Новые технологии обеспечения безопасности природно-территориальных комплексов в нефтегазовой отрасли

УДК 622.691.4:618.518

На правах рукописи

Знобищев Геннадий Петрович

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИРОДНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2009

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии
«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель	доктор технических наук, заслуженный деятель науки РБ Хасанов Ильмер Юсупович
Официальные оппоненты	доктор технических наук, профессор Идрисов Роберт Хабибович кандидат технических наук Файзуллин Саяфетдин Минигулович
Ведущее предприятие	Центр исследований экстремальных ситуаций (ЦИЭКС)

Защита диссертации состоится 19 ноября 2009 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 19 октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Нефтяная промышленность является базовой валютообразующей отраслью топливно-энергетического комплекса, оказывающей существенное влияние на экономическое состояние страны. Ежегодно в России добывается примерно 300 млн т нефти. Дальнейший рост уровня её добычи до 2020 года будет обеспечиваться за счет ввода новых месторождений на территориях ХМАО-Югра, Томской области, Тимано-Печорского бассейна, Восточной Сибири, Республики Саха и системы «Ямал».

Западная Сибирь остается главной нефтедобывающей провинцией России, на долю которой приходится более половины объема добычи в стране. Здесь же сосредоточены и крупнейшие в мире массивы болот (~ 66 % территории заболочено).

Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов имеют место на всех стадиях обращения с ними: при добыче, транспортировке, хранении. Другие загрязнители не могут сравниться с нефтью по масштабам распространения и количеству источников загрязнения окружающей природной среды. Статистика аварийности указывает на значительное количество аварий на магистральных и межпромысловых нефтепроводах. Потери нефти при этом составляют не менее 4,5 млн т/год. Поэтому территория Западной Сибири характеризуется значительными загрязнениями компонентов природных комплексов.

Существующие методы и средства не всегда оказываются способными достичь главную цель при аварийных разливах нефти – быстро и без последствий удалить загрязнители окружающей среды. Известные методы рекультивации болотных почв (сжигание, засыпка болотных ценозов песком, снятие плодородного слоя, фрезерование и др.) приводят к разрушению деятельного слоя, гибели микрофлоры, ухудшению режима водовоздушного торфогенного слоя. Такие приемы нарушают основной принцип восстановления природных комплексов – «не навреди» и ряд законодательных актов.

Восстановление переувлажненных почв, многочисленных болотных озерков, «техногенных» котлованов, сплавинных болот и т.д. с помощью известных технологий невозможно или малоэффективно из-за присутствия на них водной растительности, эмульгированной нефти и битуминозной корочки. Реабилитация таких объектов затягивается на 10…20 лет.

Отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают летучие фракции нефти, недоокисленные продукты горения при выжигании разлитой нефти и горении попутных нефтяных газов (ПНГ) на факелах. При пиролизе углеводородов образуются обширные ореолы загрязнения атмосферы опасными газами, аэрозолями, сажей, содержащей канцерогенные вещества и тяжелые металлы. В среднем уровень использования ПНГ на лицензированных промыслах Западной Сибири составляет менее 70 %.

Под руководством и при непосредственном участии заслуженных ученых Чижова Б.Е., Гашева С.Н., Сороматина А.В., Вавера В.И., Вершини-
на Ю.А. и др. разработаны и внедряются методические и практические рекомендации по комплексной рекультивации нефтезагрязненных ландшафтов Среднего Приобья. Вопросам повышения надежности и безопасности линейной части и технологического оборудования, ликвидации аварийных разливов нефти, нефтепродуктов и их последствий посвящены известные работы Гумерова А.Г., Бородавкина П.П., Черняева В.Д., Галюка В.Х., Хасанова И.Ю., Идрисова Р.Х., Гумерова Р.С., Шаммазова А.М., Хлесткина Р.Н. и др.

