移动式钻井平台零排放技术浅析

杨 志，李 春，陈国军，张居贵

（1.中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北三河 065201；2.中海油田服务股份有限公司一体化和新能源事业部，广东湛江 524057）

2016年4月，原国家海洋局在《海洋生态红线划定技术指南》提出，生态红线是指依法在重要海洋生态功能区、海洋生态敏感区和海洋生态脆弱区等区域划定的边界线以及管理指标控制线，是海洋生态安全的底线[1]。国家主管部门首次提出“海洋生态红线区”概念并提出划定任务，环渤海三省一市已分别制定了海洋生态红线划定报告，一切海洋工程作业均应符合政府部门的红线规定。

中国海洋石油集团有限公司在海洋生态红线区限制开发海域有进行勘探、开发等作业的需要，按照政府部门要求，在此区域作业的平台，除设备冷却水以外所有的污染物均不能排入大海[2]，导致当前部分钻井平台作业区域受限严重，无法进入相关海洋生态红线区进行作业，因此需要对移动式钻井平台进行改造，禁止钻井平台向大海排放钻井液、污油、生活污水、生产污水和雨水等液体，以及任何形式的固体废弃物，实现钻井平台零排放，本文提出了零排放的改造方法及思路，并设计了海洋钻探作业中零排放技术方案。

1 污染因素

移动式钻井平台主要用于海上石油勘探、钻井、完井和生产作业，配有钻井、发电机、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。若在生态红线区海域作业，需对钻井平台进行零排放设计和适应性改造，确保海上作业期间不会向周边海域环境特别是生态红线区进行排放。

1.1 污染物来源和分类

钻井平台从事海上作业阶段产生的污染物主要包括生活污染物、船舶污染物、石油工业污染物等。按照污染物的形态可分为固体污染物和液体污染物。

平台的固体污染物可分为钻屑、食品废弃物、生活产生的固体垃圾、塑料制品废弃物和含油固体垃圾等。其中钻屑包括钻井过程中破碎的岩石和由钻井液从井底携带至平台的岩屑。

平台的液体污染物可分为钻井液、机械设备产生的残油、废油、生活污水、生产污水、雨水、甲板冲洗水等。钻井液分为水基钻井液和油基钻井液，其中油基钻井液根据规定不得排放入海，水基钻井液需要检测生物毒性[3]，检测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，黑水是指卫生间来液和医务室来液，灰水是指厨房水、洗衣水、盥洗水和洗澡水等来液；生产污水指在钻完井作业生产过程中产生的钻台污水、甲板地漏污水、舱底污水、机械舱室和甲板含油污水；雨水是结合作业海域15 min最大降雨量和平台甲板面积计算，15 min后的甲板雨水按非污染物处理[4]。

1.2 污染物的产生率

在生态红线区内作业，移动式钻井平台必须做到污染物全处理，因此需对污染物产生率进行定量分析统计，以A平台为例。

1）固体污染物产生率

钻屑：钻屑是钻进地层过程中产生，钻井液携带岩屑返回至井口，通过现有固控系统设备（振动筛、除砂罐、除泥罐等）处理，其岩屑量按照各井段钻头尺寸和进尺参照式（1）计算[5]。

式中，Q为岩屑总量，m3；Q1、Q2、Q3分别为第一、二、三井段岩屑量，m3；S1、S2、S3分别为第一、二、三井段的井眼横截面积，m2；H1、H2、H3分别为第一、二、三井段的井眼长度，m。

按照渤海区域每月钻探1口常规探井的井身结构计算，没有建立循环通道的一开、二开井段岩屑和表层无污染岩屑不回收，计算其岩屑回收总量约为100 m3/月，折合每周25 m3。

其他固体垃圾：包含食品废弃物、生活垃圾、含油固体垃圾和塑料制品废弃物等污染物，A平台以垃圾袋袋装或垃圾篮装运，每周6～10m3。

2）液体污染物产生率

钻井液：移动式钻井平台所使用的钻井液可重复使用和再利用，其回收钻井液约为井眼容积的2倍，参照钻屑计算公式计算井眼容积，计算回收钻井液约为200 m3/月，折合每周50 m3。

生活污水：根据国家标准，取海上油气生产设施人员生活污水合计排放定额350 L/（人·天）考虑，救生艇最大定员120人，取平均在船人数为100人，按照120%的污水总量变化系数，依据式（2）计算生活污水总量为42 m3/天，折合每周294 m3。

