автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Прогнозная оценка пылегазового режима воздуха рабочих зон нефтяных шахт при паротепловом воздействии на пласт

кандидат технических наук
Нор,
Елена Владимировна
город
Ухта
год
2004
специальность ВАК РФ
05.26.01
Автореферат по безопасности жизнедеятельности человека на тему «Прогнозная оценка пылегазового режима воздуха рабочих зон нефтяных шахт при паротепловом воздействии на пласт»

Автореферат диссертации по теме "Прогнозная оценка пылегазового режима воздуха рабочих зон нефтяных шахт при паротепловом воздействии на пласт"

На правах рукописи

НОР ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ПЫЛЕГАЗОВОГО РЕЖИМА ВОЗДУХА РАБОЧИХ ЗОН НЕФТЯНЫХ ШАХТ ПРИ ПАРОТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ПЛАСТ

(на примере Ярегского месторождения высоковязкой нефти)

Специальность:

05.26.01 - Охрана труда в нефтяной и газовой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ухта-2004

Работа выполнена на кафедре Промышленной безопасности и охраны окружающей среды Ухтинского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Цхадая Н.Д.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Абдрахимов Ю.Р.

кандидат технических наук, доцент Терехов АЛ.

Ведущее предприятие - Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Коми»

ПЕЧОРНШПШЕФТЬ

Защита состоится «¿«/»^Дго^.*» 2004 г. в ^часов на заседании диссертационного совета К 212.200.01 в Российском Государственном Университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119997, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, дом 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Автореферат разослан 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент

Е.В. Глебова

Р 4 Ш"#

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Уровень мировой добычи нефти сохраняется за счёт увеличения доли высоковязкой нефти, что подтверждает важность этого вида ресурса в энергетике в будущем. Запасы углеводородного сырья в залежах высоковязких нефтей и природных битумов значительно превышают разведанные запасы обычных нефтей. Они относятся к категории наиболее трудноизвлекаемых. Современные методы добычи нефти (первичные, вторичные), хотя существенно и повысили степень нефтеотдачи, позволяют извлечь из недр лишь меньше половины содержащейся в них нефти. Особенно затруднена разработка месторождений высоковязких нефтей и природных битумов, геологические запасы которых оцениваются более чем в 300 млрд. м3. Несмотря на то, что их добыча в экономическом отношении не может конкурировать с добычей лёгких нефтей, освоение и промышленное внедрение эффективных способов добычи таких углеводородов является важнейшей задачей ввиду ограниченности запасов обычных нефтей и постоянно растущих цен на мировом рынке. Одним из самых эффективных методов, обеспечивающих максимальное использование запасов углеводородного сырья, является подземная разработка залежей высоковязких нефтей и природных битумов. Основными преимуществами данного метода являются: высокое извлечение за счёт увеличения охвата пласта процессом теплового воздействия и высокий темп отбора углеводородного сырья. Шахтная разработка может быть применена на 153 месторождениях России, содержащих 312 залежей с балансовыми запасами 5.7 млрд. т высоковязкой нефти. Кроме того, пригодными для применения шахтного метода могут быть залежи, разработка которых другими методами неэффективна.

Как показывает многолетняя практика эксплуатации нефтяных шахт, процессы бурения, добычи и транспортирования нефти являются трудоёмкими, а условия труда персонала, занятого в этих процессах, остаются неблагоприятными, что ограничивает широкое применение данного метода. При расширении промышленного внедрения термошахтной добычи высоковязких нефтей неизбежно возникает серьёзная проблема создания оптимальных условий труда для обслуживающего персонала. Решение этой проблемы может

осуществляться в нескольких направлениях, одним из которых является нормализация шахтной атмосферы. Как правило, при этом рассматриваются обособленно вопросы силикозобезопасности проводимых работ и приёмы снижения концентраций вредных веществ. Однакб условия труда при термошахтной технологии разработки нефтяных месторождений имеют свои особенности, в частности пылевые комплексы создаются за счёт горных пород, насыщенных углеводородами, что ставит необходимость решения проблемы оптимальных условий труда с учётом совместного действия пылевых частиц и углеводородов.

