黃　焱，宋夢然，關(guān)　湃

（1.天津大學(xué)　水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072；2.天津大學(xué)　建筑工程學(xué)院，天津　300072；3.中海石油有限公司天津分公司，天津　300452）

渤海冰期溢油特性變化規(guī)律研究

黃焱1，2，宋夢然1，2，關(guān)湃3

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；3.中海石油有限公司天津分公司，天津300452）

當(dāng)溢油事件發(fā)生在有冰覆蓋海域時(shí)，海面油膜的各項(xiàng)特性的變化規(guī)律將發(fā)生顯著變化。針對這一問題，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對渤海可能發(fā)生的冰期溢油事件進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)針對溢油在有冰覆蓋海面上的特性變化進(jìn)行了詳細(xì)觀測，并依據(jù)觀測數(shù)據(jù)對相關(guān)變化規(guī)律進(jìn)行了探討。試驗(yàn)中分別對輕質(zhì)原油和重質(zhì)原油試樣進(jìn)行了測試，并針對渤海常年遇冰條件進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)內(nèi)容包括：油膜厚度、油膜蒸發(fā)率以及乳化黏度在不同冰塊覆蓋率下隨時(shí)間的變化情況。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，溢油的各項(xiàng)風(fēng)化進(jìn)程均將受到海冰的影響。

溢油；海冰；試驗(yàn)研究

近年來，隨著全球海上石油開發(fā)、儲(chǔ)運(yùn)的日益增長，發(fā)生重大海上溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。2010年美國墨西哥灣漏油事件在國際上影響深遠(yuǎn)，時(shí)至今日，依然讓人歷歷在目。2011年渤海蓬萊19-3油田的持續(xù)性溢油事故（如圖1所示），對我國的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境都造成了不同程度的損害。目前，我國渤海海域已投入使用的采油平臺(tái)和已鋪設(shè)的海底油氣管道中，已有70%以上服役超過15 a，這就促使渤海海域發(fā)生重大海上溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)日益加劇。

目前，我國針對開放水域上的溢油應(yīng)急處置技術(shù)已開展了多層次的研究，尤其在溢油漂移軌跡預(yù)測、溢油圍控與回收技術(shù)上取得了一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破［1-4］。然而，當(dāng)海面上有冰覆蓋時(shí)，溢油的化學(xué)及物理特性將具有極大的改變，進(jìn)而致使目前針對開放水域研發(fā)的溢油應(yīng)急處置模式與技術(shù)均不再適用［5-9］。我國雖地處熱帶、亞熱帶和溫帶，但我國的渤海和黃海北部，因地理位置偏北，冬季受西伯利亞南下冷空氣的直接影響，每年都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，成為北半球海洋結(jié)冰的南邊界。一般情況下，海冰的形式主要有以下幾種：當(dāng)年平整冰、變形后的當(dāng)年冰（包括重疊冰和當(dāng)年冰脊）、多年浮冰塊及冰丘、冰河冰（包括冰島及冰島碎塊）。在我國渤海灣每年冰封期出現(xiàn)的冰主要以當(dāng)年冰和變形后的當(dāng)年冰為主，其中以當(dāng)年平整冰最為常見，如圖2所示。

圖1　渤海蓬萊19-3油田溢油事故現(xiàn)場

圖2　渤海當(dāng)年平整海冰

目前我國在冰區(qū)溢油應(yīng)急處置技術(shù)上的研究還近乎空白，嚴(yán)重缺乏針對冰區(qū)溢油這一物理進(jìn)程的基礎(chǔ)性研究作為支撐，已開發(fā)的溢油預(yù)測與控制回收技術(shù)均將在面對冰條件時(shí)發(fā)生失效。因此，如果2011年渤海蓬萊19-3油田的溢油事故發(fā)生在冬季海面有冰期間，則將造成更加嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失?；诖耍疚牟捎檬覂?nèi)試驗(yàn)的方法對渤?？赡馨l(fā)生的冰期溢油事件進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)針對溢油在有冰覆蓋海面上的特性變化進(jìn)行了詳細(xì)觀測，并依據(jù)觀測數(shù)據(jù)對相關(guān)變化規(guī)律進(jìn)行了探討。

