Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

УДК 622.692.4-192                                                        

На правах рукописи

КИСЕЛЕВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ

АВАРИЙНЫХ ИСТЕЧЕНИЙ НЕФТЕПРОДУКТОВ

ЧЕРЕЗ ДЕФЕКТНЫЕ ОТВЕРСТИЯ

ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ПРОДУКТОПРОВОДОВ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена в ООО Волго-Уральский научно-исследовательский

и проектный институт нефти и газа (ООО ВолгоУраНИПИгаз)

Научный руководитель

- доктор технических наук

Клейменов Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

- Идрисов Роберт Хабибович,

доктор технических наук, профессор,

ГУП Институт проблем транспорта

энергоресурсов, заведующий отделом

Безопасность сложных технических систем

- Тляшева Резеда Рафисовна,

доктор технических наук, Уфимский

государственный нефтяной технический

университет, доцент кафедры

Технологические машины и оборудование

Ведущее предприятие

- РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Защита состоится 20 сентября 2012 г. в 1400 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР) по адресу: 450055, г. Уфа, проспект Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ИПТЭР.

Автореферат разослан 20 августа 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор               Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При эксплуатации промысловых и магистральных продуктопроводов одной из актуальных проблем является обеспечение безопасной эксплуатации линейной части, которая решается, главным образом, за счет своевременного проведения восстановительных и ремонтных работ на основе данных диагностики. Однако проводимые мероприятия не могут полностью исключить возможность возникновения аварийных ситуаций. Тяжесть последствий аварий зависит от оперативности принятия мер по локализации и ликвидации разлившихся нефтепродуктов, а также готовности эксплуатирующей организации к таким авариям. Для этих целей осуществляется прогноз масштабов возможных аварийных ситуаций, их последствий для социальной сферы и окружающей среды.

Существующие модели и методики позволяют оценить последствия от уже произошедших аварий или, применительно к проливам нефтепродуктов, дать примерные характеристики геометрии, площади разлива и объемов загрязненных грунтов. В настоящее время отсутствует доступный инженерный метод моделирования разлива жидких углеводородов при истечении нефтепродуктов из подземных трубопроводов через дефектные отверстия максимальными линейными размерами до 0,75 от диаметра трубопровода. При нарушении целостности заглубленного трубопровода существенно затруднена количественная оценка ареала распространения нефтепродукта в грунте, поскольку данный вид аварий характеризуется продолжительностью во времени от момента начала утечки до момента ее обнаружения и остановки транспортировки.

Указанные обстоятельства подтверждают необходимость разработки метода прогноза и оценки последствий аварийных утечек из магистральных и промысловых продуктопроводов с точки зрения пожарной и промышленной безопасности, позволяющего учитывать свойства грунта и физико-химические свойства нефтепродукта при подземном порыве.

Цель работы - обеспечение пожарной и промышленной безопасности трубопроводного транспорта путем разработки метода прогнозирования объемного загрязнения почвогрунтов при аварийном истечении жидких углеводородов из подземных продуктопроводов с учетом фильтрационных свойств грунтов и поверхностного слоя в коридоре прокладки продуктопровода.

Основные задачи работы:

  • сбор и систематизация характеристик аварий, анализ существующих методов и подходов к оценке объемов загрязненных почвогрунтов и методов расчета массового расхода жидких углеводородов из типичных дефектных отверстий в теле трубопроводов при аварийном истечении;
  • адаптация методов, описывающих фильтрационное движение жидкостей в толще грунта, к задаче определения параметров распространения нефтяного загрязнения для типичных почвогрунтов западной части Оренбургской области;
  • разработка метода оценки последствий аварий с точки зрения пожарной и промышленной безопасности на основе данных, полученных при моделировании аварийного истечения нефтепродуктов через дефектные отверстия из подземных продуктопроводов, построение алгоритма программного средства для реализации модели;
  • проверка адекватности разработанного метода на примере реально произошедших аварий.

Методы решения поставленных задач

Применялись методы аналитической оценки движения жидких углеводородов в пористой среде, скорости их фильтрации и действительной скорости движения жидкости в грунте; линейный закон Дарси; методы определения фильтрационных параметров пористых сред - коэффициентов фильтрации и проницаемости; методы построения объективных зависимостей между емкостными и фильтрационными параметрами пористых сред (между коэффициентами пористости и проницаемости); математические методы моделирования процессов фильтрации и процессов формирования опасных факторов техногенных аварий, а также численное решение комплексов математических уравнений и их практическая проверка на основе материалов реализованных аварий.

