Обеспечение промышленной безопасности сероводородсодержащих объектов нефтегазовых месторождений на основе методов оценки и управления техногенными рисками

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 83 публикациях, включая 1 патент СССР, 4 патента РФ, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 39 статей в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 372 наименования. Содержит 330 страниц машинописного текста, 36 таблиц, 75 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, основные предпосылки методологии определения эффективности технических, технологических и организационных мероприятий, снижающих риск техногенных аварий на сероводородсодержащих нефтегазодобывающих производственных объектах, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе на базе имеющейся обширной информации представлены результаты анализа мероприятий, обеспечивающих повышение уровня промышленной безопасности при авариях на объектах нефтегазовых месторождений, включая сероводородсодержащие, и методов оценки их эффективности. Показано, что к настоящему времени в российской и мировой промышленной практике накоплен существенный позитивный опыт законодательного регулирования в области промышленной безопасности, включающий профилактику техногенных рисков и эффективное аварийное реагирование в качестве одного из законодательно регулируемых элементов опасного производства.

Потенциальная опасность технологических и аварийных выбросов углеводородов и продуктов их переработки потребовала создания и внедрения в производство комплекса юридических, организационных и технических мероприятий, направленных на защиту промышленного персонала, населения и окружающей природной среды. Особую актуальность эта проблема приобрела в последние годы, характеризующиеся неснижаемым уровнем аварийности при расширении производства и вовлечении в разработку новых, как правило, сероводородсодержащих месторождений нефти и газа.

Проанализированы широко используемые и перспективные мероприятия, направленные на повышение уровня промышленной безопасности нефтегазовых производств, включая способы и средства снижения уровня аварийности на скважинах и сокращение ущербов и вреда, причиняемых в результате аварий, как в период строительства – бурения, так и во время эксплуатации скважин в различных геологических и технологических условиях; способы и средства снижения вероятности выбросов загрязняющих веществ на установках промысловой подготовки и переработки углеводородов и сокращения вреда, причиняемого вредными факторами; способы и средства, снижающие вероятность аварий на объектах промыслового транспорта нефтепродуктов и размеры вреда, причиненного окружающей среде, в том числе и способы локализации аварийных разливов нефтепродуктов и ликвидации их последствий.

На основе имеющихся отечественных и зарубежных научных публикаций дана обобщенная характеристика используемых в практике управления промышленной безопасностью параметров, характеризующих эффективность мероприятий, повышающих уровень защищенности персонала, населения, имущества и окружающей среды от последствий аварий.

Наиболее перспективными являются подходы к оценке эффективности методов и средств, снижающих и вероятность аварии, и тяжесть ее последствий, включая все виды затрат, необходимых на предотвращение аварии, ее локализацию и ликвидацию, возмещение причиненного вреда. В этих случаях в качестве критериев эффективности методов и средств снижения техногенного риска обычно используют величину предотвращенного ущерба в денежном эквиваленте. Наиболее эффективными признаются мероприятия, для которых эта величина максимальна. Еще одним показателем эффективности при данном подходе является отношение величины предотвращенного ущерба к сумме затрат, направляемых на реализацию мероприятий, повышающих безопасность опасного производственного объекта. Иногда в качестве положительного эффекта рассматривают снижение расчетного значения вероятности аварии в результате внедрения соответствующих мероприятий технического или организационного плана.

Также эффективность организационно-технических мероприятий по снижению риска опасного производственного объекта определяют с использованием методов финансового анализа. В этом случае реализация мероприятий рассматривается как некоторое подобие инвестиционного проекта, в котором величина предотвращенного ущерба является доходной частью.

