，，

(1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對能源的需求已經(jīng)觸及到地球的每一寸肌膚，從海灣、開闊海域、深水區(qū)到陸地湖區(qū)、河岸區(qū)等等，但凡是有石油儲量的地方，都存在或計劃進(jìn)行石油勘探開發(fā)，而且如今隨著技術(shù)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)活動遠(yuǎn)遠(yuǎn)比早期活動復(fù)雜得多，對環(huán)境的影響也更加深遠(yuǎn)。然而在2010年中國渤海蓬萊19-3油田溢油事故發(fā)生以前，人們很少去思考溢油從非人工組件中泄漏出來的應(yīng)對措施，雖然在此之前也曾發(fā)生過類似事故。人們并不真正清楚當(dāng)溢油存在于水體中而非海面上時采用何種措施去定位、跟蹤、清除溢油，對溢油最終進(jìn)入地下水、含水層的過程也并不十分了解[1]，進(jìn)而導(dǎo)致其他環(huán)境問題的發(fā)生。

溢油發(fā)生的原因不盡相同，然而溢油應(yīng)急響應(yīng)的策略在原理上卻基本相同：監(jiān)視監(jiān)控、制定策略、調(diào)配資源以清除泄漏的溢油。

隨著事故的不斷發(fā)生，溢油發(fā)生的原因也超越了原來的理解范疇。不斷改變的觀點已經(jīng)迫使石油公司和溢油應(yīng)急響應(yīng)組織來重新審視目前所使用的應(yīng)急響應(yīng)策略，去尋求創(chuàng)新的技術(shù)和理念來應(yīng)對溢油的挑戰(zhàn)。

基于應(yīng)急響應(yīng)實踐經(jīng)驗及實驗室數(shù)據(jù)分析，本研究通過分析溢油的原因，提出新的應(yīng)急響應(yīng)策略，向溢油應(yīng)急響應(yīng)組織提出新的概念，即三維溢油應(yīng)急響應(yīng)。本研究將有助于石油公司面對新的挑戰(zhàn)，并引導(dǎo)其制定合適的環(huán)境政策，最終減小石油工業(yè)活動對人類、環(huán)境所產(chǎn)生的影響。

1 溢油的來源

2008年5月發(fā)生在英國北海的Tordis及2011年夏天發(fā)生在中國渤海的蓬萊19-3油田溢油事故，引起了大眾對溢油污染事件的極大關(guān)注。兩起事故發(fā)生的原因都不在于人工組件的問題，而是所謂的地質(zhì)性泄漏，是由于人為因素導(dǎo)致地質(zhì)斷層以及人工操作失誤，這正好可以認(rèn)為地層中的原油已經(jīng)進(jìn)入水體的三維空間中。

對于溢油二維應(yīng)急響應(yīng)的過度關(guān)注已經(jīng)影響到了整個溢油應(yīng)對歷史上響應(yīng)策略及設(shè)備的發(fā)展。石油企業(yè)和溢油應(yīng)急組織對于水面溢油已經(jīng)通過溢油回收技術(shù)或者吸附消散技術(shù)進(jìn)行處理，但是并未深入思考溢油對于水體及海底生態(tài)系統(tǒng)的破壞(見圖1)，這個問題已經(jīng)對其他行業(yè)組織產(chǎn)生影響并可能對后代產(chǎn)生不良影響。

圖1 地質(zhì)性溢油及三維應(yīng)急響應(yīng)示意

應(yīng)對地質(zhì)性溢油，最主要的挑戰(zhàn)是沒有有效的方法去封堵其泄漏源頭，遲緩的行動會導(dǎo)致溢油大量泄漏，進(jìn)入水體、漂浮到海面上造成水體及海面的大面積污染，這將花費巨大的資金去處理溢油，而收效卻可能甚微。再者，不推薦使用化學(xué)消油劑，因為化學(xué)消油劑使得溢油變成小油滴，難以回收并長期存在與水體中，對整個水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，這是不可接受的。

1.1 對含水層的影響

地層斷裂會導(dǎo)致地層中儲藏的石油及油水進(jìn)入含水層中，無論該地下水是否被石油公司利用或是被其他行業(yè)或普通人使用。盡管土壤結(jié)構(gòu)不均勻時，石油不能完全滲透到土壤中，而且運(yùn)移非常不規(guī)則，但輕質(zhì)油或輕組分可能通過某種土壤迅速運(yùn)移。在20世紀(jì)90年代中國西北地區(qū)的一些油區(qū)中確實發(fā)生過這種現(xiàn)象，在一些極端個例中曾有農(nóng)民的飲用水井中在一夜之間全是原油。

