移動式鉆井平臺零排放技術淺析

楊 志，李 春，陳國軍，張居貴

（1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，河北三河 065201；2.中海油田服務股份有限公司一體化和新能源事業部，廣東湛江 524057）

2016年4月，原國家海洋局在《海洋生態紅線劃定技術指南》提出，生態紅線是指依法在重要海洋生態功能區、海洋生態敏感區和海洋生態脆弱區等區域劃定的邊界線以及管理指標控制線，是海洋生態安全的底線[1]。國家主管部門首次提出“海洋生態紅線區”概念并提出劃定任務，環渤海三省一市已分別制定了海洋生態紅線劃定報告，一切海洋工程作業均應符合政府部門的紅線規定。

中國海洋石油集團有限公司在海洋生態紅線區限制開發海域有進行勘探、開發等作業的需要，按照政府部門要求，在此區域作業的平臺，除設備冷卻水以外所有的污染物均不能排入大海[2]，導致當前部分鉆井平臺作業區域受限嚴重，無法進入相關海洋生態紅線區進行作業，因此需要對移動式鉆井平臺進行改造，禁止鉆井平臺向大海排放鉆井液、污油、生活污水、生產污水和雨水等液體，以及任何形式的固體廢棄物，實現鉆井平臺零排放，本文提出了零排放的改造方法及思路，并設計了海洋鉆探作業中零排放技術方案。

1 污染因素

移動式鉆井平臺主要用于海上石油勘探、鉆井、完井和生產作業，配有鉆井、發電機、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施，是海上油氣勘探開發不可缺少的手段。若在生態紅線區海域作業，需對鉆井平臺進行零排放設計和適應性改造，確保海上作業期間不會向周邊海域環境特別是生態紅線區進行排放。

1.1 污染物來源和分類

鉆井平臺從事海上作業階段產生的污染物主要包括生活污染物、船舶污染物、石油工業污染物等。按照污染物的形態可分為固體污染物和液體污染物。

平臺的固體污染物可分為鉆屑、食品廢棄物、生活產生的固體垃圾、塑料制品廢棄物和含油固體垃圾等。其中鉆屑包括鉆井過程中破碎的巖石和由鉆井液從井底攜帶至平臺的巖屑。

平臺的液體污染物可分為鉆井液、機械設備產生的殘油、廢油、生活污水、生產污水、雨水、甲板沖洗水等。鉆井液分為水基鉆井液和油基鉆井液，其中油基鉆井液根據規定不得排放入海，水基鉆井液需要檢測生物毒性[3]，檢測合格后才能在部分海域排放；生活污水主要包括黑水和灰水，黑水是指衛生間來液和醫務室來液，灰水是指廚房水、洗衣水、盥洗水和洗澡水等來液；生產污水指在鉆完井作業生產過程中產生的鉆臺污水、甲板地漏污水、艙底污水、機械艙室和甲板含油污水；雨水是結合作業海域15 min最大降雨量和平臺甲板面積計算，15 min后的甲板雨水按非污染物處理[4]。

1.2 污染物的產生率

在生態紅線區內作業，移動式鉆井平臺必須做到污染物全處理，因此需對污染物產生率進行定量分析統計，以A平臺為例。

1）固體污染物產生率

鉆屑：鉆屑是鉆進地層過程中產生，鉆井液攜帶巖屑返回至井口，通過現有固控系統設備（振動篩、除砂罐、除泥罐等）處理，其巖屑量按照各井段鉆頭尺寸和進尺參照式（1）計算[5]。

式中，Q為巖屑總量，m3；Q1、Q2、Q3分別為第一、二、三井段巖屑量，m3；S1、S2、S3分別為第一、二、三井段的井眼橫截面積，m2；H1、H2、H3分別為第一、二、三井段的井眼長度，m。

按照渤海區域每月鉆探1口常規探井的井身結構計算，沒有建立循環通道的一開、二開井段巖屑和表層無污染巖屑不回收，計算其巖屑回收總量約為100 m3/月，折合每周25 m3。

其他固體垃圾：包含食品廢棄物、生活垃圾、含油固體垃圾和塑料制品廢棄物等污染物，A平臺以垃圾袋袋裝或垃圾籃裝運，每周6～10m3。

2）液體污染物產生率

鉆井液：移動式鉆井平臺所使用的鉆井液可重復使用和再利用，其回收鉆井液約為井眼容積的2倍，參照鉆屑計算公式計算井眼容積，計算回收鉆井液約為200 m3/月，折合每周50 m3。

生活污水：根據國家標準，取海上油氣生產設施人員生活污水合計排放定額350 L/（人·天）考慮，救生艇最大定員120人，取平均在船人數為100人，按照120%的污水總量變化系數，依據式（2）計算生活污水總量為42 m3/天，折合每周294 m3。