Научная новизна результатов работы:

  • выявлены закономерности движения жидких углеводородов в зависимости от их свойств, свойств грунта и расположения отверстия на теле трубопровода;
  • определены условия перехода подземного истечения на стадию поверхностного истечения;
  • разработана математическая модель, описывающая процесс фильтрации нефтепродуктов в грунте при аварийном истечении жидких углеводородов через дефектные отверстия из подземного трубопровода;
  • разработаны метод и реализующий его алгоритм программный комплекс на основе оценки последствий аварий исходя из данных, полученных при моделировании аварийного истечения нефтепродуктов через дефектные отверстия из подземных продуктопроводов.

На защиту выносятся:

  • усовершенствованная теоретическая модель подземного фильтрационного движения жидких нефтепродуктов в месте прокладки продуктопроводов;
  • модель подземного истечения жидких углеводородов из продуктопроводов, разработанная с учетом закономерностей строения и особенностей грунтов в районе их прокладки;
  • метод оценки последствий аварийных истечений нефтепродуктов через дефектные отверстия максимальными линейными размерами до 0,75 от диаметра трубы;
  • формализованный алгоритм компьютерной модели истечения жидких углеводородов из заглубленных трубопроводов.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Метод может быть использован при оценке рисков объектов трубопроводного транспорта нефтепродуктов и адекватном прогнозировании потенциального ущерба, нанесенного социальной сфере и окружающей природной среде, при проектировании объектов нефтегазового комплекса. Метод опробован при разработке Деклараций промышленной безопасности к проектам обустройства Филипповской и Среднекаменноугольной залежей Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения ООО Газпром добыча Оренбург.

Результаты оценки последствий распространения нефтепродуктов в толще грунта позволили уточнить масштабы возможных загрязнений почвогрунтов, разработать эффективные Планы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН), обосновать состав сил и средств для проведения работ по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов для нефтегазодобывающих предприятий.

Апробация результатов работы

Основные научные положения и практические результаты работы неоднократно доложены, обсуждены, одобрены и рекомендованы к применению на международных и российских научно-технических конференциях и симпозиумах, включая VI Всероссийскую научно-техническую конференцию Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России (Москва, 2008); VIII Всероссийскую научно-техническую конференцию Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России, посвященную 80-летию Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина  (Москва, 2010); III и IV научно-технические конференции с международным участием Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения (Оренбург, 2009, 2010).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных трудах, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 104 наименования, и 2 приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 41 рисунок.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам отдела промышленной и экологической безопасности ООО ВолгоУраНИПИгаз: зав. сектором Даньшиной О.А., зав. сектором Донецковой А.А.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе представлен краткий анализ аварийности на трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов за период с 2003 по 2009 годы на территории Российской Федерации. Данные получены из отчетов о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Выявлено, что более 60 % аварий (коррозия, брак строительно-монтажных работ, заводской брак) от общего их количества приходится на аварии, связанные с выходом нефтепродуктов на (дневную) поверхность через дефектные отверстия искусственного или естественного происхождения максимальными линейными размерами до 0,75 от диаметра трубопровода.

На рисунке 1 представлена диаграмма удельной аварийности на нефтепродуктопроводах за период с 2003 по 2009 годы. За рассматриваемый временной период удельная аварийность на нефтепродуктопроводах составила около 0,2 аварий на 1000 км в год.

Рисунок 1 - Удельная аварийность на нефтепродуктопроводах

за период  с 2003 по 2009 годы

В данной главе проведен обзор теоретических и практических результатов изучения процесса фильтрации жидкости в пористой среде.

Известно, что основными характеристиками пористой среды, определяющими процесс движения жидкости в ней, являются открытая пористость и проницаемость грунта. Представление о структуре порового пространства дает рисунок 2.

Рисунок 2 - Срез пористой среды

Впервые закон фильтрации жидкости в пористом грунте экспериментально установил французский инженер Анри Дарси. Впоследствии этот закон назван в его честь. Дарси установил, что объемный расход жидкости пропорционален разности уровней (напору) H и площади сечения образца S и обратно пропорционален длине образца L. Закон Дарси описывает линейную фильтрацию.

