Mathematical simulation of oil spill behavior caused by an accident during oil drilling

Environmental management of oil spills is a complex, interdisciplinary field of research aimed at preventing oil spills at sea and minimizing the environmental impact when they occur as a result of an accident. Mathematical models for oil spill simulation are important environmental management tools. The future development of hydrocarbon exploration and production activities in Greece makes it necessary to use these models: A.in the selection of extraction sites, but also B.in case of accidental spills: i.to predict the movement of the surface oil spill as well as the oil in the water column, and ii.to select the appropriate response method. From the literature survey, regarding the applications of oil spill simulation models and the required input data of these models, the following were found: •The method for calculating coastal currents as input data for a simulation model to determine the trajectory of an oil spill in a surface spill incident varies from one region to another. As a result, each case is treated individually. Furthermore, in Greece, the factors influencing the oil spill trajectory have not been thoroughly investigated. Therefore, it is essential to take into account a diverse range of wind and current data for simulations in order to accurately reproduce a real incident. •The impact of various weather conditions during different seasons on the probability of oil pollution in environmentally sensitive areas resulting from accidents during oil extraction activities in shallow/intermediate water depths has not been sufficiently investigated. Additionally, the effects of employing surface response and clean-up measures on the extent of pollution consequences remain unexplored. Lastly, there is a lack of previous research concerning the simulation of potential oil spill accidents arising from mining and/or shipping activities in the Ionian Sea region. •The impact of employing subsea chemical dispersant injection (SSDI) in response to spills of different types of oil from deep water depths on the spill's behavior remains unexplored. Moreover, there is a need for additional research in the broader Mediterranean Sea, as no extensive investigations have been conducted in this region until today. From the literature survey, regarding the experiments that have been conducted to evaluate the effectiveness of the SSDI method in reducing the size of oil droplets in the event of a deep oil spill was found that:•Although extensive research has been carried out, there has been no investigation into the effect of oil temperature on the effectiveness of SSDI. Oil temperature is a crucial parameter to consider as it can influence various factors, including oil viscosity and density, which, in turn, can impact SSDI performance. Additionally, current chemical dispersion testing protocols, like the IFP (French Institute of Petroleum test) and MNS (Mackay Nadeau Steelman test), focus on surface dispersion chemical applications. Thus, there is a need to develop an updated protocol that accurately simulates injection conditions during subsea oil spills. The main result of this PhD thesis is that critical parameters related to the overall environmental management of oil spill incidents have been investigated and are expected to form the basis of the methodology for the response to any incidents during the upcoming drilling operations expected in the Greek seas. In order to answer the questions for which computational models were used, the investigation of the parameters was carried out in various marine areas of Greece, namely in the Saronic Gulf, Gulf of Patras and Gulf of Kyparissia. The following conclusions were drawn, which essentially constitute the answers to the four