Сделан вывод, что способы и средства, направленные на снижение рисков техногенного воздействия на окружающее пространство, весьма разнообразны. Они включают технические, технологические, организационные методы и методы экономического управления рисками. Большинство из них имеет ограничения по применимости на определенных опасных производственных объектах, которые обусловлены конструктивными, технологическими и климато-географическими особенностями самих объектов, а также физико-химической природой применяемых способов и средств. Как правило, повышение уровня промышленной безопасности нефтегазодобывающих объектов требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат, следовательно, практический выбор рациональных решений при проектировании, эксплуатации, модернизации нефтегазодобывающих производственных комплексов существенно затруднен из-за отсутствия единого, доступного и общеприменимого критерия эффективности этих решений.

Во второй главе проведен анализ существующих методик оценки риска техногенных аварий на сероводородсодержащих нефтегазовых месторождениях. Выявлены их достоинства и недостатки. Дано научное обоснование применимости действующих методик оценки вероятности аварий и их негативных последствий для прогнозирования аварий нефтегазовых промысловых объектов.

Наибольшими недостатками для оценки риска аварий на сероводородсодержащих нефтегазовых месторождениях характеризуются методики оценки последствий аварий, связанных с выбросами в окружающее пространство сероводорода, содержащегося в пластовой продукции. Это связано с тем, что зачастую в методиках не учитывается движение облака опасных веществ под действием силы тяжести, в связи с чем обоснована необходимость перехода при моделировании подобных аварийных процессов от моделей гауссовского типа к моделям рассеяния тяжелого газа, а также разработки соответствующих адекватных программных средств.

Также значительными недостатками обладают методики оценки последствий аварий, связанных с разливом жидких углеводородов и их последующим воспламенением. В них либо принимается, что разлив представляет собой круг, либо предполагается обязательное экспериментальное определение площади разлива и заражения почв. Замена на круговую форму формы горящих разлитий, имеющих значительную протяженность и небольшую ширину («языки» разливающейся по неровностям рельефа горящей жидкости), вносит существенные погрешности в расчеты, что затрудняет прогнозирование негативных последствий, принятие безопасных проектных решений и планирование адекватных противоаварийных мероприятий. Кроме того, в различных методических документах для расчета уровней теплового воздействия используются различные величины как по наименованию (хотя и имеющие одинаковую размерность), так и по количественным значениям. Указанные обстоятельства позволили обосновать необходимость совершенствования методических подходов к прогнозированию последствий пожаров разлития жидких углеводородов, а также разработки методов экспериментального моделирования пожаров разлития и определения зон действия теплового излучения.

В третьей главе описана методология оценки математического ожидания ущерба от возможных аварий на объектах нефтегазовых месторождений, дана характеристика производственных объектов сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений как источников техногенной опасности. Опасность техногенного характера рассматривается как состояние, внутренне присущее технической системе или транспортному объекту, реализуемое в виде поражающих воздействий источника аварийной ситуации на человека и окружающую среду при его возникновении либо в виде прямого или косвенного ущерба для человека и окружающей среды в процессе нормальной эксплуатации этих объектов.

Основные опасности нефтегазодобывающих опасных производственных объектов связаны с возможностью возникновения аварий, сопровождающихся токсическим выбросом или выбросами воспламеняющихся газов и горючих жидкостей, приводящими к пожару или взрыву. Обычно основной причине возникновения аварии предшествуют стадия накопления ошибок в проектных решениях, нарушений противопожарных норм и технологического режима, недостаточность контроля за организацией труда и действиями персонала и др.

Одной из характеристик опасности, широко используемой в настоящее время, является риск – мера опасности, характеризующая вероятность возникновения возможных аварий и тяжесть их последствий. Наиболее общим показателем риска считается математическое ожидание ущерба от опасного события за год.

Составляющие ущерба могут быть рассчитаны независимо друг от друга. В общем случае последствия аварийных ситуаций можно оценить с помощью трех групп ущерба: причинение ущерба жизни и здоровью людей; экономические ущербы – прямые убытки из-за потерь сырья, продукции, повреждения зданий, сооружений и оборудования, косвенные убытки из-за выхода их из эксплуатации и остановки производства; ущерб и неблагоприятные последствия для окружающей среды.