Существенный вклад в развитие теории фильтрации в разное время внесли Буссинеск Ж., Форхгеймер Ф. Слихтер Ч.  впервые предложил модели идеального и фиктивного грунтов и показал, что пористость и просветность фиктивного грунта зависят не от диаметра частиц, а лишь от плотности их укладки.

Из ряда описанных в литературе опытов следует, что закон Форхгеймера более адекватен реальному течению в трещинах по сравнению с законом Дарси.

Установлено, что созданная научная и практическая база в теории фильтрации направлена на решение проблем разработки нефтяных и газовых месторождений, гидрорасчетов каналов, водохранилищ, дамб, дренажных систем и зон аэрации (инфильтрации).

Проведя обзор методов количественной оценки загрязнения почвогрунтов нефтепродуктами, установлено, что в нормативно-методической литературе при определении объема нефтенасыщенного грунта используются, главным образом, данные натурного обследования территории, на которой произошла авария, или предлагается использовать эмпирические зависимости, связывающие массу и плотность нефтепродукта.

Более точное определение масштабов загрязнения, в том числе для особо важных объектов, таких как заповедники, зеленые зоны городов и т.п., выполняется с привлечением экспертов-почвоведов.

Изучению негативного воздействия на окружающую природную среду опасных производственных объектов, разработке методов оценки риска и снижения отрицательных последствий аварий, в том числе определению объемов загрязненных грунтов при авариях на нефтепродуктопроводах, посвящены работы отечественных ученых Ларионова В.И.,
Котляревского В.А., Брушлинского H.H., Сущева С.П., Кутукова С.Е.,
Павлова С.В., Гумерова P.C., Гумерова А.Г., Елохина А.Н., Идрисова Р.Х., Швыряева A.A., Прусенко Б.Е., Козлова М.А. и др. В разное время разливами нефти занимались в УНИ, ВНИИСПТнефть, РГУ нефти и газа имени
И.М. Губкина, БашНИИ, СибНИИНП, УфНИИ и пр. Указанные работы в большинстве своем направлены на оценку площади и глубины инфильтрации нефтепродуктов в грунт при поверхностном истечении.

Вторая глава посвящена методологическим основам прогнозирования ареала распространения нефтепродуктов и объемов загрязнения почвогрунтов при авариях на подземных продуктопроводах.

При вычислениях производительности аварийного источника истечения через дефектное отверстие учитываются технические характеристики трубопровода, размещение запорной арматуры и свойства транспортируемой нефти. Согласно нормативно-методической литературе процесс аварийного истечения нефтепродуктов делится на три характерных периода: период аварийного истечения под рабочим давлением до отключения насосов (V1), период между отключением насосов и закрытием запорно-регулирующей арматуры (V2), период самотека после закрытия задвижек (V3). Полный объем выброса равен сумме объемов за все три периода.

Выявлено, что при аварийном истечении через дефектное отверстие наиболее значимым является режим истечения, характеризуемый наибольшим расходом (V1), который, в общем случае, определяется численным решением системы дифференциальных уравнений, включающей законы сохранения массы и импульса потока ньютоновской жидкости. При значительных перепадах высот по трассе трубопровода относительно рассматриваемого участка учитываются все периоды.

На практике наиболее распространенным способом определения скорости выхода нефтепродуктов через дефектное отверстие является использование зависимости Бернулли-Эйлера. Максимальный объемный расход прямо пропорционален площади дефектного отверстия, скорости выхода жидкости через дефектное отверстие и коэффициенту расхода, который зависит от режима течения жидкости и формы дефектного отверстия.

При адаптации методов теории фильтрации к решению поставленных задач исходим из следующих предположений:

Ц все дефекты линейной части трубопровода приведены к типовым аварийным отверстиям: свищ, трещина, гильотинный разрыв;

Ц в начальный момент времени при внезапном появлении подземного источника истечения фильтрационное движение будет подчиняться нелинейному закону фильтрации - закону Форхгеймера, но протяженность во времени данного периода будет незначительной. Исходя из этого, считаем, что фильтрация будет линейной и описывается законом Дарси;

Ц плотность грунта в траншее увеличивается ко дну траншеи, соответственно уменьшаются пористость и проницаемость;

Ц основное распространение жидких углеводородов в толще грунта будет происходить по профилю траншеи;

Ц движение грунтового потока будет вызываться перепадом давления, действием гравитационных и капиллярных сил;

Ц открытый выход нефтепродуктов на дневную поверхность из котлована, образованного в результате интенсивной механической суффозии в месте разрыва, возможен при условии нахождения дефектного отверстия на верхней образующей трубы.

