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、溢油應急和損害評估的基礎。

１.粒徑分布

油氣在初始動量的作用下噴射到密度大的環境流體中，由于油氣自身密度小，在溢出點產生較強的湍流，由湍流造成的不穩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間上升至海面，更小粒徑會懸浮在水體中，從而影響油氣上升到海面的位置和時間。在１０００ｍ水深處，粒徑大的油粒子在數十分鐘時間內可上升至海面，水平擴散距離幾十米；然而粒徑小的油粒子（約１００μｍ）需１５ｄ的時間上升到海面，上升速度約為６．５×１０－４ｍ／ｓ，水平擴散距離達到１０ｋｍ以上。

粒徑分布對油氣運移和濃度分布具有重要的作用，很多學者已開始對粒徑分布進行研究。Ｊｏｈａｎｓｅｎ［８］通過“ｄｅｅｐｓｐｉｌｌ”實驗發現９５％的油滴粒徑小于７．５ｍｍ，中值粒徑為５ｍｍ；Ｙａ-ｐａ認為油氣粒徑分布主要介于１～１０ｍｍ之間。經過實驗研究，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、溶解和分散劑。油氣受湍流、剪切力以及浮力等作用，粒子會發生破碎，相反也會由于這些作用粒子之間碰撞發生粒子合成，經過粒子破碎和合成作用后粒徑分布逐漸趨于動態平衡；此因素主要發生在近場階段的初期，但決定了粒子在整個運動過程中粒徑分布格局。數量平衡模型可成功模擬粒子破碎與合成對粒徑的影響機制，并與水槽實驗數據進行了對比驗證，可較好地模擬粒子在上升過程中粒徑變化趨勢，模擬值與實測粒徑對比見圖３。

壓強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。氣泡在上升過程中所受到的壓強減小導致粒徑變大，但氣體在海水中的溶解度較高會導致氣泡粒徑減小。綜合以上兩種因素考慮，由于溶解大于壓強對粒徑的影響，最終導致粒徑會減小，壓強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系。在高壓低溫的環境下，氣體轉化成水合物，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，氣泡粒徑進一步減小。當氣泡完全轉化水合物后，水合物僅在溶解的條件下氣泡粒徑減小速率變慢。在“ｄｅｅｐｓｐｉｌｌ”實驗中以初始粒徑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。

消油劑是溢油應急過程中的重要手段，大量的消油劑成功應用在墨西哥灣溢油事故中。消油劑的使用會使油滴發生破碎導致油滴粒徑減小，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間，進而影響了其運移路徑和水平擴散范圍，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油滴氣泡上升速度的計算。Ｌｉｚｈｅｎｇ等在斯托克斯定律的基礎上對公式進行了改進，并利用實驗數據與計算公式進行了對比，驗證結果吻合較好。

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，上升速度不會無限制增加，上升速度與粒徑分布不呈線性關系。

３.油氣分離

粒子在上升過程中由于上升速度不同，與環境流體之間產生一個滑脫速度，且在橫流的作用下羽流發生彎曲而導致油氣分離。油氣分離不僅改變了羽流的動量和浮力大小，而且改變了羽流中性浮力層的高度，進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，上升需要的時間為２７８ｓ。此外，油氣分離還會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崍骱統跏級?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

當噴出的油氣以羽流的形式在水中上升時，羽流將和水體發生作用，導致水體進入羽流體內，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入羽流體內引起的。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，會減小羽流的動量小，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散導致，這樣羽流在上升過程中體積和濃度的變化也會非常小，與實際觀測結果不相符。研究結果表明，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增大１００倍。因此，不考慮卷吸過程油氣將不會進入遠場階段而直接上升至海面，這與實驗數據不相符。

二、深水溢油歸宿

１.水合物

深水區的水下溢油過程中，在高壓低溫的環境下，天然氣與水容易結合成一種固態的冰狀物———水合物。當水合物上升到達相對低壓、高溫的環境下會分解成氣體，并同時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、中性浮力層以及擴散范圍。

水合物合成時，氣體的體積會大幅度減小，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動，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影響中性浮力層的高度，考慮水合物過程會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、溫度緊密相關，研究學者在蒙特里灣對甲烷合成水合物的條件進行了研究，圖１０為甲烷的相態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分解成甲烷和水。

２.油氣溶解

一般認為油不溶于水，實際上是溶解度極低。國內外對石油烷烴類成分的溶解度做過一些研究工作，發現其溶解度與烷烴的含碳量有關（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。溢油中單個組分的溶解度受控于油水分配系數，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、溫度和鹽度的影響，研究氣體溶解過程有利用于準確預測油氣溢出海面的位置和時間。圖１１為５ＭＰａ和４ＭＰａ壓強下甲烷溶解量，從圖中可以看出，壓強有助于氣體的溶解，壓強越大，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，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動，這一渾濁的條帶稱之為懸浮羽流。粒子粒徑越細，形成懸浮羽流的概率就會越大，消油劑的使用會導致油滴破碎粒徑減小，也有利于懸浮羽流的發生，圖１２為懸浮羽流示意圖。２０１０年墨西哥灣溢油事故中研究學者在水深１０６５～１３００ｍ處用水下機器人發現渾濁乳化帶；同時在事故現場水平和垂向上取樣，結果發現在這一水深范圍內烴類濃度很高，也證實了懸浮羽流的存在。目前懸浮羽流形成機制尚不清楚，需要通過數值模擬或者實驗的方法進一步研究。

三、深水溢油模型

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

羽流動力模型即在每一時刻把溢油沿軌跡中心線視為一個控制單元體，每一個控制元可以用它的質量、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而改變。控制單元體在空間的運動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散作用，還考慮了它的化學變化過程，如溢油的溶解和乳化作用，模型還考慮了溢油的卷吸過程。對流擴散模型利用拉格朗日方法計算污染物的輸運。本深水溢油模型的建立基本上已經完成，并在南海荔灣油氣田中得到了應用，模型參數選擇見表３。　

圖１３為３．５ｈ溢油模擬軌跡圖，大粒徑油滴上浮速度較快，將會在溢油發生３．５ｈ后首先到達海面，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左右深度后就已經完全溶解從而無法到達海面。另外，１５００ｍ深水環境已經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構，當溢油剛進入水體時，粒子的漂移方向是東偏北，隨后在８４０ｍ左右水深處轉向西北方向移動，最終大油滴在溢油點的西北方露出海面。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個方向都有了不同程度的延伸，油污總體上仍然處于溢油點的北側，到達海面后的油粒子在潮流和風場的作用下漂移擴散。

四、結論

深水區溢油相對海面溢油甚至淺水溢油是一個相對復雜的過程，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急的難度。本文主要研究了深水區水下溢油行為和歸宿，探討了行為和歸宿的主要影響因素，進一步論證了各因素的影響機制，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水下溢油復雜的行為過程，為我國深水溢油防治管理和海洋環境保護提供科學支持，為建立深水區溢油應急體系、損害評估和環境評價具有重要的指導意義。（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：中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 中海石油環保服務 （天津）有限公司 海洋石油安全環保技術研發中心 國家海洋局第一海洋研究所