Целью диссертационной работы является исследование источников поступления пыли и углеводородов в воздух рабочих зон нефтяных шахт с целью прогнозирования возможных условий труда при применении термошахтного способа разработки месторождений высоковязкой нефти.

Основные задачи исследований:

1. Выявление источников поступления пыли при выполнении основных видов работ в нефтяных шахтах;

2. Исследование уровня запылённости, создаваемого разрушением горных пород, и оценка степени силикозоопасности в процессе проведения различных видов шахтных работ;

3. Выявление источников поступления углеводородов в воздух шахт и оценка вклада каждого из них в загрязнение шахтной атмосферы;

4. Исследование углеводородно-пылевых комплексов как одного из источников поступления углеводородов;

5. Разработка алгоритма прогнозирования поступлений углеводородов в воздух нефтяных шахт.

Научная новизна:

1. Установлено существование прочных комплексов углеводородов с частицами витающей пыли;

2. Исследован индивидуальный состав углеводородов, сорбированных пылевыми частицами различных горных пород;

3. Исследована зависимость концентраций сорбированных углеводородов от размера пылевых частиц и предложены формулы для оценки поступления углеводородов в шахтную атмосферу.

Практическая значимость:

1. Осуществлена оценка пылегазового режима, что обеспечивает возможность прогнозирования ситуации, возникающей при разработке нефтяных месторождений термошахтным способом;

2. Разработана инструкция по контролю пылевого режима;

3. Исследования, проведённые в работе, использованы при выполнении в соответствии с единым заказом министерства образования РФ научно-исследовательских работ по теме: 01.200.205729 «Исследование и определение закономерностей влияния техногенных факторов на состояние рабочих зон и окружающую среду при разработке природных ресурсов в условиях Европейского Севера».

4. Результаты работы использованы в учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам: «Безопасность жизнедеятельности», «Производственная санитария и гигиена труда».

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные её положения' были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на заседании научно-методического совета кафедры Промышленной безопасности и охраны окружающей среды РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, а также на Четвёртой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», М„ 2001 г., Всероссийской конференции «Большая нефть: Реалии, проблемы, перспективы», Ухта, 2003 г., Пятой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», М., 2003 г., научно-практической конференции преподавателей и сотрудников «Семидесятилетию начала развития нефтяной и газовой промышленности севера Европейской части России посвящается...», Ухта, 2004 г.

Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 7 печатных работ, 1 находится в печати.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований и 1 приложения. Работа содержит 114 страниц (без приложения), 28 таблиц, 19 рисунков.

Основное содержание работы.

Во введении раафывается актуальность темы исследований, излагаются основные положения диссертации.

Первая глава включает литературный обзор и анализ вредных факторов, характеризующих условия труда персонала, занятого на подземных работах при термошахтной разработке нефтяных месторождений.

Анализ показал, что при применении термошахтного метода создаются вредные условия труда работников, занятых непосредственно на подземных работах, которые имеют характерные отличия от условий труда в горной промышленности.

Из проведённого литературного обзора следует:

- внедрение и использование термошахтного метода является перспективным как для разработки месторождений высоковязких нефтей и битумов, так и для разработки залежей нефти, бывших в эксплуатации, но обладающих ещё значительной остаточной нефтенасыщенностыо;

- процессы, применяемые при термошахтной разработке, сопряжены с неблагоприятными условиями труда задействованного персонала;

- одним из наиболее существенных факторов, влияющих на загрязнённость шахтного воздуха, является запылённость воздуха;

- отсутствуют исследования по составу углеводородов, загрязняющих воздух нефтяных шахт и по совокупной оценке вредных факторов.

Во второй главе приводится описание использованных известных и разработанных в диссертации оригинальных методов исследований.

Определение уровня запыленности рабочих зон нефтешахт проводилось с помощью весового метода.