Из исследований отечественных и зарубежных ученых установлено, что грунтовый поток, гидравлические характеристики которого являются функциями координат x, y, z и времени t, будет неустановившимся. Поскольку фильтрационное движение происходит в пористой среде, в порах которой давление равно атмосферному, то поток будет безнапорным.

Неустановившийся безнапорный поток насыщенного грунта может быть описан уравнением жесткого режима при неустановившемся фильтрационном движении безнапорной жидкости - уравнением Буссинеска. Входящие в уравнение величины коэффициента фильтрации, мощности и напора зависят не только от координат x, y и z, но и от времени t.

Модифицируя уравнение Буссинеска для описания фильтрации в ненасыщенном грунте с известными расходом и давлением в начальный момент времени, получим:

(1)

где qx, qy, qz - проекции объемного расхода в направлении осей x, y и z соответственно, м3/с; uпот - потеря скорости, м/с; Q - производительность аварийного источника, м3/с; S - площадь фильтрации, м2. Представленное уравнение описывает распределение скоростей фильтрации в объеме расчетной области. В качестве физического закона, выражающего скорость движения жидкости в пористом грунте под действием градиента давления, принимаем закон Дарси.

Третья глава диссертации посвящена разработке метода оценки последствий загрязнения грунтов при разрушении подземного продуктопровода на примере характерных почв и грунтов в коридорах прокладки трубопроводов западной части Оренбургской области.

На территории Оренбургской области почвенный покров представлен многими типами, подтипами, родами, видами и разновидностями и отличается большим разнообразием и сложностью. Преобладают три типа: черноземный, каштановый и солонцовый. Черноземы четырех подтипов: выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные. Морфологический профиль чернозема слагается из пяти генетических горизонтов: А - АВ - В - ВС - С. Мощность почв такого типа составляет в среднем 1,1Е2,0 м. Известно, что реальные пористые грунты имеют сложное строение пустотного пространства, обусловленное гранулометрическим составом, который образует поровые каналы, резко изменяющие диаметр и направление.

Метод предусматривает построение математической модели фильтрационного движения углеводородов в грунтах различных плотности и гранулометрического состава.

Установлено, что фильтрационные характеристики грунта со структурой, нарушенной во время укладки продуктопроводов, определяются различными по форме и размерам частичками породы, схемой и плотностью их укладки. Поскольку глубина заложения продуктопроводов колеблется от 1,0 до 2,0 м в зависимости от диаметра трубы, получение характеристик гранулометрического состава грунта возможно исходя из знания морфологических профилей конкретных типов почв (таблица 1).

Таблица 1 - Гранулометрический состав типичных черноземов

Глубина, м

Содержание фракций, %, с размерами частиц, мм

1,00Е0,25

0,25Е0,05

0,05Е0,01

0,010Е0,005

0,005Е0,001

< 0,001

< 0,01

0Е0,1

2,2

2,8

34,2

12,3

15,4

33,1

60,8

0,2Е0,3

2,3

3,1

32,2

11,1

17,3

34,0

62,4

0,4Е0,5

2,1

3,9

30,8

12,1

15,9

35,3

63,3

0,6Е0,7

2,7

4,9

28,9

11,8

15,4

36,4

63,5

0,8Е0,9

3,3

3,5

30,0

13,0

13,4

36,7

63,1

1,0Е1,1

4,7

5,0

23,4

11,6

14,5

40,8

66,9

1,2Е1,3

3,8

5,2

24,6

11,2

17,1

38,3

66,5

1,4Е1,5

4,5

4,7

24,4

11,3

15,0

40,2

66,4

Ср. состав

3,2

4,1375

28,5625

11,8

15,5

36,85

64,15

Принято, что смешанный грунт имеет одинаковый гранулометрический состав по всей глубине, но открытая пористость и проницаемость грунта будут уменьшаться ко дну траншеи из-за более плотной укладки частиц и, соответственно, увеличиваться плотность. В Рекомендациях по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость рекомендуется принимать значения пористости n = 0,26 для предельно плотной и n = 0,48 для рыхлой упаковок.