Исходя из статистических данных, можно выделить основные группы причин возникновения аварий:

• внешние причины – ошибки проекта, низкий уровень организации работ, человеческий фактор (ошибки обслуживающего персонала), воздействия природного и техногенного характера;

• внутренние причины – отказ оборудования (его элементов) вследствие физического износа, коррозии, механических повреждений, температурных деформаций, усталости материалов; неконтролируемые отклонения технологического процесса; дефект конструкции (раковины, дефекты в сварных соединениях); прекращение подачи энергоресурсов (электроэнергии, пара, воды, воздуха); механические повреждения, возникшие вследствие некачественных строительно-монтажных, ремонтных и пусконаладочных работ, и т.д.

С учетом представленных условий, имеющейся статистической информации, данных о частотах возникновения исходных событий в ОАО «Газпром» в главе представлены «деревья событий» развития аварий для типовых нефтегазодобывающих объектов: скважин, установок промысловой подготовки пластовой продукции, объектов транспорта углеводородов. Это позволило определить вероятности реализации типичных сценариев аварий и на основе действующих методик оценить размеры возможных ущербов.

Приведены результаты расчетов математического ожидания ущерба и потерь от аварий. При расчетах математического ожидания ущерба и потерь принято, что наибольшую потенциальную опасность представляет открытый газовый или нефтяной фонтан, сопровождающийся выбросами в атмосферу углеводородов и токсических веществ (сероводорода в составе пластовой продукции) с возможным возгоранием (пожарами), взрывами и загазованностью территории. Основными поражающими факторами возможных аварий являются токсическое поражение, ударная волна, тепловое излучение и термическое поражение открытым пламенем.

Математическое ожидание ущерба и потерь при авариях на остальных опасных производственных объектах нефтегазовых месторождений определялось:

• на установках промысловой подготовки пластовой продукции с учетом зон распространения токсических выбросов до значений пороговой и летальной токсодоз и количества пострадавших, границ зон разрушений и количества пострадавших, в том числе летально, и, в конечном итоге, полного ущерба при взрыве топливно-воздушной смеси, зон термического поражения и количества пострадавших, в том числе летально, при авариях, сопровождающихся взрывом с образованием «огненного шара»;
• на промысловых газопроводах с учетом зон действия поражающих факторов, возможного числа пострадавших, в том числе летально, возможных зон разрушений, исходя из того, что для газопроводов реализуются аварии, связанные с токсическим выбросом или взрывом или воспламенением выброшенной смеси, включая струевое горение;
• на промысловых трубопроводах, транспортирующих жидкие среды (нефть, конденсат нестабильный), с учетом зон действия поражающих факторов, возможного числа пострадавших, в том числе летально, зон разрушений и термического поражения, зон загрязнения почв и водоемов жидкими углеводородами и сопутствующими компонентами.

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что оценка ущерба и вероятности его нанесения – необходимый элемент управления промышленной безопасностью, в том числе с целью определения необходимых мероприятий по повышению безопасности нефтегазовых объектов, достаточности объемов материальных, финансовых ресурсов, позволяющих в максимально короткие сроки локализовать и ликвидировать аварию и ее последствия. Прогнозирование вероятных экономических последствий аварий на опасных нефтегазовых производственных объектах является универсальным инструментом управления техногенными рисками, страхования, оценки и сравнения эффективности мероприятий, повышающих уровень промышленной безопасности нефтегазодобывающих производств.

Математическое ожидание ущерба является единым экономическим показателем, необходимым для анализа эффективности мероприятий, направленных на снижение размера ущерба от аварий, обеспечение безопасности персонала, населения и окружающей природной среды.

В четвертой главе представлены разработанная автором методология сравнительной оценки эффективности мероприятий, снижающих риск техногенных аварий на сероводородсодержащих нефтегазовых месторождениях, методика оценки эффективности мероприятий, повышающих безопасность эксплуатируемых объектов добычи, подготовки и транспортировки углеводородов, и практические примеры ее использования.

