SINTEF RAPPORT TITTEL SINTEF Kjemi Postadresse: 7465 Trondheim Besøksadresse: S.P. Andersens vei 15A Telefon: 73 59 20 80 / 12 12 Telefaks: 73 59 70 51 Foretaksregisteret: NO 948 007 029 MVA Statfjord A, B og C Egenskaper og forvitring på sjøen, karakterisering av vannløselige komponenter relatert til beredskap. FORFATTER(E) Merete Øverli Moldestad, Ivar Singsaas, Janne Lise M. Resby, Liv-Guri Faksness og Jorunn Nerbø Hokstad OPPDRAGSGIVER(E) Statoil RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. STF66 F00138 Åpen Tor Fadnes GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG Åpen 82-14-02270-3 66119600 121 ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) Statfjord.doc Merete Øverli Moldestad Ivar Singsaas ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) SAMMENDRAG 2001-01-12 Tore Aunaas, Forskningssjef Et omfattende forvitrings- og dispergerbarhetsstudium av Statfjord A, B (med og uten produksjonskjemikalier) og C er gjennomført ved 13 C. Resultatene er brukt for å predikere Statfjordoljens egenskaper ved hjelp av SINTEFs Olje Forvitrings Modell. Disse prediksjonene viser hvordan Statfjords egenskaper vil endres over tid på sjøen ved et søl. Et studium av komponentsammensetning og vannløselig fraksjon av Statfjord er gjennomført. Den akutte toksisiteten til denne fraksjonen er målt og sammenlignet med andre oljer. Med utgangspunkt i data fra forvitringsstudiet og studiet av Statfjords komponentsammensetning og vannløselige fraksjon, er OSCAR-modellen brukt for å beregne konsentrasjoner av dispergert olje og løste oljekomponenter i vannsøylen fra et mindre punktutslipp av Statfjordolje, med og uten bruk av dispergeringsmiddel. I tillegg er dagens mekaniske feltberedskap på Statfjord inkludert, for sammenligning av forventet effektivitet av kjemisk dispergering. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 Kjemi Chemistry GRUPPE 2 Miljø Environmental EGENVALGTE Forvitring Weathering Statfjord råolje Statfjord crude oil
2 INNHOLDSFORTEGNELSE Side 1. Innledning og hovedkonklusjoner...4 1.1 Innledning...4 1.2 Statfjord oljenes forvitringsegenskaper...5 1.3 Karakterisering av vannløselige fraksjoner...5 1.4 Simulering av oljekonsentrasjoner i vannsøylen...6 2. Forvitringsegenskaper...8 2.1 Prediksjoner av Statfjord oljenes egenskaper på sjøen...8 2.2 Statfjord oljenes forvitringsegenskaper - oppsummering...15 2.2.1 Generelt...15 2.2.2 Fysikalske og kjemiske egenskaper...15 2.2.3 Emulgering...15 2.2.4 Kjemisk dispergering...15 2.2.5 Mekanisk oppsamling...15 2.2.6 Effekt av produksjonskjemikalier...16 3. Karakterisering av vannløselig fraksjoner...19 3.1 Karakterisering av vannløselige fraksjoner av Statfjord olje...19 3.2 Sammenligning av Statfjord med WAF fra andre oljer...21 3.3 Microtox analyser av WAF løsningene...25 3.4 Oppsummering...25 4. Simulering av oljekonsentrasjoner i vannsøylen...28 4.1 Målsetting...28 4.2 Input data til analysene...28 4.3 Oppsummering...40 4.3.1 Massebalanse...40 4.3.2 Konsentrasjoner i vannsøylen...40 4.3.3 Effekter ved bruk av dispergeringsmiddel på oljesøl...40 Vedlegg A: Råoljers sammensetning, egenskaper og oppførsel på sjøen...43 A1 Kjemisk sammensetning av råoljer...45 A1.1 Hydrokarboner...45 A1.2 Organiske ikke-hydrokarboner...46 A2 Råoljers fysikalske egenskaper...47 A3 Råoljers oppførsel på sjøen...50 A3.1 Fordampning...50 A3.2 Vannløselighet av oljekomponenter...52 A3.3 Foto-oksidering...52 A3.4 Biodegradering...52 A3.5 Sedimentering...53 A3.6 Nedsenking ("overvasking")...53 A3.7 Vann-i-olje (v/o) emulgering...53 A3.9 Olje-i-vann (o/v) dispergering...56 A3.10 Spredning...57 A3.11 Drift av et oljesøl...58 Vedlegg B: Eksperimentelt oppsett og modellering...61 B1 Små-skala testing basert på trinnvis forvitring av oljen...62 B1.1 Trinnvis forvitring av oljen...62 B1.2 Kjemiske og fysikalske egenskaper...63 B1.3 O/v emulgerende tester...64
3 B1.4 Kjemiske o/v dispergerbarhetstester...65 B1.5 Karakterisering av vannløselige fraksjoner...66 B2 Meso-skala renneforsøk...68 B3 Prediksjoner med SINTEF s Olje Forvitrings Modell...71 B3.1 SINTEF s Olje Forvitrings Modell...71 B3.2 Kriterier for prediksjonene...72 B3.3 Optimalisert mekanisk oppsamling...74 B4 Beredskapsanalyse med OSCAR 2000 modellen...74 B4.1 Beskrivelse av modellsystemet...74 Vedlegg C: Resultater og input til SINTEF s Olje Forvitrings Modell...83 C1 Resultater fra små-skala testing basert på trinnvis forvitring...83 C1.1 Kjemisk sammensetning og fysikalske egenskaper...83 C1.2 V/o emulgerende egenskaper...96 C1.2.1 Definisjon av symboler...96 C1.2.2 Vannopptak...96 C1.2.3 Viskositet av v/o emulsjon...99 C1.2.4 Stabilitet av v/o emulsjon og effektivitet av emulsjonsbryter...100 C1.3 Kjemisk dispergerbarhet...103 C1.3.1 Effektivitet ved ulik dosering av dispergeringsmiddel...103 C1.3.2 Dispergerbarhet...104 C2 Resultater fra meso-skala renne forsøk...106 C2.1 Fordampning...106 C2.2 Vann-i-olje emulgering...106 C2.3 Viskositet...106 C2.5 In-situ kjemisk dispergering...110 C2.6 Massebalanse...110 C3 Kjemisk karakterisering og giftighet av WAF og oljer...116 Vedlegg D Referanser...119 I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\3\02-07-16
4 1. Innledning og hovedkonklusjoner 1.1 Innledning Følgende aktiviteter er gjennomført i dette studiet: Studier av oljenes forvitring på sjøen Forvitringsegenskaper til Statfjord A (tilsatt produksjonskjemikalier). Forvitringsegenskaper til Statfjord B (tilsatt produksjonskjemikalier). Produksjonskjemikaliene tilsatt er bl.a. opplyst å være: emulsjonsbryter, korrosjonsinhibitor og avleiringshemmer (kilde: Statoil). Forvitringsegenskaper til Statfjord B (uten tilsetning av produksjonskjemikalier). Forvitringsegenskaper til Statfjord C (tilsatt produksjonskjemikalier). Fordi Statfjord C er antatt å være en god representant for alle Statfjordoljene ble denne testet både i små-skala og stor-skala samt at den ble testet for kjemisk dispergerbarhet. All testing ble gjennomført ved 13ºC. Disse resultatene er brukt for å predikere Statfjord oljens egenskaper på sjøen ved hjelp av SINTEF s Olje Forvitrings Modell. Disse prediksjonene viser hvordan Statfjord egenskaper vil endres over tid på sjøen ved et søl. Effektiviteten til en oljevernaksjon (mekanisk, dispergering, brenning) er avhengig av de fysikalske og kjemiske egenskapene til oljen ved aksjonstidspunktet, og det er derfor viktig å ha gode prediksjoner av forandring i oljens egenskaper over tid. Studium av komponentsammensetning og oljens vannløselige fraksjon (WAF) Karakterisering av komponentsammensetningen til fersk Statfjord råolje. Tillaging av vannløselige fraksjoner (WAF = Water Accommodated Fraction) for fersk og forvitret (avdampet) Statfjord og karakterisering av komponentsammensetningen til WAF-fraksjonen. Akutt giftighet av WAF-fraksjonen er estimert ved hjelp av Microtox -testing. Dette arbeidet har vært en del av det 3-årige forskningsprogrammet AMOS (Singsaas et al. 1998) finansiert av Statoil, Norsk Hydro (Saga) og Norsk Agip. De vannløselige komponentene (WAF) har høy bio-tilgjengelighet overfor marine organismer og antas derfor i stor grad å kunne bidra til evt. skadelige effekter på livet i vannsøylen etter et oljeutslipp. Ved bruk av kjemisk dispergeringsmiddel vil konsentrasjonene av både dispergerte oljedråper (THC = Total Hydrocarbon) og løste oljekomponenter i vannsøylen øke betraktelig. Dette vil imidlertid være lokale effekter ettersom fortynning i sjøvannet raskt vil bringe konsentrasjonen under et eventuelt skadelig nivå. Eventuelle effekter i vannsøylen fra dispergert og løst olje må i en oljevernsammenheng vurderes opp mot eventuelle skader et oljeflak på overflaten og strandet olje kan forårsake (f.eks. sjøfugl). Det er forskjeller i sammensetning og mengde av vannløselige komponenter som kan forårsake effekter, både mellom forskjellige råoljer, og mellom råoljer, kondensat og forskjellige oljeprodukter. Flere data enn det som er presentert i denne rapporten er tilgjengelig i Faksness et al. 2001 og Hokstad et al. 1998, 1999 a og b og 2000.