根據(jù)2013年MEP的一項對中國鄉(xiāng)村地下水及地表用水情況的調(diào)查，有798戶村民的飲用水曾經(jīng)被不明來源的石油污染[2]。

另一個例子發(fā)生在2007年，在中國北方一個以泉水著稱的城市近郊的一座山上，一條輸油管線發(fā)生泄漏，并導(dǎo)致管線周邊的飲用水水庫發(fā)生污染，見圖2。

圖2 地下水儲層與含水層之間的通道

在沒有儀器幫助的情況下，人類對汽油污染體積分?jǐn)?shù)的敏感度在0.05×10-6以上，而對于原油，人類的感知體積分?jǐn)?shù)范圍在0.2×10-6以上，所以并不是每個人都可以立即感知到有害水體。這就類似于當(dāng)你面對一大杯油污水，往其中滴入一小滴汽油，雖然感知不出汽油，但是你依然不會去喝，因為其對人體有害。

1.2 對水體的影響

在深水環(huán)境中，由于多種自然因素影響，如顆粒沉積、風(fēng)化等因素原油顆粒可能會沉降到水底，或懸浮于水體中。這對于二維的溢油應(yīng)急響應(yīng)，只能通過某種方式將油擴(kuò)散到海面才可以采取響應(yīng)措施，并將海面溢油處理完即表示響應(yīng)終止，或者根本就無法處理。但對于三維溢油應(yīng)急響應(yīng)，處置工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。當(dāng)溢油在留存與水體或海底中時，還會有很多挑戰(zhàn)。

1)當(dāng)溢油懸浮在水體中時，很難追蹤和定位。

2)沒有有效的圍控方法和設(shè)備去圍控溢油。

3)沒有有效的撇油器或其他設(shè)備去回收溢油。

4)黏度往往很高，難以用泵回收。

5)隨著深海海流高速漂移。

不論溢油是在含水層亦或水體中，目前的處置技術(shù)并不成熟，也沒有人可以知曉在經(jīng)歷一次災(zāi)難性的溢油事故后究竟有多少油殘留于水體中。

1.3 地質(zhì)斷層的敏感地質(zhì)條件

大多數(shù)的含水層在油層以下，而含氣層在油層以上，水庫是通過含水層進(jìn)行源源不斷的補(bǔ)給，為了確認(rèn)地質(zhì)條件是否會導(dǎo)致地層斷裂，應(yīng)該重點關(guān)注以下幾點。

①水庫庫區(qū)地層可能有大斷層、大尺度破裂縫隙；

②不同區(qū)域的壓力不同；

③有淺層氣存在；

④含水層與水庫之間的通道敏感脆弱。

水汽蒸發(fā)形成云層，并形成降水落入海洋或者陸地，降水落入地面，形成溪流最終還是匯入海洋。降水、地表水流，匯聚著新鮮淡水進(jìn)入湖泊和含水層,見圖3。

圖3 含水層來源示意

如果地下水來自于周邊地區(qū)，而這些地區(qū)受到石油污染，那么將進(jìn)一步導(dǎo)致含水層發(fā)生污染，其污染擴(kuò)散風(fēng)險就大大增加。

1.4 操作性失誤

未經(jīng)評估的注水和水力壓裂是地質(zhì)性溢油的兩個主要因素，而人類本身就是這一原因的罪魁禍?zhǔn)?。注水是目前保持油田產(chǎn)量的一個主要技術(shù)，然而，注入效率低可能導(dǎo)致過早突破，產(chǎn)生較差的注入剖面(通道、裂縫和漏區(qū))，從而通過加大注水壓力來實現(xiàn)，這就有可能導(dǎo)致局部地層壓力過高最終使地層破裂，發(fā)生地質(zhì)性溢油事故。

水力壓裂是開采巖石儲層中原油的另一種技術(shù)，是在充分了解壓裂與地下水資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過水力壓裂技術(shù)增加油或天然氣流進(jìn)入井筒，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

