一、深水溢油行為

深水溢油行為主要包括油氣粒徑分布、上升速度、油氣分離及卷吸過程等，其行為研究是溢油建模、溢油應(yīng)急和損害評估的基礎(chǔ)。

１.粒徑分布

油氣在初始動(dòng)量的作用下噴射到密度大的環(huán)境流體中，由于油氣自身密度小，在溢出點(diǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)的湍流，由湍流造成的不穩(wěn)定性使油氣極其容易分散成小顆粒。油滴和氣泡粒徑分布決定了溶解率、水合物生長速率等，進(jìn)一步影響溶解和水合物等歸宿；另一方面，油氣上升到中性浮力層后，粒徑分布決定著運(yùn)移軌跡，粒徑大的粒子較快上升到海面，粒徑小的粒子需幾天甚至幾周的時(shí)間上升至海面，更小粒徑會(huì)懸浮在水體中，從而影響油氣上升到海面的位置和時(shí)間。在１０００ｍ水深處，粒徑大的油粒子在數(shù)十分鐘時(shí)間內(nèi)可上升至海面，水平擴(kuò)散距離幾十米；然而粒徑小的油粒子（約１００μｍ）需１５ｄ的時(shí)間上升到海面，上升速度約為６．５×１０－４ｍ／ｓ，水平擴(kuò)散距離達(dá)到１０ｋｍ以上。

粒徑分布對油氣運(yùn)移和濃度分布具有重要的作用，很多學(xué)者已開始對粒徑分布進(jìn)行研究。Ｊｏｈａｎｓｅｎ［８］通過“ｄｅｅｐｓｐｉｌｌ”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)９５％的油滴粒徑小于７．５ｍｍ，中值粒徑為５ｍｍ；Ｙａ-ｐａ認(rèn)為油氣粒徑分布主要介于１～１０ｍｍ之間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，油滴粒徑主要位于１～８ｃｍ之間，氣泡粒徑主要位于１～９ｃｍ之間，油滴和氣泡粒徑分布見圖２。　

影響油氣粒徑分布的影響因素較多，主要有粒子破碎與合成、水合物，壓強(qiáng)、溶解和分散劑。油氣受湍流、剪切力以及浮力等作用，粒子會(huì)發(fā)生破碎，相反也會(huì)由于這些作用粒子之間碰撞發(fā)生粒子合成，經(jīng)過粒子破碎和合成作用后粒徑分布逐漸趨于動(dòng)態(tài)平衡；此因素主要發(fā)生在近場階段的初期，但決定了粒子在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中粒徑分布格局。數(shù)量平衡模型可成功模擬粒子破碎與合成對粒徑的影響機(jī)制，并與水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證，可較好地模擬粒子在上升過程中粒徑變化趨勢，模擬值與實(shí)測粒徑對比見圖３。

壓強(qiáng)和溶解對氣泡粒徑的影響相對較大，但對于油滴粒徑影響可忽略不計(jì)。氣泡在上升過程中所受到的壓強(qiáng)減小導(dǎo)致粒徑變大，但氣體在海水中的溶解度較高會(huì)導(dǎo)致氣泡粒徑減小。綜合以上兩種因素考慮，由于溶解大于壓強(qiáng)對粒徑的影響，最終導(dǎo)致粒徑會(huì)減小，壓強(qiáng)和溶解對氣泡粒徑影響見圖４。

氣泡粒徑和水合物也有一定的關(guān)系。在高壓低溫的環(huán)境下，氣體轉(zhuǎn)化成水合物，水合物的密度大于氣泡密度，被水合物包裹的氣泡由于受到壓力影響粒徑減小，并受水合物溶解的影響，氣泡粒徑進(jìn)一步減小。當(dāng)氣泡完全轉(zhuǎn)化水合物后，水合物僅在溶解的條件下氣泡粒徑減小速率變慢。在“ｄｅｅｐｓｐｉｌｌ”實(shí)驗(yàn)中以初始粒徑５ｍｍ的氣泡為研究對象，研究了水合物對粒徑的影響，粒徑變化趨勢見圖５。