5 Simulering av oljekonsentrasjoner i vannsøylen OSCAR modellen er benyttet til å gjennomføre simuleringer av et 100 m 3 utslipp av Statfjordolje, med fokus på konsentrasjoner av THC og WAF uten beredskapstiltak og med bruk av kjemisk dispergering. Den mekaniske feltberedskapen som i dag finnes på Statfjordfeltet er også inkludert i simuleringene for sammenligning av effektivitet mot kjemisk dispergering. Med basis i data fra forvitringsstudiet og studiet av oljens komponentsammensetning og vannløselige fraksjon, er OSCAR (Oil Spill Contingency and Response) modellen benyttet til å simulere forløpet av et mindre punktutslipp av Statfjord med og uten tiltak. Dette viser hvordan de data som er fremkommet i laboratoriestudiet kan brukes operasjonelt til å vurdere hvilken beredskapsstrategi som vil være mest gunstig såkalt NEBA (Net Environmental Benefit Analysis). Gjennom dispergeringsforskriftene er det åpnet for bruk av kjemisk dispergeringsmidler hvor det er miljømessig mest gunstig. Bruk av modellverktøy med input fra gode laboratoriedata vil være et godt og nødvendig utgangspunkt for å kunne utføre en NEBA og gjøre de miljømessige vurderingene som skal til for å kunne velge mellom forskjellige tiltak i en utslipps-situasjon. 1.2 Statfjord oljenes forvitringsegenskaper Resultatene fra forvitringsstudiet av Statfjord A, B med og uten produksjonskjemikalier samt C viser at oljene er forholdsvis like. De fysikalske og kjemiske egenskapene varierer i liten grad mellom de tre oljene. Vannopptakshastigheten til oljene varierer lite bortsett fra at Statfjord B uten produksjonskjemikalier har et betydelig langsommere vannopptak enn de tre andre som alle inneholder produksjonskjemikalier. Statfjord er en parafinsk olje som emulgerer relativt raskt. Emulsjonene som dannes er stabile. Lite vann vil separeres ut over en 24 timers settletid f.eks. i en tank. Statfjord vil ha et godt potensiale for kjemisk dispergering: Inntil ca. 12 timer etter et søl på sjøen ved ca. 10-15 m/s vindstyrke ved vintertemperatur. Inntil ca. 1 døgn etter et søl på sjøen ved ca. 10-15 m/s vindstyrke ved sommertemperatur. Ved 2-5 m/s vindstyrke vil Statfjord være dispergerbar opptil flere dager på sjøen både ved sommer og vinterforhold. Nedre grense for optimal mekanisk oppsamling ( tommelfingerregel : viskositet på ca 1000 cp) oppnås etter ca. 1 til 9 timer etter et søl på sjøen ved vintertemperatur (avhengig av vindhastigheten) og fra 1.5 timer til 1 døgn ved sommertemperatur (avhengig av vindhastigheten). Det er ingen grunn til å anta spesielle problemer med tilrenning til en tradisjonell overløpsskimmer for Statfjord oljene verken som vannfri eller emulgert olje. 1.3 Karakterisering av vannløselige fraksjoner Dette karakteriseringsstudiet viser at det er stor variasjon i kjemisk sammensetning av de vannløselige fraksjonene (WAF) fra de fire oljene som er sammenlignet. Sleipner kondensatet skiller seg ut fra de øvrige i og med at det inneholder svært høye konsentrasjoner av BTEX og fenoler, både i selve oljen og i WAF. Troll og Siri har omlag samme totale WAF konsentrasjon (fersk, olje-vann-forhold 1:40) og toksisitet, men den kjemiske sammensetningen av WAF er forskjellig. WAF fra Troll har høyere (mer enn dobbelt) innhold av TEOC, PAH og NPD, men lavere (mindre enn halvparten) BTEX og fenol innhold enn WAF fra Siri. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\5\02-07-16
6 Statfjord og Siri (fersk, olje-vann-forhold 1:10000) har også lik total WAF og BTEX konsentrasjon, men Statfjord WAF inneholder mer enn dobbelt så mye PAH, NPD og fenoler som WAF fra Siri. Det er også en viss forskjell i målt akutt toksisitet, slik at det kan tyde på at WAF fra Siri kan være noe mer giftig enn WAF fra Statfjord, når giftigheten er normalisert med hensyn på total WAF konsentrasjon. Statfjord og Troll ser ut til å gi WAF som er forholdsvis forskjellige, både med hensyn på total WAF konsentrasjon, kjemisk sammensetning og toksisitet: Når det gjelder de ferske oljene, har WAF fra Statfjord høyere total WAF konsentrasjon og høyere BTEX og fenol konsentrasjon, mens Troll har mer enn dobbelt så høy TEOC konsentrasjon. For de forvitrede oljene er det Troll oljen som gir høyest total WAF konsentrasjon. Den har mer enn dobbelt så høyt TEOC innhold, mens de øvrige kjemiske parametrene er omtrent like. Når det gjelder giftighet av WAF, er trenden slik at den relative toksisiteten (normalisert mot total WAF konsentrasjon) øker med forvitringsgrad for Statfjord oljen, mens det er omvendt for Troll oljen. Skal man prøve å trekke noen slutninger relatert til et søl-scenario av Statfjord olje, kan resultatene fra dette laboratoriestudiet indikere at i en tidlig fase (fersk olje) vil total konsentrasjonen av vannløselige komponenter (WAF) fra Statfjord olje kunne ligge noe høyt sammenlignet med andre råoljer på grunn av et relativt høyt innhold av lettløselige monoaromater, BTEX. Etter kort tid er imidlertid disse flyktige komponentene fordampet, og WAF vil være dominert av semiflyktige naftalener og fenoler, samt mer komplekse, polare forbindelser (N,S,O-forbindelser, inkludert organiske syrer). Forskjellen i total WAF konsentrasjon mellom de ulike råoljene jevner seg da mer ut. Generelt ligger WAF konsentrasjonen for råoljer langt lavere enn for kondensater og lette oljeprodukter. Når det gjelder akutt giftighet av den vannløselige fraksjonen fra Statfjord olje, har laboratorieforsøkene gitt EC50-verdier (Microtox ) som ligger mellom ca. 0.7 og 2 ppm. OSCAR modellen har predikert WAF konsentrasjoner som går over 0.5 ppm (se avsnitt 4.3.2) i en tidlig fase av et scenario der Statfjord oljen blir behandlet med dispergeringsmiddel. Selv om det må utvises stor varsomhet med å trekke konklusjoner på grunnlag av en så forenklet giftighetstest som den som er gjort i dette laboratoriestudiet, kan resultatene betraktes som et varsel om at faren for akutt giftighet ikke kan utelukkes i en tidlig fase av et søl med Statfjord olje. 1.4 Simulering av oljekonsentrasjoner i vannsøylen Det er gjennomført simulering med OSCAR 2000 modellen for et punktutslipp av 100 m 3 Statfjordolje ved 5 og 10 m/s vind. Simuleringene viser: Mekanisk oppsamling fra eksisterende feltberedskapsfartøy og