的数据。同样地，此方法不适用于海岸线附近或海岬之间，因为风的雷达信号与原油类似。雷达技术虽然由于设备体积大、费用高，适用范围有限，但却比较适用于大范围搜索，尤其适用于夜间、雾天及其他恶劣条件下使用。

2.6 卫 星

许多卫星可提供可见光谱图像，但除非出现大规模原油溢出，使原油与海洋形成鲜明对比，否则无法从这些图像中看到石油[28]。目前有若干雷达卫星，其适用条件与雷达类似。尽管有这些限制，卫星雷达图像在绘制大型石油泄漏的地图时特别有用，可在几个小时内提供数据，这在溢油处置中非常重要。现代的溢油大多依赖于雷达卫星数据。

3 处理技术

为防止潜在溢油、溢油扩散及对环境造成的二次污染，需对已发生的溢油进行处理。基于油水不互溶、原油密度低于海水等原油物理化学特性、海洋海浪和洋流的迁移作用，可选择使用物理屏障等方式对溢油进行控制。考虑到油水乳状液的性质，对溢油回收处理时需进行破乳，进行油水分离，以提高溢油处理效率。但在溢油初期，同一个地方会源源不断地涌出原油，围油栏和撇油器等效果不佳时，需要开展溢油原位处理。

3.1 围油栏

围油栏是漂浮的物理屏障[29]，主要有三个作用：一是防止原油在水面上扩散，使原油集中，增加其厚度以促进原油回收；二是将溢油转移到海岸线上合适的收集点，以便随后通过真空卡车、泵等进行清除；三是将溢油从经济上重要或生物上敏感的地点转移，如港口入口、发电站等。

为承受风和浪的力量，围油栏由浮力材料和纵向张力构件(链或钢丝)制成[30]，最重要的特性是其防油能力和抗弯曲能力。最常用的是硬性围油栏和吸附性围油栏[31]，硬性围油栏主要由圆柱形浮子组成，吸附性围油栏包含了一根能用来吸附原油的柱形材料，但吸附性围油栏缺乏硬性围油栏挡油的材料，不能长时间使用。

海浪、水流、潮汐和原油的快速扩散可能会限制围油栏的操作[31]。围油栏的有效设计和布设可以最大限度地减少风浪等自然条件的影响。图3为包围岛屿的围油栏。

图3 包围岛屿的围油栏[2]

3.2 撇油器

撇油器是一种机械装置，主要用来除去水面上浮的油[32]，其在大小、应用、容量及回收效率方面差异很大。按工作原理，可将撇油器分成不同的类型，如圆盘撇油器、刷式撇油器或堰式撇油器，因此可适用于不同的区域(如近海、浅水或河流)、回收不同黏度的原油(如重油或轻油)等。撇油器有多种形式[33]，包括内置在船舶或密封装置中的独立装置，以及以固定或移动(前进)模式运行收油的装置。撇油器可带有储存回收原油的空间，或含油分离器以处理回收的原油。

撇油器的有效性是根据其回收的油量以及随油带走的水量来评定的，取决于多种因素，如石油泄漏的类型、石油的性质(如黏度、滑膜厚度)、海洋条件、风速、环境温度及冰或碎屑的存在。多数撇油器在浮油相对较厚的时候能发挥最好的作用，当油层较薄时则使用效果受到影响。因此，在撇油器有效使用之前，必须用围油栏收集原油。为了尽可能多地回收原油，撇油器被放置在油栅前面或任何原油最集中的地方。

3.3 原位燃烧

原位燃烧是一种在泄漏地点控制原油燃烧的技术，可以迅速地从水面上除去溢油[34]。而且其除油效率高，对厚浮油，去除效率可以轻易超过90%[35]。其做法也相对简单，将用围油栏控制的浮油，用点火装置点燃，可以非常迅速地启动溢油的原位燃烧[36]。溢油原位燃烧的情况见图4。

图4 溢油原位燃烧[2]

4 结论与展望

近年来，随着海洋石油勘探开发技术的进步和海洋HSE监管的更加严格，海上溢油事故有所减少。但海洋石油勘探、开发和运输各环节仍存在溢油风险，尤其是钻完井过程、海底管道、油轮碰撞等，溢油风险相对较高。目前，对于海洋石油容易导致溢油风险环节已经有很多研究成果，风险辨识、评价相对比较清楚；对于原油物性、油水乳状液性质也有较深的研究。目前可采用视觉感受器、红外传感器、激光荧光传感器、无源微波传感器、雷达、卫星等一种或多种技术开展远程溢油监测，同时采用围油栏围控海上溢油，利用撇油器、原位燃烧等方式处理溢油，海洋溢油探测和处理技术仍在不断发展中。

基于对以上两项技术的理解，提出两点展望：

一是传感器技术的进步将推动以远程监测为主的应急探测工具开发，高敏度相机和热红外相机价格相对低廉，可以进一步降低成本，减小传感器尺寸和复杂性。多技术耦合的远程探测技术将适用于不同情况下的溢油监测。计算机能力的迅速提升将综合处理不同技术的检测数据，以提高海上溢油探测的精确性。

二是随着对油水乳状液物性、波浪流等研究的不断深入，在溢油围控、回收、燃烧之外，将开发出更多的原油溢油处置技术和一体化、撬装化的处理装置，溢油处置效率有望进一步提高，对环境的影响也有望进一步降低。