滩浅海油田油气生产安全环保风险及管控措施
时间：2023-02-17 17:55:07 来源：千叶帆 本文已影响人
李慧源 王成良 张永娟 许家赫 郑 辉 张恩铭 罗宇鹏 赵金亮
(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；
2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院；
3.中国石油冀东油田分公司；
4.中国石油长城钻探工程有限公司)
我国滩浅海油田的勘探开发主要集中在环渤海海湾水深不足10 m的滩涂-极浅海海域。滩浅海油田的油气开采模式一般有两种：一种为人工岛海油陆采模式，即修建人工岛，利用陆上钻井、采油设备开采油气；
另一种为海上平台开采模式，即通过海上平台完成钻井、开采等工作，通过海底管道将产出的油气水混输至陆上终端。由于海洋环境复杂多变、油气生产的危险性，无论采用哪种油气开发方式，滩浅海油田一旦发生事故，往往很难及时开展有效的应急救援，威胁勘探开发作业平稳运行和员工生命安全。为此，结合海洋油气生产特点、安全生产事故、海洋条件等总结了环渤海海湾滩浅海油田的安全环保风险，并结合滩浅海油田生产、技术和管理现状提出了风险管控措施。
我国渤海湾滩涂-极浅海区域油气资源的开发者主要是辽河油田金海采油厂、冀东油田南堡油田作业区、大港油田第四采油厂(滩海开发公司)以及胜利油田海洋采油厂。2020年，4家涉海油田海上区块原油产量550×104t，天然气产量10×108Nm3。下面分述4家涉海油田海上区块的生产现状。
1.1 辽河油田海上区块
辽河油田海上区块位于渤海北部的辽东湾。自营部分主要包括陆滩和海上油田，生产设施主要包括砂石平台9座，海上平台4座。合作部分生产设施主要包括人工岛4座、海上平台2座、陆岸终端1个、海底管道6条及电缆等。
1.2 冀东油田海上区块
冀东油田海上区块位于渤海湾北部沿海，其海上开发生产集中在渤海湾盆地黄骅坳陷北部的南堡凹陷。南堡油田作业区海上生产设施主要包括人工岛5座、南堡联合站陆岸终端、海底管线6条及海底电缆5条。
1.3 大港油田海上区块
大港油田海上区块位于渤海湾西部沿海，沿海岸线从南到北分别是埕海、滨海和新港3个区块。目前，只有埕海油田投入开发，包括自营部分和合作部分。第四采油厂海上生产设施主要包括人工岛3座、埕海联合站等。对于合作部分，赵东油田包括海上平台6座、海底管道4条(包括油气水及混输管道)及海底管缆5条。
1.4 胜利油田海上区块
胜利油田海上区块位于渤海湾南部沿海，包括埕岛、新北、桥东等极浅海油田。滩浅海油田海域沿岸水浅(水深2～15 m)、潮间带跨度大，滩面宽度约为2～10 km。海洋采油厂海上生产设施主要包括各类海上平台130余座、各类海底管线133条、海底电缆100条、陆地联合站3座、油气转接站2座、石油专用码头1座。
2021年上半年，由恶劣的海洋环境引发了多起海上油田生产安全事故。本文总结了渤海海域海洋条件，其内容来源于国家海洋信息中心公开数据(如2020年《中国海洋灾害公报》)及已发表文章[1]。
2.1 风暴潮
风暴潮是指强烈大气扰动所引起海面异常升高的现象，一般由台风或温带气旋引起。对于渤海海洋环境而言，风暴潮的危害最大。从时间分布来看，8月渤海区域风暴潮发生最频繁、造成经济损失最严重；
从空间分布来看，辽东湾、渤海湾发生概率高，基本包含了环渤海滩浅海油田的海上区域。
风暴潮发生时，相关海域水位暴涨，淹没摧毁海上平台/人工岛上的生产和生活设施，同时损坏港口、人工岛的沿海护岸和海堤。如2020年“201119”温带风暴潮导致渤海主要港口最高潮位达812 cm、最大风暴增水达139 cm。2020年，渤海湾分别在8月、11月发生两次风暴潮，未导致人员死亡，也未对滩浅海油田带来安全事故。鉴于风暴潮的巨大破坏力，防风暴潮是涉海油田夏季重点工作之一。