1　冰區(qū)溢油特性變化機(jī)理分析

當(dāng)原油在海水表面形成泄漏時(shí)，將同時(shí)或逐步經(jīng)歷多個(gè)不同的風(fēng)化進(jìn)程，其中包括：擴(kuò)散、蒸發(fā)（揮發(fā)）、乳化、光學(xué)氧化、分解、漂移、溶解、沉積、再次成膜、焦油球成型以及生物降解。這些進(jìn)程將造成原油物理、化學(xué)性質(zhì)的顯著變化。

這些變化進(jìn)程的動(dòng)態(tài)特征在很大程度上取決于具體的海洋環(huán)境條件和氣象條件。一般來說，原油中較輕成分的蒸發(fā)（揮發(fā)）進(jìn)程具有十分顯著的重要性，在正常氣象條件下，原油發(fā)生泄漏的最初，將會(huì)有近50%的體積發(fā)生蒸發(fā)（揮發(fā)）。這一風(fēng)化進(jìn)程將致使原油中的水溶性組分比重大幅下降，進(jìn)而造成原油濃縮度的大幅下降。然而，當(dāng)溢油事件發(fā)生在有冰覆蓋的海域時(shí)，較低的環(huán)境溫度將會(huì)導(dǎo)致油膜的厚度增加，同時(shí)浮冰的存在也會(huì)降低原油的揮發(fā)率。國際上已進(jìn)行的實(shí)測經(jīng)驗(yàn)表明［5］，在靠近極地區(qū)域的巴倫支海海域，破碎冰覆蓋區(qū)域內(nèi)的海上溢油事件發(fā)生的最初一周內(nèi)，其揮發(fā)比例僅為25%～30%。這樣一來，溢油內(nèi)各項(xiàng)化學(xué)成分的比重將在低溫環(huán)境的影響下出現(xiàn)改變，即促使原油中的水溶性組分比重加大。在低溫環(huán)境的促進(jìn)下，這種包含大量水溶性化學(xué)成分的溢油將很快被壓入（凍結(jié)、封閉）海冰材料內(nèi)部。

冰是水的結(jié)晶體，在海冰形成的過程中，海水中的鹽分析出并開始轉(zhuǎn)移到下方，其中部分被截留在冰體內(nèi)部形成鹽水泡。因此當(dāng)海冰形成時(shí)，底層冰體具有一個(gè)鹽水層，而冰內(nèi)鹽水泡的濃度則隨著溫度的下降而上升，即為一種消耗鹽水體積來提高冰相態(tài)的效應(yīng)。隨著溫度的下降，天然海水中各種鹽類的最低溶解溫度開始出現(xiàn)，從而這些鹽分開始沉淀。當(dāng)包含大量水溶性化學(xué)成分的溢油被封閉在冰材料內(nèi)部時(shí)，相似的物理進(jìn)程同樣將會(huì)出現(xiàn)。此時(shí)，溢油將伴隨海水內(nèi)的鹽分以相同的路徑被封閉起來，進(jìn)而形成沉淀。當(dāng)冰在春天升溫融化，表面鹽層液化并優(yōu)先通過柱狀細(xì)胞間隙從冰中排出，形成自頂?shù)降椎柠}水通道。而此時(shí)，被封閉在冰體內(nèi)的油也通過在鹽水通道的移動(dòng)和部分冰體融化溢出到海水表面。

