CC BY
270
УДК 622.691.4 + 551.324.28: 502.51
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНОГО РАЗЛИВА В ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКЕ АРКТИЧЕСКИХ АКВАТОРИЙ
А.В. САЛЬНИКОВ*, Г.Г. ГРИБОВ**
*ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта
**ООО «НИПИ нефти и газа УГТУ», г. Ухта ugtusovet@yandex.ru
Обеспечение надежной эксплуатации морских нефтепроводов как одной из первостепенных задач освоения углеводородных ресурсов Арктического шельфа невозможно без четких представлений о поведении разлива после утечки из трубопровода. Для выявления ключевых факторов, оказывающих существенное влияние на механизм распространения аварийного разлива на арктических акваториях, в работе представлен краткий анализ мирового опыта теоретических и экспериментальных исследований в области распространения нефтяного разлива на арктических акваториях. Оценена существующая математическая модель на применимость к частному случаю - разгерметизации морского нефтепровода, эксплуатирующегося в условиях Арктического шельфа.
Ключевые слова: Арктический шельф, морской нефтепровод, разлив нефти, ледовая обстановка
A.V. SAL'NIKOV, G.G. GRIBOV. PECULIARITIES OF OIL SPILLS SPREADING IN ICE CONDITIONS OF THE ARCTIC SEAS
Ensuring reliable operation of offshore pipelines is one of the primary tasks of the development of hydrocarbon resources of the Arctic shelf.
The compulsory requirement of such operation is the provision of Oil Spill Response Plans (OSRPs) which is impossible without a clear understanding of the oil slick behaviour after spill.
Low water temperature, seasonal changes in salinity and the presence of ice conditions (6-9 months a year) have a significant impact on the propagation mechanism of emergency oil spills in Arctic waters.
The paper summarizes the world practice of theoretical and experimental research regarding the spread of oil spills in Arctic waters to identify the key factors and to evaluate the existing mathematical models for applicability to a particular case - depressurization of the marine pipeline operating in conditions of the Arctic shelf.
Keywords: Arctic shelf, oil slick, marine pipeline, oil spill, ice conditions
Введение
Обязательным условием обеспечения надежной эксплуатации морских нефтепроводов является составление планов ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН), которое невозможно без четких представлений о поведении нефтяного разлива после утечки из трубопровода. Пониженные температуры воды, сезонные изменения солености и наличие ледовой обстановки (от 6 до 9 месяцев в году) оказывают существенное влияние на механизм распространения аварийного разлива в арктических акваториях.
Последние 50 лет вопросам изучения динамики растекания нефти в ледовых морях уделялось
значительное внимание, однако однозначных выводов получено не было [1-22]. Кроме того, большинство исследователей рассматривали распространение нефти на открытой воде и в битом льде [1-3, 12 - 21] и за редким исключением - под ледяным покровом [1, 4-11, 22], поскольку типичным аварийным случаем считалась утечка нефти не из подводного нефтепровода, а из пробоины в корпусе танкера. В данной работе изучаются особенности распространения нефтяного разлива при аварии на морском нефтепроводе, эксплуатируемом в условиях Арктического шельфа.
Истечение нефти при аварии трубопровода рассматривается в двух режимах: напорном (до срабатывания систем аварийной остановки пере-
качки) и безнапорном (при остановленных насосах и закрытых задвижках). Высвободившаяся нефть, поднявшись сквозь толщу воды, может оказаться как под сплошным ледяным полем, так и в ледовой обстановке различной сплоченности. Процессы инкапсуляции нефти в лед, ее вертикального перемещения по соляным каналам и дрейфа вместе с ледовыми образованиями в данной работе не рассматриваются.
Теория движения нефти в ледовых условиях
Классически процесс растекания нефти на водной поверхности описывается тремя последовательными стадиями, различающимися по действию превалирующих сил [2]: гравитационно-инерционный этап; гравитационно-вязкостный этап; пленочный этап, когда движущей силой является сила поверхностного натяжения, а сила вязкости либо препятствует, либо способствует этому движению.