Коэффициент фильтрации (kФ, м/с) с учетом природной влажности (W, д.е.) и коэффициент проницаемости (kП, м2) зернистых грунтов определяем по формулам:

(2)

где ф - коэффициент формы сечений поровых каналов, ;
Б - балл окатанности частиц, составляющих грунт, по шкале Хабакова А.В. (для частиц угловатой формы Б = 0); - динамическая вязкость нефтепродукта, Пас; - плотность нефтепродукта, кг/м3; d0 - гидравлически эквивалентный диаметр поровых каналов в разнозернистом грунте, мм, ; vЦ кинематическая вязкость, см2/с; Sг - коэффициент водонасыщения, д.е., Sг = (1- n)Wгр/(n2⋅ж); с - коэффициент пористости, д.е., c = n /(1- n); n - пористость, д.е.; - коэффициент разнозернистости грунта; d10, d17 и d60 - диаметры частиц, соответствующие 10, 17 и 60 %  содержанию от суммарного относительного состава всех частиц, которые определяются по логарифмическому графику гранулометрического состава (кривой зернового состава грунта), мм.

Построение трехмерной модели подземного истечения жидких углеводородов основывается на методе конечных элементов (МКЭ), т.е. рассматриваемая область разбивается на элементарные объемы конечного размера. Дефектное отверстие на теле трубопровода является началом отсчета 3-мерной системы координат, рисунок 3. Таким образом, исходная информация представляет собой 3-мерный массив g . Размеры всех элементов одинаковы, каждый элемент массива g (i, j, k) несет в себе информацию о фильтрационных характеристиках элементарного объема грунта в зависимости от влажности и открытой пористости.

Рисунок 3 - Модель подземного истечения жидких углеводородов

Предполагаем, что распространение нефтепродуктов в грунте происходит в нарушенной во время укладки трубопровода области, т.е. в траншее, размеры которой принимаем исходя из характеристик трубопровода по СНиП 2.05.06 - 85* Магистральные трубопроводы. На основе данных о трассе прокладки трубопровода определяемся с типами грунтов, характерных для данного района.

Из материалов инженерных изысканий получаем данные о профиле прохождения трассы трубопровода и морфологическом составе грунтов, при их отсутствии можно использовать другие опубликованные материалы. На рисунке 4 представлена схема траншеи, на основе которой строится модель.

Рисунок 4 - Схема траншеи для построения модели подземного

истечения жидких углеводородов

Исходя из характеристик грунтов рассчитываем по формулам (2) их открытую пористость и коэффициенты проницаемости от поверхности до дна траншеи. Грунты вне траншеи считаем условно непроницаемыми для нефтепродуктов. Коэффициент проницаемости kП для них примем равным 1,010-15 м2.

При нахождении аварийного отверстия на верхней образующей трубы в результате интенсивного суффозионного процесса и образования котлована возможен выход нефтепродукта на дневную поверхность. Длина врубовой щели (по Никонову Г.П.) находится из следующего соотношения:

(3)

где lЩ - глубина прорези, м; d - эквивалентный диаметр дефектного отверстия, м; P - давление перед отверстием, Па; c - прочность грунта на сжатие, Па
(c 1,5 МПа для почвенных грунтов); В - экспериментальная константа, зависящая от грунта (B 0,5 для несвязанных пылеватых грунтов).

Время на образование врубовой щели и размыв объема котлована определяем по формулам:

 

(4)

где Q - объемный расход нефтепродукта, определяется по зависимости Бернулли-Эйлера, м3/с; ж, гр - плотности соответственно нефтепродукта и грунта, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; VЩ - объем грунта в щели, м3, VЩ = lЩ⋅Sстр; VК - объем грунта в котловане, м3, VК = lЩ2/[4(H- ha)]; Sстр - площадь струи, рассчитываемая исходя из формы и размеров дефектного отверстия, м2.

Движение жидкости в поровом пространстве вызывается перепадом (градиентом) давления. Определяем градиент давления на m-итерации с помощью следующей формулы:

(5)

Sm = 2(LH + bx(2⋅m+1)(H + L)) в остальных случаях.

Здесь P - давление перед дефектным отверстием, Па; Pm - градиент давления на m-итерации, Па; Sm - площадь поверхности фильтрации на
m-итерации, м2; Sотв - площадь отверстия, м2; L, H - соответственно ширина и глубина траншеи, м; bx, by, bz - линейные размеры элементарного объема, м.

