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海洋技術 水下溢油應急技術研究進展

隨著油氣田的勘探開發,我國麵臨水下溢油風險的風險越來越大,水下溢油應急過程中預測探測和處置等技術也更具挑戰性。借鑒墨西哥灣“深水地平線”溢油事故的經驗教訓,儲備深水溢油應急技術既滿足於國家深海油氣勘探開發需求,也對海洋環境保護具有深遠意義。本文對國內外水下溢油應急處置過程中的監測預測以及回收處置技術進行歸納總結,了解水下溢油應急技術和研究現狀,為後期水下溢油應急相關研究奠定基礎。

海洋技術

一、水下溢油預測技術

⒈水下溢油物理化學過程

在建立水下溢油模型過程中,油氣溶解、油氣分離、油的乳化、油與沉積物的作用和油的懸浮是需要考慮的物理化學過程,影響溢油模型的準確性。Johansen建立的深水油氣泄漏多相積分羽流模型考慮了氣體的溶解過程,經過實驗數據的驗證,但模型忽略了水合物的形成和分解的反應速率。在橫流作用下溢油羽流軌跡會發生傾斜,氣體分離過程是至關重要的,ChenYapa利用Lagrange控製體,模擬了氣體從羽流中脫離的過程。氣體的分離可以降低羽流的平均浮力水平,其最終結果是使羽流混合向遠場湍流混合的轉化位置發生明顯變化,從而導致水下油滴和海麵油膜軌跡的巨大變化。

Xie對油的乳化作用進行了詳細研究,將擾動能量最小化作為是否有乳化過程發生的標準判斷,對海上溢油發生後乳化過程的水分吸收和粘度變化進行了模擬。DasanayakaYapa利用CDOG模型考察了多個因素對油汙的輸運和歸宿的影響,包括羽流動力階段的作用、羽流轉化點的選擇和氣態物質的分離,認為羽流動力過程對溢油的上升時間和到達海麵的位置都有顯著影響。Bandara等考察了在富含懸浮物的水體中油和沉積物間的相互作用是影響較大,同時油滴和沉積物相互碰撞可以形成聚合體,65%的油會參與聚合體的形成,而當油滴和沉積物尺寸較小時(直徑小於0.1mm),會形成更多的聚合體。

Socolofsky等結合“深水地平線”溢油事故的觀測數據和一些實驗室數據對懸浮油的形成機製進行了研究,海水的非線性層化結構是懸浮油形成的一個重要原因。BandaraYapa對溢油噴射過程中油滴/氣泡的粒徑分布進行了深入研究。

Yapa等利用CDOG模型進行了相關的模擬研究,在浮力羽流階段油滴的大小對羽流行為的影響不大,但在浮力羽流結束後油滴的行為對油滴尺寸非常敏感,這使不同尺寸的油滴浮出海麵的時間和地點都不盡相同。

⒉水下溢油模型

水下溢油模型也是由淺水模型開始的,Winiarski和Frick首次提出用Lagrange 方法模擬羽流。LeeCheung在提出的JETLAG模型中也使用了Lagrange方法,也考慮了強迫卷吸過程。YapaZheng所建的模型將羽流看作各成分間互不轉化的混合流體(油滴和氣泡),並指出氣泡的上升速度大於羽流速度,但忽略了氣泡溢出速度對羽流的影響,沒考慮氣體的溶解過程和水體流動對油/氣羽流中氣體的分離作用,同時,Zheng Yapa (1998) 將該模型與實驗數據進行了對比驗證。

Barbosa等將水合物的形成過程加入到羽流模型中,對深水井噴過程進行模擬,但都沒有與實驗數據做過對比,無法證明模型的有效性。Spaulding等提出了模擬水合物形成的深水模型。Zheng等在已建立三維模型的基礎上,開發了一個深水油/氣井噴模型(CDOG),考慮了在深水環境中高壓低溫條件下氣體的相變因素。ChenYapaCDOG的模擬結果與在挪威海的實地觀測數據進行對比,二者具有很好的一致性。近年來,國內部分學者開始對水下溢油模型和行為機理進行了研究。

二、水下溢油探測技術

水下溢油探測技術較海麵溢油監測更加困難,而能見度低等環境條件大大增加了溢油探測的難度。鑒於水下溢油對環境的危害性,國外已在水下溢油探測方麵開展了十幾年的相關工作。本文主要對聲呐探測技術、激光熒光雷達和熒光偏振等進行介紹。

⒈聲呐探測技術

聲呐探測技術基於水體、沉積物、含油沉積物等密度和聲速差異性,其產生的散射信號不同,通過信號分析或聲呐圖像識別等手段判定溢油分布區域,是實現水下油汙快速探測的手段。油斑對聲學信號的吸收率遠高於砂質底質,所以油斑散射輕度要低於砂質底質,因此利用聲呐設備得到的散射強度圖像可以顯示油斑分布範圍。