kjemisk dispergering med helikopter kommer relativt likt ut mht. effektivitet ved 5 m/s vind. Ved høyere vindhastighet (10 m/s vind) vil kjemisk dispergering kunne fjerne olje fra overflaten raskere enn mekanisk oppsamling. Dette skyldes i hovedsak at effektiviteten i den mekaniske oppsamlingen reduseres mer med økende vind og bølgeaktivitet. Samtidig vil dispergeringsprosessen gå raskere når energien i systemet øker som følge av mer brytende bølger. Bruk av kjemisk dispergeringsmiddel øker konsentrasjonene av dispergert olje (THC) og vannløselige olje komponenter (WAF) i vannsøylen betraktelig kort tid etter behandling. På grunn av fortynning vil imidlertid konsentrasjonene raskt reduseres. Konsentrasjonene av THC og WAF ser ut til å være noe lavere ved 10 m/s vind sammenlignet med 5 m/s vind. Dette antas å skyldes en kombinasjon av flere faktorer: - ved sterkere vind vil oljen spres mer på overflaten før dispergering slik at selve dispergeringen foregår over et større område.
7 - den naturlige dispergeringen vil være høyere ved sterk vind og denne prosessen starter før den kjemiske dispergeringen kommer igang, slik at en større del av oljen vil være naturlig dispergert ved 10 m/s vind. - fordampningen vil være noe høyere ved 10 m/s vind. I og med at de mest flyktige komponentene også samtidig er blant de mest vannløselige, vil økt fordampning ha fjernet en del av disse før dispergering kommer igang. Ved bruk av dispergeringsmiddel er det simulert konsentrasjoner av vannløselige oljekomponenter (WAF) over 0.5 ppm. Laboratorieforsøk med Microtox har gitt EC50 verdier for WAF fra Statfjordoljen på mellom 0.7 og 2 ppm. Det må utvises stor varsomhet i evaluering av Microtox resultater mot simulerte WAF-konsentrasjoner. Imidlertid kan disse resultatene betraktes som et varsel om at muligheten for akutt giftighet ikke kan utelukkes i en tidlig fase når kjemisk dispergeringsmiddel benyttes på Statfjordolje. Dette vil være begrenset til en relativt kort periode etter påføring. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\7\02-07-16
8 2. Forvitringsegenskaper 2.1 Prediksjoner av Statfjord oljenes egenskaper på sjøen Effektiviteten til en oljevernaksjon (mekanisk, bruk av dispergeringsmidler, brenning) vil avhenge av de fysikalske og kjemiske egenskapene til oljen ved aksjonstidspunktet. Det er derfor viktig med gode prediksjoner av forandring i oljens egenskaper over tid på sjøen. Forskjellige tilnærmelser for å forutsi oljens forvitringsegenskaper på sjøen, er omtalt i litteraturen. I mange tilfelle er disse basert på "mikseregler", hvor forskjellige fysikalske egenskaper er utledet med basis i komposisjonelle forandringer forårsaket av fordampning av de letteste komponentene i oljen. Enkle "mikseregler" vil være relevante for egenskaper som tetthet, men mindre relevant for egenskaper som viskositet og stivnepunkt. I tillegg til rene råoljedata (Crude Oil Assay), benytter SINTEF s Olje Forvitrings Modell (SINTEF s OFM) også forvitringsdata for den aktuelle oljetypen. Flere feltforsøk har verifisert at dette øker robustheten av modellprediksjonene vesentlig (Daling et al. 1997). SINTEF s OFM er benyttet til å predikere Statfjord oljens egenskaper på sjøen basert på en omfattende forvitringsstudie både ved vintertemperatur (5 C) og sommertemperatur (13 C). Vedlegg C3 gir en oversikt over inputdata som er benyttet i modelleringen. Prediksjonene viser forvitringsegenskaper ved sommer- og vintertemperatur ved fire forskjellige vindstyrker og tar utgangspunkt i et overflateutslipp med: Initiell filmtykkelse: 20 mm Sluttfilmtykkelse: 2 mm Halveringstid i filmtykkelse: 1 time Prediksjonene kan brukes som et hjelpemiddel i opplærings- og øvelsessammenheng, samt i en reell sølsituasjon. Eksempel på bruk av prediksjonsarkene Dersom Statfjord C oljen har drevet en viss tid på sjøen kan oljens egenskaper estimeres vha. prediksjonsarkene ved angitt tid etter utslipp kombinert med sjøtemperatur og vindstyrke. Tabell 2.1 viser eksempler på bruk av prediksjonsarkene ved følgende scenarier: Drivtid: 24 timer Temperatur: 5 C / 15 C Vindstyrke: 10 m/s Under vinterforhold (5 C) vil emulsjonen ha fått så høy viskositet at den vil være dårlig dispergerbar, mens under sommerforhold (15 C) vil emulsjonen fortsatt kunne dispergeres, men den vil ha redusert dispergerbarhet. Tabell 2.1 Forvitringsegenskaper til Statfjord C oljen avlest i prediksjonsark. Egenskap Vintertemperatur 5 C Sommertemperatur 15 C Fordampning 36% 39% Stivnepunkt 23 C 25 C Viskositet vannfri olje 6000 cp 4000 cp Vanninnhold 70% 70% Viskositet emulsjon 17000 cp 11000 cp
9 Property: EVAPORATIVE LOSS Oil Type: STATFJORD C BLEND Description: TBP from Statoil Data Source: SINTEF Applied Chemistry (2000), Weathering data Copyright 2000 Initial/Terminal Oil film thickness: 20 mm/1 mm Release rate: 1.33 metric tons/minute Pred. date: Dec. 22, 2000 Wind Speed (m/s): 15 Wind Speed (m/s): 10 Wind Speed (m/s): 5 Wind Speed (m/s): 2 50 Winter Conditions (5 C) 40 Evaporated (%) 30 20 10 0 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days 60 Summer Conditions (15 C) 50 Evaporated (%) 40 30 20 10 0 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days Figur 2.1 Fordampning av Statfjord C oljen ved sjøtemperatur på 5 C og 15 C (basert på laboratoriedata ved 13 C). I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\9\02-07-16
10 Property: POUR POINT FOR WATER-FREE OIL Oil Type: STATFJORD C BLEND Description: TBP from Statoil Data Source: SINTEF Applied Chemistry (2000), Weathering data Copyright 2000 Initial/Terminal Oil film thickness: 20 mm/1 mm Release rate: 1.33 metric tons/minute Pred. date: Dec. 22, 2000 Wind Speed (m/s): 15 Wind Speed (m/s): 10 Wind Speed (m/s): 5 Wind Speed (m/s): 2 Chemically dispersible Reduced chemical dispersibility Poorly / slowly chemically dispersible 40 Winter Conditions (5 C) Pour Point ( C) 20 0-20 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days 40 Summer Conditions (15 C) Pour Point ( C) 20 0-20 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days Based on pour point measurements of weathered, water-free oil residues. Figur 2.2 Stivnepunkt for Statfjord C oljen ved sjøtemperatur 5 C og 15 C (basert på laboratoriedata ved 13 C).