Для проведения химического анализа образцов пыли использовалось лабораторное моделирование процесса пылеобразования с применением созданной оригинальной лабораторной установки. Определение химического состава проводилось по стандартным методикам, принятым в геохимических исследованиях.

Анализ состава рудничной атмосферы осуществлялся методами газовой и газожидкостной хроматографии с использованием хроматографа ЛХМ-8А и набора колонок с различными неподвижными фазами.

Исследование газов, сорбированных горными породами, проводилось методом термогазохроматографии, разработанном в институте ВНИИГЕОинформсистем, с измерением объемной доли

углеводородных и неуглеводородных компонентов в газовой фазе пород с одновременным использованием двух детекторов: ионизационного! аменного и катарометра.

В третьей главе рассматривается пылевой режим нефтяной шахты.

Для исследования уровня запылённости рабочих зон нефтешахт были выбраны участки трёх шахт, в которых был представлен почти полный набор горных пород, преобладающих на Ярегском месторождении. Во время забора проб пыли были использованы два режима бурения - с применением водного орошения для пылеподавления, и без пылеподавления. Это было сделано с целью оценить пылевой режим как в условиях полного соблюдения правил безопасности при ведении буровых работ, так и в случае их несоблюдения либо аварийном отключении средств пылеподавления.

Результаты исследования показали, что бурение любых пород создает концентрацию пыли, многократно превосходящую предельно допустимую (2-4 мг/м3), исключение составляет нефтенасыщенный песчаник при использовании средств пылеподавления. Для туффита, диабаза и аргиллита превышения концентрации пыли в рабочих зонах по сравнению с ПДК достигает двух порядков (100 и более раз). При удалении от забоя на 15*30 м концентрация пыли в атмосфере уменьшается в 2*10 раз (рис. 1, 2), но остаётся опасной даже при использовании пылеподавления.

Значительную роль в пылеобразовании в условиях нефтяной шахты играет процесс уборки породы, по времени следующий за буровыми и взрывными работами. Особенность этой операции состоит в том, что она сопровождается дальнейшим измельчением обломков породы, что создает условия для образования воздушно-пылевых систем с более высокой степенью дисперсности. Исследования проводились в тех же участках Ярегских нефтешахт, где ранее осуществлялись буровые работы. При этом наибольший интерес в данном случае представляли результаты, полученные при отсутствии пылеподавления.

Расстояние, м □Диабаз ШАргиллит ■ Туффит

10 9 Н 8 7 6

4,8 4,7

О 15 30 Расстояние, м

□Диабаз □Аргиллит

■ Нефтенасыщенный песчаник

Рис.1. Динамика снижения Рис.2. Динамика снижения

концентрации пыли при бурении без концентрации пыли при бурении с пылеподавления пылеподавлением

Результаты свидетельствуют о том, что операция уборки породы создает неблагоприятную атмосферу в тех случаях, когда порода представлена туффитом или аргиллитом, и является практически безопасной в случае нефтенасыщенного песчаника либо диабаза. Убывание концентрации пыли при удалении от забоя имеет примерно такой же вид, что и при проведении буровых работ (рис. 3,4).

Уровень запылённости рабочих зон является очень важным, но ещё недостаточным показателем для решения вопроса о степени воздействия на персонал шахты. В этом отношении решающее значение имеет содержание общей и свободной двуокиси кремния, что, в сочетании с общей запылённостью, даёт возможность делать выводы об уровне силикозоопасности рабочих зон нефтешахт. Большинство горных пород, представленных в рабочих зонах нефтешахт Ярегского месторождения, силикозоопасность которых следовало оценить, содержали больше 10% свободной 8Ю2 и являлись по этой причине потенциально силикозоопасными - туффит, аргиллит, нефтенасыщенный песчаник (табл.1).