2.2 海 冰
环渤海海域冬季温度低、海水盐度低，海面结冰是典型现象。每年的12月至次年2月底是渤海冰情时期，辽东湾冰情比渤海湾更严重。2020年，辽东湾冰情比渤海湾长35 d，最大分布面积为9 165 km2，浮冰离岸最大距离为45 n mile，最大冰厚为30 cm；
而渤海湾最大冰厚仅为10 cm，且基本无冰。
海冰影响海上油田正常的油气勘探、工程施工等作业，威胁海工结构和设备设施的完整性。融冰期时，大量浮冰被潮汐输送至人工岛周围及进海路沿岸，特别是海冰撞击可导致油气管道泄漏；
冰情封锁海湾和航道，无抗冰能力的船舶无法航行，影响海上油田正常的交接班、物资配送。
2.3 风 浪
风力过高，影响海上平台或人工岛的稳定性及设备设施的完整性。渤海湾滩浅海油田海上平台一般是自升式平台，为减少风力作用引起桩基不稳定的情况，在设计、安装时对平台处海床的地质情况进行了评估。
此外，风力作用可引发海浪，但其波形杂乱，波高、周期、传播方向不定。近岸浪对人工岛或海上平台产生直接的、不间歇的冲击力。潮流潮涌等影响海底土层的基本物性、降低其强度，其冲刷作用可掏空人工岛岛体，同时也会引起人工岛岛体和海上平台周围海岸地形地貌变迁，降低岛体桩基稳定性。人工岛岛体局部掏空现象见图1。
图1 人工岛岛体局部掏空现象
近年来，灾害性海浪发生次数稳定，其主要摧毁船只，此外，波浪、潮流等对人工岛和海上平台稳定性潜移默化的影响不可忽视。
由于受到复杂多变海洋环境的影响，海上平台结构和设备设施极易腐蚀、破损，容易导致平台倾覆及溢油等事故，此类事故应急救援难度高；
在勘探开发过程中，一旦发生井喷失控，极有可能引发火灾爆炸等安全事故、溢油等环境事故，此时需要通过打救援井等方式进行补救，投入高、难度大，社会影响大。
2021年上半年，国内外海洋石油工业事故频发，由于雷暴和暴雨等极端天气、钻完井和海上施工作业不规范等原因导致平台火灾爆炸、倾覆沉没等多种事故发生。总结了海洋石油的安全环境事故和风险，结合目前海上油田生产、技术和管理现状，提出了进一步加强滩浅海油田安全环保风险管控的措施。
3.1 人工岛岛体失效风险
石油人工岛是以砂、石、混凝土等为主要材料建成的离岸岛体构筑物，是滩浅海油田油气勘探和生产设备设施以及生活设施的主要承载者之一。
波浪、潮汐(流)等不断作用可能导致岛体周围地质条件变化、海层结构强度降低，导致人工岛地基和防浪墙等重要构筑物沉降、围埝地基和靠泊体等水平位移、护面块体损失等情况，影响人工岛桩基稳定性[2-3]。按照SY/T 7444—2019《滩海人工岛工程监测技术规范》要求，人工岛在运行期应定期开展巡视检查、沉降监测、水平位移监测、护面和护底监测、水域冲淤监测。但是，目前石油人工岛自建成起，缺乏对其周围地质情况、泥沙冲淤情况的定期检测。因此，建议按规范SY/T 7444—2019表3滩海人工岛工程运行期监测项目及表4运行期监测频次的要求，加强人工岛周围地质情况、地形地貌等的监测，掌握人工岛周围底质分布特征、泥沙运移规律等，减小岛体结构失效的风险，确保岛体本质安全。
此外，在高湿度、高盐度等海洋环境以及风暴潮、海冰等极端天气的影响下，人工岛岛体会出现腐蚀(钢筋混凝土腐蚀)、岛体掏空、海堤溃堤、进海路破坏等岛体失效的风险。目前，环渤海石油人工岛存在人工岛岛体局部掏空(见图1)、护面块体不规则摆放(见图2)等现象。因此，建议海上油田驻岛人员加强对人工岛围堤、防浪墙、护面、护底、进海路等结构的巡查巡视，及时整改岛体结构损坏、掏空等问题，确保岛体结构完好和功能完整。
