Транспортировка нефти из районов добычи на нефтеперерабатывающие заводы осуществляется через системы промысловых и магистральных нефтепроводов. В Западной Сибири значительная их часть проложена в районах вечной мерзлоты, болот и районов с высоким уровнем грунтовых вод. Трудно преодолимая наземным транспортом местность, множество ручьев, рек, озер и суровая северная зима осложняют эксплуатацию нефтепроводов, которая в целом в северных регионах осуществляется в экстремальных условиях. Большая часть действующей сети нефтепроводов к настоящему времени уже выработала свой нормативный ресурс. Так, анализ периода эксплуатации нефтепроводов России, приведенный в работе [14], показывает, что в 2000 году 73% нефтепроводов было построено более 20 лет назад, а 41% - более 30 лет назад. Как известно, срок службы наружной изоляции магистральных трубопроводов, проложенных подземно, составляет 152 0 лет, а одной из основных причин аварийных утечек является внешняя коррозия [1,7,10,4 9], поэтому в настоящее время безаварийная эксплуатация устаревших" нефтепроводов в сложных природно-климатических условиях Западной Сибири практически невозможна. Сквозные повреждения трубопроводов приводят к потерям ценного углеводородного сырья, а также загрязнению окружающей среды. Особенно значительный ущерб природе наносится при порывах нефтепроводов вблизи водоохранных объектов /рек, озер и т. д./, поскольку последствия от их загрязнения нефтью наблюдаются в течение 20 и более лет [6]. Неизбежные при авариях материальные затраты на рекультивацию загрязненной территории, ремонт трубы, а также издержки от простоя нефтепровода существенно снижают эффективность трубопроводного транспорта нефти. Кроме того, эксплуатирующие организации подвергаются штрафным санкциям со стороны государственных органов за допущенное загрязнение окружающей среды и потери углеводородного сырья, поэтому точное определение количества разлитой нефти в результате аварии на нефтепроводе является весьма существенным.
Как показывает многолетний опыт эксплуатации промысловых и магистральных нефтепроводов, при любых аварийных утечках /значительных — при порывах нефтепроводов, незначительных — при свищевых утечках/ оценить количество вытекшей нефти можно экспериментально-расчетным способом, базирующимся на результатах обследования загрязненного участка местности. На основании такого способа разработан ныне действующий нормативный документ [26], однако в нем не предусмотрены особенности проведения обследования загрязненной территории и выполнения вычислений по определению объема разлитой нефти для зимних условий эксплуатации нефтепроводов. В случае сквозного повреждения стенки трубопровода зимой значительная часть вытекшей нефти оказывается в снегу, поэтому не учет наличия снежного покрова создает серьезные проблемы при использовании указанной методики расчета, а в итоге — снижает точность вычислений по определению ущерба, нанесенного окружающей среде. В условиях Западной Сибири снежный покров сохраняется более полугода, а аварии могут случаться в любое время, поэтому для оценки количества разлитой нефти зимой нужна соответствующая методика, учитывающая специфические особенности аварийного загрязнения местности, когда существует снежный покров. В связи с чем тема данной диссертационной работы является вполне актуальной.
Аварийные разливы «горячей» нефти, случающиеся в зимнее время, приводят к таянию части снежного покрова, соприкасающегося с нефтью. Образующаяся в результате этого вода как более тяжелая жидкость оседает, формируя слой на поверхности земли, который препятствует инфильтрации нефти в мерзлый грунт [2,3]. Экспериментальными исследованиями установлено [4], что потери нефти от испарения при отрицательных температурах является малыми и ими, в таких случаях, в инженерной практике пренебрегают [42]. Поэтому основная часть нефти, вытекшей через порыв трубопровода, оказывается на поверхности земли, а также в пределах снежного покрова. В нашем регионе магистральные нефтепроводы проложены подземно, поэтому при свищевых утечках часть нефти насыщает поровое пространство грунта вокруг трубопровода, а другая часть перемещается вдоль траншеи в пространстве между стенкой трубы и грунтом, распространяясь иногда на расстояние до нескольких сотен метров [42,49]. Выход нефти на поверхность грунта в таком случае происходит, как правило, далеко от места повреждения трубопровода в пониженном месте трассы. При обнаружении такой утечки количество нефти, содержащейся в пределах грунта, можно оценить одним из известных экспериментальных способов. В случае утечки нефти зимой из промыслового трубопровода через коррозионное отверстие большая часть нефти растекается по поверхности земли, а существенно меньшая частьинфильтруется в грунт. Таким образом, для оценки количества нефти, вытекшей из промыслового или магистрального нефтепровода зимой в результате разрыва стенки трубы или вследствие функционирования свищевой утечки, необходимо определить, сколько нефти находится на поверхности земли и в пределах снежного покрова.
Проблемой определения количества разлитой нефти, содержащейся в снежном покрове в результате сквозного повреждения стенки нефтепровода, занимались совместно Антипьев В. Н., Богачев Н. П. и Челомбитко С. И. Результаты исследований легли в основу методики расчета объема нефти, разлитой по поверхности земли зимой, которая изложена в [6] .
