CC BY
10УДК: 504.75
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОТОМОГРАФИИ ДЛЯ АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МИГРАЦИИ НЕФТИ В ПОЧВЕ
APPLICATIONS OF COMPUTER MICROTOMOGRAPHY FOR ANALYSIS AND MODELING OF OIL MIGRATION IN THE SOIL
А. С. Никифоров, А. А. Пономарев, В. Г. Парфенов, А. А. Марков, М. А. Кадыров
A. S. Nikiforov, A. A. Ponomarev, V. G. Parfenov, A. A. Markov, M. A. Kadyrov
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Тюменский государственный медицинский университет, г. Тюмень
Ключевые слова: аварийные разливы нефти; нефтепроводы; почва; защита окружающей среды; компьютерная микротомография Key words: accidental spills of oil; oil pipeline, soil; environmental protection; computer micro tomography
Надежность систем магистрального трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов является важнейшим фактором стабильности и роста экономического потенциала России. Этим транспортом перемещается почти 99 % нефти и около 25 % нефтепродуктов.
Протяженность нефтепроводных магистральных трубопроводов России составляет почти 50 тыс. км. В состав сооружений магистральных нефтепроводов входят 387 нефтеперекачивающих станций, резервуарные парки общей вместимостью 17 млн куб. м.
Более 30 % всех магистральных нефтепроводов России состоят из труб большого диаметра — 1 020 и 1 220 мм, на них приходится транспортировка свыше 70 % нефти, поставляемой по системе. Средняя протяженность транспортировки нефти по территории России в настоящее время составляет 2 200 км [1].
Функционирование такой сложной технической системы сопряжено с высоким уровнем аварийности и, как следствие, загрязнением окружающей среды.
В 2014 г. в Российской Федерации было зафиксировано 1 780 фактов разлива нефти и ее производных. При этом наибольшее количество нефтеразливов приходится на Уральский федеральный округ и составляет 82,2 % от общего числа. В связи с этим Росприроднадзором было наложено 490 штрафов на 24 юридических лица, производящих добычу и транспортировку нефти в округе, на общую сумму 10,3 млн руб. [2].
Степень надежности трубопроводного транспорта во многом определяет стабильность обеспечения регионов России важнейшими топливно-энергетическими ресурсами. Российские трубопроводные системы наиболее активно развивались в 60-80-е гг. XX века в связи с перемещением добычи нефти на западно-сибирские месторождения. Возрастная структура основных фондов магистрального трубопроводного транспорта нефтепродуктов свидетельствует об их значительном износе (свыше 70 %).
Основные причины разгерметизации промысловых, технологических и магистральных нефтепроводов приведены на рисунке 1. Подавляющее большинство аварий (свыше 50 %) происходит в результате коррозии труб, при этом в основном коррозия имеет электрохимический характер, хотя имеют место и сквозные локальные коррозионные повреждения — свищи, как правило, вызванные действием блуждающих токов. Более 5 % случаев аварийного разрушения нефтепроводов происходят в результате внутренней коррозии труб, вызванной наличием в нефти следов воды. До 25 % аварий приходится на строительно-монтажные работы (СМР).
Рис. 1. Основные причины аварий на трубопроводном транспорте [2]
В первую очередь от аварийных разливов нефти и нефтепродуктов страдает почвенно-растительный комплекс, который впоследствии становится источником загрязнения сопредельных сред (воздуха, поверхностных и подземных вод).
Вопросы миграции нефти в почвенном слое в настоящее время являются, безусловно, актуальными, но по-прежнему до конца не изучены.
Объект исследования — почвы районов расположения объектов добычи и транспортирования нефти и нефтепродуктов Западной Сибири.
Цель исследования — анализ вопросов миграции нефти и нефтепродуктов в почвах для оптимизации процесса локализации и ликвидации последствий аварийных разливов нефти.
В настоящее время предварительная диагностика нефтяных загрязнений в почвах проводится непосредственно в поле или полевой лаборатории. Характер загрязнения определяется непосредственно в разрезе. Для этого к ровной лицевой стенке разреза плотно прикладывают лист фильтровальной бумаги. В местах, где почва загрязнена нефтью и нефтепродуктами, на листе бумаги выступят масляные пятна [3].
Объем нефтенасыщенного грунта ^р вычисляют по формуле
УГр = Бгр • Иср . (1)
Средняя глубина Ь^, пропитки грунта на всей площади Fгр нефтенасыщенного грунта определяется как среднее арифметическое из шурфовок (не менее пяти, равномерно распределенных по всей поверхности) [4].
Как видно, данная методика основывается на экспертной оценке и усреднении глубины пропитки грунта, что приводит к большим погрешностям при определении толщины срезаемого нефтезагрязненного грунта.