消油劑是溢油應(yīng)急過程中的重要手段，大量的消油劑成功應(yīng)用在墨西哥灣溢油事故中。消油劑的使用會(huì)使油滴發(fā)生破碎導(dǎo)致油滴粒徑減小，圖１所示的油滴粒徑使用消油劑后粒徑分布見圖６，粒徑范圍在１００～９００μｍ的油滴含量占４０％。

２.上升速度

油氣上升速度影響粒子上升時(shí)間，進(jìn)而影響了其運(yùn)移路徑和水平擴(kuò)散范圍，因此上升速度對模擬油氣行為及歸宿具有重要的作用。很多學(xué)者利用斯托克斯定律或雷諾定律研究粒子在液體中的上浮速度，但此公式僅適用于球形粒子，并且深水區(qū)油滴和氣泡在上升過程中多以球形、橢球形、球帽形存在，此公式不適合于深水區(qū)油滴氣泡上升速度的計(jì)算。Ｌｉｚｈｅｎｇ等在斯托克斯定律的基礎(chǔ)上對公式進(jìn)行了改進(jìn)，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算公式進(jìn)行了對比，驗(yàn)證結(jié)果吻合較好。

粒子上升速度的影響因素較多，主要包括粒子粒徑、海水特性等。由前文可知，消油劑作用后的油滴粒徑分布主要在１００μｍ～８ｃｍ之間，不同粒徑的粒子上浮速度見表１和圖７。由圖７和表１可知：粒徑是影響粒子上升速度的主要因素，粒徑大的粒子受到的浮力越大，上升速度越大，但由于粒子傾向于非球形以及受到粒子拖拽力影響，上升速度不會(huì)無限制增加，上升速度與粒徑分布不呈線性關(guān)系。

３.油氣分離

粒子在上升過程中由于上升速度不同，與環(huán)境流體之間產(chǎn)生一個(gè)滑脫速度，且在橫流的作用下羽流發(fā)生彎曲而導(dǎo)致油氣分離。油氣分離不僅改變了羽流的動(dòng)量和浮力大小，而且改變了羽流中性浮力層的高度，進(jìn)而影響粒子的上升軌跡。圖８是油氣分離對粒子軌跡影響圖。從圖中可以看出，油氣分離對粒子軌跡影響特別大，是否考慮羽油氣分離對粒子的中心軌跡及邊界線影響大不相同，如考慮油氣分離中性浮力層位置在水深３４７ｍ，上升需要的時(shí)間為３１８ｓ；相反不考慮油氣分離情況下中性浮力層位置在水深２６６ｍ，上升需要的時(shí)間為２７８ｓ。此外，油氣分離還會(huì)降低羽流的上升速度，因此考慮油氣分離的情況下上升至中性浮力層需要的時(shí)間相對較長。

油氣分離的影響因素主要包括相鄰粒徑粒子間的速度比（??椋?保??椋?⒑崍骱統(tǒng)跏級(jí)?康取Ｓ殺恚笨芍??＞緞〉撓偷沃?渚哂薪洗蟮乃俁缺齲?＞洞蟮撓偷沃?淥俁缺認(rèn)嘍越閑。?⑶蟻嗔諏＞讀Ｗ鈾俁缺仍醬螅?推?擲朐揭撞??：崍骺梢允褂鵒鞣⑸?淝??橇Ｗ臃⑸??皆碩?鬧饕???Γ?崍髟醬笫彼?轎灰屏肯嘍栽醬螅?推?擲朐餃菀追⑸?

４.卷吸過程

當(dāng)噴出的油氣以羽流的形式在水中上升時(shí)，羽流將和水體發(fā)生作用，導(dǎo)致水體進(jìn)入羽流體內(nèi)，這一過程稱為卷吸，主要包括剪切卷吸和對流卷吸。剪切卷吸是由溢油和水流之間的剪切應(yīng)力引起，即使在靜止的水體中仍然存在；對流卷吸是由水流的對流作用進(jìn)入羽流體內(nèi)引起的。卷吸對羽流的行為和過程，尤其是羽流的體積、濃度和速度有著重要影響。卷吸過程的直接后果是將周圍密度較大的海水裹入羽流中，從而增加羽流的密度和體積，會(huì)減小羽流的動(dòng)量小，從而降低羽流的上升速度。

如果不考慮卷吸作用，羽流的體積及其污染物的濃度變化將主要由污染物的溶解和擴(kuò)散導(dǎo)致，這樣羽流在上升過程中體積和濃度的變化也會(huì)非常小，與實(shí)際觀測結(jié)果不相符。研究結(jié)果表明，卷吸作用可以使羽流半徑增加約１００倍，如果忽略卷吸過程，羽流體積將會(huì)減是考慮卷吸情況的１／３０００倍，羽流中的污染物濃度將增大到考慮卷吸情況的１萬倍，而羽流的最終上升速度將會(huì)增大１００倍。因此，不考慮卷吸過程油氣將不會(huì)進(jìn)入遠(yuǎn)場階段而直接上升至海面，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不相符。

二、深水溢油歸宿

１.水合物

深水區(qū)的水下溢油過程中，在高壓低溫的環(huán)境下，天然氣與水容易結(jié)合成一種固態(tài)的冰狀物———水合物。當(dāng)水合物上升到達(dá)相對低壓、高溫的環(huán)境下會(huì)分解成氣體，并同時(shí)伴隨著水合物的溶解過程。水合物的形成、分解和溶解過程能直接影響到粒子粒徑分布、中性浮力層以及擴(kuò)散范圍。

水合物合成時(shí)，氣體的體積會(huì)大幅度減小，粒徑減小，密度增加，這使羽流幾乎完全失去原有氣體浮力的驅(qū)動(dòng)，從而大大降低了羽流的上升速度，以致粒子只能在自身浮力的作用下緩慢上升。由前文可知水合物溶解影響氣泡的粒徑大小，近而影響溢油漂移軌跡。圖９表明水合物過程也會(huì)影響中性浮力層的高度，考慮水合物過程會(huì)抬升中性浮力層的高度，不考慮水合物過程中性浮力層的高度相對較低。水合物的合成和分解與壓強(qiáng)、溫度緊密相關(guān)，研究學(xué)者在蒙特里灣對甲烷合成水合物的條件進(jìn)行了研究，圖１０為甲烷的相態(tài)平衡曲線和溫度變化曲線，在大于水深５２０ｍ的海域可形成水合物，上升到５２０ｍ以淺的水域水合物又會(huì)分解成甲烷和水。

２.油氣溶解

一般認(rèn)為油不溶于水，實(shí)際上是溶解度極低。國內(nèi)外對石油烷烴類成分的溶解度做過一些研究工作，發(fā)現(xiàn)其溶解度與烷烴的含碳量有關(guān)（表２）。溢油在上浮過程中，大部分低分子芳香烴組分溶解在水中，其中以苯類烴最明顯。溢油中單個(gè)組分的溶解度受控于油水分配系數(shù)，而不單純受純組分溶解度的制約。由于溢油的溶解度很低，一般情況下可不予考慮。　　

在深水區(qū)水下溢油過程中有大量的氣體溶解于水中，氣體的溶解對羽流的歸宿有重要影響。氣體的溶解性要受壓強(qiáng)、溫度和鹽度的影響，研究氣體溶解過程有利用于準(zhǔn)確預(yù)測油氣溢出海面的位置和時(shí)間。圖１１為５ＭＰａ和４ＭＰａ壓強(qiáng)下甲烷溶解量，從圖中可以看出，壓強(qiáng)有助于氣體的溶解，壓強(qiáng)越大，溶解量越高。從表２中可以看出鹽度抑制氣體的溶解，在淡水中的溶解度較高，而在海水中的溶解度相對較低。溫度對溶解度有一定的影響，但影響程度不是很大。

３.懸浮羽流

深水溢油時(shí)，粒徑小的粒子長期懸浮在水體中，在橫流的條件下做水平運(yùn)動(dòng)，這一渾濁的條帶稱之為懸浮羽流。粒子粒徑越細(xì)，形成懸浮羽流的概率就會(huì)越大，消油劑的使用會(huì)導(dǎo)致油滴破碎粒徑減小，也有利于懸浮羽流的發(fā)生，圖１２為懸浮羽流示意圖。２０１０年墨西哥灣溢油事故中研究學(xué)者在水深１０６５～１３００ｍ處用水下機(jī)器人發(fā)現(xiàn)渾濁乳化帶；同時(shí)在事故現(xiàn)場水平和垂向上取樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這一水深范圍內(nèi)烴類濃度很高，也證實(shí)了懸浮羽流的存在。目前懸浮羽流形成機(jī)制尚不清楚，需要通過數(shù)值模擬或者實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)一步研究。