同時(shí)，不同的溢油模式將導(dǎo)致不同的油-冰相互作用進(jìn)程出現(xiàn)。當(dāng)溢油源自水下時(shí)，冰蓋將斷裂為眾多的小塊，在這種情況下，溢油將伴隨著諸多的小碎冰塊發(fā)生漂移。而當(dāng)溢油發(fā)生在水面時(shí)，溢油僅能致使冰蓋在較小的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生斷裂，此時(shí)溢油和碎冰混雜的水面被未斷裂的堅(jiān)實(shí)冰蓋包圍，這樣在水動(dòng)力效應(yīng)的影響下，溢油將隨時(shí)出現(xiàn)下潛至冰蓋下部的可能。由此可見，當(dāng)溢油發(fā)生在冰區(qū)時(shí)，其漂移方式及軌跡均將發(fā)生很大改變。

在開放海域環(huán)境下，風(fēng)和海流是控制溢油膜漂移進(jìn)程的重要因素。在風(fēng)的作用下，溢油膜通?？梢垣@取3%～10%的風(fēng)速形成漂移擴(kuò)散，這樣在泄漏發(fā)生的最初幾分鐘時(shí)間內(nèi)，溢油膜即可形成上百平方米的擴(kuò)散范圍。海流的作用是類似的，但作用形式體現(xiàn)為水下的壓力變化，進(jìn)而造成油膜迅速變薄，并向外擴(kuò)散。同樣，海上浮冰的漂移也是由風(fēng)和海流驅(qū)動(dòng)的，但由于海冰的表面粗糙度遠(yuǎn)高于溢油膜，因此在同等環(huán)境條件下，海冰的漂移速度是快于油膜的。這樣，冰油混合的模式就會(huì)隨著漂移的發(fā)生而愈加嚴(yán)重，進(jìn)而致使現(xiàn)有油膜擴(kuò)散方程中的各項(xiàng)力學(xué)平衡關(guān)系被完全打破。

2　冰區(qū)溢油特性變化與擴(kuò)散特征的室內(nèi)試驗(yàn)觀測

基于對上述特性變化的機(jī)理性認(rèn)識，在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)觀測。

2.1試驗(yàn)概述

實(shí)驗(yàn)室低溫空間面積達(dá)216.0 m2，用于容納冰池并進(jìn)行模型試驗(yàn)，冰池長20.0 m，寬5.0 m，深1.8 m。實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)主要設(shè)備包括壓縮機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)，并通過精心設(shè)計(jì)的均壓送風(fēng)頂棚對低溫冰池室內(nèi)的空氣降溫，可精確控制制冷量、溫降速度和室內(nèi)風(fēng)速，從而可使試驗(yàn)中的制冰溫度在-25℃～0℃的范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)控制。

試驗(yàn)中采用人工引晶的方式在低溫環(huán)境下制備凍結(jié)冰。當(dāng)水溫降至0℃同時(shí)氣溫降至-10℃時(shí)，采用噴霧引晶的方式促使冰排開始生長。采用此技術(shù)制備的冰排具有小且均勻的冰晶體尺寸 （直徑小于1 mm），并且具有與天然海冰完全一致的柱狀紋理結(jié)構(gòu)，如圖3所示。當(dāng)冰晶核在水面形成后，降低室溫至-22℃促使冰生長至目標(biāo)冰厚。

試驗(yàn)中共進(jìn)行了兩種原油試樣的測試，具體參數(shù)見表1。試驗(yàn)中針對渤海常年遇冰厚條件進(jìn)行了模擬，即冰厚8 cm。試驗(yàn)中的溫度環(huán)境采用渤海冬季平均氣溫-5℃。試驗(yàn)中冰塊的覆蓋率為10%～85%，共6種條件。為系統(tǒng)刻畫單純海面覆冰條件對溢油性質(zhì)的影響，因此試驗(yàn)中未對風(fēng)和流環(huán)境進(jìn)行模擬。

表1　試驗(yàn)原油試樣參數(shù)