В работе Богачева Н. П. [б] приведены зависимости по определению количества разлитой нефти, находящейся на дневной поверхности в результате аварийной утечки из магистрального нефтепровода в зимнее время. Представленные в этой работе результаты обладают некоторыми недостатками, снижающими точность проведения указанных вычислений. Прежде всего автором использована упрощенная модель снежного покрова, которая не учитывает такое важное физическое свойство снега, как высота капиллярного поднятия. Как установлено [12,28], до 50% объема пор в снегу может быть занято водой, удерживающейся в снежном покрове вследствие капиллярного явления, вызванного действием межмолекулярных сил /см.Рис.1/, поэтому при оценке запаса талых вод в гидрологии, как правило, учитывается и капиллярная вода.
Распределение влаги в слоях сильно влажного снега 1.
0.8 0.6 0.4 0.2 0.
Рис.
Известно, что капиллярное поднятие нефти в грунтах может в несколько раз превышать капиллярное поднятие воды /в зависимости от физических свойств и компонентного состава нефти, а также фракционного состава грунта/. Но снег также можно рассматривать Гравитационной.
Капиллярной / Пленочной максимум/.
— 1 /.
1 2 3.
1. Зависимость доли норового пространства снега, занятого водой, от слоя снега: 1-гравитацинный, 2- капиллярный, 3-пленочный слой. как пористую среду со своеобразным фракционным составом, поэтому высота капиллярного поднятия нефти в снегу может быть значительно большей, чем высота капиллярного поднятия воды в этом снежном покрове. Учитывая вышеизложенное, не учет высоты капиллярного поднятия воды и нефти в снегу может привести к существенному снижению точности проводимых расчетов по оценке количества нефти, загрязняющей снежный покров. Кроме того, предлагаемый в работе [б] метод определения объема нефти, содержащейся в снежном покрове, через объем порового пространства загрязненного снега, нуждается в экспериментальной проверке. А таких специальных исследований, судя по содержанию данной работы, не проводилось. В печати также отсутствуют сведения об опытном изучении нефте-емкости снега какими-либо авторами, поэтому для дальнейшего развития указанного метода, предложенного в работе [б], необходимы целенаправленные экспериментальные исследования данного свойства снега.
Методика определения количества нефти, разлитой в зимнее время в результате сквозного повреждения магистрального нефтепровода, приведенная в [6], также не лишена недостатков. Так, например, не учтено влияние размеров и формы нефтяного пятна на процесс обследования, отбор образцов снега, а также измерение параметров загрязненной территории. Не установлено, также, необходимое количество измерений для определения характерных параметров загрязнения и места для выполнения замеров по данной территории, а даны лишь ориентировочные рекомендации по выполнению указанных работ.
Снег представляет собой пористую среду, свободное пространство которой может быть заполнено жидкостью /нефтью, водой/. Из публикаций, касающихся физических свойств снежного покрова известно, что полная влагоемкость выбранного объема снега равна объему его свободного порового пространства. Данное свойство заложено в основу одного из способов опытного определения свободной пористости снега. Экспериментальными исследованиями других авторов установлено, что полные водои нефтенасыщенность грунтов являются близкими и принимаются одинаковыми в инженерных расчетах, при этом погрешность не превышает 5%. Это справедливо для грунтов различного фракционного состава как для крупнодисперсных /песков/, так и мелкодисперсных грунтов /суглинков, глин/ в широком диапазоне изменения их влажности. И грунты, и снег представляют собой пористые среды, причем размеры пор в снегу значительно больше, чем в грунтах. Увеличение размеров поровых каналов, согласно теории фильтрации, может повлиять, разве лишь, на скорость движения в них жидкостей. Поэтому, полная нефтенасыщенность и полная влагонасыщенность снега как пористой среды, обладающей определенным объемом свободного порового пространства, должны быть также одинаковы или близки между собой. Однако фракции снега имеют особое, отличное от грунтовых, строение. Поэтому, для проверки справедливости этой гипотезы необходимо провести специальные опытные исследования данного свойства — полной водо — и нефтеемкости снега.
При вычислении количества нефти, содержащейся в некотором объеме загрязненного снега, необходимо учитывать содержание воды, находящейся в поровом пространстве данного объема снега [2,3,6]. Проведенный анализ опубликованных различными авторами результатов исследований физикомеханических свойств снега показал, что объем свободного порового пространства снега, зависит от его плотности /см.Рис.2/, а также возможного наличия.
Пористость сухого снега.
100 200 300 400 500 600 700.
Плотность снега, кг/мЗ.
Рис. 2. Зависимость свободной пористости сухого снега от его плотности в нем влаги [11,17,20,24,28,30 и др.].