Проекции расхода q на оси x, y, z в уравнении (1) являются скоростями в соответствующих направлениях. На их основе строим поле распределения скоростей u(x, y, z) в рассматриваемой области с использованием закона Дарси в постановке относительно скорости движения грунтового потока:

(6)

где bx,y,z - линейные размеры элементарного объема пространства g(i, j, k), м; - коэффициент проницаемости грунта, м2; - динамическая вязкость нефти, Пас; - градиент давления, аналог напора gH в законе Дарси, Па, с учетом силы тяжести и капиллярных сил, ; - угол уклона дна траншеи. Знак л означает движение нефтепродукта вниз или вверх.

Время движения через элементарный объем в направлениях x, y, z на
m-итерационном шаге рассчитываем по следующим формулам:

   

(7)

Путь, пройденный жидкостью в пористом грунте вдоль осей x, y, z, равен сумме пройденных элементарных объемов за расчетный отрезок времени:

(8)

Выход из расчета происходит в случае достижения значения накопленного итерационного времени, равного значению времени, установленному в расчете (tрас). Причем выход из расчета происходит раздельно для каждого из направлений (x, y, z).

При выходе нефтепродуктов на поверхность происходит их растекание по рельефу. Интенсивность истечения (QП) будет обусловлена глубиной заложения трубопровода и плотностью нефтепродукта.

Массу нефти или нефтепродуктов, испарившихся с поверхности земли, определяем исходя из площади пропитанного грунта (Sр.п.), состава и свойств жидкости, параметров окружающей среды (температуры воздуха, скорости ветра) по удельной величине выброса вещества с единицы площади за единицу времени (кг/(м2c)). Численно площадь Sр.п. равна площади проекции области нефтяного загрязнения на дневную поверхность на m-итерационном шаге:

(9)

где Ly - полуширина области загрязнения, м; Lх - полудлина области загрязнения в сторону понижения трассы трубопровода, м; ЦLх - полудлина области загрязнения в сторону повышения трассы трубопровода, м.

Площадь пропитанного грунта и количество выделившихся в атмосферу паров нефти или нефтепродуктов в результате разлива необходимы при расчетах поражающих факторов от возможных сценариев аварий, таких как взрыв топливно-воздушных смесей (ТВС), пожар пролива, пожар - вспышка, и зон токсического заражения окружающего пространства. При этом используем утвержденные соответствующим образом модели и методики.

Уравнение (1) решаем прямым численным методом с привлечением математической системы MathCad и MS Excel, учитывая принятые допущения.

В вычислительном эксперименте приняты следующие исходные данные: вещество - метанол; плотность = 792 кг/м3; ширина траншеи L = 1,0 м; глубина H = 1,0 м; давление в трубопроводе - 2,5 МПа;  площадь дефектного отверстия Sотв = 0,0002 м2; k = 4,7⋅10-11Е1,76⋅10-11 м2; = 0,58⋅10 -3 Па⋅с;
n = 0,26Е0,48. Количество итераций 3000, размер элемента - 0,001 м3 (линейный размер - 0,1 м).

В результате расчета получено: объем загрязненного грунта - 78 м3, объем вышедших нефтепродуктов - 12 м3.

Метод оценки последствий аварий, связанных с истечением нефтепродуктов через дефектные отверстия из подземных продуктопроводов, реализован в математической среде MathCad и MS Excel. Проект состоит из пяти блоков:

  1. Ввод исходных данных с автоматизированным формированием матриц с фильтрационными характеристиками грунта;
  2. Определение расчетным путем характеристик нарушенного во время укладки трубопровода грунта в среде MS Excel;
  3. Построение трехмерной модели траншеи, формирование матриц фильтрационных характеристик грунта, полей градиентов давлений и скоростей в элементарных ячейках в среде MS Excel;
  4. Расчет объема загрязненного грунта, площади контакта нефтяного загрязнения на границе грунт - воздух и количества испарившихся нефтепродуктов с поверхности пропитанного грунта для оценки опасных факторов при взрыве ТВС и токсического заражения окружающего пространства;
  5. Визуализация процесса загрязнения жидкими углеводородами толщи пористого грунта посредством возможностей математической среды  MathCad (рисунок 5).

Остановка расчета происходит в случае достижения значения расчетного времени, равного значению заданного времени для моделирования.

При реализации метода применялись возможности символьной математики и языковые средства MathCad и MS Excel.