依據(jù)石油企業(yè)的觀點，水力壓裂不存在使飲用水發(fā)生溢油污染的風(fēng)險，因為壓裂是在深層的含水層下進(jìn)行的，并不會影響到含水層，然而這些含水層正是飲用水井中水的來源，在有些情況下水力壓裂正是飲用水污染的最大威脅。在開發(fā)淺層石油或淺層天然氣資源的地方，鉆井活動可以直接在抽取飲用水的含水層中進(jìn)行。

2 三維溢油應(yīng)急響應(yīng)措施

常規(guī)的溢油響應(yīng)或二維響應(yīng)僅僅是對表面溢油污染進(jìn)行判斷和處理，而三維溢油應(yīng)急響應(yīng)提出了新的要求，即需要用三維的視角來進(jìn)行預(yù)防和響應(yīng)。

2.1 預(yù)防

從地質(zhì)調(diào)查和實際資料中收集到信息，越詳細(xì)的資料越有利于進(jìn)行預(yù)防和反應(yīng)。在勘探生產(chǎn)活動中，及時進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和補(bǔ)充調(diào)查，將有效避免最壞情況的發(fā)生[5]。

除了關(guān)注鉆井設(shè)計、套管設(shè)計和儲層特征，利用單一減壓井或減壓井群來釋放地層壓力也是可以提前采取的措施。為了節(jié)約成本，已有的井可以在緊急情況下作為減壓井使用，因此，在早期設(shè)計階段就需要經(jīng)過詳細(xì)計劃以滿足該井后期可以作為減壓井來使用。

為了處理沉底油，需要三維模型來跟蹤它的行為和歸宿，以便于對其進(jìn)行定位。由中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司聯(lián)合國家海洋局第一海洋研究所開發(fā)的二維溢油漂移軌跡預(yù)測系統(tǒng)——中國近海海域溢油漂移預(yù)測與決策支持系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)利用表面流的數(shù)據(jù)庫來對海洋表面的溢油速度和方向進(jìn)行預(yù)測(見圖4)。這些數(shù)據(jù)庫的經(jīng)驗和知識，無論是實時的還是模擬的，都可被用于三維溢油數(shù)值模型開發(fā)。

圖4 深水三維溢油運(yùn)動軌跡

2.2 三維應(yīng)急響應(yīng)

一旦預(yù)防措施失敗，將啟動應(yīng)急響應(yīng)。收到應(yīng)急警報后三維應(yīng)急響應(yīng)的流程見圖5，不僅考慮到二維的水面應(yīng)急響應(yīng)，還需要考慮有合適的設(shè)備和設(shè)施來進(jìn)行三維應(yīng)對。

圖5 三維應(yīng)急響應(yīng)流程

不同性能的漁網(wǎng)狀深水吸油拖欄可以有效地進(jìn)行三維應(yīng)急響應(yīng)，在三維數(shù)值模型以及深水ROV的支持下，漁網(wǎng)狀吸油拖欄可以被固定在預(yù)期的范圍以對水下溢油進(jìn)行圍控，或者成網(wǎng)兜狀固定在溢油源上方以便隨流向擺動而達(dá)到圍控的目的[4-5]，見圖6。

圖6 用于覆蓋海床漏油及水體溢油的圍油欄示意

在中國渤海的蓬萊19-3的溢油應(yīng)急響應(yīng)過程中，中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司在溢油點海面上布放了閉環(huán)式的圍油欄，以便對海底蓋帽泄漏出的溢油進(jìn)行圍控,見圖7。

圖7 蓬萊19-3事故中所布放的閉環(huán)狀圍油欄

在三維溢油應(yīng)急響應(yīng)過程中禁止使用消油劑，因為消油劑中含有的有毒溶劑有很大的副作用[6-7]，并會長期存在與水體中，導(dǎo)致后期生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)成本較高。推薦溢油應(yīng)急組織使用工業(yè)凝膠劑，其毒性較小并可再回收利用[8],見圖8。

圖8 在托盤的幫助下使用漁網(wǎng)狀吸油拖欄回收凝油

3 結(jié)論

溢油的三維應(yīng)急響應(yīng)是一個長期且重要的發(fā)展方向，溢油應(yīng)急響應(yīng)從預(yù)防到源頭控制，再到二維應(yīng)急響應(yīng)，最后到三維應(yīng)急響應(yīng)，對于保護(hù)海洋環(huán)境、保護(hù)水資源具有重要的意義。三維應(yīng)急反應(yīng)將有助于石油公司和應(yīng)急響應(yīng)組織在環(huán)境應(yīng)對方面保持競爭性和先進(jìn)性。

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