11 Property: VISCOSITY FOR WATER-FREE OIL Oil Type: STATFJORD C BLEND Description: TBP from Statoil Data Source: SINTEF Applied Chemistry (2000), Weathering data Copyright 2000 Initial/Terminal Oil film thickness: 20 mm/1 mm Release rate: 1.33 metric tons/minute Pred. date: Dec. 22, 2000 Wind Speed (m/s): 15 Wind Speed (m/s): 10 Wind Speed (m/s): 5 Wind Speed (m/s): 2 100000 Winter Conditions (5 C) 10000 Viscosity (cp) 1000 100 10 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days 100000 Summer Conditions (15 C) 10000 Viscosity (cp) 1000 100 10 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days Based on viscosity measurements carried out at a shear rate of 10 reciprocal seconds. Figur 2.3 Viskositet for vannfri Statfjord C oljen ved sjøtemperatur 5 C og 15 C. (basert på laboratoriedata ved 13 C). Viskositet målt ved skjærhastighet 10s -1. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\11\02-07-16
12 Property: WATER CONTENT Oil Type: STATFJORD C BLEND Description: TBP from Statoil Data Source: SINTEF Applied Chemistry (2000), Weathering data Copyright 2000 Initial/Terminal Oil film thickness: 20 mm/1 mm Release rate: 1.33 metric tons/minute Pred. date: Dec. 22, 2000 Wind Speed (m/s): 15 Wind Speed (m/s): 10 Wind Speed (m/s): 5 Wind Speed (m/s): 2 80 Winter Conditions (5 C) 60 Water content (%) 40 20 0 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days 80 Summer Conditions (15 C) 60 Water content (%) 40 20 0 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days Figur 2.4 Vanninnhold i Statfjord C olje ved sjøtemperatur 5 C og 15 C (basert på laboratoriedata ved 13 C).
13 Property: VISCOSITY OF EMULSION Oil Type: STATFJORD C BLEND Description: TBP from Statoil Data Source: SINTEF Applied Chemistry (2000), Weathering data Copyright 2000 Initial/Terminal Oil film thickness: 20 mm/1 mm Release rate: 1.33 metric tons/minute Pred. date: Dec. 22, 2000 Wind Speed (m/s): 15 Wind Speed (m/s): 10 Wind Speed (m/s): 5 Wind Speed (m/s): 2 Chemically dispersible (<1700 cp) Reduced chemical dispersibility Poorly / slowly chemically dispersible (>14500 cp) 1000000 Winter Conditions (5 C) 100000 Viscosity (cp) 10000 1000 100 10 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days 100000 Summer Conditions (15 C) 10000 Viscosity (cp) 1000 100 10 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days Based on viscosity measurements carried out at a shear rate of 10 reciprocal seconds. Chemical dispersability information based on experiments under standard laboratory conditions. Figur 2.5 Viskositet av Statfjord C v/o emulsjon ved sjøtemperatur 5 og 13 C (basert på laboratoriedata ved 13 C). Viskositet målt ved skjærhastighet 10s -1. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\13\02-07-16
14 Property: FLASH POINT FOR WATER-FREE OIL Oil Type: STATFJORD C BLEND Description: TBP from Statoil Data Source: SINTEF Applied Chemistry (2000), Weathering data Copyright 2001 Initial/Terminal Oil film thickness: 20 mm/1 mm Release rate: 1.33 metric tons/minute Pred. date: Jan. 16, 2001 Wind Speed (m/s): 15 Wind Speed (m/s): 10 Wind Speed (m/s): 5 Wind Speed (m/s): 2 No fire hazard Fire hazard in tankage (<60 C) Fire hazard at sea surface (below sea temperature) 100 Winter Conditions (5 C) Flash Point ( C) 50 0 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days 100 Summer Conditions (15 C) Flash Point ( C) 50 0 0.25 0.5 1 2 3 6 9 12 1 2 3 4 5 20 Hours Days Based on flash point measurements of weathered, water-free oil residues. Figur 2.6 Flammepunkt for Statfjord C v/o emulsjon ved sjøtemperatur 5 og 13 C (basert på laboratoriedata ved 13 C).
15 2.2 Statfjord oljenes forvitringsegenskaper - oppsummering 2.2.1 Generelt Det er gjennomført et omfattende forvitrings- og dispergerbarhetsstudie av Statfjord A, B og C oljene i laboratorieskala og Statfjord C i meso-skala testbasseng ved 13 C. Det eksperimentelle oppsettet benyttet for å fremskaffe data er beskrevet i Vedlegg B, mens detaljerte resultater finnes i Vedlegg C. Resultatene fra testingen av Statfjord A, B med og uten produksjonskjemikalier samt C viser at oljene er forholdsvis like. De fysikalske og kjemiske egenskapene varierer i liten grad mellom de tre oljene. Vannopptakshastigheten til oljene varierer lite bortsett fra at Statfjord B uten produksjonskjemikalier har et betydelig langsommere vannopptak enn de tre andre som alle er med produksjonskjemikalier. Nedenfor oppsummeres forvitringsegenskapene til Statfjord oljene relatert til beredskap. I tillegg vises prediksjoner sammenlignet med egenskaper for andre norske råoljer ved 13 C i figur 3.1-3.4. 2.2.2 Fysikalske og kjemiske egenskaper Statfjord kan klassifiseres som en parafinsk olje (tetthet 0.83-0.84 g/ ml) og vil miste ca. 30% av de letteste komponentene i løpet av det første døgnet på sjøen. Statfjord inneholder lite asfaltener (mindre enn 0.1 vekt % ), og har et middels voksinnhold på ca. 4 vekt % voks. Stivnepunktet er middels høyt (ca. 15-21 C etter en time på sjøen). 2.2.3 Emulgering Statfjord emulgerer relativt raskt og emulsjonene som dannes er stabile. Lite vann vil brytes ut over en 24 timers settletid (henstand) f.eks. i en tank. Effekten av emulsjonsbryter er god, og tilsats av lav konsentrasjon av emulsjonsbryter (500 ppm Alcopol = 60%) vil bryte emulsjoner av Statfjord. 2.2.4 Kjemisk dispergering Dispergerbarhetstesting er utført på Statfjord C og dispergerbarhetsgrensene er satt ut fra disse resultatene. Siden de tre oljene er såpass like antas at de samme grensene gjelder for alle Statfjordoljene. Statfjord vil ha et godt potensiale for kjemisk dispergering: Inntil ca. 12 timer etter et søl på sjøen ved ca. 10-15 m/s vindstyrke ved vintertemperatur. Inntil ca. 1 døgn etter et søl på sjøen ved ca. 10-15 m/s vindstyrke ved sommertemperatur. Ved 2-5 m/s vindstyrke vil Statfjord være dispergerbar opptil flere dager på sjøen både ved sommer og vinterforhold. 2.2.5 Mekanisk oppsamling Nedre grense for optimal mekanisk oppsamling ( tommelfingerregel på ca 1000 cp) oppnås etter ca. 1 til 9 timer etter et søl på sjøen ved vintertemperatur (avhengig av vindhastigheten) og fra 1.5 timer til 1 døgn ved sommertemperatur (avhengig av vindhastigheten). Det er ingen grunn til å anta spesielle problemer med tilrenning til en tradisjonell overløpsskimmer for Statfjord oljene verken som vannfri eller emulgert olje. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\15\02-07-16
16 2.2.6 Effekt av produksjonskjemikalier De fysikalske og kjemiske egenskapene er lite påvirket av produksjonskjemikalier med unntak av stivnepunktet og viskositet. Stivnepunktet til Statfjord B med produksjonskjemikalier er lavere enn for Statfjord B uten produksjonskjemikalier. Viskositeten er litt høyere for oljen tilsatt produksjonskjemikalier. Vannopptakshastigheten er betydelig raskere for B med produksjonskjemikalier noe som vil medføre at oljen når en høyere viskositet raskere. Stabiliteten til emulsjonene viser ingen klare forskjeller mellom olje med og uten produksjonskjemikalier.
17 40 Fordampning (vekt%) 35 30 25 20 15 10 Statfjord C blend Grane Gullfaks Norne 5 0 0 5 10 15 20 25 30 Tid på sjøen (timer) Figur 2.6 Fordampning som funksjon av tid på sjøen ved 5 m/s vind, 15 C sjøtemperatur, og 20 til 2 mm filmtykkelse med halveringstid på 1 time. 30 Stivnepunkt ( C) 20 10 0-10 -20 Sjøtemperatur Statfjord C blend Grane Gullfaks Norne -30 0 5 10 15 20 25 30 Tid på sjøen (timer) Figur 2.7 Stivnepunkt som funksjon av tid på sjøen ved 5 m/s vind, 15 C sjøtemperatur, og 20 til 2 mm filmtykkelse med halveringstid på 1 time. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc\ala\17\02-07-16
18 Vanninnhold (vol%) 100 80 60 40 20 Statfjord C blend Grane Gullfaks Norne 0 0 5 10 15 20 25 30 Tid på sjøen (timer) Figur 2.8 Vannopptak som funksjon av tid på sjøen ved 5 m/s vind, 15 C sjøtemperatur, og 20 til 2 mm filmtykkelse med halveringstid på 1 time. 100000 Viskositet (cp) ved 10 s -1 10000 1000 100 Statfjord C blend Grane Gullfaks Norne 10 0 5 10 15 20 25 30 Tid på sjøen (timer) Figur 2.9 Emulsjonsviskositet som funksjon av tid på sjøen ved 5 m/s vind, 15 C sjøtemperatur, og 20 til 2 mm filmtykkelse med halveringstid på 1 time
19 3. Karakterisering av vannløselig fraksjoner Hensikten med å studere den vannløselige fraksjonen fra oljer er å kartlegge hvilke kjemiske komponenter og hvilke konsentrasjonsnivåer som foreligger i løst form. Den vannløselige fraksjonen er av spesiell interesse på grunn av at den har høy bio-tilgjengelighet overfor marine organismer (Neff and Stubblefield, 1995, McAuliffe, 1987), og dermed potensiale for å forårsake akutte toksiske effekter på marine organismer. Det er valgt å studere den vannløselige fraksjonen i laboratoriesystemer der det ikke foreligger dispergerte oljedråper. Dette skyldes dels at det antas at løste oljekomponenter og dispergerte oljedråper har helt ulik virkningsmekanisme, og dels at det ved kjemisk analyse av vannprøver der det foreligger dispergerte oljedråper ikke er mulig å fastslå hvor stor andel av komponentene som foreligger i løsning og hvor mye som inngår i dråpefasen. Både oljesøl situasjoner og utslipp av produsert vann gir vannmasser som er eksponert for olje. Dette er komplekse og dynamiske systemer bestående av både dispergerte oljedråper og oppløste oljekomponenter. På grunn av fortynning og forvitring vil sammensetningen av den vannløselige fraksjonen endres som funksjon av tid etter et utslipp. I tilfeller der det er dispergert olje tilstede vil denne, sammen med overflate-olje, være en kilde for stadig utløsning av vannløselige oljekomponenter. Begrepet Water Accommodated Fraction, WAF, benyttes her som betegnelse på vannløselig fraksjon (Singer et al.,2000). Forkortelsen WAF er benyttet i en del figurer og tabeller i det følgende. 3.1 Karakterisering av vannløselige fraksjoner av Statfjord olje I dette studiet er det brukt oljemengder som gir olje:vann-forhold på henholdsvis 1:40 (25 g olje/ L sjøvann) og 1:10 000 (100 mg olje / L sjøvann), og tillagingen er gjort ved 13 C. Valget av disse to olje:vann-forholdene er diskutert i Vedlegg B, avsnitt B1.5. Den kjemiske sammensetningen av en oljes vannløselige fraksjon avhenger av selve oljens sammensetning og av de ulike komponentenes vannløselighet. De mest vannløselige komponentene vil anrikes i vannfasen. Slik forskyves den relative kjemiske sammensetningen av en vannløselig fraksjon i forhold til den kjemiske sammensetningen av selve oljen. Figur 3.1 viser den kjemiske sammensetningen av fersk Statfjord olje og vannløselig fraksjon av den samme oljen. Av figuren sees at det relative innholdet av komponenter med høy vannløselighet, f.eks. mono-aromater (Bensen, Toluen, Etylbensen og Xylener; BTEX) og fenoler, er langt høyere i den vannløselige fraksjonen enn i selve oljen. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
20 Chemical composition in Statfjord fresh oil 30 25 20 g analyte/kg oil 15 10 5 0 C5-sat C6-sat C7-sat C8-sat C9-sat benzene C1-ben C2-ben C3-ben C4- and C5-ben Naph PAH Phenols WAF from Statfjord fresh oil 1:40 10.0 9.0 8.0 ppm (mg/l seawater) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 C5-sat C6-sat C7-sat C8-sat C9-sat benzene C1-ben C2-ben C3-ben C4- and C5-ben TEOC Naph PAH Phenols Polars Figur 3.1 Kjemisk sammensetning av fersk Statfjord olje og vannløselig fraksjon (WAF) fra den samme oljen. WAF prepareringen ble utført med et olje/vann forhold på 1:40, ved 13 C.