Рисунок 5 - Распространение метанола в грунте (расчет на 24 часа)

В четвертой главе диссертации представлены результаты апробации метода оценки последствий аварий, связанных с истечением нефтепродуктов через дефектные отверстия из подземных продуктопроводов, на примере инцидента, произошедшего на IV нитке конденсатопровода Оренбург - Салават - Уфа (на 57 км) в результате разрушения сварного шва.

Картина распространения конденсата в почвогрунтах на месте рассматриваемого инцидента обусловлена нарушением сплошности коренного грунта в период строительства III и IV ниток конденсатопровода. По этой причине конденсат в грунте распространялся не равномерно, а по наиболее проницаемым участкам, образованным при отрытии трассовой траншеи и последующей ее засыпке, расположение которых имеет очаговый характер. Данное обстоятельство привело к тому, что более тщательное и оперативное удаление из зоны инцидента загрязненного грунта потребовало также и удаления незагрязненного грунта, находящегося между этими скоплениями.

При моделировании последствий инцидента для расчета было принято: давление в трубе - 2,5 МПа; площадь отверстия - 0,0004 м2; динамическая вязкость конденсата - 0,210-3 Па⋅с; проницаемость - (1,14Е6,14)10-11 м2. В результате расчета были получены размеры зоны объемного загрязнения: ширина - 35,2 м; протяженность - 37,2 м; высота - около 5 м; объем загрязнения, с учетом грунта над пятном загрязнения, составил около 6 тыс. м3 (рисунок 6).

Рисунок 6 - Распространение конденсата в грунте (расчет на 24 часа)

Проведенное шурфование по контуру загрязнения с отбором проб и анализом на содержание конденсата показало, что основная часть конденсата находится на глубине 4,0Е5,5 м, площадь распространения конденсата -
1400 м2. Объем загрязненного грунта между III и IV нитками конденсатопровода, в полосе протяженностью 40 м и шириной 35 м, подлежащий утилизации, составил около 7,4 тыс. м3. Разница между расчетным объемом и объемом фактически подверженного утилизации грунта составила около 19 %.

На основе технологических параметров трубопроводов системы сбора продукции на Филипповской залежи Оренбургского НГКМ и характеристик нефти было смоделировано аварийное истечение нефти через дефектное отверстие эквивалентным диаметром 0,025 м из выкидного нефтепровода от СРБ - 6 до УКПГ - 15. Диаметр трубопровода 114 мм, давление до 4 МПа, транспортируемая продукция - пластовая нефть.

Длина полосы пропитанного на поверхности грунта составила около 25 м, ширина - около 5 м. Количество нефтепродуктов, испарившихся с площади
125 м2 за 3600 секунд, рассчитывалось по Приложению 1 к ПБ 09-540-03 Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств  и составило около 650 кг. Количество участвующего во взрыве ТВС вещества, согласно нормативно-методической литературе, принимаем равным 10 % от объема испарившейся нефти - 65 кг. Расчеты зон нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ), зон действия избыточного давления выполнены по ГОСТ Р 12.3.047-98.

Диаметр возможной зоны распространения пожара-вспышки составляет 44 м, высота - 3,0 м. Радиус пороговой зоны поражения человека - 23 м. Зоны негативного воздействия опасных поражающих факторов от смоделированных аварий на примере сценариев пожар-вспышка и взрыв ТВС представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зоны действия поражающих факторов пожара-вспышки

и взрыва ТВС

Основные выводы

1. Выявлено, что наибольшая доля аварий, связанных с проливами нефтепродуктов, происходит через дефектные отверстия максимальными линейными размерами до 0,75 от диаметра продуктопровода. Проведен анализ существующих методов оценки объемов загрязненных почвогрунтов при аварийных разливах нефтепродуктов.

2. Осуществлена адаптация методов, описывающих фильтрационное движение жидкостей в толще грунта, для определения параметров распространения нефтяного загрязнения. Расчетным путем определены пористость и проницаемость типичных почвогрунтов в районе коридоров прокладки продуктопроводов в Оренбургской области.

3. Разработан метод оценки загрязнения почвогрунтов и возможных последствий с точки зрения пожарной и промышленной безопасности при разрушении подземного продуктопровода, построен алгоритм и разработано программное средство для реализации метода фильтрационного движения нефти и нефтепродуктов в толще грунта,  выполнены вычислительные эксперименты в математической среде MathCad.