research questions:1.The results obtained from the simulation model, which incorporated both wind and current data to calculate coastal currents, exhibited stronger agreement with the real incident’s satellite and field data. This alignment indicates that both wind and current forces were significant contributors to the movement of the Holy Zone II oil slick toward the coast. The findings suggest that currents had a more pronounced impact on the spread of the oil spill during this event. Nonetheless, the absence of wind data hindered our ability to fully predict the extent to which the shoreline would be affected by the oil spill.2.Based on the analysis of the results, the following conclusions were drawn: A. The stochastic calculations showed that there is a significant probability of oil pollution in the Patraikos Gulf, which can reach 30% in the lagoons of Messolonghi - Aitoliko. In addition, a significant variation is observed in the results of stochastic simulations due to the different weather conditions prevailing during the various seasons that were examined. B. Deterministic calculations showed that 78-90% of the bird population and 2-4% of the fish population are expected to be contaminated in the event of an oil spill without any intervention. For the existing oil spill response systems in Greece, the use of chemicals reduced the amount of oil reaching the coast by about 16-21% and the population of contaminated birds in lagoons by about 70%. However, the population of affected fish increased to 6-8.5% due to the higher concentration of oil in the water column. Mechanical recovery removed nearly 10% of the oil spilled, but had no appreciable effect on the oil that ended up on the shores and on the affected bird and fish populations.3.Deterministic calculations conducted in the Gulf of Kyparissia demonstrated that implementing the SSDI method resulted in a surface oil reduction of around 25-74% and an approximately 37-62% decrease in the affected area above the defined threshold (thickness≥0.1 mm). Nevertheless, it also led to a significant increase in the mass of submerged oil by 161 to 274%, and an increase in the volume affected (concentration≥10 ppm) by 199-398%. These outcomes were attributed to a decrease in oil droplet sizes, which subsequently caused a reduction in the ascent rates. Among the 4 types of oil tested, paraffinic oil showed the greatest reduction in affected surface area and amount of oil on the surface, while waxy oil showed the lowest reduction. It can be pointed out that critical factors for using SSDI to reduce the net environmental impact are the type of oil released, seasonal changes, and the presence of natural resources such as fish spawning or bird migration.4.The effectiveness of the SSDI method in reducing oil droplet size (d50) has been tested for a wide range of oil types with varying properties. The effect of oil temperature on the effectiveness of the SSDI method is as follows: in the case of the paraffinic oil tested, it decreases while in the case of the asphaltene and naphthenic type oils tested, it increases. In the case of the waxy oil, no effect of efficiency related to the change in oil temperature was observed. The results of the experiments conducted in this thesis, combined with previous research using four different types of chemicals and various dosages, led to the development of a new protocol for the Dispersant Injection Efficiency Test (DIET). Of particular importance is the observation that the chemical ranking achieved by the new test method is substantially different from the results produced using conventional methods for the surface application of dispersant chemicals (IFP). This difference implies that existing standard methods for chemical efficiency testing are less applicable for evaluating