式中，Q为生活污水处理装置设计水量，m3/天；n为平台生活污水定额，m3/（人·天）；N为设计人数，人。

生产污水：钻台产生的污水进入岩屑回收系统，而其他生产污水进入生活污水储存舱室，根据实际生产经验，按照最大污水量2 m3/天考虑，折合每周14 m3。

降雨形成的污水：据统计渤海海域最大降雨是垦利区域，按照其15 min的最大降雨速和A平台主甲板及飞机甲板实际面积数据计算，单次收集的雨水量为23.6 m3，按照每周2次降雨，则每周需收集雨水为47.2 m3。

2 零排放技术

通过全面分析平台作业可能产生的污染物，将污染物进行必要的分类，统计和计算各类污染物产生率，针对作业区域的环保要求，利用钻井平台现有的条件和资源，制定了废弃物的全处理方案，其零排放技术主要包括固体废弃物全回收方案和液体废弃物全处理方案。

2.1 固体废弃物全回收方案

在渤海地区以及国家划定的海洋保护区域内和距最近陆地7.6 km以内的海域，禁止排放任何固体污染物。超过7.6 km以外的海域，除食品废弃物且直径小于25 mm允许排放，其他固体废弃物一律不得排放，其中钻屑排放应满足国家相关要求[6]。

不得排放的固体废弃物，主要包括生产垃圾、食品废弃物、其他垃圾等，在钻井平台作业过程中，设置固体污染物集中处理区域，使用专用的垃圾箱、垃圾袋、垃圾篮等存放和收集，并按照要求对固体污染物进行分类，定期吊运至拖轮，运输回陆地，交由陆地有资质的公司进行处理；另外，井底返出的岩屑，经由固控设备处理后，通过螺旋输送器排放至岩屑回收罐，之后靠船舶运输送回陆地进行处理。

2.2 液体废弃物全处理方案

平台液体废弃物应根据所处的作业海域，进行相应处理、回收[7]。其中机械设备产生的残油、废油及含油液体钻井液等使用专用储存罐或箱处理，污水类不含油类使用平台专用舱室收集、储存。生活污水、生产污水和雨水回收参照表1执行。

表1 液体废弃物回收方案

由于钻井平台产生的液体废弃物量较多，体积庞大，相应的收集、存储容积必须满足全处理要求，平台舱室或储存罐的自持率需大于船舶运输时间周期。

液体废弃物收集方案：考虑钻井平台布置紧凑，无法新增收集舱用来临时储存不允许排放的污染物，因此需优化平台现有舱室功能分布，实现平台污水的集中回收与存储。以A平台为例，当平台在站立状态下时，平台压载舱处于空闲状态，而平台压载舱3P/3S舱的设计容积均为143.2 m3，合计容积为286.4 m3。舱室位于平台左右两侧的船体内部且对称分布，考虑平台污水来源、地漏管线分布等，确定压载舱3P/3S舱作为污染物的储运收集舱。根据钻井平台功能、污水来源、管线分布、加注站分布等情况，完成全平台污水走向、回收流程再造。平台污水回收流程如图1所示，将钻井平台的污水排海处封堵，按照生活区及主甲板地漏左右舷分布情况，分别在总排放阀门之前加装三通、八字盲板及管线，分别引至对应的3P/3S污水收集舱，另外设计移动式污水罐，用于临时存储污水，并在3P/3S舱室处设计电动外输泵，当舱室内液体到达快满或警戒位置时，连接外输软管至拖轮，启动污水外输程序。

图1 平台污水回收流程

2.3 污水舱及附属设备改造

移动式钻井平台受作业环境条件、作业性能需求和结构强度等方面的限制[8]，无法为零排放技术提供充足的载体。因此在平台设计阶段就要统筹考虑零排放需要的污水储存舱室、各区域收集装置、液体输送管线、外输系统等[9]。

对于已服役的平台，无法新增结构舱室，需要通过改造，利用空舱或预压载舱实现污水储存功能。以A平台为例，通过评估该平台在渤海海域作业工况下的桩靴承载能力，并结合收集装置、输送管线、外输系统进行优化布置设计[10]，最终采用3P/3S预压载舱改造为污水舱用于液体污染物的储运收集。