4. Проведены апробация программного средства и сопоставление расчетных результатов по предложенному методу оценки геометрических параметров области загрязнения с таковыми реализованной аварии, произошедшей на IV нитке конденсатопровода Оренбург - Салават - Уфа (расчетный объем загрязненного грунта по предложенному методу составил около 6 тыс. м3, по фактическим данным - около 7,4 тыс. м3, разница составила около 19 %). Метод опробован для получения исходных данных при оценке зон действия опасных факторов аварийных сценариев (теплового воздействия от пожаров пролива, барического воздействия от взрывов топливно-воздушных смесей и токсического загрязнения окружающего пространства сероводородом) на выкидных трубопроводах системы сбора продукции в проектах обустройства Филипповской и Среднекаменноугольной залежей Оренбургского НГКМ.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

  1. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. Методика моделирования аварийного истечения жидких углеводородов из магистральных и промысловых продуктопроводов // Нефтепромысловое дело. Ц 2006. Ц № 12. Ц С. 27-33.
  2. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. Оценка площади разлива нефтепродуктов при их истечении из наземного трубопровода // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2007. Ц № 6. Ц С. 30-33.
  3. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. Построение модели аварийного истечения жидких углеводородов из продуктопроводов // Нефтепромысловое дело. - 2007. - № 12. - С. 84-85.
  1. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. К вопросу моделирования аварийного истечения жидких углеводородов из подземных продуктопроводов // Нефтепромысловое дело. - 2009. - № 8. - С. 73-75.
  2. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. Основные задачи при моделировании аварийного истечения жидких углеводородов из подземных продуктопроводов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2010. - № 12. - С. 81-83.
  3. Короленок А.М., Киселев С.Ю., Клейменов А.В. Модель оценки объема замазученных почвогрунтов при аварийном истечении нефтепродуктов из подземных продуктопроводов // Нефть, газ и бизнес. - 2011. - № 7. - С. 44-46.

Прочие печатные издания

  1. Гендель Г.Л., Киселев С.Ю., Клейменов А.В. Моделирование процесса аварийного истечения жидких углеводородов из магистральных и промысловых продуктопроводов // Современные наукоёмкие технологии. Ц2005. Ц № 11. Ц С. 31-32.
  2. Киселев С.Ю., Гендель Г.Л., Клейменов А.В. Методика оценки объема загрязнения грунта при истечении жидких углеводородов из подземного трубопровода (диаметр дефектного отверстия один дюйм) // Современные наукоёмкие технологии. - 2006. Ц № 5. Ц С. 36-37.
  3. Клейменов А.В., Киселев С.Ю. Моделирование процесса аварийного истечения жидких углеводородов из магистральных и промысловых продуктопроводов // Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России. Тез. докл. 7-ой научн.-техн. конф. 29-30 января 2007 г. - М.: РГУ нефти и газа, 2007. - С. 487.
  4. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. К вопросу моделирования аварийного истечения жидких углеводородов из подземных продуктопроводов // Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения. Тез. докл. III научн.-техн. конф. с международным участием 21-22 мая 2009 г. - Оренбург: ООО ВУНИПИГАЗ, 2009. - С. 78-79.
  5. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. К вопросу моделирования аварийного истечения жидких углеводородов из подземных продуктопроводов // Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России. Тез. докл. VIII Всеросс. научн.-техн. конф., посвященной 80-летию Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, 1-3 февраля 2010 г. - М.: ИЦ РГУ НиГ, 2010. -
    С. 94-95.
  6. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. Основные задачи при моделировании аварийного истечения жидких углеводородов из подземных продуктопроводов // Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения. Тез. докл. IV научн.-техн. конф. с международным участием 19-20 августа 2010 г. - Оренбург: ООО ВУНИПИГАЗ, 2010. - С. 56-57.
  7. Киселев С.Ю., Клейменов А.В., Гендель Г.Л. Методика оценки площади загрязнения почв при истечении жидких углеводородов из наземного трубопровода // Сб. научн. тр. учеников научной школы Генделя Г.Л. / ООО ВолгоУраНИПИгаз. - Оренбург: Оренбургская губерния, 2010. - С. 91-97.
  8. Киселев С.Ю., Клейменов А.В. Оценка опасных факторов аварий, связанных с истечением нефтепродуктов из подземных трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. - Уфа, 2011. - С. 232-235.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 16.08.2012 г. Бумага писчая.

Заказ № 208. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП ИПТЭР. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям