CC BY
872
УДК 614.8
П.А. Попов, Н.В. Осипова
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЙ ЛИКВИДАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ В ЛЕДОВЫХ МОРЯХ В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ
В работе отмечаются наиболее проблемные вопросы в области защиты населения и территорий арктической зоны от чрезвычайных ситуаций, методы ликвидации нефтяных разливов на акваториях, тестирование и усовершенствование технологий ликвидации нефтяных разливов.
Ключевые слова: арктические условия, ледовые моря, методы ликвидации разливов нефти, тестирование, усовершенствование технологии, лазерная технология.
P. Popov, N. Osipova
WAYS OF IMPROVEMENT ELIMINATION OF OIL SPILLS TECHNOLOGIES AT THE ICE SEAS IN THE ARCTIC REGIONS
The article views the topical issues in the field of protection the territories and population in the Arctic zone in emergency situations, methods of elimination of oil spills in water areas, testing and improvement elimination of oil spills technologies.
Keywords: the Arctic conditions, ice seas, methods of elimination of oil spills, testing, technology improvement, laser technology.
Арктические условия оказывают влияние как на вероятность разлива нефти в результате нефтегазовой деятельности, так и на последствия такого разлива. Те же самые природные условия Арктики, которые обусловливают высокие риски разлива нефти (отсутствие естественного освещения, предельно низкие температуры, дрейф льда, сильные ветры и плохая видимость), также могут крайне затруднить операции по ликвидации разливов нефти или же сделать их абсолютно неэффективными.
Поисково-разведочными работами (ПРР) на континентальном шельфе России установлено, что недра почти всех морей (за исключением Белого моря) перспективны по запасам нефти и газа, а открытые месторождения обеспечивают создание новых газонефтедобывающих районов [1 - 3].
Основная масса потенциальных запасов углеводородов континентального шельфа России размещается на шельфе замерзающих арктических и дальневосточных морей. Акватории Балтийского, Азовского и Каспийского морей, на шельфе которых открыт ряд месторождений углеводородов, характеризуются также наличием ледового покрова в зимний период.
На шельфе Карского моря в пределах южной части (Приямальский шельф) выявлены крупнейшие месторождения Русановское и Ленинградское, а также 33 перспективные локальные структуры. В последние годы подтверждена нефтегазоносность акваторий Обской и Тазовской губ. Доразведка и последующая разработка указанных месторождений позволит совместно с месторождениями суши вовлечь в освоение весьма значительные запасы газа и конденсата и обеспечить не только покрытие дефицита добычи газа в Западной Сибири, но и дальнейшее длительное развитие отрасли.
На шельфе Баренцева моря выявлены уникальное по запасам Штокмановское газо-конденсатное месторождение и Западно-Штокмановская локальная структура, крупные Ледовое газоконденсатное и Лудловское газовое месторождения, а также Западно-Лудловская перспективная локальная структура, выявлены газовые месторождения Северо-Кильдинское, Мурманское и перспективные локальные структуры Центральная, Восточная, Западная, Южная, Демидовская, Ферсмановская и др.
В южной части Баренцева моря выявлен новый, преимущественно нефтеносный район в восточной части Печорского шельфа. В последнее десятилетие здесь были открыты крупные нефтяные месторождения Приразломное, Медынское море и Долгинское. Разведанные запасы и ресурсы углеводородов (УВ) позволяют сформировать на шельфе Печорского моря новый нефтегазодобывающий район [3].
Освоение месторождений нефти и газа арктического региона России невозможно представить без развития Северного морского пути. Это кратчайший водный путь между Европой и Азиатско-Тихоокеанским регионом. По прогнозам экспертов Минтранса России, объёмы перевозок по Северному морскому пути в ближайшие пять лет могут возрасти с 1,2 до 10 млн т в год. Море у г. Мурманска не замерзает круглый год, что даёт возможность использовать для перевозок океанские танкеры грузоподъёмностью до 300 тыс. т [3].
На II Международном Арктическом форуме «Арктика - территория диалога», который проходил в г. Архангельске 21 - 24 сентября 2011 г., было отмечено, что в этом году объём перевезённых грузов пока составил 680 тысяч тонн, и участники форума уверены в том, что он достигнет миллиона тонн, превысив показатель прошлого года в пять раз. А также было сказано, что необходимо создать 10 аварийно-технических центров по побережью Северного Ледовитого океана, по нашему мнению, в этих центрах необходимо создать аварийно-спасательные формирования по ликвидации аварийных разливов нефти, оснастив их современными техническими средствами.