图2 涌浪、海冰等导致人工岛护面块体不规则摆放现象
3.2 海上平台失效风险
滩浅海油田另一主要生产设施是海上平台。由于水深较浅(<15 m)，滩浅海油田基本使用自升式海上平台完成勘探与钻井施工。海上平台主要有两大类风险：倾覆沉没[4]和钢结构腐蚀。
对于平台倾覆沉没，地质条件、恶劣气象等是重要影响因素。2010年，莱州湾某油田作业平台在大风的作用下发生倾斜、倾覆、沉没事故。经过调查，除了风力大的原因之外，海上平台建造之初未采取措施增强钢桩稳定性是造成该事故的主要原因之一。此后，海上平台设计、建造时，需考虑该海域的地质情况，同时采取桩靴等措施增加海上平台的桩基稳定性。此外，施工作业不规范等人为因素也可能导致平台倾覆。2021年7月25日，广东海域海上某施工平台发生倾斜，造成4人落水失踪，事故发生时未报道台风等极端天气，可以推测该事故是施工作业不规范等因素导致。火灾爆炸等事故也会导致平台倾覆。1988年英国北海阿尔法平台事故就是因为作业管理不规范引发一系列火灾爆炸事故，导致平台毁坏沉没[5-6]。最后，钻完井过程中的井喷失控和火灾爆炸也是重要影响因素。2021年4月5日发生的某公司平台钻井发生井喷失控和着火事故，导致平台沉没。因此，海上油田必须做好海上平台桩基稳定性测试、平台沉降监测及潮流潮涌检测，做好恶劣和复杂气象下平台倾斜应急预案；
同时，按照《海上固定平台安全规则》等相关要求规范海上作业，避免因作业管理不规范等原因导致平台发生各类安全生产事故。
针对钢结构腐蚀，由于海上空气湿度和含盐量高、潮流和微生物的作用等，平台的钢桩和钢结构容易发生腐蚀。栈桥钢结构节点处锈蚀现象见图3。海上油田须利用防护涂层、牺牲阳极等方法做好平台等设备设施的防腐工作，保证海工结构完整性。
图3 栈桥钢结构节点处锈蚀现象
3.3 平台上设备设施失效风险
滩浅海油田油气勘探和开发均在海上完成，工艺流程复杂、设备设施种类多，主要包括钻井系统、钻井液回注系统、油气工艺系统、油气储存和外输系统及相关设备。钻完井、油气生产和储运的各个环节存在设备设施失效及溢油火灾爆炸等事故的风险。
在钻完井过程中极易发生井涌井喷甚至井喷失控，2010年4月20日墨西哥湾深水地平线钻井平台发生井喷着火[7]，2021年4月5日某油田发生井喷事故，原因是钻井过程中浅层气溢出导致，这两起井喷事故均导致平台倾覆沉没。2019年，位于渤海湾的赵东油田某井在完钻倒划眼过程中发生井眼碰撞，导致井涌，进而发生小规模溢油事故。井控一直是钻完井过程中重点关注的内容，随着钻井深度加深，地质结构和井筒结构更加复杂，此过程中需合理设计井身结构、选择合适密度的钻井液，严控钻完井过程中的井控风险。
海上油田油气井完整性管理还需加强，这是目前滩浅海油田管理薄弱之处，如人工岛/海上平台存在中控室无法控制井下安全阀、未每半年开展一次试验井下安全阀、井筒套损套变等现象。海上油田的油气井完整性管理应比陆上油田更加严格，在执行陆上油田井控管理要求的基础上，还需严格执行从设计、施工、生产、井下作业直至弃井过程中全生命周期的油气井完整性管理流程。
除此之外，受渤海湾空气湿度和海水盐度高、冬季气温低、海洋恶劣气象等因素的影响，人工岛/平台上钻机、抽油机、分离器、储罐、阀门等设备设施有腐蚀、破损等风险。海上油田阀门和管线外侧防腐保温层破损见图4。海上油田需加强设备设施完整性管理，针对易发生泄漏的储罐、阀门等设备按照相关规范要求定期开展专项评估和检验检定，确保设备设施的本质安全。
图4 阀门和管线防腐保温层破损
3.4 海底管道失效风险