the effectiveness of SSDI. The new test protocol includes several key elements that contribute to its effectiveness: o It uses a turbulence regime that represents the conditions of subsea oil spills, specifically a turbulent jet. o Measures the effectiveness of chemical dispersants quantitatively through the reduction in oil droplet size compared to untreated oil. o Uses a seawater flow system that allows testing of a wide range of droplet concentrations and sizes. o Injection of the chemical directly into the oil in a realistic and functional manner. o It takes into account an elevated oil temperature of 50°C associated with real world conditions. o Easily adapts to a wide range of chemical dispersion doses. o Allows for continuous monitoring during oil spill, which enables the collection of statistically significant data. o Can be highly automated, fast and cost-effective.Η περιβαλλοντική διαχείριση πετρελαιοκηλίδων είναι ένα σύνθετο, διεπιστημονικό πεδίο έρευνας που έχει σαν στόχο την πρόληψη της διαρροής πετρελαίου στη θάλασσα και την ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων όταν αυτή προκύψει εξαιτίας ατυχήματος. Σημαντικά εργαλεία περιβαλλοντικής διαχείρισης αποτελούν τα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης πετρελαιοκηλίδων. Η μελλοντική ανάπτυξη δραστηριοτήτων έρευνας και αξιοποίησης υδρογονανθράκων στον ελληνικό χώρο, καθιστά αναγκαία τη χρήση των μοντέλων αυτών: A.κατά την επιλογή των θέσεων εξόρυξης, αλλά και B.σε περίπτωση ατυχηματικής διαρροής: i.για την πρόγνωση της κίνησης της επιφανειακής πετρελαιοκηλίδας καθώς και του πετρελαίου στην υδάτινη στήλη, αλλά και ii.για την επιλογή της κατάλληλης μεθόδου αντιμετώπισης. Από τη βιβλιογραφική διερεύνηση, σχετικά με τις εφαρμογές των μοντέλων προσομοίωσης πετρελαιοκηλίδας αλλά και των απαιτούμενων δεδομένων εισόδου των μοντέλων αυτών, διαπιστώθηκαν τα ακόλουθα: •Η μέθοδος υπολογισμού των παράκτιων ρευμάτων ως δεδομένα εισόδου σε μοντέλο προσομοίωσης για τον υπολογισμό της τροχιάς της πετρελαιοκηλίδας σε ένα περιστατικό επιφανειακής διαρροής, ποικίλλουν από περιοχή σε περιοχή και ότι κάθε περίπτωση εξετάζεται ξεχωριστά. Συμπληρωματικά, στην Ελλάδα δεν έχουν διερευνηθεί πλήρως τα δεδομένα που επηρεάζουν την τροχιά της πετρελαιοκηλίδας, οπότε, είναι σημαντικό να εξεταστούν, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία δεδομένων ανέμων και ρευμάτων για τις προσομοιώσεις αναπαραγωγής ενός πραγματικού περιστατικού. •Η επίδραση των διαφορετικών καιρικών συνθηκών ανά εποχή στην πιθανότητα ρύπανσης περιβαλλοντικά ευαίσθητων περιοχών από πετρέλαιο, σε περιπτώσεις ατυχημάτων κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων εξόρυξης πετρελαίου σε μικρά/ενδιάμεσα βάθη νερού, δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς. Επίσης, η επίδραση της χρήσης επιφανειακών μέτρων αντιμετώπισης και καθαρισμού στο μέγεθος των επιπτώσεων από τη ρύπανση αποτελεί ένα πεδίο που δεν έχει ερευνηθεί. Τέλος, παρατηρήθηκε απουσία προηγούμενων ερευνών σχετικά με την προσομοίωση πιθανών ατυχημάτων διαρροής πετρελαίου από εξορυκτικές ή/και ναυτιλιακές δραστηριότητες στην περιοχή του Ιονίου Πελάγους. •Η επίδραση της χρήσης της μεθόδου υποθαλάσσιας έγχυσης χημικών διασποράς (SSDI, subsea dispersant injection) κατά τη διαρροή διαφόρων τύπων πετρελαίου από μεγάλα βάθη στη συμπεριφορά της πετρελαιοκηλίδας δεν έχει διερευνηθεί ακόμα. Επιπλέον, κρίνεται απαραίτητη περαιτέρω έρευνα στην ευρύτερη Μεσόγειο Θάλασσα, όπου δεν έχει γίνει εκτενής έρευνα μέχρι σήμερα.