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追踪泄漏石油的去向

2011-10-25 来源:EED杂志 译/易言责任编辑:未填 浏览数:未显示 石油机械网

核心提示: 利用功能强大的计算机进行模拟,应该是预测“深水地平线”钻井平台漏油事故中的漏油量和漏油去向的最佳方法。网

 计算机建模:追踪泄漏石油的去向

利用功能强大的计算机进行模拟,应该是预测“深水地平线”钻井平台漏油事故中的漏油量和漏油去向的最佳方法。

网易探索10月25日报道 为了估算出墨西哥湾“深水地平线”钻井平台漏油事件在未来可能造成的巨大影响,我们利用手里的一些技术工具进行了预测,然而,这些工具的稳定性却比较欠缺。由于英国石油公司(BP)和当地政府的监管不利,未能阻止发生在4月20号的这起漏油事件,同时也未能及时控制住泄漏情况;此外,企业的不诚实和出现紧急情况时应急预案的缺失也是造成这起惨剧的主要原因。在这样一起大规模的事故之后,又有谁能够对其给路易斯安那州沼泽区和海底峡谷里的那些野生动物造成的毁灭性的环境破坏进行量化呢?那些泄漏的石油会不会对佛罗里达州的海滩形成污染?会不会被墨西哥湾暖流带到乔治亚州的Panhandle附近?事故对旅游业和捕鱼业又造成了哪些影响?另外,那些进行事故破坏性控制工作的团体和个人也需要对这些漏油未来的去向进行把握。

我们一直在寻找可靠的预测后果的方法,因为即便是微量的石油在水中也会杀死鱼类、浮游生物和昆虫的幼虫,而这对于处于食物链顶端的人类来说也将是场灾难。漏油事故的回应者和政府机构所需的只是一些有限的数据来确定清理油污的费用以及罚款的数额,他们并不需要对油污的扩散情况进行预估,但是渔民们必须要知道这些,因为在失业情况对经济复苏的威胁越来越严重的当下,他们需要知道何时可以安全地返回到工作中去。结合“能源独立”的长期梦想,民众对漏油事故所可能带来的后果越来越关注。

通过先进的电脑模型,我们预测出了复杂的墨西哥湾水下系统的“未来命运”,同时,在对所得到具有预测能力的代码进行提炼之后,我们得出一些全新的核查数据和水下溢油羽流的测量数据。但是,这些石油在未来的一些潜在影响以及会引发怎样的灾难又该作何预测呢?在没有准确数据的情况下,电脑模拟或许是目前预知漏油走向、安抚恐惧情绪的最佳方法了。

众人的忧虑主要来源于不够精确的漏油报告,大家不知道在此次事故中究竟泄漏了多少石油,还有多少石油在继续流动。在电视上我们看到的是让人印象深刻的、源源不断的漏油镜头,这些可以作为石油预测模拟的初始条件信息,另外一些初始条件当地的洋流分布情况和石油、天然气的密度等在钻井平台发生爆炸之后所有相关的大概数值。深水地平线钻井平台以前试图强行控制在喷射口附近形成的“水化物”(由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质),而溢油羽流中水化物的含量则是决定将有多少污染物到达墨西哥湾水域顶部最为重要的因素。这一起前所未有的深水油井泄漏事件和超高浓度的水化物从洋底喷射出来的现象,形成了一组特定的、从未在这种极端条件下使用过的井喷数据。

在海水波动或水下震荡的情况下,海水中的原油经过几天的时间会乳化泡沫状的物质,几周后在阳光的暴晒下会发生氧化现象,再经过数年的时间才会发生降解、下沉然后形成沉淀物。尽管我们有现成的结果可供使用,但是石油在泄漏时还牵扯到很多物理过程及化学反应,所以就需要许多软件程序对各个阶段的情况进行分析,“我们制作了一个针对漏油事故的影响评估模型、一个井喷模型和一个海岸警卫队使用的搜救模型”,美国应用科学咨询公司(简称ASA,为美国国家海洋和大气管理局就墨西哥湾石油泄漏事件提供相关的技术支持)的创始人马尔科姆·斯波尔丁博士(Dr. Malcolm Spaulding)介绍说,ASA提供了一款名为“OILMAPDEEP”的软件,该软件的前身曾在1989年“埃克森·瓦尔迪兹”号油轮泄漏事故的后续调查工作中发挥过重要作用。