Однако, в силу обострения экологических проблем, связанных с возрастающей техногенной нагрузкой на природно-территориальные комплексы Западной Сибири, со специфическими условиями формирования органогенных почв в болотных и аквальных ландшафтах, атмосферы, отличающихся слабой эколого-химической устойчивостью к техногенным воздействиям, малой несущей способностью, небольшим потенциалом для самоочищения и самовосстановления, использование существующих методов защиты составляющих природной среды далеко недостаточно. Имеющиеся разработки ещё не привели к должным результатам.

Целью настоящей работы является разработка новых рациональных техники и технологий минимизации воздействия разливов нефти и газообразных выбросов на болотные и аквальные экосистемы, восстановления и сохранения биотического равновесия в природно-территориальных комплексах окружающей среды при добыче, подготовке и транспорте нефти.

Основные задачи исследований

1. Провести анализ физико-химических свойств нефтей и их составляющих, оказывающих вредное воздействие на компоненты природных комплексов; динамики аварийности на магистральных и внутрипромысловых трубопроводах; техногенных ситуаций и их причин, связанных с выбросами нефти, нефтепродуктов и углеводородных газов в окружающую природную среду.

2. Предложить оперативные методы определения типа болот для оценки проходимости аварийной техники с минимальным разрушением массива; методики определения механических свойств торфяных почв в полевых условиях, площади и объема разлива.

3. Разработать технику и технологии для локализации, сбора и удаления разливов нефти, в том числе застарелых, с поверхности болотных и аквальных ландшафтов.

4. Разработать технические средства и технологии сокращения потерь нефти от испарения (ПНИ) с открытой поверхности.

5. Разработать способ рационального использования попутного нефтяного газа малых и удаленных месторождений.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач использовались аналитические методы решения дифференциальных уравнений.

Для подтверждения выводов и реализации предложенных в работе расчетных методов использованы экспериментальные данные стендовых и опытно-промышленных испытаний, при этом применялись современные методы обработки результатов наблюдений.

Научная новизна

1. Для обеспечения безопасного для болотного массива передвижения аварийной техники и очистки болотных ландшафтов от нефтяного загрязнения предложены инженерно-графический метод оценки проходимости массивов болотоходной техникой, методики определения механических свойств торфяных почв в полевых условиях, метод определения площади и объема разлива.

2. Разработаны и научно обоснованы комплект оборудования и технологии для удаления нефтяных разливов с болотных и аквальных ландшафтов.

3. Разработана математическая модель, позволяющая на новом уровне оценить технические решения по удалению нефти в болотных системах.

4. Разработан метод получения изолирующего состава для снижения потерь нефти от испарения в условиях 2-стороннего переноса вещества через границу раздела фаз «газ жидкость».

5. Предложен метод утилизации попутного нефтяного газа на мобильных блочных установках на отдаленных труднодоступных месторождениях.

На защиту выносятся результаты экспериментальных и теоретических исследований, их обобщение и практические рекомендации по обеспечению высокой эффективности процессов локализации и удаления разливов жидких углеводородов с болотных массивов, снижения потерь нефти от испарения с открытых поверхностей, утилизации попутного нефтяного газа на малых труднодоступных нефтегазовых месторождениях.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Предложен метод прямой оценки объема разлитой нефти.

2. Разработаны техника и технологии для локализации и сбора нефти с поверхности болотных почв, многочисленных болотных озерков, ловчих ям, «техногенных» котлованов, сплавинных болот и зыбунов.

3. Разработаны способы сокращения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения с открытой поверхности.

4. Предложен метод утилизации попутных нефтяных газов на малодебитных нефтегазовых месторождениях.

Всепогодный барабанный нефтесборщик и боновое заграждение аэродинамического принципа действия выпускаются серийно на ОАО «Белебеевский механический завод» в кооперации с ОАО «Салаватнефтемаш» и
ОАО «Витязь». Нефтесборщик внедрен во многих нефтяных компаниях
ОАО «НК «Роснефть», ОАО «АНК «Башнефть», ТО «Таза-Мунай» (Республика Казахстан).