Από τη βιβλιογραφική διερεύνηση, αναφορικά με τα πειράματα που έχουν διεξαχθεί για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της μεθόδου SSDI στη μείωση του μεγέθους των σταγονιδιών του πετρελαίου, σε περίπτωση διαρροής σε βάθος: •Διαπιστώθηκε ότι, παρά την εκτεταμένη έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί, η επίδραση της θερμοκρασίας του πετρελαίου στην αποτελεσματικότητα της SSDI δεν έχει διερευνηθεί. Η θερμοκρασία πετρελαίου θεωρείται σημαντική παράμετρος που πρέπει να ληφθεί υπόψη, καθώς μπορεί να επηρεάσει διάφορους παράγοντες όπως το ιξώδες και η πυκνότητα του πετρελαίου, που μπορεί να έχουν επίδραση στην απόδοση της SSDI. Επιπλέον, τα υπάρχοντα πρωτόκολλα δοκιμών χημικών διασποράς, όπως τα IFP (French Institute of Petroleum test) & MNS (Mackay Nadeau Steelman test), προσανατολίζονται στην εφαρμογή των χημικών διασποράς στην επιφάνεια, οπότε κρίνεται απαραίτητη η ανάπτυξη ενός ενημερωμένου πρωτοκόλλου που να προσομοιώνει τις συνθήκες έγχυσης σε υποθαλάσσιες διαρροές πετρελαίου.Το κύριο αποτέλεσμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ότι διερευνήθηκαν κρίσιμες παράμετροι που σχετίζονται με τη συνολική περιβαλλοντική διαχείριση περιστατικών πετρελαιοκηλίδων και αναμένεται να αποτελέσουν τη βάση της μεθοδολογίας για την αντιμετώπιση τυχόν περιστατικών κατά τις επικείμενες διαδικασίες εξόρυξης που αναμένονται στις ελληνικές θάλασσες. Για την απάντηση των ερωτημάτων στα οποία χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα η διερεύνηση των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε σε διάφορες θαλάσσιες περιοχές της Ελλάδας, και συγκεκριμένα στον Σαρωνικό, στον Πατραϊκό και στον Κυπαρισσιακό Κόλπο. Τα ακόλουθα συμπεράσματα εξήχθησαν, τα οποία ουσιαστικά αποτελούν τις απαντήσεις στα 4 ερευνητικά ερωτήματα: 1. Τα αποτελέσματα του μοντέλου προσομοίωσης, στο οποίο χρησιμοποιήθηκαν τόσο δεδομένα ανέμου όσο και ρευμάτων για τον υπολογισμό των παράκτιων ρευμάτων ήταν σε καλύτερη συμφωνία με τα δορυφορικά δεδομένα και τα δεδομένα πεδίου, υποδεικνύοντας ότι και οι δύο δυνάμεις έπαιξαν σημαντικό ρόλο στη μετατόπιση της πετρελαιοκηλίδας της Αγίας Ζώνης II προς την ακτή. Τα ευρήματα δείχνουν ότι τα θαλάσσια ρεύματα έπαιξαν σημαντικότερο ρόλο στην εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας κατά τη διάρκεια αυτού του περιστατικού. Ωστόσο, χωρίς τη συμπερίληψη των δεδομένων ανέμου, δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί η πρόγνωση της πλήρους έκτασης του πετρελαίου που κατέληξε στην ακτογραμμή. 2. Με βάση την ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα:A.Οι στοχαστικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι υπάρχει σημαντική πιθανότητα πετρελαϊκής ρύπανσης στον Πατραϊκό Κόλπο, που μπορεί να φτάσει το 30% στις λιμνοθάλασσες Μεσολογγίου – Αιτωλικού. Επίσης παρατηρείται σημαντική μεταβολή στα αποτελέσματα των στοχαστικών προσομοιώσεων λόγω των διαφορετικών καιρικών συνθηκών που επικρατούν στις διάφορες εποχές που εξετάστηκαν.B.Οι ντετερμινιστικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι το 78-90% του πληθυσμού των πτηνών και το 2-4% του πληθυσμού των ιχθύων αναμένεται να μολυνθούν σε περίπτωση πετρελαιοκηλίδας χωρίς καμία παρέμβαση. Για τα υφιστάμενα συστήματα αντιμετώπισης πετρελαιοκηλίδων στην Ελλάδα, η χρήση χημικών μείωσε την ποσότητα του πετρελαίου που κατέληξε στις ακτές κατά περίπου 16-21% και τον πληθυσμό των μολυσμένων πτηνών στις λιμνοθάλασσες σε περίπου 70%. Ωστόσο, ο πληθυσμός των ιχθύων που επηρεάστηκαν αυξήθηκε σε 6-8,5% λόγω της υψηλότερης συγκέντρωσης πετρελαίου στην υδάτινη στήλη. Η μηχανική ανάκτηση αφαίρεσε σχεδόν το 10% της ποσότητας πετρελαίου που διέρρευσε, αλλά δεν είχε καμία αξιοσημείωτη επίδραση στο πετρέλαιο που κατέληξε στις ακτές και στους πληγέντες πληθυσμούς πτηνών και ιχθύων. 