ASA曾协助调查过许多漏油事故,但此次事故却是非常独特的。从表面上看,风化过程能够蒸发或溶解掉油膜,而石油分散剂和可控引燃能够直接转化石油的形态。与此相反,从深海深处喷射出的由石油、天然气和水构成的混合物却能够在海表面存在很长时间,我们只能通过其它方法来控制其影响,要么等着这些混合物缓慢分解,要么被形成的溢油羽流带走。抛开政府和媒体的报道不论,这种水下的油质对于井喷模型来说是非常需要的,而在“深水地平线”石油泄漏事故中使用清污羽也是情理之中。

从环境模型方面看,虽然“埃克森·瓦尔迪兹”号油轮泄漏事故对美国海岸所造成的破坏有一定的代表性,“事实上‘埃克森·瓦尔迪兹’号油轮泄漏事故和‘深水地平线’石油泄漏事故是完全不同的两起事故”,斯波尔丁说道,因为前者发生在冰川海区,附近的高山增强了风在该起事故中的作用。与后者比较相像的应该是1979年发生在墨西哥湾的“埃克斯托克(Ixtoc)”油井泄漏事故,但“埃克斯托克”油井泄漏事故发生在浅水区,所以无法提供可参考的数据,“我们并不希望水下的石油和天然气从混合物中分离出来,这样才不会形成水化物,‘埃克斯托克’油井泄漏事故中的溢油羽流很容易就模拟出来了”,德州农工大学沿海和海洋工程系的土木工程副教授斯科特·沙可拉夫斯基博士(Dr. Scott Socolofsky)说道。由于缺少深海溢油羽流扩散情况的相关历史记录,2000年,美国国家海洋和大气管理局使用了一个井喷模型来在挪威的海底进行了一次可控的海底原油泄漏事故试验,沙可拉夫斯基博士参加了此次试验。

早在20世纪60年代的一些应用中,当研究人员把漏油事故的多种影响和模型结合起来时,溢油轨迹的编码就会变得更为复杂。如今,他们把溢油在海洋表面进行漂移的情况归因于海风,至于溢油如何受到冰的影响,海浪如何将溢油打散等问题,斯波尔丁认为这需要考虑自然、滑雪、表面燃烧扩散等方面的因素,“目前最好的模型拥有一种分散处理的算法,你可以说‘我失去了如此多的石油,而这将改变海水的组成结构’。”

20世纪80年代,科学家们认为油膜是由油滴汇聚而成,而油滴的扩散能力和漂移能力要取决于它的大小和分布情况。理论家们预计,高压低温的泄漏环境需要代码模块来在非理想化状态下对天然气进行处理。在过去的15年里,深海石油钻探作业的深度一度超过300米,特别是在北海区域、西非和巴西的海岸附近以及墨西哥湾。代码的开发者结合以往的一些经验,制作了能够模拟更深海底环境的新模型。深海井喷现象也可以被当作是油滴的一种类型进行编码,直径大小从微米到毫米不等,但它们在接触浅水时能够进行扩散,通过复杂的计算而得出油泡在扩散时受到的阻力大小。如果在水面以下,阻力则和浮力相平衡,油泡会保持不动,直到出现推动它的外力出现为止。