При крупных нефтеразливах количество загрязненного грунта, который необходимо снять с целью рекультивации, будет значительно меняться в зависимости от толщины срезаемого слоя. А это, в свою очередь, будет влиять на качество ре-культивационных работ и на экономические показатели.
Все это обусловливает необходимость уточнения методики определения глубины проникновения нефти в грунт.
Существующие инструментальные методы изучения морфологических характеристик грунта (ИК-спектроскопия и флуоресценция, газовая и жидкостная хроматография, оптические и электронные микроскопы) обладают рядом недостатков.
До недавнего времени наиболее популярными методом морфологического изучения строения почвы являлся анализ почвенных шлифов и сколов с помощью оптических и электронных микроскопов. Этот метод имеет два существенных недостатка:
1) полученные данные характеризуют двумерное строение почвы;
2) при анализе может нарушиться целостность образца.
Методы ИК-спектроскопии и флуоресценции при выполнении массовых анализов ограничены низкой производительностью и высокой стоимостью аналитических работ.
Хроматографические методы исследования отличаются сложным процессом пробоподготовки, необходимостью использования дополнительных реагентов и длительностью процесса.
Для изучения процессов пространственного распределения нефти в поровом пространстве почвы в работе был применен метод рентгеновской микротомографии, который не требует трудоемкой пробоподготовки и позволяет получать массовые морфологические данные о строении порового пространства почв в двумерных и трехмерных изображениях. С помощью томографов исследовали влияние влажности на структуру почвы (Pires et , 2007), наблюдали морозное изменение почвенной структуры и пористости (Torrance et all, 2008). В российском почвоведении томография почв пока менее популярна, хотя первые работы в этой области уже опубликованы [5-9].
Использование рентгеновской микротомографии для исследования нефтезаг-рязненных грунтов позволит устранить недостатки выше указанных методов.
Для исследования процессов миграции нефти в грунтах были взяты образцы почв, расположенных вдоль трассы магистрального нефтепровода. Были отобраны цилиндрические образцы ненарушенного сложения (микромонолиты) диаметром 3 см и высотой 4 см в пластиковые трубки при полевой влажности. Для сохранения полевой влажности образцов трубки с микромонолитами были со всех сторон заклеены лабораторной пленкой.
Отобранная почва была охарактеризована как подзолистая по типу почвообразования и супесчаная по механическому составу (Н. А. Качинский, 1950).
Исследование проводилось на компьютерном микротомографе высокого разрешения SkyScan 1172 (Бельгия) с энергией пучка 100 кэВ и фильтром (Cu + Al 0,5 mm) с разрешением 27,8 мкм. Для обработки и количественного анализа изображений были использованы специализированные программы Data Viewer и CTan, поставляемые фирмой-изготовителем SkyScan.
Экспериментальная часть данного исследования заключалась в моделировании на микромоделях грунта аварийных разливов нефти с последующим созданием цифровой 3Б-модели пространственного распределения нефти и определении параметров фильтрации.
Изучение пород, заполненных нефтью либо водой, осложнено тем, что жидкости, как правило, имеют низкую плотность, вследствие чего их довольно сложно выделить с помощью метода рентгеновской томографии.
Для устранения этой проблемы было решено применить рентгеноконтрастный агент — йодид натрия, который представляем собой белый гигроскопичный порошок, легко растворимый в воде, спирте, глицерине.
Использование рентгеноконтрастного вещества позволило получить модель распространения нефти в почве при проливе на ее поверхность. Ниже представлена реконструированная микромодель разлива нефти в аксонометрических проекциях (рис. 2), а также 3Б-изображение распределения нефти в почве (рис. 3), которое показывает зависимость формы нефтеразлива от рельефа местности.
Глубина проникновения нефти зависит от множества факторов: механического состава почв, строения порового пространства, степени их нарушенности, влажности, уклона местности, выраженности микрорельефа и др.
Рис. 2. Микромодель разлива нефти на поверхности почвы в аксонометрических проекциях с указанием точки разлива
Как видно из рисунков, попадая в почву, нефть опускается вертикально вниз под влиянием гравитационных сил и распространяется вширь под действием поверхностных и капиллярных сил (см. рис. 2, 3). Процессы фильтрации происходят неравномерно — наблюдается анизотропное движение нефти, обусловленное формами рельефа микромодели, сорбционными свойствами почвы, а также анизотропией фильтрационных свойств пустотного пространства.
Кроме этого, под влиянием нефти на грунт наблюдается изменение структуры порового пространства, а именно происходят слипания и комкования почвенных частиц. В связи с чем наблюдается уплотнение грунта. Данное наблюдение подтверждает наблюдения А. В. Шамраева и Т. С. Шориной: «Под влиянием нефти увеличивается количество водопрочных агрегатов, структурных отдельностей размером больше 10 мм, происходит агрегирование почвенных частиц, в связи с чем содержание глыбистых частиц увеличивается...» [10].
