油粒子模型在海洋石油開發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理中的應(yīng)用

齊莎莎，袁曉娟

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100102；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，北京 100012)

0 引言

石油開發(fā)溢油事件屬于人類對海洋石油進(jìn)行開發(fā)和利用過程中，較為頻發(fā)的環(huán)境事件之一。海上溢油風(fēng)險(xiǎn)是自然或人為活動(dòng)引發(fā)的不確定事件，隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，海上溢油污染的形勢日趨嚴(yán)峻[1]。溢油污染事件，尤其是重大溢油污染事件往往具有突發(fā)性和嚴(yán)重的環(huán)境致災(zāi)性，同時(shí)具有極大社會敏感性和廣泛的社會關(guān)注度。溢油對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，對事發(fā)海域的浮游生物、貝類、魚類、無脊椎動(dòng)物、海鳥和大型哺乳動(dòng)物等會產(chǎn)生毒害作用，并可能最終通過食物鏈作用于人體[2]。因此本文以某油田海洋石油開發(fā)工程為例，選用“油粒子”溢油模型，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果，對不同氣象條件下某海底管道發(fā)生溢油事故后的油膜漂移軌跡進(jìn)行預(yù)測，評估周邊海域環(huán)境保護(hù)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，針對性提出風(fēng)險(xiǎn)防范措施，有助于提高風(fēng)險(xiǎn)管理水平，有效地組織實(shí)施溢油應(yīng)急反應(yīng)。

1 海洋石油開發(fā)工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識別

1.1 井噴

在鉆完井作業(yè)中，地層壓力欠平衡引起循環(huán)液漏失等原因，導(dǎo)致發(fā)生井涌、井噴事故。伴隨井噴釋放的原油和烴類物質(zhì)，遇明火可能引發(fā)平臺火災(zāi)、爆炸，嚴(yán)重污染周圍海洋環(huán)境。

1.2 儲罐破裂

腐蝕、管件閥門失效等原因可能導(dǎo)致儲罐油氣泄漏，當(dāng)泄漏物濃度聚集達(dá)到爆炸極限時(shí)遇到明火便釀成火災(zāi)和爆炸，一旦發(fā)生儲罐燃燒、爆炸、破裂等一系列連鎖反應(yīng)，處理不當(dāng)，均會造成重大溢油事故。此外，儲罐附近如發(fā)生火災(zāi)，長期高溫可能使儲罐閥門等關(guān)鍵部位扭曲變形，出現(xiàn)溢油事故。

1.3 海底管道溢油

海底管道屬于海上石油開發(fā)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要組成部分。導(dǎo)致事故發(fā)生的原因主要包括：腐蝕、沖刷懸空、斷裂以及人類海洋活動(dòng)等。腐蝕來自管道內(nèi)腐蝕、泥水交界面產(chǎn)生的海泥/海水腐蝕電池等。過往船舶的拋錨和拖網(wǎng)等人類海洋活動(dòng)，一定程度破壞管道防腐涂層，或者給管道造成刮痕、壓坑等損傷，嚴(yán)重的可直接導(dǎo)致管道破裂泄漏。

1.4 船舶溢油

船舶屬于海上石油勘探、石油開發(fā)和生產(chǎn)的支持性環(huán)節(jié)，工作的船舶主要有多功能船、物資供應(yīng)船和油輪等[3]。引發(fā)船舶溢油事件原因主要有輸油軟管破裂、碰撞、擱淺和翻沉等。

2 溢油預(yù)測及影響評價(jià)

以某油田為例，采用“油粒子”溢油模型，選擇大潮期的漲潮和落潮為典型時(shí)刻，模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下某條海底輸油管道全管徑斷裂溢油事故的油膜漂移軌跡，評估周邊海域環(huán)境保護(hù)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 溢油模型

(1)模型介紹。溢油進(jìn)入海洋水體后，會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包括擴(kuò)展、漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、乳化、溶解、沉積等[4]?！坝土Ｗ印蹦Ｐ途褪前岩缬碗x散為大量粒子，每個(gè)粒子代表一定體積的溢油，以粒子的隨機(jī)走動(dòng)模擬油膜漂移過程，以粒子的質(zhì)量損失和熱量交換表示風(fēng)化作用。

(2)計(jì)算域及網(wǎng)格。以整個(gè)渤海為計(jì)算域，采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，由30 700個(gè)節(jié)點(diǎn)和59 047個(gè)三角單元組成。海底管道附近海域進(jìn)行局部加密，空間步長在100 m以內(nèi)，海底管道泄漏位置附近的網(wǎng)格空間步長在20～50 m之間。

(3)參數(shù)確定。分析確定情景模擬參數(shù)如表1所示。

表1 典型污染事故情景模擬參數(shù)值

根據(jù)溢油種類，確定模型其他參數(shù)如表2所示。

表2 溢油模型參數(shù)

2.2 預(yù)測結(jié)果及評價(jià)

(1)主導(dǎo)風(fēng)向。海底輸油管道平臺端發(fā)生溢油事故時(shí)，夏季主導(dǎo)風(fēng)向SE條件下，油膜最快在4.0 h抵達(dá)東營利津底棲魚類生態(tài)國家級海洋特別保護(hù)區(qū)，抵達(dá)前殘余油量為72.6%；冬季主導(dǎo)風(fēng)向NW條件下，油膜最快在3.5 h抵達(dá)山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，抵達(dá)前殘余油量為74.1%；6.5 h抵達(dá)黃河故道東三角洲限制區(qū)，抵達(dá)前殘存油量為69.9%。

(2)不利風(fēng)向。海底輸油管道平臺端發(fā)生溢油事故時(shí)，不利風(fēng)向N條件下，油膜最快2.5 h抵達(dá)山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，抵達(dá)前殘余油量為80.4%；抵達(dá)其他保護(hù)目標(biāo)的情況如表3所示。不利風(fēng)向NE條件下，油膜最快2.0h抵達(dá)山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，抵達(dá)前殘余油量為82.5%；抵達(dá)其他敏感目標(biāo)的情況見表3。

表3 油膜抵達(dá)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)最短時(shí)間(h)/抵達(dá)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)前殘余油量(%)

3 風(fēng)險(xiǎn)防范措施

對于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)追根溯源，切實(shí)做好源頭與過程管控，同時(shí)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的末端治理，將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響降到最低[5]。

3.1 降低風(fēng)險(xiǎn)概率措施

由復(fù)勘檢測，對懸空部分進(jìn)行支撐，及時(shí)治理修復(fù)。設(shè)定安全作業(yè)區(qū)，發(fā)布航行通告、設(shè)置海圖標(biāo)記，建立區(qū)域立體化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行護(hù)衛(wèi)巡邏。

海底管道應(yīng)采取嚴(yán)格防腐措施，每年定期進(jìn)行清管作業(yè)，定期開展海管立管探摸檢測和腐蝕內(nèi)檢測。每3年進(jìn)行一次路

3.2 及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事故的措施

實(shí)時(shí)監(jiān)控海底管道溫度和壓力變化。值班人員進(jìn)行海底管道巡檢。環(huán)保船守護(hù)巡查，發(fā)現(xiàn)溢油迅速處理。安裝自動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)，盡快切斷溢油源。安裝管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)確定泄漏位置，快速封堵。

3.3 應(yīng)急響應(yīng)和生態(tài)修復(fù)

一旦發(fā)現(xiàn)溢油事故，盡快采取有效措施，控制溢油，在油膜抵達(dá)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)前2.0 h之內(nèi)開展應(yīng)急響應(yīng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控溢油情況，識別危害、預(yù)測動(dòng)向及評估可能影響區(qū)域。采用圍油欄對溢油進(jìn)行圍控、導(dǎo)流，回收泄漏油品，盡量減少對環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響。必要時(shí)在經(jīng)過評估后可噴灑消油劑。響應(yīng)結(jié)束后編制生態(tài)修復(fù)方案，采用物理、化學(xué)和微生物等方法修復(fù)受影響生態(tài)系統(tǒng)，并跟蹤和評估修復(fù)效果，至生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。

4 結(jié)論

在海洋石油開發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識別的基礎(chǔ)上，針對某油田海底輸油管道126 t原油溢油事故的油膜漂移軌跡進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明：油膜最快2.0 h抵達(dá)山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)；最快3.5 h抵達(dá)黃河故道北三角洲禁止區(qū)；最快4.0 h抵達(dá)山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)。鑒于油田周邊海域環(huán)境敏感，需盡量降低對環(huán)境保護(hù)目標(biāo)影響，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理，落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)防范措施，包括降低風(fēng)險(xiǎn)概率措施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事故措施，在油膜抵達(dá)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)前2.0 h內(nèi)做出應(yīng)急響應(yīng)，控制、回收溢油，響應(yīng)結(jié)束后開展生態(tài)修復(fù)。