21 3.2 Sammenligning av Statfjord med WAF fra andre oljer I det følgende er det trukket frem et utvalg av data som beskriver viktige egenskaper ved Statfjord oljens vannløselige fraksjon. Det er også gjort sammenligninger med tilsvarende parametre for vannløselige fraksjoner fra andre oljetyper. Det er valgt å sammenligne Statfjord, som er en parafinsk olje, med Troll (naftensk), Siri (voksrik) og Sleipner (kondensat). Resultater for Statfjord og Sleipner er hentet fra Faksness et al. (2001), Troll fra Daling og Johnsen (1997), samt upubliserte data, mens resultatene for Siri er hentet fra Daling og Faksness (1998). Her er det valgt å fokusere på total WAF konsentrasjon, BTEX (Bensen, toluen, etylbensen, og o-, m-, og p-xylener), 16 PAH (fra EPA-listen), NPD (C 0 -C 3 naftalener, fenatrener og dibensothiofener) og fenoler, samt akutt toksisitet. Tabellen i vedlegg C3 viser en del nøkkelparametre. Resultatene er også presentert i figurer og diskutert på de neste sidene Total WAF-konsentrasjon og BTEX i WAF er sammenlignet i figur 3.2. WAF-konsentrasjonen fra Sleipner (fresh, 1:40 og 1:10 000) er mye høyere enn de øvrige. Dette har sammenheng med at Sleipner er et kondensat, og derfor inneholder mye lette komponenter, deriblant BTEX, som har høy vannløselighet. WAF fra Statfjord inneholder noe mer vannløselige oljekomponenter enn de to andre råoljene (Troll og Siri). Statfjord og Siri har omlag samme BTEX-konsentrasjon i oljen (Vedlegg C3), mens BTEX konsentrasjonen i WAF fraksjonen fra Statfjord er noe høyere enn Siri og vesentlig høyere enn Troll. Figur 3.3 viser konsentrasjoner av de 16 PAH og NPD i WAF. Naftalen utgjør omlag 95% av de 16 PAH i WAF, og naftalener (C 0 -C 3 ) omtrent 95% av NPD. I selve oljen varierer andel naftalen av de 16 PAH fra ca 65% i Statfjord, Troll og Siri til nesten 90 % i Sleipner. Statfjord og Troll olje, samt Sleipner kondensat, inneholder omlag samme NPD-konsentrasjon. I oljene fra Statfjord og Troll varierer NPD lite med forvitringsgrad, mens den i Sleipner øker tre ganger fra fersk til 250 C+. Dette har sammenheng med at Sleipner kondensatet har et mye høyere innhold av flyktige komponenter (inkl. BTEX) enn de øvrige oljene. Ved forvitring (til 250 C+) vil disse fordampe og konsentrasjonen av tyngre komponenter, som PAH og NPD, vil øke. WAF fra Statfjord og Siri oljer (fersk, 1:40) inneholder omlag samme fenolkonsentrasjoner, mens WAF fra Troll oljen har lavere innhold (Figur 3.4). WAF fra Sleipner kondensatet inneholder omlag 5 ganger mer fenoler enn WAF fra Statfjord. Forskjellen er enda større for 250 C+ (1:40). Trenden i variasjon i fenol-innhold i WAF reflekterer innholdet av fenoler i selve oljene. Fenolkonsentrasjonen i WAF er svært avhengig av olje:vann-forholdet (Fig. 3.4, samt tabell i vedlegg C3). Dette skyldes at fenoler har høy vannløselighet, og i situasjoner med lavt olje:vann-forhold vil det være slik at den tilgjengelige oljemengden er begrensende for fenolkonsentrasjonen som oppnås i WAF. Resultater for Totalt ekstraherbart organisk materiale (TEOC) fra WAF er vist i figur 3.5. TEOC består av semiflyktige komponenter (> C 10 ). I tillegg til NPD,PAH og fenoler inneholder TEOC fra WAF også en del komplekst, forholdsvis polart materiale. Dette er foreløpig dårlig karakterisert, men det antas bla. å omfatte N,S,O-forbindelser og organiske syrer. TEOC nivået i WAF fra råoljene Statfjord og Siri, samt fra Sleipner kondensat, er forholdsvis likt. WAF fra Troll oljen har imidlertid et høyere innhold av TEOC (skyldes høyt bidrag av komplekst polart materiale). I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
22 Totalkonsentrasjon WAF (mg/l) 100 90 80 70 mg/l 60 50 40 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 30 20 10 0 Statfjord Sleipner Troll Siri BTEX i WAF (mg/l) 100 73.17 10 18.68 8.168 5.7 11.62 1.744 1.61 mg/l 1 0.1 0.046 0.085 0.04 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 0.013 0.01 0.006 0.001 Statfjord Sleipner Troll Siri Figur 3.2 Total konsentrasjon av WAF i de forskjellige oljene og BTEXkonsentrasjon i WAF fraksjonene. (NB!: vertikal akse i logaritmisk skala i nederste figur).
23 16 EPA PAH i WAF (µg/l) 180 160 140 120 µg/l 100 80 60 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 40 20 0 Statfjord Sleipner Troll Siri NPD i WAF (µg/l) 500 450 400 350 ug/l 300 250 200 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 150 100 50 0 Statfjord Sleipner Troll Siri Figur 3.3 Konsentrasjon av 16 PAH og NPD i WAF. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
24 Fenoler (C0-C4) i WAF (mg/l) 2,8 2,4 2,0 mg/l (ppm) 1,6 1,2 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 0,8 0,4 0,0 Statfjord Sleipner Troll Siri Figur 3.4 Konsentrasjon av fenoler i WAF. TEOC i WAF (mg/l) 8 7 6 mg/l 5 4 3 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 2 1 0 Statfjord Sleipner Troll Siri Figur 3.5 Totalt ekstraherbart organisk materiale fra WAF.