Природно-климатические условия Арктики бросают вызов технологиям и методам ликвидации последствий разливов нефти. Несмотря на то, что в определённых случаях арктические условия могут быть и благоприятными для ликвидации нефтяных разливов, в большинстве случаев арктические условия снижают эффективность методов локализации и ликвидации разливов нефти и работы соответствующего оборудования.
В настоящее время в соответствии с требованиями нормативно-правовых документов [4 - 6] необходимо разрабатывать и совершенствовать эффективные технологии ликвидации аварийных разливов нефти с водной поверхности, в том числе и в арктических морях [4 - 6]. Поэтому данная статья посвящена этой проблеме.
Методы ликвидации нефтяных разливов в целом делятся на три основных категории: механический сбор, когда нефть удерживается в зоне разлива с применением боновых заграждений или в естественных ловушках и удаляется с помощью нефтесборщиков и насосов; немеханическое извлечение, когда применяются химические реагенты для противодействия разливу. Сжигание или биологическая очистка нефтяного загрязнения применяются для разложения или рассеивания нефтяного пятна. И, наконец, ручные методы, когда нефть удаляется с использованием обычных ручных инструментов и способов, таких, как ведра, лопаты или сети.
Большая часть деятельности по разведке, добыче, хранению и транспортировке нефти в арктических водах предполагает сочетание механического удаления разлитой нефти и двух основных немеханических методов - сжигание на месте (в России отсутствует нормативный документ, определяющий условия сжигания нефти на месте разлива) и применение диспергаторов (в России применение диспергентов в ледовых условиях Арктики не рекомендуется).
В качестве альтернативного метода уничтожения нефтяной плёнки предлагается использование лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Такое излучение относительно слабо поглощается нефтью и нефтепродуктами и сильно поглощается водой. Характерная глубина проникновения лазерного излучения с указанной длиной волны для нефти различных сортов составляет 100 - 300 мкм, а для воды - порядка 10 мкм.
Российским учёным впервые в мире удалось создать относительно недорогой в эксплуатации мощный электроионизационный СО2-лазер, работающий на потоке атмосферного воздуха. Лазерное излучение характеризуется не только тепловым воздействием на материалы, но обладает
целым рядом уникальных физических свойств. Это, например, высокое оптическое качество потока излучения, его когерентность и монохроматичность. Использование именно этих уникальных свойств лазерного луча открывает замечательные технологические перспективы. Речь идёт о создании мобильных установок для лазерной очистки водной поверхности от нефтепродуктов.
Механизм метода лазерной очистки заключается в следующем. Лазерное излучение с длиной волны 10,6 мкм сильнее всего поглощается тонким слоем воды, который непосредственно примыкает к нефтяной плёнке, поэтому вода в этом слое быстро нагревается и переходит в состояние метастабильности. Происходит парообразующий взрыв метастабильно перегретой воды и разрывается тепловой контакт нефти и воды, который препятствует горению нефтяной плёнки в обычных условиях. Нефтяная плёнка подбрасывается вверх и дробится на фрагменты. Капли нефти подбрасываются на высоту 30 - 40 см, смешиваются с атмосферным воздухом и образуют горючую смесь. Происходит самовоспламенение смеси и капли нефтяного загрязнения сгорают в воздухе.
При ликвидации аварий, связанных с разливом нефтепродуктов, таким способом можно эффективно и быстро удалять нефтесодержащие плёнки практически любого состава и толщины [9].
Только применение лазера позволяет проводить полную очистку поверхности воды от тонких «радужных» плёнок, что недостижимо другими известными способами. При использовании лазерной технологии можно проводить очистку водной поверхности со значительных расстояний, например, с берега.
Лазерный способ очистки может быть с успехом использован на завершающей стадии обработки поверхности нефтяного разлива после применения механического или химического способов сбора толстых плёнок, а также для очистки водоёмов - плантаций морепродуктов или жемчужных факторий, береговой кромки и гидротехнических сооружений. Опыты показали, что скорость очистки слабо зависит от состава и вязкости нефтепродуктов, а также от угла падения лазерного излучения на поверхность воды.