В процессе изучения указанных исследований было установлено, что если снежный покров является «сильно влажным», вода в снегу может присутствовать в виде гравитационной, образуя слой на поверхности земли, а также капиллярной и пленочной, в связи с чем снежный массив в таком случае подразделяется на соответствующие характерные слои. Часть талой воды, образующей гравитационный слой в снежном покрове, «опирается» на поверхность земли, при этом вода в данном слое полностью занимает поровое пространство снега /рис.1/. Выше гравитационной воды, как правило, располагается капиллярная, над которой обычно находится пленочная влага. Объем пленочной влаги может занимать до 15% от всего объема порового пространства соответствующего /"пленочного"/ слоя снега /рис.1/. При таянии этого слоя снега от взаимодействия с «теплой» нефтью пленочная влага дает определенный объем воды в общую массу распространяющейся жидкости «нефть-fвода». Кроме того, в случае насыщения «пленочного» слоя снега «холодной» нефтью последняя может занимать только свободную часть порового пространства снега. Отмеченные особенности характерны и для капиллярной, и для гравитационной воды. Поэтому, учет и пленочной, и капиллярной, и гравитационной влаги, если таковые находятся в снегу, безусловно необходим при общей оценке количества нефти, разлитой в зимнее время в результате сквозного повреждения нефтепровода.
На рис. 1 показаны значения объема порового пространства снега, занятого водой, для соответствующих слоев «сильно влажного» снежного покрова. Как видно, объем свободного порового пространства, которое может быть занято разлитой нефтью, существенно отличается по высоте снега, и это обстоятельство необходимо учитывать при вычислении количества нефти, содержащейся в пределах снежного покрова.
Указанные выше особенности присутствия влаги в снегу нашли применение в инженерной практике: в гидрологии при оценке запаса талой воды учитывается и пленочная, и капиллярная, и гравитационная влага, при этом принимается равномерное распределение влаги в пределах каждого из отмеченных слоев снега. В таком случае ее содержание по толщине снежного покрова изменяется: от максимального — в «гравитационном» /нижнем/ слое, до минимального — в верхнем /" пленочном" / слое. Загрязняя снежный покров, нефть может занимать только свободную часть порового пространства снега, поэтому, если снег содержит талую воду, то содержание нефти в порах снега существенно зависит от слоя снега, в котором она находится. В работе Н. П. Богачева использовалась более упрощенная модель снежного покрова, чем указанная выше, поэтому, учитывая важность проведения как можно более точных расчетов при определении количества нефти, содержащейся в снегу, а также приведенное выше и проверенное инженерной практикой более совершенное моделирование снежного покрова, есть все предпосылки для усовершенствования предложенной в работе [6] методики.
В связи с изложенным выше была поставлена следующая цель работы: получить расчетные зависимости и на их основе разработать методику для вычисления объема разлитой нефти, находящейся на поверхности земли, в результате сквозного повреждения стенки нефтепровода зимой.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие основные задачи исследований: провести экспериментальные исследования по определению полной нефтеемкости снегаполучить расчетные зависимости, позволяющие по результатам обследования загрязненной территории вычислять объем вытекшей нефти в результате сквозного повреждения трубопровода для различных состояний снежного покроваразработать методику, дающую возможность определять количество разлитой нефти вследствие аварийной утечки из нефтепровода в зимнее время.
Результаты, полученные в процессе решения поставленной цели, обладают следующей научной новизной: впервые проведенные экспериментальные исследования по определению нефтеемкости снега позволили установить, что полная нефтеемкость снега может приниматься равной свободной пористости снегаполучены формулы, дающие возможность определять объем нефти, вытекшей через порыв нефтепровода в зимнее времяполучены зависимости, позволяющие вычислять количество нефти, разлитой по дневной поверхности вследствие функционирования свищевой утечки из нефтепровода зимой.
Практическая ценность представленных в работе исследований заключается в следующем: разработанная методика позволяет вычислять объем разлитой нефти зимой вследствие значительного или незначительного сквозного повреждения стенки нефтепровода с учетом размеров и формы ореола распространения нефти, а также особенностей состояния снежного покрова и физических свойств снега.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.
1.Впервые проведенные экспериментальные исследования по определению полной нефтеемкости снега позволили установить, что при выполнении инженерных расчетов нефтеемкость снега может приниматься равной объему его свободного порового пространства.
2.Получены расчетные зависимости, позволяющие по результатам обследования загрязненной территории вычислять объем вытекшей нефти в результате разрыва стенки нефтепровода для следующих состояний снежного покрова:
— «сухого» снега, когда в снегу полностью отсутствует влага;
— «влажного» снега, когда влага находится в поровых каналах снега в виде пленочной;
— «сильно влажного» снега, когда в снегу присутствует вода в виде пленочной, капиллярной и гравитационной.
3.Получены формулы к определению количества нефти, находящейся на дневной поверхности и в пределах снежного покрова вследствие утечки нефти через коррозионное повреждение трубопровода для «сухого», «влажного» и «сильно влажного» снежного покрова.
4. Разработана методика, позволяющая вычислять объем разлитой нефти зимой вследствие сквозного повреждения стенки нефтепровода при различных состояниях снежного покрова.