3. Οι ντετερμινιστικοί υπολογισμοί στον Κυπαρισσιακό Κόλπο έδειξαν ότι η εφαρμογή της μεθόδου SSDI οδήγησε στη μείωση της ποσότητας του πετρελαίου στην επιφάνεια κατά περίπου 25-74% και την περιοχή επίδρασης πάνω από το καθορισμένο όριο (πάχος≥0,1mm) κατά περίπου 37-62%. Ωστόσο, ταυτόχρονα οδήγησε σε αύξηση της μάζας του πετρελαίου που παρέμεινε βυθισμένη κατά 161 έως 274%, και σε αύξηση του όγκου που επηρεάστηκε (συγκέντρωση≥10ppm) κατά 199-398%. Αυτά τα αποτελέσματα οφείλονται στη μείωση των μεγεθών των σταγονιδίων πετρελαίου, η οποία οδήγησε σε μείωση των ταχυτήτων ανάδυσης. Μεταξύ των 4 τύπων πετρελαίου που εξετάστηκαν, το παραφινικό πετρέλαιο παρουσίασε τη μεγαλύτερη μείωση στην επιφάνεια επίδρασης και την ποσότητα του πετρελαίου στην επιφάνεια, ενώ το κηρώδες πετρέλαιο έδειξε τη χαμηλότερη μείωση. Μπορεί να επισημανθεί ότι κρίσιμοι παράγοντες για τη χρήση SSDI προκειμένου να μειωθεί η καθαρή περιβαλλοντική επίδραση, είναι ο τύπος πετρελαίου που απελευθερώνεται, οι εποχικές αλλαγές και η παρουσία φυσικών πόρων, όπως η ωοτοκία των ιχθύων ή η μετανάστευση πτηνών. 4. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου SSDI στη μείωση του μεγέθους των σταγονιδίων πετρελαίου (d50) έχει εξεταστεί για ένα ευρύ φάσμα τύπων πετρελαίου με ποικίλες ιδιότητες. Η επίδραση της θερμοκρασίας πετρελαίου στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου SSDI έχει ως εξής: στο εξεταζόμενο παραφινικό πετρέλαιο μειώνεται ενώ στην περίπτωση των εξεταζόμενων πετρελαίων ασφαλτενικού και ναφθενικού τύπου αυξάνεται. Στην περίπτωση του κηρώδους πετρελαίου δεν παρατηρήθηκε επίδραση της αποτελεσματικότητας σχετιζόμενη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας πετρελαίου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή σε συνδυασμό με προηγούμενες έρευνες που χρησιμοποίησαν τέσσερις διαφορετικούς τύπους χημικών καθώς και διάφορες δοσολογίες, οδήγησαν στην ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου δοκιμής χημικών διασποράς (Dispersant Injection Efficiency test, DIET).Ιδιαίτερη σημασία έχει η παρατήρηση ότι η κατάταξη των χημικών που επιτυγχάνεται με τη νέα μέθοδο δοκιμής είναι ουσιαστικά διαφορετική από τα αποτελέσματα που παράγονται με τη χρήση συμβατικών μεθόδων για την επιφανειακή εφαρμογή χημικών διασποράς (IFP). Αυτή η διαφορά συνεπάγεται ότι οι υπάρχουσες τυπικές μέθοδοι για τη δοκιμή αποτελεσματικότητας των χημικών είναι λιγότερο εφαρμόσιμες για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της SSDI. Το νέο πρωτόκολλο δοκιμής περιλαμβάνει πολλά βασικά στοιχεία που συμβάλλουν στην αποτελεσματικότητά του:oΧρησιμοποιεί ένα καθεστώς αναταράξεων που αναπαριστά τις συνθήκες των υποθαλάσσιων εκλύσεων πετρελαίου, και συγκεκριμένα ενός τυρβώδους τζετ. o Μετρά την αποτελεσματικότητα των χημικών διασποράς ποσοτικά μέσω της μείωσης του μεγέθους των σταγονιδίων πετρελαίου σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο πετρέλαιο.oΧρησιμοποιεί ένα σύστημα ροής θαλασσινού νερού που επιτρέπει τη δοκιμή ενός ευρέος φάσματος συγκεντρώσεων και μεγεθών σταγονιδίων. o H έγχυση του χημικού πραγματοποιείται απευθείας στο πετρέλαιο με ρεαλιστικό και λειτουργικό τρόπο.oΛαμβάνει υπόψη μια αυξημένη θερμοκρασία πετρελαίου 50°C που σχετίζεται με τις πραγματικές συνθήκες.oΠροσαρμόζεται εύκολα σε ένα ευρύ φάσμα δόσεων χημικών διασποράς. o Επιτρέπει τη συνεχή παρακολούθηση κατά τη διαρροή πετρελαίου, με την οποία επιτυγχάνεται η συλλογή στατιστικά σημαντικών δεδομένων.oΜπορεί να είναι εξαιρετικά αυτοματοποιημένο, γρήγορο και οικονομικά αποδοτικό

Management of oil spill contamination in the Gulf of Patras caused by an accidental subsea blowout

A methodology is presented and applied to assess the oil contamination probability in the Gulf of Patras and the environmental impacts on the environmentally sensitive area of Mesolongi – Aitoliko coastal lagoons, and to examine the effectiveness of response systems. The procedure consists of the following steps: (1) Determination of the computational domain and the main areas of interest, (2) determination of the drilling sites and oil release characteristics, (3) selection of the simulation periods and collection of environmental data, (4) identification of the species of interest and their characteristics, (5) performance of stochastic calculations and oil contamination probability analysis, (6) determination of the worst-cases, (7) determination of the characteristics of response systems, (8) performance of deterministic calculations, and (9) assessment of the impact of oil spill in the areas of interest. Stochastic calculations that were performed for three typical seasonal weather variations of the year 2015, three oil release sites and specific oil characteristics, showed that there is a considerable probability of oil pollution that reaches 30% in the Mesolongi – Aitoliko lagoons. Based on a simplified approach regarding the characteristic of the sensitive birds and fish in the lagoons, deterministic calculations showed that 78–90% of the bird population and 2–4% of the fish population are expected to be contaminated in the case of an oil spill without any intervention. The use of dispersants reduced the amount of stranded oil by approximately 16–21% and the contaminated bird population of the lagoons to approximately 70%; however, the affected fish population increased to 6–8.5% due to the higher oil concentration in the water column. Mechanical recovery with skimmers “cleaned” almost 10% of the released oil quantity, but it did not have any noticeable effect on the stranded oil and the impacted bird and fish populationsacceptedVersio

A Proposed New Laboratory Protocol for Dispersant Effectiveness Testing Adapted for Subsea Dispersant Injection

The main objective of this study is to develop a new protocol for bench-scale dispersant effectiveness testing adapted for subsea dispersants injection (SSDI). The new approach includes turbulence conditions, dispersant injection techniques and quantification of effectiveness, more representative for a SSDI operation. Results from the new system are compared to dispersant effectiveness measured with established laboratory methods, used for screening dispersants for surface application. The most significant result is that the dispersant ranking obtained with the new test relevant for subsea releases was very different compared to the ranking obtained by screening methods used for surface application of dispersants. This strongly indicates that existing standard methods for dispersant effectiveness testing designed for simulating conditions relevant for surface application of dispersants, are less relevant for SSDI effectiveness testing and justify the need for a more relevant method. Such a Dispersant Injection Effectiveness Test (DIET) is suggested and documented in this studypublishedVersio

A Proposed New Laboratory Protocol for Dispersant Effectiveness Testing Adapted for Subsea Dispersant Injection

The main objective of this study is to develop a new protocol for bench-scale dispersant effectiveness testing adapted for subsea dispersants injection (SSDI). The new approach includes turbulence conditions, dispersant injection techniques and quantification of effectiveness, more representative for a SSDI operation. Results from the new system are compared to dispersant effectiveness measured with established laboratory methods, used for screening dispersants for surface application. The most significant result is that the dispersant ranking obtained with the new test relevant for subsea releases was very different compared to the ranking obtained by screening methods used for surface application of dispersants. This strongly indicates that existing standard methods for dispersant effectiveness testing designed for simulating conditions relevant for surface application of dispersants, are less relevant for SSDI effectiveness testing and justify the need for a more relevant method. Such a Dispersant Injection Effectiveness Test (DIET) is suggested and documented in this stud