在完成試驗(yàn)冰體的制備后，在水池內(nèi)圈定測試范圍，并在其中將冰蓋切割為0.5～1.0 m見方的冰塊，如圖4所示。隨后在測試區(qū)內(nèi)采用軟管注入原油，每次注入時(shí)間為1 min。測量油膜水面覆蓋范圍和厚度：試驗(yàn)的前10 min內(nèi)每隔2 min測量和計(jì)算一次油膜范圍和厚度變化，在10 min后，每隔5 min測量和計(jì)算一次油膜范圍和厚度變化。其中，對于油膜厚度的測量，采用在0.1 m×0.1 m的測試區(qū)內(nèi)取樣測量溢油體積，并根據(jù)取樣區(qū)域面積計(jì)算油膜厚度的方式實(shí)現(xiàn)。按照上述時(shí)間間隔，同樣取樣測量溢油體積，換算原油蒸發(fā)量，同時(shí)提取油樣進(jìn)行黏度測量。累計(jì)測量2 h，期間室內(nèi)氣溫保持-5℃。最后取冰樣測試其中油烴含量和分布。

圖3　試驗(yàn)中制備的凍結(jié)冰

圖4　測試范圍和冰塊切割

2.2觀測結(jié)果分析

試驗(yàn)觀測中首先發(fā)現(xiàn)，油膜的擴(kuò)散在冰塊的簇?fù)碇率艿揭种?，而相?yīng)的抑制水平是隨冰覆蓋率的不同發(fā)生變化的。以輕質(zhì)油試驗(yàn)為例，當(dāng)冰覆蓋率僅為10%時(shí)，油膜的擴(kuò)散在初期是發(fā)展迅速的，因而其表征參數(shù)油膜厚度也隨時(shí)間呈快速下降的趨勢，如圖5所示。但當(dāng)油膜開始遭遇漂浮在水面的冰塊后，其擴(kuò)散進(jìn)程開始受到抑制并發(fā)生停滯。同時(shí)，隨著油溫的下降，油膜的蒸發(fā)效應(yīng)也趨于停滯，其黏度也開始逐步上升，進(jìn)而造成在短時(shí)間內(nèi)油膜厚度還有上升的跡象。然而這種短時(shí)間內(nèi)的相對平衡狀態(tài)終將以油膜穿越冰塊覆蓋區(qū)的形式打破，此后，油膜又將進(jìn)入一種較為穩(wěn)定的擴(kuò)散狀態(tài)。

當(dāng)冰覆蓋率提升至85%時(shí)，油膜在擴(kuò)散的初期即遭遇冰塊的抑制作用，因此，其擴(kuò)散進(jìn)程始終是以一種緩慢且穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)展的，如圖6所示。同時(shí)，在冰的高覆蓋率影響下，油膜的擴(kuò)散將很快趨于一種平衡停滯的狀態(tài)（如圖6中顯示的5 000 s后的測試規(guī)律）。

其次，黏度對油膜擴(kuò)散速度具有主要影響，即黏度越高擴(kuò)散越緩慢，并且其受冰塊影響的程度也越高。將每組次試驗(yàn)中最終測算得到的油膜厚度進(jìn)行比較，可以得到最終油膜厚度隨冰覆蓋率變化的規(guī)律，如圖7所示?？梢钥吹?，隨著冰塊覆蓋率的增加，油膜組最終厚度呈上升的趨勢，這說明油膜的擴(kuò)散速度是隨冰塊覆蓋率的上升而下降的。試驗(yàn)中兩種原油的注入體積與初始注入?yún)^(qū)域面積是一樣的，因此可判斷其初始厚度是一樣的，由此，比較圖7中顯示的兩種油質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，重質(zhì)油的擴(kuò)散水平明顯低于輕質(zhì)油，顯然，黏度的差異是導(dǎo)致其差別的關(guān)鍵。同時(shí)還應(yīng)注意到，當(dāng)冰塊覆蓋率進(jìn)入較高水平時(shí)（大于40%），輕質(zhì)油擴(kuò)散狀態(tài)的變化較之重質(zhì)油是更為顯著的。