Предложенные технологии рекомендуются для защиты от нефтяных загрязнений природно-территориальных комплексов Западной Сибири.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях, проходивших в рамках:

- VII Конгресса нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 22 мая 2007 г.;

- VII Российского энергетического форума, г. Уфа, 24 октября 2007 г.;

- VIII Конгресса нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 26 мая 2009 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 в соответствии с Перечнем ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 142 наименования, и 6 приложений; содержит 155 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 14 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проанализированы основные причины и источники попадания нефтяных углеводородов в окружающую среду при добыче и трубопроводном транспорте нефти; физико-химические свойства нефтей и их компонентов, оказывающих вредное воздействие на составляющие природных комплексов. Дан анализ особенностей нефтяного загрязнения атмосферы, аквальных ландшафтов. Особое внимание уделено загрязнению болотных ландшафтов – центральному звену экосистемы. Дана характеристика типов болотных массивов по характеру растительности и свойствам торфяной почвы применительно к оценке проходимости их болотоходной техникой.

Отмечено, что реабилитация загрязненных территорий может считаться завершенной при достижении допустимого уровня остаточного содержания нефти и нефтепродуктов в соответствующих компонентах окружающей среды.

В настоящее время в практике рекультивации загрязненных нефтью заболоченных земель используются, в основном, методы, способствующие
ускорению очистки, основывающиеся на том, что в территориальных природно-климатических условиях составляющие экосистем самоочищаются и самовосстанавливаются за счет испарения, вымывания, деструкции нефти, биодеградации от солнечной радиации и фотохимических реакций. Действующие технологии рекультивации болотных ландшафтов это ускорение процессов естественного самоочищения биогеоценозов проведением агротехнических мероприятий, в основном многократной вспашкой, засыпкой грунтом, внесением минеральных удобрений и биологически активных добавок: мелиорантов, семян трав и т.п. При этом установлено, что для успешного самовосстановления биоценозов необходимо в первую очередь удалить разлитую нефть так, чтобы возобновить воздухообмен, а для сохранения надземной части растений не вспахивать и не засыпать поверхностные слои болот. Именно поэтому разработка в кратчайшие сроки новых технологий реабилитации, обеспечивающих минимизацию экологических рисков от разливов нефти в болотных, а также в аквальных ландшафтах, атмосферы от газообразных выбросов для сохранения биотического равновесия в природно-территориальных комплексах окружающей среды, становится неотложной задачей.

В этих условиях нами предлагаются новые техника и технологии сбора и удаления нефтяных загрязнений, в том числе застарелых, с поверхности болотных почв; сбора и удаления смытой с поверхности болот эмульгированной нефти; ликвидации нефтяного загрязнения с водной поверхности многочисленных болотных озерков, заросших высшей водной растительностью, сплавинных болот, ловчих ям; рациональной утилизации нефтяного газа.

Данная концепция предполагает наличие и, при их отсутствии, разработку комплекса технических средств, технологий очистки растительности, деревьев, пней, валежника болотного массива от нефтяного загрязнения или их удаления вместе с загрязнением; сбора, откачки и утилизации нефтяной эмульсии с поверхности болотных рек и озер; разработку методик очистки и определения типа болот, строения поверхности и площади разлива, глубины проникновения нефти в болотный массив; малогабаритного комплекса утилизации ПНГ.

Во второй главе отмечается, что на сегодняшний день общих правил, описывающих миграцию нефти в болотных ландшафтах, не выявлено. Нефть на болотах разливается по направлению движения болотных вод с аккумуляцией битуминозных фракций на моховом очесе, болотной растительности, деревьях, пнях, кустарниках, растительном опаде, распространяется на толщу торфогенного слоя (5…15 см). Постепенно мигрируя, загрязнение распространяется на территориях, зачастую превышающих площади начального загрязнения. Конечный сброс загрязнителя замкнут на местные бессточные понижения и водотоки, геохимические ловушки – грядомочажинный комплекс болот.