在A平台的零排放系统设计和改造过程中，还借鉴了多项海洋钻探作业的技术经验，如，结合平台补给船舶运输周期和能力的限制，将污水的储存周期选取为5天；在污水舱室底部和四周布置了压力低于0.4 MPa的海水喷射冲洗管线，实现了舱底搅拌防沉淀功能；在污水舱通风系统出风口配置可燃气体和硫化氢探头，并接入平台危险气体监测系统，对可能产生的沼气、硫化氢等有毒有害气体实现了实时监测；配备了防止污水溢出的液位监测功能，当实际污水储量达到舱容的75%时，向值班人员发出报警提示；污水外输接口设置在平台左右两舷，并采用了满足国际公约的接口型式，方便了污水的转运和外输；输送系统设计为3 h可完成全部外输工作，采用切割泵并在外输接口处配置了应急停止装置，保证输送效率的同时也提高了设备运转的可靠性。

3 零排放改造平台结构强度校核

3.1 平台重量变化

本次改造将原有压载水舱改造成污水舱室，同时新增管线及设备。此次改造内容为永久性改造，将引起空船（不含桩腿）重量和重心的变化，以A平台为例，船体空船重量重心由4 051.84 t（31.86，＋0.25）变化为4 086.63 t（31.81，-0.20），其重量增加不到1%，重心变化不明显，在美国船级社（ABS）规范要求范围之内。故对整体平台结构完整性及稳性未产生较大影响。

3.2 桩腿、桩靴受力变化

改造相关管线及设备将永久存留在A平台，同时，污水的实际存量也在不断变化。根据实际使用情况，可分别分析以下3种使用状态下，桩腿、桩靴受力变化。

状态一：3P/3S空舱，只存在改造管线及设备的重量；艉桩腿的受力增加19.42 t，右舷桩腿的受力增加2 t，左舷桩腿的受力增加13.29 t；状态二：3P满舱，3S空舱，以及改造管线及设备的重量；艉桩腿的受力增加107.39 t，右舷桩腿的受力减少36.48 t，左舷桩腿的受力增加83.80 t；状态三：3P/3S满舱，以及改造管线及设备的重量；艉桩腿的受力增加195.36 t，右舷桩腿的受力增加34.06 t，左舷桩腿的受力增加45.29 t。

改造污水舱装满污水后，对艉桩腿影响最小为19.42 t，最大为195.36 t，在作业期间减少相应可变载荷，并且在平台装卸货物时，考虑已经增加的载荷装载货物，对桩腿、桩靴结构可变载荷1 610 t影响约12%，在可接受的范围内。

3.3 可变载荷变化

改造后两个污水舱的结构形式并未改变，只是对其使用功能进行了调整，并没有对原艉压载水舱的结构造成影响。另外，此次改造所铺设的相应管线和布置的机械、仪表、电气设备的总重量约为34.79 t，改造部分增加重量占平台空船重量的0.857%，重心高度为2.7 m，对平台的重心高度的影响很小。同时，平台油田拖航的最大许用重心高度为19.65 m，因此不需要对平台的稳性进行重新校核。改造后，结构强度满足船体原设计要求。

A平台经过改造后，满足了零排放区域内作业条件，分别在旅大和秦皇岛区域等零排放作业区获得了井位作业合同。现场零排放系统运转正常，各种废弃物收集及外输流程合理有效，达到了良好的零排放效果。

4 平台零排放改造应用

A平台改造后，相关改造设计文件已通过ABS审查，改造内容合法合规。根据改造后对A平台零排放系统使用情况的跟踪、调查、测试，平台零排放系统运行良好，设备质量运行合格，无跑冒滴漏现象，经检测，平台附近海水化学需氧量（COD）和石油类以及重金属含量与周边纯净海水相关指标基本相当。利用钻井平台压载舱作为污水回收舱并定期船舶外输，平台在使用过程中未发生流程不通，需要优化的问题，以及环保污染事故。钻井平台零排放适应性改造技术和应用项目研究实现预期目标。

经过改造后，平台允许在渤海生态养殖区、极地海域生态环境区和国外环保要求严格区域作业。以A平台为例，分别在LD21-2/CFD2-2/LD16-3等井位作业获得零排放区域内作业合同，其他未经改造平台则不允许在该区域作业；另外，中海油服B平台，经过零排放改造后，直接获取极地区域作业合同，于2016—2019年前往俄罗斯极地区域进行作业。

5 结语

探索海油油气开发过程中污染物处理方法，解决了钻井作业过程中固体、液体废弃物处理相关难题，已成功在渤海区域多个钻井平台上完成实践，实现了钻井平台环保性能的再提升，相关技术还可应用于整个海洋工程领域，有效保障海洋资源开发过程中对海洋环境的零污染和零伤害。