В качестве критерия эффективности организационно-технических мероприятий, повышающих безопасность нефтегазопромысловых объектов, предлагается принять минимальную величину параметра, рассчитанного для нескольких видов мероприятий или их комплексов и представляющего собой сумму затрат на реализацию мероприятий и характеризующего математическое ожидание ущерба и потерь. К наиболее рациональным следует отнести решения, позволяющие при наименьших затратах максимально снизить размеры ожидаемого ущерба и частоту возможных аварий, что математически можно представить в следующем виде:

где Кj – параметр эффективности j-ого метода управления техногенными рисками; n – количество методов управления техногенными рисками, эффективность которых сравнивается; j – вероятность возникновения аварийной ситуации на опасном производственном объекте при использовании j-ого метода управления техногенными рисками; Уj – ожидаемый ущерб от аварии на опасном производственном объекте при использовании j-ого метода управления техногенными рисками; Зj – затраты на реализацию j-ого метода управления техногенными рисками; Зj* – эксплуатационные затраты, необходимые при использовании j-ого метода управления техногенными рисками; – срок службы опасного производственного объекта после реализации j-ого метода управления техногенными рисками; ЗjА – затраты, необходимые для ликвидации аварии и ее последствий при использовании j-ого метода управления техногенными рисками; Сj – сумма страхового покрытия, обусловленная действующим законодательством и договором со страховой компанией и учитывающая использование j-ого метода управления техногенными рисками; Сj* – страховые платежи в пересчете на год.

Приведенный подход в совокупности может служить основой для определения общей политики нефтегазодобывающего предприятия в области управления безопасностью, в т.ч. и при разработке перспективных планов развития в ходе обоснования и реализации инвестиционных программ, отдельных инвестиционных проектов.

Разработанная и внедренная методика оценки эффективности мероприятий, повышающих безопасность типовых производственных объектов нефтегазовых промыслов, предполагает следующий порядок расчета параметра эффективности и принятия решения о реализации мероприятий по повышению безопасности нефтегазопромыслового объекта, включающий следующие этапы:

• определение мероприятий, направленных на повышение безопасности нефтегазопромыслового объекта. Количество мероприятий j и их вид определяются исходя из имеющихся в распоряжении предприятия технических средств, квалификации персонала и привлекаемых для осуществления мероприятий подрядных организаций, доступности планируемых мероприятий, лимитов ресурсов, установленных предприятию на планируемый период;
• определение срока службы опасного нефтегазопромыслового объекта после реализации мероприятий;
• определение максимально неблагоприятного сценария аварии и последствий;
• расчет для исходного состояния объекта затрат на аварийные работы З1А, суммы страхового покрытия С1, суммарного ожидаемого ущерба от аварии У1, сумм страхового платежа С1*, эксплуатационных затрат З1*, определение вероятности реализации аварийной ситуации 1;
• расчет параметра К1 для исходного состояния объекта;
• расчет для возможных вариантов мероприятий затрат на реализацию мероприятий Зj…Зn, затрат на аварийные работы ЗjА…ЗnА, сумм страхового покрытия Сj…Сn, суммарного ожидаемого ущерба Уj… Уn, сумм страховых платежей Сj*… Сn*, эксплуатационных затрат Зj*… Зn*;
• определение для возможных вариантов мероприятий вероятностей реализации аварийной ситуации j, характеризующих данные мероприятия;
• расчет для возможных вариантов мероприятий параметров Кj…Кn;
• сравнение значений параметров К1, Кj…Кn, определение наименьшего значения при сроке службы ;
• выдача рекомендаций по отбору для реализации варианта мероприятий, повышающих безопасность типовых нефтегазопромысловых объектов.

Схематично алгоритм расчета параметра эффективности мероприятий, повышающих безопасность типовых нефтегазопромысловых объектов, и принятия решения об их реализации представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Алгоритм расчета параметра эффективности мероприятий,

повышающих безопасность типовых нефтегазопромысловых

производственных объектов, и принятия решения
об их реализации