В работе предложен инженерно-графический метод оценки болотных микроландшафтов (типа болот, степени заболоченности, площадного распространения торфов), проходимости массивов болотной техникой, площади и объема разлива. Метод основан на дешифровании информации аэрофотосъемки, экспериментально (заблаговременно) найденных и статистически обработанных совокупностей ключевых характеристик торфяной залежи. Метод является одним из перспективных направлений информационного обеспечения задач экологического мониторинга аварийных разливов нефти в болотных экосистемах, особенно в условиях применения информационно-космических систем типа Глонасс.

Рекомендованы методики определения механических свойств торфов в полевых условиях для установления прочности на сдвиг в условиях природного залегания, сжимаемости – изменения объема (из-за высокой пористости) – под влиянием сжатия слабых грунтов при статических нагрузках.

Предложена схема комплекса оборудования для подготовки массива к удалению нефтяного загрязнения (очистки массива от механических препятствий для движения болотной техники) с нефтесборным устройством.

Разработан комплекс на основе шагающей болотной машины с малым удельным давлением на грунт, предназначенный к применению в болотных массивах, «не осложненных» деревьями, валежником, пнями, мусором, высшей водной растительностью, для сбора разлитой нефти.

Теоретически обоснован и сконструирован нефтесборный барабан-каток комплекса с плитами-заборниками для истечения нефти через заборную головку в полость барабана-катка (рисунок 1).

1 – ось; 2 – лопасть; 3 – ячейка; 4 – стенка боковая

Рисунок 1 – Схема работы нефтесборного катка

В основу работы устройства забора нефти заложен принцип, заключающийся в том, что полое тело, имеющее форму усеченной пирамиды, конуса, полусферы с отверстием на вершине или другую подобную форму, открытое сверху и снизу, при постепенном вдавливании его со стороны основания в болотный массив, загрязненный нефтью, отсекает заданную площадь массива. При движении барабана плиты с заборными головками выжимают нефть из массива и постепенно погружаются в нефть, пропуская её через себя. При дальнейшем вращении барабана заборная головка начинает выходить из массива, происходит обратный отток жидкости, верхнее основание закрывается, нефть остается внутри барабана.

При большой скорости погружения заборной головки в массив нефть не будет успевать проходить через неё, медленное вращение барабана приведет к снижению производительности комплекса. Следовательно, для различной степени сжимаемости болота и вязкости нефти скорость погружения заборника в массив, обеспечивающая качественный сбор разлитой нефти, будет различной. Время прохода жидкости через головку определяет скорость вращения катка. Чтобы края нижнего основания заборной фигуры при погружении в массив, аналогично вдавливанию пробоотборника торфа, не резали корни растительности и мхов массива, а только сжимали его и выжимали нефть, поверхность катка покрыта сеткой. В зависимости от того, свежеразлитая нефть или застарелая, маловязкая или высоковязкая, сетка может быть без подогрева или с подогревом. Глубина погружения заборной фигуры в болотный массив определяется исходя из глубины проникновения нефти и сжимаемости подлежащего очистке массива, а форма, упругость и размеры заборной фигуры состоянием поверхности болота.

Известно, что большая часть (до 95 % и более) нефтяного загрязнения находится (аккумулируется) в слое торфа толщиной до 15 см. Когда же разлив застарелый или местность имеет форму чаши, эта толщина достигает
~ 18 см и более. В частности, при инвентаризации загрязненных нефтью земель ХМАО-Югра специалистами ООО «СибНИПИРП» установлено, что основные площади загрязнения (86 %) приходятся на болота. На 95 % пере-
увлажненных участков, преимущественно болотах, глубина загрязнения почвы нефтью не превышала 15 см. Снижение концентрации нефти с глубиной постепенное, а при падении уровня грунтовых вод наблюдаются её оседание на поверхности болота и затвердевание с образованием битуминозной
корочки.