防火围油栏和撇油器在海上井喷溢油处置中的适用性分析及展望

2024-01-18李杨孙寿伟袁宇翔宋燕马驹王永林

石油工业技术监督 2024年1期

关键词：油器井喷海况

李杨，孙寿伟，袁宇翔，宋燕，马驹，王永林

1.中海石油环保服务（天津）有限公司（天津 300452）

2.海油发展安全环保公司安全环保研究院（天津 300452）

0 引言

随着我国海洋石油工业的持续发展与进步，海洋石油勘探活动规模和强度不断增加，溢油事故已成为不可忽视的一项风险。井喷溢油事故具有处理时间长、处置难度大、对生态环境破坏严重的特点，是最为严重的环境污染事故类型之一[1]。

目前我国对溢油应急机械回收设备的设计和研发较为缓慢[2]，溢油应急设备的智能化、无人化程度较低，部分溢油应急机械回收设备已不能有效地应对可能出现的井喷溢油事故。同时溢油应急设备的研发和生产过多着眼于法律法规和环境影响评估的要求，忽略了溢油应急设备作为特种设备对事故极端环境下的耐受性。本文结合井喷事故特点，通过介绍防火围油栏和撇油器设备的现状，分析行业现有溢油应急处置能力，得出防火围油栏和撇油器的适用性与井喷溢油事故实际处置需求之间的差距，展望未来我国溢油应急设备发展方向。

1 海上井喷事故场景分析

1.1 事故现场状况分析

井喷是指钻井过程中地层流体（石油、天然气、水等）的压力大于井内压力而大量涌入井筒，并从井口无控制地喷出的现象。井喷事故一旦发生于海上平台，极有可能导致溢油事故。溢油事故处置过程中，首要任务是切断溢油源，而在井喷事故中溢油源的切断往往没有固定规律可循，由于海上事故现场的复杂情况和海上井控作业的固有难度，溢油源的切断过程往往较慢。2010 年美国墨西哥湾深水地平线钻井平台从事故爆发到切断溢油源共85 天，次年的蓬莱19-3 油田溢油事故处理约80 天。从以往的规律来看，由井喷事故引起的溢油事故往往具有处理时间长、溢油量大的特点，这就意味着溢油在海面存在时间较长，溢油经过一系列物理化学变化后黏度不断升高，溢油的机械回收难度增大[3]。

1.2 海上井喷溢油事故应急处置方法

井喷事故发生后，在溢油源不能被立即切断的情况下，最为主要的任务是控制溢油，防止进一步扩散，最为常见的方式是用围油栏围控溢油。对于水面以上的溢油泄漏点，宜采用防火围油栏以“O”型围控事故平台[4]，配合撇油器回收围控区的溢油；如果溢油逃逸至围控区外侧，宜用工作船以“U”型或“J”型形成工作单元或自由组成回收单元进行溢油拦截和回收，溢油泄漏量较大时，可以在水面布放防火围油栏对海面溢油进行聚集和燃烧。因此在井喷溢油事故处置中，防火围油栏主要用于水面以上溢油的围控与燃烧处置。海上井喷溢油事故处置方法如图1所示。

图1 海上井喷事故现场溢油处置图

控制回收水面以下的溢油较为困难。2010 年美国深水地平线事故发生时，英国BP石油公司采用了包括吸油罩、虹吸管吸油等方法回收水下溢油，受限于墨西哥湾作业区域复杂的海底环境，上述方法在溢油控制上取得的效果一般，未能从根本上在井控作业成功前控制大部分溢油。我国深水区域的溢油监测与处置近年来有所进步，深水溢油输移扩散模拟取得了一定的进展[5]；在水下可以采取水下机器人配合渔网状吸油拖栏对水下溢油进行回收[6]；水下消油剂喷洒技术在近年来快速发展，在满足法律法规的前提下也可作为一种处置水下溢油的方式[7]。

虽然我国在水下溢油处置技术和装备方面取得了一定的进展，但由于水下作业环境复杂，水下溢油探测预测以及处置等方面的技术储备不足，我国溢油水下处置能力仍较为薄弱[8]。现阶段我国应对海上井喷导致溢油事故的技术手段仍以对海面溢油的围控、回收、吸附、燃烧为主。

2 防火围油栏

2.1 防火围油栏现状

防火围油栏是处置海上井喷溢油事故最常用的装备，一方面用于溢油源的“O”型围控，防火围油栏可对海面溢油形成的流淌火进行有效防控，聚集溢油使其便于回收，从而减小溢油的不利影响；另一方面在溢油量较大时，可以聚集溢油采用燃烧的方式处置溢油。我国国家标准GB/T 34621—2017《围油栏》对防火围油栏的防火性能要求如下：连续向防火围油栏实验段内倾入不少于20 mm 厚的实验油并点燃，维持燃烧30 min，待实验油充分自燃后，检查防火围油栏，金属件应无明显变形，水下裙体、柔性段应完好。采用防火阻燃涂料或包布的，只要不破坏防火围油栏的主体结构，允许出现烧毁或脱落。

国内厂商销售的防火围油栏绝大多数为固体浮子式防火围油栏，此种防火围油栏浮体由耐高温钢体浮子充当，水下裙体由耐高温PVC或橡胶材料制成，此种类型围油栏优点在于制造成本较低，布放操作简易，但机械性能一般，不耐冲击和摩擦，围油栏经火焰长时间灼烧后容易解体失效。我国生产的WGJ型防火围油栏如图2所示。

图2 国产WGJ900 H型防火围油栏

国外部分厂商生产的防火围油栏防火能力达到了较为理想的水平。美国某公司生产的American固体浮子式防火围油栏可抵御1 100 ℃高温，在火烧情况下可维持围油栏完整性11 h，并在2010年美国墨西哥湾深水地平线溢油事故处理中发挥了较为良好的作用，American 固体浮子式防火围油栏作业情况如图3所示。该公司生产的Hydro-Fire水冷式防火围油栏采用海水作为冷却介质，在火烧情况下维持围油栏完整性12 h，Hydro-Fire 水冷式防火围油栏作业情况如图4所示。

图3 American固体浮子式防火围油栏作业现场

图4 Hydro-Fire水冷式防火围油栏作业现场

2.2 井喷场景下防火围油栏适用性分析

在井喷溢油事故中，溢油围控最重要的是对事故中心区域的围控。从历史事故来看，井喷事故处置周期长，处置周期内大量工程船对事故点进行井控、消防、拆除平台倒塌构筑物等工程作业，防火围油栏在风浪的作用下乘波摆动，不断经受平台倒塌构筑物的摩擦、船舶的冲击及流淌火灼烧，围油栏容易因灼烧或机械损伤导致失效，因而提升防火围油栏的防火性能、机械性能以及保持围油栏长期围控的有效性是处理井喷溢油事故的难点。目前防火围油栏的局限性在于：

1）防火围油栏主要适用于平静海况时溢油的围控作业，在开阔水域作业时，海况等级超过四级，防火围油栏极易失效，围控效果大幅降低。根据以往事故处置经验，井喷事故处置时间长达数月，在对固定海上平台数月的处置期内，偶发的恶劣海况对防火围油栏的围控造成较大影响，已围控溢油存在逃逸的风险。

2）井喷溢油事故中对防火围油栏的耐灼烧程度的要求，远超国家标准规定的防火围油栏在20 mm 厚实验油燃烧20 min 的耐灼烧强度，国产防火围油栏在事故现场高温火焰灼烧下可能解体，失去对溢油的围控作用。

2.3 防火围油栏产品开发展望

2.3.1 加强提升恶劣海况下防火围油栏围控效果的研发

在恶劣海况下围控溢油一直是行业内的一个难点，在恶劣海况影响下，溢油更容易逃逸，可增加防火围油栏整体高度，提升围控效果。增加围油栏裙体高度可有效加大围油栏失效的临界水流速度[9]，干舷高度升高可有效提高飞溅失效的临界水流速度[10]，因而增加防火围油栏整体高度是提升围油栏围控效果的有效手段。目前国内外市场防火围油栏整体高度较低，一般不超过1.1 m，在此方面具备一定提升空间。

还可以通过研发新形状的围油栏提升围油栏的围控效果，在这一方面我国高校及科研院所对围油栏的构造做出了一定的创新。杨浩天、张川通过数值模拟发现改变围油栏裙摆底部形状可有效改变围油栏的滞油性能[11]。生态环境部华南环境研究所开发了可拼接成型的抗风浪围油栏，如图5所示，通过定位浮标、GPS 定位仪及位置调整控制器及太阳能电池板可实现在恶劣海况下的围油栏定位[12]，此类围油栏稍加改造即可成为具备定位功能的防火围油栏。西南石油大学科研团队开发了一种防飞溅稳固式围油栏，如图6所示，在传统围油栏的基础上增加了溢油挡板，裙体改造为网状裙体，减小了水流对水下围油栏裙体的冲击，有效提高了围油栏在高速水域的稳固性和防溢油飞溅能力[13]。

图5 可拼接成型的抗风浪围油栏

图6 防飞溅稳固式围油栏

2.3.2 加强对防火围油栏防火性能与机械性能的研发

防火围油栏可分为两种：一种由防火材料制成的防火围油栏，依靠防火材质耐高温特性；另一种则通过冷却剂对围油栏降温，达到耐火要求。从两种防火围油栏在事故中的实际表现来看，两种围油栏的耐火性表现接近，均可抵御高温燃烧10 h 以上。结合井喷事故现场对防火围油栏较为严苛的性能要求，对比性能较为出色的防火围油栏材质上的差距，我国可在防火围油栏栏体的耐火性能和机械性能方面进行探索。美国某公司开发的American防火围油栏，采用高科技陶瓷作为浮体，含有不锈钢织物的围油栏包布。丹麦某公司开发的PyroBoom 防火围油栏由特殊耐火材料和金属材料制成。另外二代水冷式防火围油栏因其独有的水冷特性，在海上溢油处理中可长期抵御海面油火的灼烧，其存放和使用类似于普通充气式橡胶围油栏，具备存放占地面积小的优点。美国某公司开发的Hydro-Fire二代防火围油栏在深水地平线溢油事故处置中发挥了较为理想的效果。而对于水冷式围油栏，国内一些厂家仅申请了专利，尚无厂商对水冷式防火围油栏进行量产。

机械性能方面，水冷型防火围油栏由于存在气室，容易出现像传统充气式围油栏气室损坏、围油栏失效的情况；固体浮子式防火围油栏中较出色的产品如美国某公司生产的American 固体浮子式围油栏，其采用耐高温PVC、不锈钢织网、耐高温陶瓷织物连接围油栏各节栏体，即使PVC失效，织物和织网仍能维持围油栏的整体性，且在作业现场耐刮擦，不会因机械损伤而轻易失效，因而在机械性能方面，固体浮子式防火围油栏优于水冷型防火围油栏。

3 撇油器

3.1 撇油器现状

撇油器是用于移除水面溢油的机械装置，开阔水域多采用亲油式撇油器对溢油进行回收，亲油式撇油器一般包括撇油头、动力站和储油囊，在使用时用液压管线将撇油头和动力站连接，动力站向撇油头提供动力，撇油头刷轮转动将水面溢油回收并由泵转运至储油囊。