При механическом сборе разлитая нефть удерживается при помощи бонового заграждения и собирается с применением нефтесборщиков с поверхности воды для временного хранения и последующей утилизации. Боновые заграждения разворачиваются с судов или крепятся к стационарным сооружениям, или закрепляются на берегу. Существует целый ряд различных видов устройств для сбора пролитой нефти (скиммеров) с поверхности воды; используются пороговые, вихревые и вакуумные скиммеры, а также скиммеры, основанные на сорбционном принципе действия (щёточные, ленточные и барабанные) для удаления нефти с поверхности воды. После того, как разлитая нефть собрана, она должна быть перекачана при помощи насосов и гибких трубопроводов для временного хранения вплоть до надлежащей утилизации/ликвидации.
Вследствие этого эффективная система механического извлечения разлитой нефти требует наличия надлежащего оборудования и специально обученного персонала, а также условий, благоприятных для удерживания, сбора, откачки, перекачки и хранения нефти и нефтесодержащих отходов. В конечном итоге вся собранная разлитая нефть должна быть надлежащим образом утилизирована в соответствии с применяемыми требованиями и нормативами [7, 8].
Сжигание на месте нефти, разлитой на поверхности воды, предусматривает контролируемое сжигание плавающей на поверхности нефти, что возможно до определённой минимальной толщины плёнки. Воспламенение нефти осуществляется путём выброса на нефть, как правило, с вертолёта, желатинообразного топлива или выброса запального устройства с судна или с другой точки. В случае успешного воспламенения некоторая часть или вся нефть выгорает с поверхности воды или льда. Но некоторое количество остаточных после горения нефтепродуктов остаётся в любом случае. Эти остаточные продукты могут оставаться на плаву или осесть на дно, и могут обладать нейтральной плавучестью (в зависимости от типа разлитой нефти и условий горения).
Для успешного воспламенения и горения требуется соответствующая толщина нефтяного пятна в момент воспламенения, минимальные скорость ветра и волнение моря, а также не слишком сильно эмульгированная (смешанная с водой) нефть. В случае неэффективного горения образуется смесь из несгоревшей нефти, оставшихся после сгорания веществ и сажи. Как и при механическом извлечении разлитой нефти, локализация нефти для воспламенения может осуществляться как с использованием естественных преград, так и с помощью развёртывания боновых заграждений, которые при этом должны быть одновременно и несгораемыми, и иметь способность противостоять морскому льду. Сжигание нефти в ледовых условиях можно проводить и без использования боновых заграждений в тех случаях, когда их роль выполняет лёд. При этом подветренный выброс загрязняющих веществ в результате горения нефти должен быть ниже пороговых уровней для уязвимых популяций. В настоящее время разрабатываются химические соединения, которые могут утолщать нефтяное пятно до величины, которая позволит воспламенить разлитую нефть.
Диспергаторы представляют собой группу химических реагентов, которые распыляются или наносятся на нефтяные пятна для ускорения естественного процесса диспергирования нефти в толще воды под действием волнения и течений. Они не удаляют нефть из воды, а предназначаются для того, чтобы «раздробить» нефть, образующую плёнку на поверхности воды или береговой линии, путём перевода такой нефти в фазу эмульгирования, многократно ускоряя, тем самым, природные процессы разложения нефти. Диспергаторы подаются с использованием распылительных насадок, насосов и гибких трубопроводов и могут распыляться с судна или самолёта. Операции с применением диспергаторов, как правило, контролируются с воздуха (самолёта) для того, чтобы гарантировать эффективность и точность распыления. Диспергаторы имеют ограниченный срок использования. Эффективность применений диспергаторов зависит от точного попадания химических реагентов на разлитую нефть, при этом их применение необходимо корректировать с учётом типа нефти, эмульгации, солесодержания, погодных условий и состояния моря [2, 3].
Все три метода требуют постоянного слежения за нефтяным разливом для определения места разлива, его размера и состояния разлитой нефти, с тем, чтобы выбрать и применить соответствующее оборудование и тактику ликвидации нефтяного разлива. Все три метода также требуют материально-технического обеспечения для переброски оборудования и обученного персонала к месту нефтяного разлива, развёртывания оборудования и последующей очистки оборудования от загрязнения после завершения операции по ликвидации разлива. Участники операции по ликвидации нефтяного разлива должны иметь возможность безопасного доступа в зону разлива для разворачивания оборудования. Организация доступа в зону нефтяного разлива часто представляет собой наибольшую проблему, особенно в удалённых районах.