式中，Q為生活污水處理裝置設計水量，m3/天；n為平臺生活污水定額，m3/（人·天）；N為設計人數，人。

生產污水：鉆臺產生的污水進入巖屑回收系統，而其他生產污水進入生活污水儲存艙室，根據實際生產經驗，按照最大污水量2 m3/天考慮，折合每周14 m3。

降雨形成的污水：據統計渤海海域最大降雨是墾利區域，按照其15 min的最大降雨速和A平臺主甲板及飛機甲板實際面積數據計算，單次收集的雨水量為23.6 m3，按照每周2次降雨，則每周需收集雨水為47.2 m3。

2 零排放技術

通過全面分析平臺作業可能產生的污染物，將污染物進行必要的分類，統計和計算各類污染物產生率，針對作業區域的環保要求，利用鉆井平臺現有的條件和資源，制定了廢棄物的全處理方案，其零排放技術主要包括固體廢棄物全回收方案和液體廢棄物全處理方案。

2.1 固體廢棄物全回收方案

在渤海地區以及國家劃定的海洋保護區域內和距最近陸地7.6 km以內的海域，禁止排放任何固體污染物。超過7.6 km以外的海域，除食品廢棄物且直徑小于25 mm允許排放，其他固體廢棄物一律不得排放，其中鉆屑排放應滿足國家相關要求[6]。

不得排放的固體廢棄物，主要包括生產垃圾、食品廢棄物、其他垃圾等，在鉆井平臺作業過程中，設置固體污染物集中處理區域，使用專用的垃圾箱、垃圾袋、垃圾籃等存放和收集，并按照要求對固體污染物進行分類，定期吊運至拖輪，運輸回陸地，交由陸地有資質的公司進行處理；另外，井底返出的巖屑，經由固控設備處理后，通過螺旋輸送器排放至巖屑回收罐，之后靠船舶運輸送回陸地進行處理。

2.2 液體廢棄物全處理方案

平臺液體廢棄物應根據所處的作業海域，進行相應處理、回收[7]。其中機械設備產生的殘油、廢油及含油液體鉆井液等使用專用儲存罐或箱處理，污水類不含油類使用平臺專用艙室收集、儲存。生活污水、生產污水和雨水回收參照表1執行。

表1 液體廢棄物回收方案

由于鉆井平臺產生的液體廢棄物量較多，體積龐大，相應的收集、存儲容積必須滿足全處理要求，平臺艙室或儲存罐的自持率需大于船舶運輸時間周期。

液體廢棄物收集方案：考慮鉆井平臺布置緊湊，無法新增收集艙用來臨時儲存不允許排放的污染物，因此需優化平臺現有艙室功能分布，實現平臺污水的集中回收與存儲。以A平臺為例，當平臺在站立狀態下時，平臺壓載艙處于空閑狀態，而平臺壓載艙3P/3S艙的設計容積均為143.2 m3，合計容積為286.4 m3。艙室位于平臺左右兩側的船體內部且對稱分布，考慮平臺污水來源、地漏管線分布等，確定壓載艙3P/3S艙作為污染物的儲運收集艙。根據鉆井平臺功能、污水來源、管線分布、加注站分布等情況，完成全平臺污水走向、回收流程再造。平臺污水回收流程如圖1所示，將鉆井平臺的污水排海處封堵，按照生活區及主甲板地漏左右舷分布情況，分別在總排放閥門之前加裝三通、八字盲板及管線，分別引至對應的3P/3S污水收集艙，另外設計移動式污水罐，用于臨時存儲污水，并在3P/3S艙室處設計電動外輸泵，當艙室內液體到達快滿或警戒位置時，連接外輸軟管至拖輪，啟動污水外輸程序。

圖1 平臺污水回收流程

2.3 污水艙及附屬設備改造

移動式鉆井平臺受作業環境條件、作業性能需求和結構強度等方面的限制[8]，無法為零排放技術提供充足的載體。因此在平臺設計階段就要統籌考慮零排放需要的污水儲存艙室、各區域收集裝置、液體輸送管線、外輸系統等[9]。

對于已服役的平臺，無法新增結構艙室，需要通過改造，利用空艙或預壓載艙實現污水儲存功能。以A平臺為例，通過評估該平臺在渤海海域作業工況下的樁靴承載能力，并結合收集裝置、輸送管線、外輸系統進行優化布置設計[10]，最終采用3P/3S預壓載艙改造為污水艙用于液體污染物的儲運收集。