水下溢油羽流来自“深水地平线”钻井与井喷模型的结构比较契合,一些已经被释放出来的物质会停留在水面以下,因为油气混合物在梯度压力的作用下会不断上升,这能够将深海的重水携带出来,同时降低溢油羽流的浮力。直观看来,油气混合物中的分子越多,混合物的浮力就越大,天然气得以在水里进行分解。最为显著的是,水化物能够让浮在水面上的溢油羽流变得更重,如同斯波尔丁所说的那样:“引发井喷现象的‘发动机’已经被带走了。”当溢油羽流到达浅水区时,水化物会分解成水和天然气,而重水则无法持续漂浮状态而沉淀下来,形成名为“入侵层”的第二层溢油羽流。如果剩余的石油和天然气能够在洋流相遇时独立存在下来,那么水和小油滴就会流向下方,而天然气和大油滴则会往上走。在墨西哥湾,墨西哥湾暖流和深海洋流相遇形成的漩涡有可能为促使溢油羽流出现交叉流动的情况。不幸的是,模型对这个最为关键的地方的模拟效果非常不明显,因为关于一旦发生石油和天然气沿不同路线扩散时会发生什么情况的相关试验数据实在是太少了。很明显,这会形成“入侵层”,无法确定的是这一层的厚度和浓度。或许我们能够推测一下,但是目前已知的“入侵层”出现在阿拉巴马州和佛罗里达州附近的德索托峡谷东北坡,大小为35公里长,9公里宽。水的密度自然会随着深度的增加而变大,但盐度水平和混合洋流却会发生不规则的变化。洋流不是恒定不变的,而海洋表层的洋流还要被海风所左右,深海洋流的方向则根据海底具体的构造而定。所有这些不确定的因素放在一起,更是加剧了预测墨西哥湾漏油事故中油污走向的难度。

通过分析石油从油井中源源不断喷出的视频画面来推测油污的扩散方向以及漏油事故会持续多长时间看似是件很简单的事情,但是实际情况还是比较复杂的。“视频中油污的流速会受到许多因素的影响,充满了各种不确定性,其中一个重要的因素是我们无从得知天然气和石油的比例,另一个因素是我们仅仅只看到了喷射情况的外部情况,至于内部的情形我们不得而知”,通过沙可拉夫斯基博士的描述,我们不妨把喷射情况理解成一个接一个的球形气泡,每一个气泡的大小都不一样,其中所含的石油、天然气和水的比例也是未知的,在它们受到震动时,就从海底喷发出来。

“三维建模方面所遇到的挑战是用来了解溢油羽流核心的关键所在,从井喷视频中我们能看出,溢油羽流是从一个直径20厘米、充满各种变化性的核心开始形成的”,沙可拉夫斯基博士说道,不幸的是,一旦这种变化性覆盖了如在“深水地平线”钻井平台上方形成的水柱时,再对其进行模拟就需要更为强大的计算能力了。研究人员解决这个问题的办法是在一维情况下对羽流进行模拟,然后与一个粗糙的、几乎不相关的三维模型进行耦合而成。这样的技术显然是不完善的,但却是目前的科学所能提供的最好的,而这多少可能会改变未来的深海石油井喷研究。根据沙可拉夫斯基博士的推测,目前发生在海底的灾难,能够提供一些关于石油、天然气和分散剂等物质的垂直运动测量和浓度等数据,创造一个“可靠性更好的、技术更先进的羽流预测模型”。

不过,我们不必依靠灾难性事件来推进对流体力学的理解,可以通过研究一些宏观与微观之间的相关属性来获得,沙可拉夫斯基博士介绍说:“一个经典的例子就是羽流夹卷系数的普遍性,该系数是刚进入羽流的液体的速度和羽流中心液体速度的比值,这些参数的界限在实验室中可能只有几十厘米,但是在实际的火山爆发现象中却有可能是几公里。”然而,科学家们无法在实验室的环境中准确再现拥有特定海水密度和当地洋流的地区的具体情形,鉴于这一点,控制领域的研究还是非常必需的。在事故发生之前,就应该完成相关的事项,通过科学测试,为墨西哥湾的应急计划准备相应的井喷代码。深海中有许多极为深奥的秘密,同样的,这场来自海底的灾难也充满了各种深奥的不确定因素。在没有准确的初始条件下,其余的编码工作将不会对结果形成太大的影响,直到羽流的浮力大小部分由出口孔的形状和混合物离开的速度等因素所决定为止,换句话说,就像是根用破损的金刚石锯加工过的不规则的隔水管却成功地实现了虹吸一样,这将对羽流的去向形成重要的影响。在正确的假设下,羽流的去向和许多水下的情形类似,但经验表明,当地特定的环境将会影响羽流的去向,正如沉积的原油其实是区域生态系统中不可分割的一部分一样。目前,电脑模拟技术还不能预测我们的未来,但我们也可以做它们所做的事情:让历史的潮流和实时的信息来改进我们的做法,让我们把握将要到来的一切!

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