圖5　油膜厚度變化測算結(jié)果（輕質(zhì)油、冰覆蓋率10%）

圖6　油膜厚度變化測算結(jié)果（輕質(zhì)油、冰覆蓋率85%）

圖7　油膜最終厚度隨冰覆蓋率的變化

圖8　油膜蒸發(fā)率監(jiān)測結(jié)果（輕質(zhì)油）

圖9　油膜乳化黏度監(jiān)測結(jié)果（輕質(zhì)油）

圖10　油膜包裹冰塊并進(jìn)一步滲入

另一方面，油膜的蒸發(fā)水平也受到冰覆蓋率重要影響。同樣以輕質(zhì)油試驗(yàn)為例，圖8顯示了3種冰覆蓋率下原油的蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化。觀察測試結(jié)果可以看到，油膜的蒸發(fā)水平受到冰覆蓋率重要影響，冰覆蓋率越大，蒸發(fā)水平受到越顯著的抑制，相應(yīng)的其黏度也開始逐步上升。而同時(shí)，油膜乳化黏度的變化又呈現(xiàn)出近乎相反的規(guī)律，如圖9所示。由此可見，在不同的冰覆蓋率下，油膜的蒸發(fā)與乳化進(jìn)程均受到不同程度的抑制，而油膜的擴(kuò)散又受到蒸發(fā)與乳化進(jìn)程相反規(guī)律的控制。

每組試驗(yàn)測試中，在對上述參數(shù)完成監(jiān)測后，又對冰塊試樣進(jìn)行了化學(xué)性質(zhì)測試。測試結(jié)果表明，油烴在沿冰厚方向上均有滲入，而重質(zhì)油相對輕質(zhì)油則具有更大的滲冰性。如圖10所示，油膜的擴(kuò)散受到浮冰的阻礙后，開始形成對冰塊的包裹并向水下發(fā)展，進(jìn)而由水下形成向冰體內(nèi)部的滲入。

3　結(jié)論與討論

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對渤海可能發(fā)生的冰期溢油事件進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)針對溢油在有冰覆蓋海面上的特性變化進(jìn)行了詳細(xì)觀測，并依據(jù)觀測數(shù)據(jù)獲得以下規(guī)律性結(jié)論：

（1）隨著冰塊覆蓋率的增加，油膜的擴(kuò)散速度呈下降的趨勢，當(dāng)冰塊聚集度在40%以上時(shí)，油膜厚度的縮減速率顯著降低。

（2）黏度對油膜擴(kuò)散速度有主要影響，即黏度越高擴(kuò)散越緩慢，并且其受冰塊影響的程度也越高。

（3）在不同的冰覆蓋率下，油膜的蒸發(fā)與乳化進(jìn)程均受到不同程度的抑制，而油膜的擴(kuò)散又受到蒸發(fā)與乳化進(jìn)程相反規(guī)律的控制。

（4）冰塊試樣測試表明，油烴在沿冰厚方向上均有滲入，因此其隨海冰漂移并向水下泄漏的可能性很高。

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Study on the Varying Regularity of Oil Spill Properties During the Ice Period of the Bohai Sea

HUANG Yan1，2，SONG Meng-Ran1，2，GUAN Pai3
1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
3.CNOOC Ltd.-Tianjin，Tianjin 300452，China

When oil spills occur in ice-covered sea areas，the varying regularity of the properties of surface oil film will have significant changes.To tackle this problem，experiments were performed to simulate possible oil spilling events in the ice-covered period of the Bohai Sea.The variations of oil spill properties were carefully observed and measured，and discussions were carried out on the relative varying regularity based on the observing data.Light and heavy crude oil samples were respectively tested in the experiments，with simulation targeted for the usual ice condition in the Bohai Sea.The experiments include measuring the oil spill thickness，evaporative loss rate and the emulsion viscosity that changes with time under different ice coverage.The testing results indicate that the weathering processes of oil spills are influenced by the presence of sea ice.

oil spill；sea ice；experimental study

X55

A

1003-2029（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.001

2016-02-25

天津市海洋局19-3專項(xiàng)資助項(xiàng)目（19-3BC2014-06），國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51021004）

黃焱（1978-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ汰h(huán)境。E-mail：hjacyky@tju.edu.cn