海底管道是海上油气产物输送至陆岸终端的主要方式，有破损失效风险，并且可能导致溢油事故。首先，极端海洋环境影响海底管道完整性。例如，2021年7月2日，在雷暴和暴雨等天气影响下，墨西哥国家石油公司某钻井平台水下管道破坏，发生气体泄漏及火灾事故，起因可能是雷暴天气下波浪的巨大剪切作用引起海底管道失效。其次，管道老化、检修不及时等容易导致管道破损溢油。如2021年10月2日，美国加利福尼亚州奥兰治县附近一段名为“圣佩德罗湾”的输油管道(与5 km外“Elly”钻井平台相连)溢油约3 000桶(476.9 m3)，该管道已有41 年的历史，缺乏定期保养和更换，此次溢油事件可能是管道老化导致。这暴露出超期服役管道本体质量评估以及完整性管理的薄弱环节。此外，海上油田也有大量因第三方破坏引发海底管道泄漏的案例，人工岛、海上平台周围海底管道的路由设立标识，可最大程度地避免渔船等第三方的破坏。
由于输送介质含水以及硫等酸性物质，海底管道内壁可能出现腐蚀、穿孔等情况；
在外力作用下，管道也可能出现变形、损伤、裂纹等情况。同时，海底波浪、潮汐等可能将海底管道冲出原来路由，导致管道位置、走向发生变化，伴有浅埋、裸露、悬空等问题。根据Q/SY 18002—2016《滩浅海海底管道检测技术规范》要求，管道应定期开展本体质量评估：新建管道运行3年内应进行一次内检测，之后内检测的周期根据评价结果确定，最长不宜超过5 年；
运行期前两年每年进行一次在位状态检测，之后根据检测评估结果确定检测周期，当出现管道裸露、悬空等异常情况时，应及时治理并增加检测频次。常见的治理方法包括抛填砂袋、水下短柱支撑、加设鱼鳍式导流板、仿生水草等。管道内外部检测有助于海上油田明确海底管道的本体质量、在位状态、外防腐情况，海底管道冲刷防护技术能保证管道完整性。
此外，滩浅海油田海图水深较浅，落潮时普通船舶无法行驶；
潮间带表层为较厚的淤泥，地基较软，尤其在冬季冰情条件下，陆上应急抢险装备无法进入；
同时，缺乏快速、适用的滩浅海油田的应急抢险及管道封堵的技术装备。一旦滩浅海油田海底管道发生泄漏，很有可能导致溢油事故。目前，适用于软土地基和冰情条件下的应急抢险技术和装备缺乏，从而限制了滩浅海油田的应急响应。
3.5 恶劣气象带来的风险
海洋环境瞬息万变，恶劣气象对海上油田安全生产影响深远，也带来了很多事故。如2021年4月13日，一座位于路易斯安那州的小型自升式多功能钻井服务平台遭遇台风后倾覆，事故造成1人死亡、12人失踪。
风暴潮和海冰是渤海湾沿岸的典型恶劣气象，威胁人工岛、海上平台、设备设施、海底管道等的完整性，是海上油田安全风险防范的重点。但目前，针对风暴潮，各油田还未建立完善的风险预警机制。各油田还需在气象部门的指导和协助下，进行海洋气象监测，提高预警的准确度和能力；
针对海冰，各油田缺乏必要的破冰装备以及冰情条件下的应急技术和装备。各涉海油田应加强海洋恶劣气象的监测，加强应急演练，确保恶劣气象下应急撤离的有序性，同时加强冰情等情况下的应急处置和救援能力。
滩浅海油田是海洋石油工业的重要组成部分。我国滩浅海油田主要集中在环渤海区域，渤海的风暴潮、海冰、风浪等极端气象频发，威胁人工岛/平台、设备设施的完整性，对海上油气安全生产影响深远。文章提出人工岛、海上平台、设备设施、海底管道等主体设施存在的风险以及恶劣气象带来的风险，主要有：风浪、地质条件改变引起的人工岛局部掏空等失效风险；
恶劣气象、作业施工不规范、井喷失控等引发平台沉没倾覆风险，以及人工岛和海上平台钢结构腐蚀的风险；
钻完井、生产和储运过程中，人工岛和海上平台上设备设施面临损伤、失效风险，易引发倾覆性风险；
人工岛和海上平台海底管道已运行多年，存在腐蚀和裂纹等内部损伤、裸露和悬空等外部质量因素引发的失效风险；
风暴潮、海冰等极端天气引起事故发生的风险。根据对海上油田安全环保风险的分析，提出了相关的风险防控重点和治理方向。