三、深水溢油模型

海上溢油事故產(chǎn)生主要是井噴井涌、管線破損和海底沉船等原因造成的。當(dāng)水下溢油發(fā)生以后最為關(guān)心的核心問題是：①水下溢油發(fā)生后，油膜首次上升到海面的時(shí)間和位置；②油氣濃度在時(shí)間和空間上的分布；③油膜上升軌跡和擴(kuò)散范圍。為解決以上核心問題首先需要在深水區(qū)水下溢油行為及歸宿研究基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的方法建立深水溢油模型。根據(jù)油氣在上升過程中的行為研究，深水溢油模型分為羽流動(dòng)力模型和對流擴(kuò)散模型。

羽流動(dòng)力模型即在每一時(shí)刻把溢油沿軌跡中心線視為一個(gè)控制單元體，每一個(gè)控制元可以用它的質(zhì)量、位置、寬度、長度、平均速度、污染物濃度、溫度和鹽度來描述，并且這些特征可以隨著控制元的移動(dòng)而改變。控制單元體在空間的運(yùn)動(dòng)即為溢油軌跡的變化，控制單元體濃度的變化即為溢油濃度的衰減，在這一變化過程中不僅考慮了控制單元體的物理對流擴(kuò)散作用，還考慮了它的化學(xué)變化過程，如溢油的溶解和乳化作用，模型還考慮了溢油的卷吸過程。對流擴(kuò)散模型利用拉格朗日方法計(jì)算污染物的輸運(yùn)。本深水溢油模型的建立基本上已經(jīng)完成，并在南海荔灣油氣田中得到了應(yīng)用，模型參數(shù)選擇見表３。　

圖１３為３．５ｈ溢油模擬軌跡圖，大粒徑油滴上浮速度較快，將會(huì)在溢油發(fā)生３．５ｈ后首先到達(dá)海面，但大部分小粒徑油滴仍然處于水下。在１５００ｍ深的低溫高壓的海底，甲烷氣體（紅色）很容易溶解，甲烷氣泡在上升至１２３０ｍ左右深度后就已經(jīng)完全溶解從而無法到達(dá)海面。另外，１５００ｍ深水環(huán)境已經(jīng)滿足甲烷水合物的形成條件，降低了氣體的上升高度。由于水平海流存在一定的垂向分布結(jié)構(gòu)，當(dāng)溢油剛進(jìn)入水體時(shí)，粒子的漂移方向是東偏北，隨后在８４０ｍ左右水深處轉(zhuǎn)向西北方向移動(dòng)，最終大油滴在溢油點(diǎn)的西北方露出海面。圖１４為２４ｈ溢油模擬軌跡圖，油的分布范圍較之前有了明顯增大，向東、西、北３個(gè)方向都有了不同程度的延伸，油污總體上仍然處于溢油點(diǎn)的北側(cè)，到達(dá)海面后的油粒子在潮流和風(fēng)場的作用下漂移擴(kuò)散。

四、結(jié)論

深水區(qū)溢油相對海面溢油甚至淺水溢油是一個(gè)相對復(fù)雜的過程，并常伴隨著氣體的溢出，很大程度上增加了深水溢油模擬和深水溢油應(yīng)急的難度。本文主要研究了深水區(qū)水下溢油行為和歸宿，探討了行為和歸宿的主要影響因素，進(jìn)一步論證了各因素的影響機(jī)制，并建立深水溢油模型在南海荔灣油氣田模擬了油氣漂移軌跡。因此通過本研究可以深入了解深水區(qū)水下溢油復(fù)雜的行為過程，為我國深水溢油防治管理和海洋環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)支持，為建立深水區(qū)溢油應(yīng)急體系、損害評估和環(huán)境評價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。（本文圖、表略）

本文作者：亓俊良 李建偉 安偉 趙宇鵬 陳海波 于順 單位：中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 中海石油環(huán)保服務(wù) （天津）有限公司 海洋石油安全環(huán)保技術(shù)研發(fā)中心 國家海洋局第一海洋研究所