В отношении распространения нефти в ледовой обстановке исследователями предлагается схожий подход деления на этапы. Так, в работе [1] выделено три фазы движения нефти под толщей льда. На первом, продолжительностью до часа, происходит образование нефтяного пятна под нижней поверхностью ледяного покрова. Далее, под действием подледного течения, наблюдается дисперсия нефти. На третьем этапе дисперсия сопровождается биологической и биохимической трансформацией нефтяных разливов. Стоит отметить, что для арктических акваторий, характеризующихся существенным остыванием нефти при ее всплытии на водную поверхность и под лед, значительный интерес представляет подход [4], в котором предлагается уже во втором этапе учитывать силу поверхностного натяжения, а в третьем - еще и гравитационную. В то же время авторы [5-7] считают, что при распространении нефти подо льдом пленочный этап вовсе отсутствует, а сила поверхностного натяжения уже на втором этапе приближается по значению к силе плавучести и останавливает распространение разлива. Более того, в работе [8] автор отмечает лишь один этап - гравитационно-инерционный. Им установлено (правда, при отсутствии течения), что при достижении теплового равновесия на границе «нефть-лед» нефть начинает прилипать к нижней поверхности льда.
В работах [6, 9] выделяют гравитационно-инерционный и гравитационно-вязкостный этапы, в то же время допуская два случая при распространении нефти под ледяным покровом: когда нефть находится в непосредственном контакте с нижней поверхностью льда и когда движение нефти происходит по тонкой прослойке воды между льдом и нефтью. И, наконец, ряд авторов [10, 11] считают, что нефть подо льдом существует не в виде пленки, а в виде отдельных глобул различного диаметра. В рамках поставленной задачи, полученные ими результаты полевых наблюдений представляют значительный интерес.
Совместно с ООО «Сибнефтепровод» на подводном переходе через р. Обь были проведены
эксперименты по изучению поведения нефти, поступающей под толщу льда из нефтепровода под высоким давлением [10]. В результате установлено, что после истечения из трубопровода нефть распространяется в толще воды не сплошным потоком, а отдельными каплями, диаметр которых зависит от давления в трубопроводе.
Исследователями Санкт-Петербургского государственного технического университета (СПбГТУ) совместно с АЗоН «Морзащита» и VTT Manufacturing Technology в Финском заливе Балтийского моря проведены крупномасштабные эксперименты, в ходе которых под лед закачивались различные виды нефтепродуктов [11]. Было выявлено, что керосин и моторное масло подо льдом распространяются не сплошным пятном, а в виде дисперсионных сред. Диаметр глобул колебался от 1 до 5 мм в зависимости от скорости подледного течения, вида нефтепродукта и удаления от точки разлива. Здесь следует отметить, что глубина воды на месте проведения исследований составляла 4 м, а погружение напорного трубопровода под лед было незначительным.
Факторы, определяющие особенности
распространения нефтяного разлива в ледовой обстановке
Одним из ключевых факторов, оказывающих значительное влияние на растекание нефти в ледовых условиях, является сплоченность льда. Установлено [12], что при сплоченности до 3 баллов дрейфующий лед не оказывает существенного влияния на растекание нефтяного пятна. При контакте со льдом вязкость и плотность нефтяного слика значительно возрастают вследствие его остывания. При достижении теплового баланса нефть начинает налипать на поверхность льда. В разводьях и у кромки льда она скапливается с шугой, смерзается с ней и входит в состав вновь образующегося покрова и далее продолжает дрейфовать вместе со льдом [13, 14].
Однако уже при сплоченности льда более 50% распространение нефтяного разлива ограничивается пространствами между льдами [15]. Скорость его распространения значительно снижается, а направление движения нефтяного пятна может отклониться от определенного для условий открытой воды прогнозного направления на величину до 60° [16]. При сплоченности льда от 6 до 7 баллов отдельно плавающие льдины начинают соприкасаться друг с другом и сжиматься, значительно ограничивая распространение нефтяного пятна [12]. Авторы [17] считают, что при сплоченности более 10 баллов вероятность попадания нефти под лед и на лед одинакова и математически выразить этот эффект можно путем введения в модель случайного коэффициента от 0 до 1, который показывает, какая часть нефти оказывается подо льдом.