美國海岸警衛隊研發中心對沉底油的檢測和回收進行了研究,評估並開發了沉底油監測係統,並在Ohmsett水池進行了測試。研究認為,頻率240460kHz的多波束聲呐探測到的油斑和砂質底麵的反射強度值的差值在1015dB,而頻率100kHz的多波束聲呐探測到的油斑和砂質底麵的反射強度值差值小於等於5dB。側掃聲呐在垂向角為30°到80°時,探測到的油斑和砂質底麵的反射強度值的差值較高,為15dB左右。

聲呐探測可在低能見度情況下使用,監測範圍大,但圖像解譯時間長,且沒有快速識別海底油斑的軟件,易受到生物作用的幹擾,如植被(尤其是藻類)和動物等。在實際作業過程中,可先用側掃聲呐快速的探測大麵積的油汙,再用多波束聲呐或者前視聲呐來精確確定油汙的具體位置。

⒉激光熒光雷達

激光熒光雷達是一種主動傳感器,其原理是石油中特定化合物吸收紫外光後變成激發狀態,發射熒光。原油主要由飽和芬香烴碳水化合物、酯類和瀝青質組成,多環芳烴(PAHs)是由包含強不飽和鏈的稠環組成的化合物。因為PAHs 的結構在光的作用下發出熒光,通過發射熒光,油基化合物吸收的光能返回到周圍環境,使分子回歸原始基態。大量研究表明高能量的紫外光,波長200400nm是最有效的激發源,可以產生最強的熒光發射。多環芳烴化合物在紫外光的作用下可以發生明顯的熒光現象,發射的波長位於可見光波段400600nm(紫色至橘色)。同樣,烷烴分子也會在紫外光的作用下發出熒光,但是其發出的光波長不在可見光範圍內(320400nm),識別油不可行。

⒊熒光偏振

美國EIC實驗室開發的水下激光遙感傳感器(Oscar),搭載到各種平台上,探測海床及水體中的油汙。在美國海岸隊的支持下,Oscar的性能在國家溢油應急實施測試監測重油中得到驗證。熒光方法可通過光纖探針遙測,對多環芳烴的存在非常敏感,易於實現設備小型化。熒光偏振通過增加偏振信息,提高了熒光技術對油的反應,對於粘度大的重油來說,受偏振光激發時會出現明顯的熒光偏振。但除了受自然存在的熒光物質幹擾外,環境光或反射光也會影響效果。

三、水下溢油處置技術

2010年4月的“深水地平線”溢油事故深刻地展示了水下油汙處置回收的巨大困難,如何快速解決水下的油汙處置是國際石油生產企業、政府和民眾廣泛關注的問題。目前主要的處置技術包括水下溢油源封堵、救援井及消油劑水下使用技術。

⒈水下溢油源封堵

水下溢油源封堵主要通過防噴器或者加注較重的鑽井液對泄漏點進行封堵,但在沒有安裝防噴器或防噴器失效的情形下發生的海底溢油,其溢油源的封堵主要依靠蓋帽技術。2011年8 個國際油氣公司聯合資源開發由Oceaneering公司負責製造了深海井口幹預係統SWIS設備,包括4個蓋帽用以關閉失控的海底油井和2個硬件工具包用來清除碎屑同時在井口噴灑消油劑,可以應對全球水深至3000m的海底溢油事故,目前存放於挪威、巴西、南非和新加坡等四個地方,隨時準備海運或空運至溢油事發地點。

⒉救援井法

救援井法是通過在事故井附近打減壓井,實現與事故油井在底部的連通,在遠低於事故油井噴口的位置對泄漏原油進行攔截和分流,降低井內壓力,以實現通過注入鑽井液和水泥的手段封堵溢油源。2010年墨西哥灣溢油事故在2010715日使用蓋帽技術成功封堵溢油源之後,鑽成2口救援井才徹底清除了事故根源。

⒊消油劑水下使用技術

在2010年“深水地平線”溢油事故中,為了避免泄漏原油大麵積到達海麵,對敏感岸線棲息地和海灘造成影響,首次采用了消油劑水下噴灑的方式,在破損管道口、防噴器和蓋帽裝置的消油劑噴灑環處進行水下消油劑的噴灑作業。通過在深水作業船上利用卷繞裝置將連續油管布放至水下溢油源附近,采用壓力泵實現消油劑在連續油管中向下輸運,最後在水下機器人輔助下在溢油口處開展消油劑的水下噴灑作業。Paris等通過應用水動力和隨機浮力粒子追蹤耦合模型對水體中石油烴組分行為和歸宿進行了模擬,並模擬了入侵深度開始的油的遠場輸送過程。同時中國海油已經完成了消油劑水下應用技術的研究,對消油劑水下應急效果進行了評估,消油劑水下噴灑設備目前正研製過程中。

四、結語

我國南海深水海域特殊的環境條件給深水油氣開發帶來更多的挑戰,並且勘探開發技術和工程裝備尚不完善,應急處置能力薄弱,尤其是我國在水下溢油探測預測以及處置等方麵的技術儲備不足。因此,富二代f2抖音app黄片在哪下载_富二代f2抖音app就是这么嗨_富二代f2抖音app苹果_富二代f3抖音app茄子應該借鑒國內外經驗教訓,加強深水溢油應急技術攻關,通過本文對國內外水下溢油監測預測和處置技術進行歸納總結,為應急處置和技術研發奠定基礎。