25 3.3 Microtox analyser av WAF løsningene Samtidig med den detaljerte kjemiske karakteriseringen av de ulike WAF, ble det også målt akutt toksisitet v.h.a Microtox. Alle målinger ble gjort umiddelbart etter prøvetaking, og under kontrollerte og gasstette eksponeringsbetingelser. Siden metoden baserer seg på måling av én enkelt respons hos en svært enkel organisme, må det imidlertid presiseres at det ikke må trekkes for vidtgående konklusjoner angående risiko for akutte effekter på økosystemet på grunnlag av resultater fra Microtox -testen. Metoden er kun egnet til å gi en indikasjon på mulig akutt giftighet. Akutt giftighet er angitt som EC50 verdier, dvs. den konsentrasjonen som gir effekt på 50% av organismene. EC50-verdiene er gitt både i % av den opprinnelige WAF løsningen, EC50 (%), samt normalisert med hensyn på total WAF konsentrasjon i løsningen, EC50 (ppm). En lav EC50 innebærer høy toksisitet. Figur 3.6 sammenligner total WAF konsentrasjoner og EC50-verdier av WAF til Statfjord, Sleipner, Troll og Siri ved ulike forvitringsgrader og olje:vann-forhold. EC50 (%)-verdiene viser redusert giftighet av WAF ved økende forvitring. Dette henger sammen med reduksjonen i lettflyktige komponenter (BTEX'ene) ved forvitring, og dermed en lavere total WAF konsentrasjon fra de forvitrede oljene. Ser man imidlertid på EC50-verdiene normalisert med hensyn på total WAF konsentrasjon, EC50 (ppm), indikerer dette at WAF-løsningene fra forvitret olje er relativt mer giftige enn WAF fra fersk olje (EC50(ppm)-verdiene går ned -> mer giftig). Denne trenden observeres både for Statfjord, Siri og Sleipner. Dette kan forklares med at den relative komponentsammensetningen av WAF fra forvitret olje er forskjellig fra sammensetningen av WAF fra fersk olje, og at det må være forholdsvis høyere andel av mer giftige komponenter i WAF fra forvitret olje. Figur 3.6 viser videre hvordan toksisiteten avtar (EC50 % øker) for WAF løsninger tillaget med lavere olje:vann-forhold. Imidlertid øker den relative toksisiteten med hensyn på konsentrasjon, EC50(ppm), ved redusert olje-vann-forhold. Dette indikerer at det er forholdsvis høyere innhold av mer giftige komponenter i WAF fra systemer med lavt olje:vann-forhold. Den relative komponentsammensetningen av WAF avhenger av olje:vann-forholdet, og ved lave olje:vannforhold går forholdsvis mer av større, tyngre løselige komponenter i løsning Foreløpig vet vi for lite om hvordan de ulike WAF-komponentene bidrar til den observerte giftigheten. Det er dermed vanskelig å forutsi noe om giftighet direkte ut fra den kjemiske sammensetningen. 3.4 Oppsummering Dette karakteriseringsstudiet viser at det er stor variasjon i kjemisk sammensetning av de vannløselige fraksjonene (WAF) fra de fire oljene som er sammenlignet. Sleipner kondensatet skiller seg ut fra de øvrige i og med at det inneholder svært høye konsentrasjoner av BTEX og fenoler, både i selve oljen og i WAF. Troll og Siri har omlag samme totale WAF konsentrasjon (fersk, 1:40) og toksisitet, men den kjemiske sammensetningen av WAF er forskjellig. WAF fra Troll har høyere (mer enn dobbelt) innhold av TEOC, PAH og NPD, men lavere (mindre enn halvparten) BTEX og fenol innhold enn WAF fra Siri. Statfjord og Siri (fersk, 1:10000) har også lik total WAF og BTEX konsentrasjon, men Statfjord WAF inneholder mer enn dobbelt så mye PAH, NPD og fenoler som WAF fra Siri. Det er også en viss forskjell i målt akutt toksisitet, slik at det kan tyde på at WAF fra Siri kan I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
26 være noe mer giftig enn WAF fra Statfjord, når giftigheten er normalisert med hensyn på total WAF konsentrasjon. Statfjord og Troll ser ut til å gi WAF som er forholdsvis forskjellige, både med hensyn på total WAF konsentrasjon, kjemisk sammensetning og toksisitet: Når det gjelder de ferske oljene, har WAF fra Statfjord høyere total WAF konsentrasjon og høyere BTEX og fenol konsentrasjon, mens Troll har mer enn dobbelt så høy TEOC konsentrasjon. For de forvitrede oljene er det Troll oljen som gir høyest total WAF konsentrasjon. Den har mer enn dobbelt så høyt TEOC innhold, mens de øvrige kjemiske parametrene er omtrent like. Når det gjelder giftighet av WAF, er trenden slik at den relative toksisiteten (normalisert mot total WAF konsentrasjon) øker med forvitringsgrad for Statfjord oljen, mens det er omvendt for Troll oljen. Skal man prøve å trekke noen slutninger relatert til et søl-scenario av Statfjord olje, kan resultatene fra dette laboratoriestudiet indikere at i en tidlig fase (fersk olje) vil total konsentrasjonen av vannløselige komponenter (WAF) fra Statfjord olje kunne ligge noe høyt sammenlignet med andre råoljer på grunn av et relativt høyt innhold av lettløselige monoaromater, BTEX. Etter kort tid er imidlertid disse flyktige komponentene fordampet, og WAF vil være dominert av semiflyktige naftalener og fenoler, samt mer komplekse, polare forbindelser (N,S,O-forbindelser, inkludert organiske syrer). Forskjellen i total WAF konsentrasjon mellom de ulike råoljene jevner seg da mer ut. Generelt ligger WAF konsentrasjonen for råoljer langt lavere enn for kondensater og lette oljeprodukter. Når det gjelder akutt giftighet av den vannløselige fraksjonen fra Statfjord olje, har laboratorieforsøkene gitt EC50-verdier (Microtox ) som ligger mellom ca. 0.7 og 2 ppm. OSCAR modellen har predikert WAF konsentrasjoner som går over 0.5 ppm (se avsnitt 4.3.2) i en tidlig fase av et scenario der Statfjord oljen blir behandlet med dispergeringsmiddel. Selv om det må utvises stor varsomhet med å trekke konklusjoner på grunnlag av en så forenklet giftighetstest som den som er gjort i dette laboratoriestudiet, kan resultatene betraktes som et varsel om at faren for akutt giftighet ikke kan utelukkes i en tidlig fase av et søl med Statfjord olje.
27 Totalkonsentrasjon WAF (mg/l = ppm) 100 90 80 70 mg/l = ppm 60 50 40 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 30 20 10 0 Statfjord Sleipner Troll Siri Microtox, EC50 (%) 50 40 EC50 (%) 30 20 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 10 0 Statfjord Sleipner Troll Siri Microtox, EC50 (ppm) 2.0 1.8 1.6 1.4 EC50 (ppm) 1.2 1.0 0.8 fresh 1:40 fresh 1:10 000 250+ 1:40 250+ 1:10 000 0.6 0.4 0.2 0.0 Statfjord Sleipner Troll Siri Figur 3.6. Akutt giftighetstesting ved bruk av Microtox I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
28 4. Simulering av oljekonsentrasjoner i vannsøylen Det er gjennomført simuleringer med OSCAR 2000 modellen for et utslipp av 100 m 3 Statfjordolje. Resultatene fra disse simuleringene presenteres i dette avsnittet, mens en nærmere beskrivelse av OSCAR 2000 finnes i Vedlegg B. 4.1 Målsetting Målsettingen med denne analysen har vært å estimere konsentrasjoner av dispergert olje (THC) og løste oljekomponenter (WAF) i vannsøylen fra et mindre punktutslipp av Statfjordolje, med og uten bruk av dispergeringsmiddel. I tillegg er dagens mekaniske feltberedskap på Statfjord inkludert for sammenligning av forventet effektivitet mot kjemisk dispergering. 4.2 Input data til analysene Tabell 4.1 viser de simuleringene som er gjennomført i denne studien. Vindretningen som ble benyttet var fra Sør-Vest. Tabell 4.1 Simuleringer gjennomført i denne studien Simulering Utslippsscenario Vindhastighet., Oljeverntiltak # m/s 1 Punktutslipp; 100 m 3 5 Ingen respons 2 Punktutslipp; 100 m 3 5 Mekanisk 3 Punktutslipp; 100 m 3 5 Dispergering 4 Punktutslipp; 100 m 3 10 Ingen respons 5 Punktutslipp; 100 m 3 10 Mekanisk 6 Punktutslipp; 100 m 3 10 Dispergering Dagens feltberedskap på Statfjord utgjøres av Troms Skarven som i hovedsak ligger på Gullfaks, ca. 1 t gangtid fra Statfjord. I simuleringene er dispergeringsmiddel påført med den nyutviklede Response 3000 D og det er antatt at tilstrekkelige mengder dispergeringsmiddel finnes på feltet, enten på en plattform eller supply-båt. Tabell 4.2 angir noen av input parametrene som ble benyttet i OSCAR simuleringene. Tabell 4.2 Beskrivelse av systemparametre benyttet som input til OSCAR 2000 modellen. Parameter Feltberedskap Dispergering Systemnavn Transrec 200 Norlense 800, 200 m Response 3000 D Helikopter Troms Skarven Responstid, t 2 1 Opptaksrate, m 3 /t 100 - Påføringsrate, l/min - 900 Øvre værmessige 12 m/s vind 15 m/s vind operasjonsgrense Lenseåpning, m 90 - Sprayebredde, m - 25 Marsjfart, knop 8 95 Operasjonshastighet, knop 1 58 Resultatene fra analysen er vist i følgende figurer:
29 Figur 4.1: Massebalansekurver ved 5 m/s vind. Figur 4.2: Massebalansekurver ved 10 m/s vind. Figur 4.3: THC uten respons ved 5 m/s vind. Figur 4.4: WAF uten respons ved 5 m/s vind. Figur 4.5: THC med kjemisk dispergering ved 5 m/s vind. Figur 4.6: WAF med kjemisk dispergering ved 5 m/s vind. Figur 4.7: THC uten respons ved 10 m/s vind. Figur 4.8: WAF uten respons ved 10 m/s vind. Figur 4.9: THC med kjemisk dispergering ved 10 m/s vind. Figur 4.10: WAF med kjemisk dispergering ved 10 m/s vind. Definisjoner: THC = Totale hydrokarboner både dispergert olje og løste oljekomponenter. WAF = Water Accomodated Fraction i hovedsak vannløste oljekomponenter. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
30 Ingen respons, 5 m/s vind 100 % A Massebalanse 80 % 60 % 40 % 20 % Fordampet Overflata Dispergert Oppsamlet Sediment Strandet Nedbrutt Utenfor grid 0 % 0 1 Tid (dager) Mekanisk oppsamling, 5 m/s vind Massebalanse 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % B Fordampet Overflata Dispergert Oppsamlet Sediment Strandet Nedbrutt Utenfor grid 0 % 0 1 Tid (dager) Dispergering, 5 m/s vind Massebalanse 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % C Fordampet Overflata Dispergert Oppsamlet Sediment Strandet Nedbrutt Utenfor grid 0 % 0 1 Tid (dager) Figur 4.1 Massebalanse ved utslipp av 100 tonn olje ved 5 m/s vind A) Uten respons; B) Mekanisk oppsamling; C) Dispergering
31 Ingen respons, 10 m/s vind 100 % A Massebalanse 80 % 60 % 40 % 20 % Fordampet Overflata Dispergert Oppsamlet Sediment Strandet Nedbrutt Utenfor grid 0 % 0 1 Tid (dager) Mekanisk oppsamling, 10 m/s vind 100 % B Massebalanse 80 % 60 % 40 % 20 % Fordampet Overflata Dispergert Oppsamlet Sediment Strandet Nedbrutt Utenfor grid 0 % 0 1 Tid (dager) Dispergering, 10 m/s vind 100 % C Massebalanse 80 % 60 % 40 % 20 % Fordampet Overflata Dispergert Oppsamlet Sediment Strandet Nedbrutt Utenfor grid 0 % 0 1 Tid (dager) Figur 4.2 Massebalanse ved utslipp av 100 tonn olje ved 10 m/s vind A) Uten respons; B) Mekanisk oppsamling; C) Dispergering I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
32 Tverrsnitt for vertikal spredning Overflateolje Utslippspunkt Dispergert olje, THC A B Figur 4.3 Totale hydrokarboner (THC). Ingen respons ved 5 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp.
33 A B Figur 4.4 Vannløselige komponenter (WAF). Ingen respons ved 5 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
34 A B Figur 4.5 Totale hydrokarboner (THC). Kjemisk dispergering ved 5 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp.
35 A B Figur 4.6 Løste oljekomponenter (WAF). Kjemisk dispergering ved 5 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
36 A B Figur 4.7 Totale hydrokarboner (THC). Ingen respons ved 10 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp. Zoom er endret i B.
37 A B Figur 4.8 Vannløselige komponenter (WAF). Ingen respons ved 10 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp. Zoom er endret i B. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
38 A B Figur 4.9 Totale hydrokarboner (THC). Kjemisk dispergering ved 10 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp. Zoom er endret i B.
39 A B Figur 4.10 Løste oljekomponenter (WAF). Kjemisk dispergering ved 10 m/s vind. A) 3 timer: B) 9 timer etter utslipp. Zoom er endret i B. I:\CH661397 Oversikt disp.testing norske råoljer\adm\rapport\pdf-filer av rapporter\statfjord.doc
40 4.3 Oppsummering I de simuleringene som er gjennomført med OSCAR 2000 modellen er det benyttet forvitringsdata og kjemisk komponentsammensetning for Statfjord fra denne studien. 4.3.1 Massebalanse Massebalanseberegningene (figur 4.1 og 4.2) viser at: den naturlige dispergeringen er som forventet større ved 10 m/s vind sammenlignet med 5 m/s vind. mekanisk oppsamling og kjemisk dispergering kommer relativt likt ut mht. massebalanse ved 5 m/s vind. ved høyere vindhastighet (10 m/s vind) vil kjemisk dispergering kunne fjerne olje fra overflaten raskere enn mekanisk oppsamling. Dette skyldes i hovedsak at effektiviteten i den mekaniske oppsamlingen reduseres mer med økende vind og bølgeaktivitet. Samtidig vil dispergeringsprosessen gå raskere når energien i systemet øker som følge av mer brytende bølger. 4.3.2 Konsentrasjoner i vannsøylen Figur 4.3 4.10 viser snapshot for 3 og 9 timer etter utslipp ved 5 og 10 m/s vind. De konsentrasjonskartene som er vist representerer maksimumskonsentrasjoner, dvs. at i hvert punkt viser modellen den maksimale konsentrasjonen i det aktuelle punktet uavhengig av hvilket vanndyp den finnes på. Alternativet kunne vært å ta middelkonsentrasjoner, som gir en snittkonsentrasjon i det aktuelle punktet. Simuleringene viser at: konsentrasjonene av THC i vannsøylen, uten dispergering, som forventet vil være høyere ved 10 m/s vind sammenlignet med 5 m/s vind. WAF konsentrasjonene vil imidlertid være noe høyere ved 5 m/s vind. Dette skyldes at spredningen av olje på overflaten er mindre ved lav vindhastighet slik at utløsning av WAF fra overflateoljen vil være mer konsentrert. bruk av kjemisk dispergeringsmiddel øker konsentrasjonene i vannsøylen betraktelig kort tid etter behandling. På grunn av fortynning vil imidlertid konsentrasjonene raskt reduseres. for THC er det beregnet konsentrasjoner over 50 ppm i begrensede områder innen konsentrasjonsfeltet kort tid etter dispergering, men etter 9-12 timer er det ikke registrert vesentlige områder med konsentrasjoner over 50 ppm. for WAF er det registrert konsentrasjoner over 500 ppb kort tid etter påføring, men etter 9-12 timer er konsentrasjonene falt til under 500 ppb. konsentrasjonene av THC og WAF ser ut til å være noe lavere ved 10 m/s vind sammenlignet med 5 m/s vind. Dette antas å skyldes en kombinasjon av flere faktorer: - ved sterkere vind vil oljen spres mer på overflaten før dispergering slik at selve dispergeringen foregår over et større område. - den naturlige dispergeringen vil være høyere ved sterk vind og denne prosessen starter før den kjemiske dispergeringen kommer igang, slik at en større del av oljen vil være naturlig dispergert ved 10 m/s vind. - fordampningen vil være noe høyere ved 10 m/s vind. I og med at de mest flyktige komponentene også samtidig er blant de mest vannløselige, vil økt fordampning ha fjernet en del av disse før dispergeringen kommer igang. 4.3.3 Effekter ved bruk av dispergeringsmiddel på oljesøl Dispergeringsmiddel brukes for å fjerne oljesølet fra havoverflaten og hindre at denne forårsaker skade på sårbare miljøressurser som f.eks. sjøfugl til havs eller at oljen driver inn mot sårbare