在A平臺的零排放系統設計和改造過程中，還借鑒了多項海洋鉆探作業的技術經驗，如，結合平臺補給船舶運輸周期和能力的限制，將污水的儲存周期選取為5天；在污水艙室底部和四周布置了壓力低于0.4 MPa的海水噴射沖洗管線，實現了艙底攪拌防沉淀功能；在污水艙通風系統出風口配置可燃氣體和硫化氫探頭，并接入平臺危險氣體監測系統，對可能產生的沼氣、硫化氫等有毒有害氣體實現了實時監測；配備了防止污水溢出的液位監測功能，當實際污水儲量達到艙容的75%時，向值班人員發出報警提示；污水外輸接口設置在平臺左右兩舷，并采用了滿足國際公約的接口型式，方便了污水的轉運和外輸；輸送系統設計為3 h可完成全部外輸工作，采用切割泵并在外輸接口處配置了應急停止裝置，保證輸送效率的同時也提高了設備運轉的可靠性。

3 零排放改造平臺結構強度校核

3.1 平臺重量變化

本次改造將原有壓載水艙改造成污水艙室，同時新增管線及設備。此次改造內容為永久性改造，將引起空船（不含樁腿）重量和重心的變化，以A平臺為例，船體空船重量重心由4 051.84 t（31.86，＋0.25）變化為4 086.63 t（31.81，-0.20），其重量增加不到1%，重心變化不明顯，在美國船級社（ABS）規范要求范圍之內。故對整體平臺結構完整性及穩性未產生較大影響。

3.2 樁腿、樁靴受力變化

改造相關管線及設備將永久存留在A平臺，同時，污水的實際存量也在不斷變化。根據實際使用情況，可分別分析以下3種使用狀態下，樁腿、樁靴受力變化。

狀態一：3P/3S空艙，只存在改造管線及設備的重量；艉樁腿的受力增加19.42 t，右舷樁腿的受力增加2 t，左舷樁腿的受力增加13.29 t；狀態二：3P滿艙，3S空艙，以及改造管線及設備的重量；艉樁腿的受力增加107.39 t，右舷樁腿的受力減少36.48 t，左舷樁腿的受力增加83.80 t；狀態三：3P/3S滿艙，以及改造管線及設備的重量；艉樁腿的受力增加195.36 t，右舷樁腿的受力增加34.06 t，左舷樁腿的受力增加45.29 t。

改造污水艙裝滿污水后，對艉樁腿影響最小為19.42 t，最大為195.36 t，在作業期間減少相應可變載荷，并且在平臺裝卸貨物時，考慮已經增加的載荷裝載貨物，對樁腿、樁靴結構可變載荷1 610 t影響約12%，在可接受的范圍內。

3.3 可變載荷變化

改造后兩個污水艙的結構形式并未改變，只是對其使用功能進行了調整，并沒有對原艉壓載水艙的結構造成影響。另外，此次改造所鋪設的相應管線和布置的機械、儀表、電氣設備的總重量約為34.79 t，改造部分增加重量占平臺空船重量的0.857%，重心高度為2.7 m，對平臺的重心高度的影響很小。同時，平臺油田拖航的最大許用重心高度為19.65 m，因此不需要對平臺的穩性進行重新校核。改造后，結構強度滿足船體原設計要求。

A平臺經過改造后，滿足了零排放區域內作業條件，分別在旅大和秦皇島區域等零排放作業區獲得了井位作業合同?，F場零排放系統運轉正常，各種廢棄物收集及外輸流程合理有效，達到了良好的零排放效果。

4 平臺零排放改造應用

A平臺改造后，相關改造設計文件已通過ABS審查，改造內容合法合規。根據改造后對A平臺零排放系統使用情況的跟蹤、調查、測試，平臺零排放系統運行良好，設備質量運行合格，無跑冒滴漏現象，經檢測，平臺附近海水化學需氧量（COD）和石油類以及重金屬含量與周邊純凈海水相關指標基本相當。利用鉆井平臺壓載艙作為污水回收艙并定期船舶外輸，平臺在使用過程中未發生流程不通，需要優化的問題，以及環保污染事故。鉆井平臺零排放適應性改造技術和應用項目研究實現預期目標。

經過改造后，平臺允許在渤海生態養殖區、極地海域生態環境區和國外環保要求嚴格區域作業。以A平臺為例，分別在LD21-2/CFD2-2/LD16-3等井位作業獲得零排放區域內作業合同，其他未經改造平臺則不允許在該區域作業；另外，中海油服B平臺，經過零排放改造后，直接獲取極地區域作業合同，于2016—2019年前往俄羅斯極地區域進行作業。

5 結語

探索海油油氣開發過程中污染物處理方法，解決了鉆井作業過程中固體、液體廢棄物處理相關難題，已成功在渤海區域多個鉆井平臺上完成實踐，實現了鉆井平臺環保性能的再提升，相關技術還可應用于整個海洋工程領域，有效保障海洋資源開發過程中對海洋環境的零污染和零傷害。