Таким образом, данные исследования являются одним из этапов изучения и анализа процессов миграции нефти и нефтепродуктов в поровом пространстве почвы. Полученные микротомографические 2D- и 3D-изображения, а также сопровождающие их морфо-метрические данные являются основой для уточнения существующих математических моделей фильтрации нефти в грунтах.
Развитие представлений о флюидодинамических моделях является актуальным для совершенствования стандартных методик расчета объема нефтезагрязненного грунта. Это позволяет более точно оценить последствия аварийных разливов нефти и разработать организационные и технические мероприятия по минимизации экологических и экономических последствий.
Список литературы
1. Сакович Н. Е. Методы и средства ликвидации последствий разливов нефти и нефтепродуктов. - Брянск: Изд-во Брянской ГСХА, 2012. - 198 с.
Рис. 3. ЗБ-модель объемного распределения нефти в грунте с указанием точки разлива
2. Подовалов Ю. А. Экология нефтегазового производства. - М: Инфра-Инженерия, 2010. - 416 с.
3. РД 39-0147098-015-90. Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтепрома.
4. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. Утв. Минтопэнерго РФ 1 ноября 1995 г.
5. Pires L. F., Bacchi O. O. S., Reichardt K. Assessment of soil structure repair due to wetting and drying cycles through 2D tomographic image analysis // Soil and Tillage Research. - 2007. - № 4, Р. 537-545.
6. Torrance J. K., Elliot T., Martin R., Heck R.J. X-ray computed tomography of frozen soil // Cold regions science and technology. - 2008. - № 53. Р. 75-82.
7. Герке К. М., Скворцова Е. Б., Корост Д. В. Томографический метод исследования порового пространства почв: состояние проблемы и изучение некоторых почв России Почвоведение. - 2012. - № 7 С. 781-791.
8. Строение порового пространства в подзолистых горизонтах суглинистых почв (анализ 2D- и 3Б-изображений) / Скворцова Е. Б. [и др.] // Бюллетень Почвенного института им. В. В. Докучаева. - 2013. - Выпуск 71. - С. 65-79.
9. Gerke K. M., Skvortsova E. B., Korost D. V. Variability of soil structure within the same profile studied by the means of mCT Book of abstracts, Pedometrics 2011 - Innovations in pedometrics. 31 August - 2 September, 2011, Trest, Czech Republic. - 2011. - P. 44.
10. Шамраев А. В., Шорина Т. С. Влияние нефти и нефтепродуктов на различные компоненты окружающей среды // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2009. - № 6 (112). - С. 642-645.
Сведения об авторах
Никифоров Артур Сергеевич, ассистент кафедры «Техносферная безопасность», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283023, e-mail: arhont607@gmail. com
Пономарев Андрей Александрович, лаборант учебно-научной геохимической лаборатории, кафедра «Геология месторождений нефти и газа», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)444358, e-mail: ponomarev94@mail.ru
Парфенов Виталий Григорьевич, к. т. н., доцент кафедры «Техносферная безопасность», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283023
Марков Александр Анатольевич, к. м. н., доцент кафедры травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии, Тюменский государственный медицинский университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)287018
Кадыров Марсель Алмазович, студент, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Information about the authors
Nikiforov A. S., Assistant Teacher at the Department of Technosphere Safety, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)283023, e-mail: arhont607@gmail.com
Ponomarev A. A., Laboratory Assistant of the educational-scientific geochemical laboratory at the Department of Geology of Oil and Gas Fields, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)444358, e-mail: ponoma-rev94@mail ru
Parfenov V. G., Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Technosphere Safety, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)283023
Markov A. A., Candidate of Medical Sciences, Associate Professor at the Department of Traumatology, Orthopedics and Military Surgery, Tyumen State Medical University, phone: 8(3452)287018
Kadyrov M. A., Undergraduate, Industrial University of Tyumen
Пожарная и промышленная безопасность в нефтегазовой отрасли _
УДК 614.841.34
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ВЕЛИЧИН ПОЖАРНОГО РИСКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
ANALYSIS OFA METHOD FOR DETERMINING THE ESTIMATED VALUES OF FIRE RISK ON INDUSTRIAL FACILITIES
И. К. Баки ров, А. Р. Загидуллина
I. K. Bakirov, A. R. Zagidullina
Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа
Ключевые слова: пожарный риск; опасные факторы пожара; массовая скорость выгорания; твердые горючие материалы Key words: fire risk; hazards of fire; mass burnout rate; solid combustible materials
Определение расчетных величин пожарных рисков сейчас в России можно определить как новое понятие [1, 2]. Сегодня приняты и утверждены в МЧС России две методики определения расчетных величин пожарных рисков: методика определения расчетных величин на производственных объектах и методика определе-