撇油器在海上平台井喷事故中，可由工作船吊装进入事故中心围控区对围控的溢油进行回收，也可配合两船布放的围油栏对逃逸的溢油进行围控集中回收。

3.2 井喷场景下撇油器适用性分析

井喷事故发生后，事故中心区域溢油在围油栏围控区域内不断累加，作业船舶吊装撇油器进入中心围控区域，对中心区域溢油进行回收，海上恶劣海况偶发，撇油器在恶劣海况下收油效率降低。在溢油回收作业时常受到工程作业的影响而无法按时进行，围控区域内原油不断风化和乳化，溢油黏度逐渐增高，导致撇油器无法回收。恶劣海况导致中心部分溢油逃逸，中心围控区域外由两艘或三艘工作船组成工作单元，形成“U”和“J”型围扫回收溢油。

3.2.1 稠油的回收

亲油式撇油器对中黏度（10～100 mPa·s）原油有着较好的回收效果，而对于高黏度（大于100 mPa·s）的稠油回收效果不甚理想。而井喷溢油事故现场由于其高危险性，存在溢油在围油栏围控区内积存乳化风化后黏度升高的现象。近年来我国新开发的部分海上油田出产油品达到了稠油或超稠油的水平，如我国辽东湾海域某海上油田出产油品黏度达到了74 462 mPa·s，超过了GB/T 31971.3—2015《船舶与海上技术海上环境保护撇油器性能实验第3 部分高黏度油》规定的9 级原油——沥青的黏度，一旦稠油海上油田发生溢油或围控区溢油乳化黏度升高，常规的亲油式撇油器和机械提升式撇油器在作业时，机械刷轮或提升设备的动力有限，将出现刷轮无法刷起稠油的情况。

3.2.2 撇油器的限制因素

亲油式撇油器主要短板在于整套设备受限因素过多：适用于开阔水域的大型撇油器的撇油头体积和质量均较大，使用时需使用船用吊车才能完成布放；撇油器在甲板上的操作需人工手动参与，在危险的井喷溢油事故现场，人工作业增加了现场作业人员的人身伤害风险；撇油器的操作半径受限，因而在开阔水域配合“U”型或“J”型布放的围油栏进行动态溢油回收作业时操作极为不便。

3.3 撇油器产品开发展望

3.3.1 开发针对稠油的铲式撇油器

适用于开阔海域的刷式撇油器和机械提升式撇油器对稠油进行回收时效率大大降低，并且上述两种撇油器对恶劣海况的耐受力较弱。铲式撇油器对于回收海面稠油、过度风化形成的块状原油效果极佳，回收速率快。同时恶劣海况对此种溢油回收方式几乎没有影响，在恶劣海况下，无论是回收风化的溢油或稠油，铲式撇油器均能起到理想的效果。我国尚无厂家生产此种装备，芬兰某公司开发的LAMOR LRB撇油器集刷式撇油器和铲式撇油器功能为一体，如图7和图8所示，该设备可在开阔水域、冰区、岸滩高效清理回收溢油。国内厂商可以此为参考，开发具备较高机械性能、可搭载于工作船的铲式撇油器。

图7 LAMOR LRB撇油器在开阔水域作业

图8 LAMOR LRB撇油器在冰区作业

3.3.2 开发集动力、回收、储油于一体的自航撇油器

基于撇油器设备较为沉重，动力模块、撇油模块、储油模块相互分离，撇油器操作受人力限制等因素，开发集动力、回收、储油于一体的自航撇油器或自动收油船可大大提升撇油器在海面的机动性和收油效率，减小海上溢油回收作业人员的操作风险。目前行业内现存溢油回收设备智能化较低[14]，对自航撇油器或自航溢油收油船的开发还处于探索阶段，仅提出了相关理论，尚未有国内外厂商生产，但溢油回收船舶无人化仍是造船行业的趋势[15]，未来自航撇油器、自航溢油回收船或将与无人机系统和溢油侦测雷达系统结合，在事故现场指定区域范围内开展溢油回收工作，用自航撇油器代替人工作业的方式将更加安全、高效。