CC BY
31РАЗЛИВЫ НЕФТИ
УДК 627.372
И.С. Куликова, e-mail: irinaskulikova@gmail.com; И.А. Мерициди, доцент, к.т.н., кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
особенности локализации разливов нефти из подводных переходов трубопроводов в условиях открытой воды
Подведены итоги исследования методов локализации разливов нефти в акваториях нефтяных промыслов с использованием боновых заграждений и пневматического барьера для условий открытой воды. Предложены типовые ситуационные модели локализации разливов с помощью пневматического барьера.
Промысловые трубопроводы являются одним из наиболее вероятных источников разливов нефти на промыслах. Согласно [1], количество аварий на них составляет 50-60 тыс. случаев в год. Практически каждая нефтегазодобывающая компания имеет водные переходы нефтепроводов через реки, ручьи и озера.
Особенности расположения промыслов в Российской Федерации накладывают дополнительные сложности при реагировании на разливы из подводных переходов нефтепроводов.
В первую очередь это сложности доставки сил и средств аварийноспасательных формирований (АСФ) к месту чрезвычайной ситуации, обусловленной разливом нефти (ЧС (Н)). В частности, в Западной Сибири в теплое время года и межсезонье дорог или нет, или маршруты движения автотранспорта
достаточно протяженные. Привлечение авиатранспорта в значительной мере удорожает операции по ликвидации разливов.
Успех мероприятий по ликвидации разливов нефти во многом зависит от правильно выбранных и проведенных в кратчайшие сроки операций по локализации разливов.
В РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина были проведены исследования с целью выбора способа локализации разливов нефти во внутренних акваториях нефтяных промыслов в условиях открытой воды. Сравнивались два способа - с помощью боновых заграждений и пневматического барьера.
В результате проведенных исследований были предложены схемы локализации разливов с помощью пневматического барьера, которые в дальнейшем могут послужить основой для разработки ме-
тодики локализации разливов нефти во внутренних акваториях нефтяных промыслов с использованием пневматического барьера.
В качестве объектов для сравнения были выбраны четыре ситуационные модели для четырех различных источников разлива нефти на различных нефтяных месторождениях РФ. При этом прогнозирование объемов разливов из поврежденных трубопроводов производилось по двум основным сценариям: порыв и прокол согласно [3].
В рамках настоящего исследования был выбран сценарий порыв, т.к. он подразумевает истечение в более короткий срок, исходя из чего одним из допущений в рамках исследования является то, что разлив квазимгновенный. Следующее допущение - объем разлива для всех источников одинаковый (разлив из трубопровода диаметром
Таблица 1. Сведения об исследуемых объектах
№ источника Пересечение с нефтепроводами Плотность нефти, кг/м3 Суммарная масса нефти при порыве, т Длина водотока, км/ площадь зеркала, км2* Характеристика в межень
ширина, м Глубина, м Скорость течения, м/с
1 р. Большой Юган 882 470,39 1063 110 2,0 0,2
2 _о \о о 6- 860 458,65 3650 1950 4 0,5
3 озеро б/н 876 467,19 0,29* 1,0 0
4 р. Кама 871 464,52 1805 7300 2,0 0,3
Воздух
3 6
Рис. 1. Расчетная схема определения рубежа реагирования при локализации с помощью пневматического барьера:
1 - нефтепровод; 2 - всплывающие капли нефти; 3 - нефтяное пятно на поверхности воды; 4 - трубопровод пневматического барьера (пневматический барьер); 5 - всплывающие пузыри воздуха; 6 - производимое течение
325 мм, расстояние между отсекающими задвижками - 2000 м), масса варьируется в зависимости от плотности нефти.
Информация об исследуемых объектах представлена в таблице 1.
Источники были выбраны с учетом того, что при возникновении ЧС(Н) на них прогнозируется значительный ущерб вследствие:
• значительной удаленности от мест базирования сил и средств АСФ (источник 1 - 470 км, источник 3 - 300 км);
• особому статусу водных объектов (источник 2 - река высшей рыбохозяйственной категории, источник 4 - расположен вблизи водозабора). Количество времени на доставку сил и средств АСФ автотранспортом с учетом времени на принятие заявки, сбор, доставку составляет для источника 1 -8,58 ч; источника 2 - 1,42 ч; источника 3 - 5,75 ч; источника 4 - 1,33 ч.
Как известно, согласно [3], время на проведение операций по локализации разлива с учетом доставки сил и средств не должно превышать 4 часов на водном объекте.
На удаленных месторождениях, куда время доставки сил и средств может превышать допустимые, имеет смысл применять дистанционные методы локализации, которые в настоящее время представлены пневматическим барьером и всплывающими боновыми заграждениями. Сравнение этих методов было проведено в работе [2], поэтому в настоящей статье внимание последним уделено не будет.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА
Одним из основных моментов при локализации тем или иным методом является определение местоположения рубежа реагирования.
Выбор рубежа реагирования не зависит от времени прибытия сил и средств АСФ, а только от времени срабатывания автоматики.
Рубеж реагирования должен располагаться максимально близко к источнику разлива ниже по течению, но при этом он должен быть в рабочем положении, когда первые капли нефти достигнут его.
Для пневматического барьера расстояние, на котором он устанавлива-
ется относительно источника разлива, определяется как (расчетная схема представлена на рисунке 1):
_[51+у*-Т+0,6-Н, при (у*-Т+0,б-Н)<51 [у*.Т+0,б.Н, при (у*.Т+0,б.Н)<Б1 , (1)
где S - рубеж реагирования - расстояние ниже по течению от места порыва, м; S1 - расстояние от места порыва, на котором всплывут первые капли нефти, м, определяется по формуле:
^ = Ут(п .^ , (2)
где ут(п - минимальная скорость всплытия нефтяных капель, определяемая по формуле Стокса; ^ - продолжительность всплытия, определяется по формуле, с:
где Н - глубина водоема, м.
В формуле 1 V* - скорость распространения передней границы пятна, м/с, которая определяется по формуле:
V* = ус + 0,035.у„( , (4)
где ус - скорость течения в водоеме, м/с; - скорость ветра, м/с.
Время на приведение в действие ограждения определяется сложением времени, необходимого датчику для иденти-
фикации разлива и передачу сигнала на диспетчерский пункт, и времени, требуемого для получения и обработку сигнала от диспетчерского пункта до компрессора и приведения в рабочее положение ограждения. Произведение 0,6.H (в формуле 1) определяет наиболее благоприятное положение ПБ относительно передней границы пятна (рубеж максимальной производимой скорости) [7].
Vmin учитывает всплытие капель нефти из подводного трубопровода. В том случае, если ограждение будет установлено на расстоянии, меньшем, чем проекция траектории всплытия пятен нефти на горизонтальную плоскость, то будет наблюдаться унос нефти через неработающий ПБ до момента включения его в работу.
Нефть при попадании на водную поверхность распространяется согласно теории Fay [6] под действием внутренних сил - тяжести, вязкости, инерции, поверхностного натяжения. Нефть, не имея потенциала к свободному распространению вследствие близкого рубежа реагирования к источнику, может загрязнять берега либо попадать в районы приоритетной защиты или зоны особой значимости. Поэтому при выборе рубежа следует предусмотреть это и при необходимости или перенести рубеж на некоторое расстояние от
разливы нефти
Таблица 2. Результаты расчета рубежей реагирования и площадей разлива для исследуемых объектов
№ источника Суммарное время на приведение в действие ПБ Т, с Удаление передней границы пятна за время срабатывания ПБ, м Смещение передней кромки пятна нефти с течением ^, м Загрязненная площадь в момент времени Т, км2 (растекание под действием внутренних сил) Толщина пленки нефти, мм Условная площадь разлива на момент времени Т, км2 Условная толщина пленки на момент времени Т, мм
1 314,68 191,58 18,82 0,03 16,72 0,02 25,31
2 357,36 218,60 31,72 0,05 13,42 0,11 4,88
3 492,69 52,33 1,55 0,04 11,87 0,29* 1,84
4 1033,68 419,84 11,52 0,07 8,10 3,06 0,17
источника, или выбрать жертвенную локацию для накопления разлитой нефти. Контроль за распространением можно вести сравнением прогнозной расчетной площади разлива при его распространении под действием внутренних сил и условной площади Аи , определяемой по формуле:
Аи = В.Б, (5)
где В - ширина водотока, м; Б - расстояние до рубежа реагирования, м.
По аналогии с условной площадью введем понятие условной толщины пленки нефти.
Результаты расчета рубежей реагирования и площадей разлива для исследуемых объектов представлены в таблице 2.
В работе [7] было проведено исследование на предмет определения удерживающей способности ПБ. Из сравнения полученных значений толщины пленки для исследуемых случаев и максимальных значений толщины пленки, которая локализуется пневматическим барьером при аналогичных условиях, можно сделать вывод о том, что во всех
рассматриваемых нами случаях разлив будет удержан пневматическим барьером.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ БОНОВЫХ ЗАГРАЖДЕНИЙ
При локализации с помощью боновых заграждений следует учитывать, что рубеж реагирования в этом случае определяется с учетом времени прибытия сил и средств АСФ к месту ЧС (Н) и времени на разворачивание заграждений.
В исследовании принято, что работы по локализации разлива будут завершены к моменту времени 4 часа с момента получения сигнала о разливе.
С учетом этого определено, на какое расстояние сместится передняя граница нефтяного пятна и какую площадь оно займет.
Время, затраченное на установку боновых заграждений, зависит и от их протяженности - общей длины боновых заграждений. Последняя рассчитывается с учетом того, что при наличии течения в водоеме БЗ устанавливают под некоторым углом к вектору скорости пятна нефти, определяемому в основ-
ном направлением поверхностного слоя воды (см. формулу 4). Как правило, для надежной локализации БЗ устанавливают в несколько рубежей, обычно не превышающих 3.
Расстояние между рубежами определяется с учетом всплытия капель нефти из-под предыдущего рубежа реагирования.
Результаты расчета сил и средств для локализации разливов на исследуемых объектах с помощью боновых заграждений представлены в таблице 3.
На рисунках 2-5 приведены ситуационные модели локализации разливов с помощью пневматического барьера (а) и боновых заграждений (б). На рисунках приняты следующие обозначения: 1 - нефтепровод; 2 - место порыва; 3 - пневматический барьер; 4 - рубежи боновых заграждений; 5 - береговые боновые заграждения; 6 - нефтяное пятно; 7 - участки, на которых следует принять меры по защите от загрязнения в первую очередь; 8 - ограждение на суше.
Из рисунков хорошо видно, какое значение играет время реагирования на разлив.
Таблица 3. Результаты расчета сил и средств для локализации разливов на исследуемых объектах с помощью боновых заграждений
№ источника Расстояние от места порыва до первого рубежа реагирования, м Площадь разлива (растекание под действием внутренних сил) за 4 часа, км2 Толщина пленки нефти к моменту времени 4 часа, мм Длина БЗ с учетом длины одной секции, м Общая длина Бз, м Время развертывания всех рубежей (расчетное), мин Расстояние между первым и вторым рубежом реагирования не менее, м
1 2 3 4 5 6 7 8
1 8712,00 0,32 1,68 160,00 320,00 25,00 5,00
2 8712,00 0,32 1,68 710,00 1660 45,00 5,00
3 0,32 1,68 1910,00*
4 5832,00 0,32 1,68 1130,00 2640 45,00 12,00
*Из сравнения таблиц 3 и 1 можно видеть, что расчетная площадь разлива нефти для источника 3 превышает площадь зеркала водоема. Следовательно, локализацию следует проводить на суше. Значение в столбце 5 таблицы 3 показывает периметр загрязнения.
Рис. 2. Ситуационная модель локализации разлива нефти на источнике 1
Из сравнения разработанных ситуационных моделей можно сделать вывод о том, что оперативная локализация во многом предпочтительнее традиционного ограждения боновыми заграждениями (в условиях открытой воды), так как:
1) снижается площадь загрязненной акватории;
2) минимизируется загрязнение береговой линии, обусловленное перемещением пятна нефтяного разлива;
3) снижаются затраты на транспорт в условиях отдаленных источников (не обязательно привлекать авиатранспорт);
4) увеличивается количество времени для проведения комплексного анализа сложившейся ситуации и определения действий для ее ликвидации с наименьшими затратами.
На основе ситуационных моделей для исследуемых объектов были разработаны типовые ситуационные модели локализации разливов с помощью пневматического барьера для различных типов водных объектов: для крупных рек, прямых участков средних и малых рек; участков с поворотом средних и малых рек; малых озер. Эти типовые
а) б)
Рис. 3. Ситуационная модель локализации разлива нефти на источнике 2
ситуационные модели представлены на рисунках 6-9.
Обозначения на рисунках 6 - 9: 1 - подводный переход нефтепровода; 2 - место порыва; 3 - пневматический барьер (3а, 3б - сегменты пневматического барьера); 4 - компрессор для приведения в действие пневматического барьера (4а, 4б - сегментов пневматического барьера); 5 - береговые отсекающие задвижки; 6 - нефтяные пятна; 7 (7а, 7б) - нефтесборные устройства.
На широких реках рекомендуется использовать сегментную конструкцию пневматического барьера. Это обусловлено в первую очередь тем,что
потребный расход воздуха прямо пропорционален длине трубопровода. При протяженной конструкции пневматического барьера требуется компрессор большой мощности, что удорожает установку в целом.
При сегментной конфигурации пневматического барьера существует вероятность того, что приводить в действие потребуется только один из них при соответствующем отклонении нефтяного пятна (под воздействием течения или специальных отклонителей). Конфигурация сегментов такова, что обеспечивает направление нефтяных пятен к их месту сбора. Установка под
Рис. 4. Ситуационная модель локализации разлива нефти на источнике 3
РАЗЛИВЫ НЕФТИ
Рис. 5. Ситуационная модель локализации разлива нефти на источнике 4
Рис. 6. Типовая ситуационная модель локализации разлива с помощью пневматического барьера в условиях открытой воды на крупных реках
Рис. 7. Типовая ситуационная модель локализации разлива с помощью пневматического барьера в условиях открытой воды на прямых участках средних и малых рек
углом к вектору распространения нефти снижает сопротивление потока и повышает удерживающую способность барьера.
В случаях, когда ширина и скорость течения в водотоке позволяют, пневматический барьер устанавливают поперек его. При равномерном перемещении пятна в срединной части русла на прямолинейном участке приведет к тому, что пятно примет форму вытянутого по направлению течения эллипса, перемещающегося преимущественно по центральной части акватории. В момент, когда пятно достигнет пневматического барьера, оно будет стремиться растечься вширь, при этом может достичь берегов. Для предотвращения загрязнения берегов следует предусмотреть загибы пневматического барьера у берегов. При локализации разлива на криволинейных участках средних и малых водотоков со скоростью течения до 0,5 м/с пневматический барьер следует устанавливать поперек русла с загибом к месту естественного накопления разлитой нефти. Так, разлитая нефть будет аккумулироваться естественным способом, и не загрязнять береговую полосу.
При наличии небольшого течения в малых озерах и достаточного пространства для растекания нефти по акватории до момента срабатывания пневматического барьера рекомендуется схема, представленная на рисунке 9а.
Если в малом озере течения нет и периметр таков, что позволяет огородить по нему, то рекомендуется схема, представленная на рисунке 9б. При этом для снижения потребной мощности компрессора рекомендуется сегментная конфигурация пневматического барьера.
ПОДВОДЯ ИТОГ, ОТМЕТИМ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ:
1. Локализация разливов в ряде случаев в условиях открытой воды на внутренних водоемах на удаленных нефтяных месторождениях с помощью механических ограждений не может быть выполнена в установленные [3] сроки, поэтому для этих случаев следует применять дистанционный метод локализации -пневматический барьер.
2. В РФ не существует методики локализации разливов нефти во внутренних акваториях нефтяных промыслов
Рис. 8. Типовая ситуационная модель локализации разлива с помощью пневматического барьера в условиях открытой воды на участках с поворотом средних и малых рек
с использованием пневматического барьера.
3. На основе проведенного исследования были предложены формулы для определения расстояния до рубежа реагирования, а также схемы локализации разливов нефти на разных типах внутренних акваторий (крупные реки, прямые участки средних и малых рек, участки с поворотом средних и малых рек, малые озера) в условиях открытой воды с помощью пневматического барьера.
4. Для эффективной локализации следует грамотно выбирать рубеж реагирования и предусматривать меры по защите береговой линии до прибытия сил и средств АСФ (предусмотреть загибы пневматического барьера в сторону берега).
5. При протяженном рубеже реагирования рекомендовано использовать сегментную конфигурацию пневматического барьера.
Авторами проведены аналогичные исследования для условий плавающего битого льда и сплошного льда, а также на предмет совместной работы пневма-
тического барьера и сорбентов, пневматического барьера и контролируемого сжигания для всех условий (открытой воды, битого и сплошного льда).
а) б)
Рис. 9. Типовая ситуационная модель локализации разлива с помощью пневматического барьера в условиях открытой воды на малых озерах: а) при наличии течения; б) при отсутствии течения
Литература:
1.Белозеров Д.С. Повышение экологической эффективности этапа ликвидации последствий аварийных ситуаций на промысловых нефтепроводах. Дис. на соискание степени к.т.н. - Пермь, 2007.
2. Дубинова И.С., Мерициди И.А. Перспективы использования технологии на основе пневмогидравлического эффекта для локализации разливов нефти в акватории вблизи нефтепромыслов // Территория НЕФТЕГАЗ. №3, 2011, с. 56-59.
3. Постановление Правительства РФ от 21.08.613 №613 «Основные требования к разработке планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (в ред. Постановления Правительства РФ от 15.04.2002 № 240) // «Собрание законодательства РФ», 22.04.2002, № 16, ст. 1569.
4. РД 153-39.4-074-01. Инструкция по ликвидации аварий и повреждений на подводных переходах магистральных не-фтепродуктопроводов. Утв. ОАО «АКТТНН «Транснефтепродукт». - М., 2001. База нормативной документации: www. comp1exdoc.ru.
5. РД 153-39.4-114-01. Правила ликвидации аварий и повреждений на магистральных нефтепроводах. Утв. ОАО «АК «Транснефть». - М., 2002.
6. Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов: Справ. / И.А. Мерициди, В.Н. Ивановский, А.Н. Прохоров и др. Под ред. И.А. Мерициди. - СПб.: НПО «Профессионал», 2008.
7. Heavy-duty oil containment system. Pneumatic barrier system. Report №714102/A/004. OU containment division of Wilson industries, Inc. Houston, Texas. 01.1971. p. 579. Reproduced by National technical information service.
Ключевые слова: локализация разливов, боновое заграждение, пневматический барьер.