Для всех систем ликвидации разливов критическое значение имеет время. Как только нефть разливается на воде, она начинает растекаться, испаряться и превращаться в эмульсию. С течением времени разлитую нефть, как правило, становится всё сложнее отслеживать, удерживать и извлекать, или обрабатывать. Вследствие этого быстрая мобилизация и развёртывание оборудования по ликвидации разливов нефти и специально обученного персонала имеет огромное значение для эффективной ликвидации последствий разливов в целом. Следует отметить, что процессы испарения и эмульгирования (насыщения плёнки нефти водой) в арктических ледовых условиях значительно менее интенсивны.
Как правило, системы ликвидации разливов нефти основываются на сочетании методов механического сбора и двух основных немеханических технологий для очистки или обработки разлитой нефти: сжигания на месте и применения диспергирующих веществ. Однако проведение любой из этих мер может быть значительно ограничено или даже невозможно из-за суровых природных условий, которыми характеризуется операционная деятельность в Арктике. Для большинства
из этих технологий требуется использование воздушных и морских средств, наличие подготовленного персонала для их надлежащего введения в действие и функционирования. Удалённое местонахождение и отсутствие инфраструктуры может в значительной степени осложнять работу этих систем реагирования. Суммарное влияние этих сдерживающих факторов может сделать проведение мер по ликвидации нефтяных разливов почти невозможным на протяжении длительных периодов времени в арктических и субарктических областях.
Для осуществления контролируемого сжигания разлитой нефти первоначально производится локализация нефтяного разлива, утолщение слоя нефти (до нескольких сантиметров) с целью её последующего поджога и сжигания.
Более лёгкие и летучие нефти могут быть подвержены возгоранию сразу же после разлива. Эти характеристики склонят чашу весов в пользу сжигания на месте - вариант ликвидации, обладающий потенциалом удаления значительных количеств нефти с поверхности моря, но который также породит обильный чёрный дым и небольшое количество стойкого осадка.
Выводы
Показана перспективность развития новых технологий ликвидации разливов нефти с помощью метода лазерной очистки нефти с водной поверхности.
Проблемы ликвидации последствий разливов нефти и нефтепродуктов в настоящее время являются актуальными, так как в недрах арктического шельфа Карского и Баренцева морей содержится более 70 % сырьевых ресурсов углеводородов всех внутренних и окраинных морей Российской Федерации.
Арктика является исключительно уязвимым районом. Суровые природные условия Арктики, высокие риски разлива нефти при добыче, транспортировке и переработки нефти требуют новых эффективных технологий ликвидации разливов нефти для этих условий.
Данная статья посвящена тестированию и усовершенствованию технологий ликвидации нефтяных разливов для использования их в арктических условиях, наряду с традиционными методами ликвидации разливов нефти, предложен новый лазерный способ очистки нефти с водных поверхностей.
Литература
1. Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. - М.: Ин-октаво, 2005. - 368 с.
2. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта. -М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006. -528 с.
3. Мансуров М.Н. Ликвидация аварийных разливов нефти в ледовых морях. - М.: ИРЦ «Газпром», 2004. - 422 с.
4. Основные требования к разработке планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов: Постановление Правительства РФ от 21.08.00 № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».
5. Правила организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации: Постановление Правительства РФ от 15.04.02 № 240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации».
6. Приказ МЧС России от 18 мая 2002 года № 242 «О дальнейшем совершенствовании работы в области предупреждения и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».
7. Демчишин И.В. Проблемы совершенствования системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в арктической зоне Дальневосточного федерального округа в современных условиях. Научный журнал: «Научные и образовательные проблемы гражданской защиты», 2010, № 4.
8. Попов П.А., Осипова Н.В. Предложения по технике и технологии, применяемые для ликвидации последствий ЧС, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов в ледовых морях в условиях Арктики. Научный журнал: «Научные и образовательные проблемы гражданской защиты», 2011 № 2.
9. Попов П.А., Осипов А.В. К проблеме безопасности добычи углеводородов в ледовых морях в условиях Арктики. Тезисы доклада на XVI международной НПК «Технологии обеспечения комплексной безопасности, защиты населения и территорий от ЧС - проблемы, перспективы, инновации». - М: МЧС России, 17 - 19 мая 2011 г.
