Разработка инженерных методов прогнозирования распространения нефти при аварии на нефтепроводе в экстремальных условиях

В процессе эксплуатации магистральных нефтепроводов случаются аварийные утечки, при которых происходят безвозвратные потери нефти и загрязнение окружающей среды. В результате анализа периода работы действующих нефтепроводов России было установлено [23], что на 1994 год около 25% нефтепроводов было построено более 30 лет назад, а 29% -более 20 лет назад. К 2000 году уже 73% нефтепроводов будут находиться в эксплуатации более 20 лет, а 41% -свыше 30 лет. Опыт эксплуатации магистральных нефтепроводов показывает, что срок службы наружного изоляционного покрытия составляет около 15−20 лет [23], поэтому, учитывая, что одной из основных причин утечек является коррозия, в ближайшие годы возможен рост аварийности на линейной части «устаревших» нефтепроводов. Особое внимание при эксплуатации нефтепроводов должно уделяться защите водоохранных объектов, поскольку последствия от их загрязнения нефтепродуктами наблюдаются в течение 20 лет.

Аварийные утечки на магистральных нефтепроводах случаются в любое время года, в том числе и тогда, когда поверхность земли покрыта снегом. Разлив более «горячей», чем окружающая среда, нефти в таких случаях приводит к растеплению части снежного покрова и образованию массы «нефть+вода». Определение количества вытекшей нефти, находящейся на поверхности земли вместе с водой и в снежном массиве, имеет важное практическое значение, прежде всего, для оценки количества нефти, закачиваемой в ходе ликвидации аварии обратно в трубопровод. Кроме того, это позволяет оценить объем аварийной утечки непосредственно по результатам обследования загрязненного участка, что важно в тех практически имеющих место случаях, когда другими способами по различным причинам это сделать затруднительно /например, из-за отсутствия необходимой для этого достоверной исходной информации об утечке, из-за дефектов в работе запорной арматуры и невозможности использования по этой причине аналитических методов, и других/.

В открытой печати не найдено каких-либо математических моделей или эмпирических зависимостей по описанию движения нефти для случаев аварийного растекания по поверхности земли, покрытой снегом. Отсутствуют, также, какие-либо рекомендации по определению количества нефти, находящейся на поверхности земли /в том числев снежном массиве/ в результате утечки из нефтепровода в зимний период времени в действующей «Методике определения ущерба окружающей среде при авариях на магистральных нефтепроводах» [31]. В условиях Западной и СевероЗападной Сибири, когда снежный покров сохраняется более полугода, отсутствие нормативного документа с такой методикой осложняет работу эксплуатационных организаций при ликвидации аварийных утечек зимой.

В последние годы наблюдается тенденция ужесточения штрафных санкций со. стороны государственных органов за безвозвратные аварийные потери нефти от инфильтрации и испарения, а также за допущенное загрязнение окружающей среды. Многолетний опыт эксплуатации магистральных нефтепроводов убедительно доказывает, что ущерб от аварии в значительной степени зависит от правильно определенной стратегии и оперативности в ходе выполнения аварийно-восстановительных работ [2,18,49]. Этому в значительной степени могли бы способствовать простые зависимости /экспресс-методы/ по расчету «динамики» распространения нефти, чтобы еще до прибытия на место аварии можно было бы оценить границы нефтяного пятна за известный промежуток времени и определить необходимые мероприятия по локализации нефтяного пятна. Кроме того, подобные формулы нужны для прогнозирования последствий от вероятных аварий на участках нефтепроводов вблизи важных охранных объектов /рек, озер/ с целью принятия решений о необходимости строительства защитных сооружений, а также разработки защитных и природоохранных мероприятий.

В связи с изложенным была сформулирована следующая цель работы:

— для возможности прогнозирования аварийного растекания нефти, а также выполнения оперативных расчетов получить экспериментальные зависимости по движению нефтейразработать методику определения количества нефти, находящейся на дневной поверхности, в результате аварийной утечки из нефтепровода в зимний период времени.

Научная новизна результатов работы:

1. На основании проведенных опытов по свободному растеканию ньютоновских нефтей на гладкой горизонтальной и наклонной плоскости, а также течению в наклонном лотке и обработки полученных данных найдены экспериментальные зависимости, позволяющие определять границы распространения нефти, площадь растекания и среднюю глубину в зависимости от подачи нефти, вязкости, угла наклона дна и времени движения.

2. Получены формулы по определению объема нефти, находящейся на «заснеженной» поверхности земли в результате аварийной утечки из магистрального нефтепровода для следующих случаев:

— когда вытекшая на дневную поверхность нефть не имеет открытой поверхности /находится в пределах снежного покрова/;

— когда часть нефтяного пятна имеет открытую поверхностьв указанных выше 2-х случаях, если на дневной поверхности находится слой талой воды;

— при «малой» толщине снежного покрова, когда глубина растекшейся нефти превышает толщину слоя снега.

Практическая ценность работы:

1. Экспериментальные формулы по одномерному течению ньютоновских нефтей, а также свободному растеканию на горизонтальной и наклонной плоскостях могут применяться в инженерной практике для: выполнения оперативных расчетов по распространению нефти по плоской дневной поверхности или в сухом русле при порыве на магистральном нефтепроводе;

— предварительного проведения расчетов по прогнозированию возможного аварийного распространения нефти в результате разрыва магистрального нефтепровода вблизи важного охранного объекта.

2. Применение разработанной «Методики прогнозирования аварийного растекания нефти и оценки безвозвратных потерь на магистральных нефтепроводах» позволяет прогнозировать возможное аварийное распространение нефти по плоской дневной поверхности и течению в естественном русле с учетом уменьшения массы растекающейся нефти от испарения и инфильтрации, а также оценивать объем потерь от испарения и инфильтрации при произошедшей аварии на трубопроводе.

3. Использование «Методики выполнения расчетов по оценке объема аварийной утечки из нефтепровода в зимнее время» дает возможность при ликвидации аварии на магистральном нефтепроводе в «заснеженный» период времени производить вычисление объема аварийной утечки нефти на основании данных обследования загрязненной территории.

Реализация результатов работы.

На основании представленных в работе результатов разработаны 2 методики, предназначенные для применения в качестве стандарта предприятия:

— «Методика прогнозирования аварийного растекания нефти и оценки безвозвратных потерь на магистральных нефтепроводах» ;

Методика выполнения расчетов по оценке объема аварийной утечки из нефтепровода в зимнее время" .

Основные результаты докладывались на:

— международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, 19 96 г.;

— 1-м международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем», Москва, ГАНГ им. И. М. Губкина, 1997 г.- всероссийской научно-технической конференции.

Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий", Тюмень, 1998 г.- - 3 всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», С-Петербург, 1998 год.

Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ.

Работа выполнялась в Тюменском Государственном нефтегазовом университете и Нефтеюганском УМН.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Получены эмпирические зависимости по движению ньютоновских нефтей на гладких поверхностях /горизонтальной, наклонной, лотке прямоугольного профиля/, позволяющие определять положение переднего фронта потока и площадь растекания нефти.

2. Разработан пакет из 3-х программ /Приложение 1/ по вычислению безвозвратных потерь нефти от испарения и инфильтрации, а также определению положения границы контура пятна и площади растекания в случае аварийного распространения нефти по дневной поверхности.

3. Предложены формулы для вычисления объема нефти, находящейся на дневной поверхности вследствие аварийной утечки на нефтепроводе, при различном состоянии снежного покрова.

4.Разработана инженерная методика экспериментального определения объема нефти, находящейся на поверхности земли в результате свищевой утечки либо аварии на нефтепроводе в «заснеженное» время года.