Экспериментально установлено [1, 18-20], что при попадании нефтяного разлива под лед в результате высокой сплоченности льда или из-за аварии на морском трубопроводе под сплошным ледовым покровом главенствующую роль в механизме ди-
намики нефтяного разлива начинает играть скорость течения воды относительно льда, называемая критической. При скорости подледного течения ниже критической нефть будет дрейфовать вместе со льдом. При достижении течением критической скорости нефтяное пятно продолжит движение.
В работе [1] приводятся следующие данные о движении нефти при различных скоростях течения подо льдом: до 5 см/с - движение нефти относительно льда не происходит; от 5 до 16 см/с - происходит сдвиг нефти вблизи шероховатой поверхности льда; более 16 см/с - происходит отрыв глобул или сликов нефти от нижней кромки льда под воздействием турбулентного движения потока.
В свою очередь, авторами [20] установлено, что критическая скорость является величиной, зависящей от плотности нефти, поверхностного натяжения на границе «нефть-вода», толщины нефтяного пятна и шероховатости льда.
Исследовав гравитационно-вязкостный этап растекания пяти типов нефти на искусственном льду различной шероховатости, авторы [6] отмечают, что значительное влияние на процесс растекания оказывают как температура, так и шероховатость, причем необходимо выделять как минимум два сценария взаимодействия системы «лед-нефть»:
- в результате таяния или гидродинамических процессов между льдом и нефтью образуется слой воды (к этому же случаю можно отнести лед с гладкой нижней поверхностью);
- нефть контактирует непосредственно со льдом, заполняет неровности, прилипает и движется в дальнейшем относительно своей верхней неподвижной части.
Очевидно, что температуры нефти, морской воды и поверхности льда на момент разлива будут оказывать влияние на значение критической скорости не только за счет изменения свойств нефти из-за ее остывания при всплытии и растекании на открытой воде и в подледной зоне, но и за счет, например, изменения шероховатости льда или образования пленки воды между льдом и нефтью в процессе таяния. Изменения температуры и плотности нефти в процессе всплытия будут сказываться и на изменении размеров нефтяных глобул.
В рамках поставленной задачи становится ясно, что важное значение приобретает оценка те-плообменных процессов, проходящих между окружающей средой (морская вода и лед) и нефтью как в процессе всплытия, так и во время растекания. Для построения таких математических моделей перспективно развитие подхода, представленного в работе [21], в которой в качестве аварийной ситуации рассматривалось истечение нефти через пробоину в танкере.
Оценка математической модели движения нефтяного разлива
На сегодняшний день об особенностях движения нефти в ледовых условиях нет единого мнения. Значительное внимание [1 - 3, 12 - 21] уделе-
но описанию и прогнозированию распространения разлива на открытой воде и во льдах различной сплоченности. В меньшей степени [4 - 11, 22] представлены работы о перемещении нефти под сплошным льдом.
Применительно к аварийному разливу на морском нефтепроводе (для случая, когда диаметр дефектного отверстия при порыве трубопровода составляет более 10 % от его условного диаметра) предлагается рассматривать процессы распространения утечки нефти как результаты трех последовательных этапов. I этап: напорное истечение - с момента аварии до срабатывания систем аварийной остановки перекачки; II этап: остаточное напорное истечение - с момента срабатывания систем аварийной остановки перекачки до начала замещения нефти в трубопроводе морской водой; III этап: безнапорное истечение - с начала замещения нефти в трубопроводе морской водой до окончания вытеснения.
Можно предположить, что истечение нефти в виде глобул будет наблюдаться на первом и втором этапах, причем со временем размер глобул будет увеличиваться. В то же время необходимо отметить, что в случае, когда на локализацию нефтяного пятна отводится до суток, применительно к аварийному разливу на морском нефтепроводе можно рассматривать гравитационно-инерционное и гравитационно-вязкостное движения нефти у поверхности воды или льда в течение III этапа и, предположительно, в завершение второго.
Применимые и перспективные для развития математические модели
Этап Режим истечения Граничные условия Базовые методики
Сплоченность льда до 10 баллов Сплоченность льда более 10 баллов
I Напорный Постоянство расхода [17, 21] [10, 11, 21, 22]
II Напорный остаточный Постоянство расхода в краткий промежуток времени и постоянство массы спиллета [5 - 8, 17, 21] [10, 11, 21, 22]
II Безнапорный Постоянство массы спил-лета [6 - 9, 16, 17, 21] [3, 10, 11, 21, 22]
На основе проведенного анализа ключевых факторов влияния, расчетных методик и результатов экспериментальных исследований для совершенствования и развития методик прогнозирования движения нефтяного разлива предлагается использовать модели, представленные в таблице. Однако следует подчеркнуть, что значительная доля существующих математических моделей требует использования коэффициентов, значения которых определяются экспериментально, а разработка новых моделей требует их верификации. Особое значение в этом случае приобретает масштабный фактор.
Статистического материала по особенностям распространения нефтяного разлива в арктических
условиях накоплено недостаточно, а полномасштабные эксперименты дорогостоящи и сложно воспроизводимы. Решением данной проблемы может стать использование концепции микромоделирования, изложенной в работе [23]. Можно предположить, что микромоделирование гидравлических и климатических условий может стать эффективным методом исследований не только динамики распространения нефтяного пятна по поверхности открытой воды и в ледовых условиях, но и процессов и явлений, с которыми столкнулась нефтегазовая отрасль при освоении углеводородных ресурсов Арктического шельфа.
Литература
1. Измайлов В.В. Трансформация нефтяных пленок в системе «океан-лед-атмосфера». Проблемы химического загрязнения вод Мирового океана. Т. 9. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 145 с.
2. Fay JA. Physical Process in the Spreading of Oil Water Surface Prevention and Control of Oil Spills. API. Washington, 1970. P. 347.
3. Мансуров М.Н., Сурков ГА., Журавель В.И., Маричев А.В. Ликвидация аварийных разливов нефти в ледовых морях / Под общ. ред. М.Н. Мансурова. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. 423 с.
4. Izumiama K., Uto S., Narita S., Tasaki R. Ef-
fects of Interfacial Tension on the Spreading of Oil under an Ice Cover // Proc. of the 14 Int. Symposium on Ice. Potsdam, New York, USA. [S.I.]. 1998. P. 419 - 426.
5. Hould D.P. et al. Oil in the Arctic. Report No. CG-D-96-75. Prepared for Dept. of Transportation, U.S. Coast Guard, Washington, D.C., 1975. 436 p.
6. Chen B.C., Keevil B.E. Rarnseier R.O. Behavior of Crude Oil Under Fresh-Water Ice // Journal of Canadian Petroleum Technology, AprilJune. 1976. Vol. 15. No. 2. P. 79-83.
7. McMinn J. Crude Oil Behavior on Arctic Win-
ter Ice: Final Report/ Office of R&D, US Coast Guard, Project No. 734108, NTIS Publ. No. AT-754, Washington, 1972. 287 p.
8. Hoult D.P. Oil Spreading on the Sea. Ann. Rev. of Fluid Mech. 1972. P. 341-368.
9. Chen B.C., Overal C.K. Spreading of Crude Oil on an Ice Surface. Can. J. of Chem. Eng., 1974. P. 52.
10. Прокофьев В.В. Метод локализации и ликвидации аварийных разливов нефти на подводных переходах нефтепроводов // Трубопроводный транспорт нефти. 1999. №11. С. 22 -25.
11. Alhimenko, А., et al. Modelling oil pollution under ice cover. Proceedings of the Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, USA. 1997. Vol. 11. P.594 - 601.
12. Free A.P., Cox J.C., Schultz LA. Laboratory Studies of Oil-spill Behavior In Broken Ice Field, Arctec, Inc. Report 570C, Submitted to the US Coast Guard. October 1981. P.318.
13. Buist I., Joyce S, Dickins D. Oil Spills in Leads: Tank Tests and Modelling. Environment Canada Report EE-95. Ottawa, 1987. P. 672.
14. Wilson D, Mackey D. The Behavior of Oil in Freezing Situations. Prepared at the University of Toronto for the Environmental Protection Directorate, Environment Canada, Report No. EE-92. Ottawa, Ontario, 1987. P. 328.
15. Ross S.L. Environmental Research Limited and Chemical Fate of Oil in Pack Ice. Environmental Studies Revolving Funds, Report No. 062. Ottawa, 1987. P.415.
16. Reed M., Aamo O. Real Time Oil Spill Forecasting During an Experimental Oil Spill in the Arctic Ice // Spill Science and Technology Bulletin. 1994. Vol. 1. No 1. P. 69- 77.
17. Становой В.В., Лавренов И.В., Неелов ИА. Система моделирования разливов нефти в ледовитых морях // Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. Вып. 77. С. 7 -16.
18. Bobra A.M., Fingas M.F. The behaviour and fate of arctic oil spills // Wat. Sci. Tech. 1986. Vol. 18. P. 13 - 23.
19. Clark R.C., Finley J.S. Occurrence and impact of petroleum on Arctic environments // The Arctic Ocean. The hydrographic environment and the fate of pollutants. New-York: Wiley-Interscience, 1982. P. 295 - 341.
20. Liu S.K., Leendertse J.J. A 3-D oil spill model with and without ice cover // In: Mechanics of oil slicks. Association amical des ingenieurs and international association for hydraulic research. Paris, 1981. Р. 249 - 265.
21. Лобачев М.П., Сазонов К.Е. Влияние изменения вязкости нефти на характеристики ее разливов в холодной морской среде // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1. С. 96 - 103.
22. Гиргидов АА. Математическая модель распространения компактного нефтяного пятна под сплошным ледяным покровом: Дис. канд. тех. наук. СПб.: ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2004.121 с.
23. Грибов Г.Г Сальников А.В. Концепция микромоделирования применительно к исследованиям процесса распространения нефтяного слика в ледовых условиях // Евразийский Союз Ученых (ЕСУ): научно-технический журнал. 2014. №6. С. 116 - 119.
References
1. Izmailov V.V. Transformacija neftjanyh plenok v sisteme «okean-led-atmosfera». Problemy himicheskogo zagrjaznenija vod Mirovogo okeana [The transformation of oil films in the system «ocean-ice-atmosphere». The problems of chemical pollution of the waters of the World ocean]. Vol. 9. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1988. 145 p.
2. Fay JA. Physical Process in the Spreading of Oil Water Surface Prevention and Control of Oil Spills. API. Washington, 1970. P. 347.
3. Mansurov M.N., Surkov GA., Zhuravel' V.I., Marichev A.V. Likvidacija avarijnyh razlivov
nefti v ledovyh morjah [Liquidation of oil spills in icy seas] / Ed. M.N. Mansurov. Moscow: OOO «IRC Gazprom», 2004. 423 p.
4. Izumiama K., Uto S., Narita S., Tasaki R. Ef-
fects of Interfacial Tension on the Spreading of Oil under an Ice Cover // Proc. of the 14 th Int. Symposium on Ice. Potsdam, New York, USA. [S.I.]. 1998. P. 419 - 426.
5. Hould D.P. et al. Oil in the Arctic. Report No. CG-D-96-75. Prepared for Dept. of Transportation, U.S. Coast Guard, Washington, D.C.,
1975. 436 p.
6. Chen B.C., Keevil B.E. Rarnseier R.O. Behavior of Crude Oil Under Fresh-Water Ice // J. of Canadian Petroleum Technology, April-June.
1976. Vol. 15. No. 2. P. 79 - 83.
7. McMinn J. Crude Oil Behavior on Arctic Winter Ice: Final Report/ Office of R&D, US Coast Guard, Project No. 734108, NTIS Publ. No. AT-754, Washington, 1972. 287 p.
8. Hoult D.P. Oil Spreading on the Sea. Ann. Rev. of Fluid Mech. 1972. P. 341-368.
9. Chen B.C., Overal C.K. Spreading of Crude Oil on an Ice Surface. Can. J. of Chem. Eng., 1974. P. 52.
10. Prokofyev V.V. Metod lokalizacii i likvidacii avarijnyh razlivov nefti na podvodnyh pereho-dah nefteprovodov [The method of containment and liquidation of oil spills on underwater transitions of oil pipelines]// Truboprovod-nyj transport nefti [Pipeline oil transportation]. 1999. №11 P. 22 - 25.
11. Alhimenko, А., et al. Modelling oil pollution under ice cover. Proc. of the 7-th Intern. Offshore and Polar Engineering Conf., Honolulu, USA. 1997. Vol. 11. P. 594 - 601.
12. Free A.P., Cox J.C., Schultz LA. Laboratory Studies of Oil-spill Behavior In Broken Ice Field, Arctec, Inc. Report 570C, Submitted to the US Coast Guard. October 1981. P.318.
13. Buist I., Joyce S., Dickins D. Oil Spills in Leads: Tank Tests and Modelling. Environment Canada Report EE-95. Ottawa. 1987. P. 672
14. Wilson D, Mackey D. The Behavior of Oil in Freezing Situations. Prepared at the University of Toronto for the Environmental Protection Directorate, Environment Canada, Report No. EE-92. Ottawa. Ontario. 1987. P. 328.
15. Ross S. L. Environmental Research Limited and Chemical Fate of Oil in Pack Ice. Environmental Studies Revolving Funds, Report No. 062, Ottawa, 1987. P.415.
16. Reed M, Aamo O. Real Time Oil Spill Forecasting During an Experimental Oil Spill in the Arctic Ice // Spill Science and Technol. Bull. 1994. Vol. 1. No. 1. P. 69 - 77.
17. Stanovoj V.V., Lavrenov I.V., Neelov IA. Sistema modelirovanija razlivov nefti v ledovityh morjah [Oil spill modeling system for ice-infested seas]// Problemy Arktiki i Antarktiki [Problems of the Arctic and Antarctic]. 2007. Issue 77. S. 7 -16.
18. Bobra A.M., Fingas M.F. The behaviour and fate of arctic oil spills // Wat. Sci. Tech. 1986. Vol. 18. P. 13 - 23.
19. Clark R.C., Finley J.S. Occurrence and impact of petroleum on Arctic environments // The Arctic Ocean. The hydrographic environment and the fate of pollutants. New-York: Wiley-Interscience. 1982. P. 295 - 341.
20. Liu S.K., Leendertse J.J. A 3-D oil spill model with and without ice cover // In: Mechanics of oil slicks. Association amical des ingenieurs and international association for hydraulic research. Paris. 1981. P. 249 - 265.
21. Lobachev M.P., Sazonov K.E. Vliyanie izme-neniya vyazkosti nefti na kharakteristiki ee razlivov v holodnoi morskoi srede [Effect of changes in oil viscosity on the characteristics of its spills in cold marine environment]// Arktika: jekologija i jekonomika [Arctic: ecology and economy]. 2014. № 1. P. 96 - 103.
22. Girgidov AA. Matematicheskaja model' raspro-stranenija kompaktnogo neftjanogo pjatna pod sploshnym ledjanym pokrovom [A mathematical model of the distribution of compact oil slick under continuous ice cover]: Abstract of Diss... Cand. Sci. (Technology). St.-Peters-burg.: St.Peterburg State Politechn. Univ., 2004. 121 p.
23. Gribov G.G., Salnikov A.V. Koncepcija mikro-modelirovanija primenitel'no k issledovanijam processa rasprostranenija neftjanogo slika v ledovyh uslovijah [The concept of microsimulation with respect to research the spread of the oil slick in ice conditions] // Evrazijskij Sojuz Uchenyh (ESU): nauchno-tehnicheskij zhurnal [Eurasian Union of Scientists (ESU): Scientific and Technical J.]. 2014. №6. P. 116 - 119.