□Диабаз Расстояние, м

□ Аргиллит

□ Туффит

■ Нефтенасыщенный песчаник

0 15 30

□ Диабаз асстояние'м

□ Аргиллит

□ Туффит

■ Нефтенасыщенный песчаник

Рис.3. Динамика снижения Рис.4. Динамика снижения

концентрации пыли при уборке без концентрации пыли при уборке с пылеподавления пылеподавлением

Содержания диоксида кремния в образцах го] Таблица 1 эных пород и шахтной пыли

Место о*бора Тип ггороды Вид пробы БЮл общая- вЮг свободная

1 2 3 4 5 6

1. НШ-2 ИБС уклона ЗТ-1 Диабаз Пыль 49,5 6,3

2. НШ-2 водосборник № 3,4 Аргиллит с туффитом Пыль 76,9 42,6

3. НШ-ЗОВШ уклона ЗТ-1 Песчаник Пыль 89,7 35,4

4. НШ-3 ходок уклона 4Т-2 Туффит Пыль 50,9 12,8

5. НШ-3 ходок 1Т-1 Туффит Порода 44,6 18,4

6. НШ-2 235 ПШ Базальт Порода 32,0 5,9

7. НШ-2 водосборник № 3,4 Сборная проба Пыль 54,8 13,7

8. НШ-3 ОВШ уклона ЗТ-1 Песчаник с аргиллитом Пыль 93,8 49,3

9. НШ-3 ходок1Т-1 Туффит Пыль 53,5 13,3

10. НШ-1 Зб9-бис ПШ Базальт Порода 37,4 6,0

11. НШ-1 369-бис ПШ Туффит Порода 69,6 20,4

12. НШ-1 371-бис ПШ Туффит Порода 51,5 15,5

13. НШ-2 425 ПШ Диабаз Пыль 48,2 6,9

14. НШ-2 СПШ-1 этаж Туффит Пыль 64,0 22,5

Продолжение табл.1

1 2 _ 3 4 5 6

15. НШ-2 СПШ-1 этаж Туффит Пыль 52,7 13,0

16. НШ-2 уклон ЗТ-1 Песчаник Порода 97,6 40,4

17. НШ-1 369 Зап. ПШ Диабаз Порода 46,8 7,0

18. НШ-1 СОШ-2 этаж Туффит Порода 52,3 19,7

19. НШ-1 423 ПШ Туффит Порода 46,5 16,6

20. НШ-2 Уклон 2Т-3 Аргиллит Порода 49,3 28,6

21. НШ-2 235 ПШ Диабаз Порода 48,7 9,4

22. НШ-3 424 ПШ (Н) Туффит Порода 66,0 21,8

23. НШ-3 424 ПШ (В) Туффит Порода 50,6 16,3

24. НШ-3 ходок ВЭУ-3 Аргиллит Порода 60,0 25,1

25. НШ-1 369-бис ПШ Базальт Пыль 38,8 6,4

26. НШ-2 уклон ЗТ-1 Песчаник Пыль 90,4 38,3

27. НШ-1 423 ПШ Туффит Пыль 48,1 15,8

28. НШ-3 424 ПШ (В) Туффит Пыль 56,2 20,0

29. НШ-3 ходок ВЭУ-3 Аргиллит Пыль 68,2 31,1

30. НШ-2 Уклон 2Т-3 Аргиллит Пыль 58,7 20,6

31. НШ-1 371-бис ПШ Туффит Пыль 53,3 14,2

32. НШ-1 СОШ-2 этаж Туффит Пыль 56,4 17,5

Обращает на себя внимание значительное содержание свободной

8Ю2 в большинстве образцов: здесь исключение составляют базальт и диабаз.

Из представленных пород наибольший уровень запыленности при бурении создавал диабаз, наименьший - нефтенасыщенный песчаник. Туффит и аргиллит создают примерно равный и в 2-4 раза меньший, чем при бурении диабаза, пылевой режим.

По содержанию свободного диоксида кремния в образуемой при бурении пыли представленные породы можно расположить в следующий ряд: аргиллит > туффит > нефтенасыщенный песчаник > диабаз > базальт. Этот факт хорошо согласуется с содержанием свободного диоксида кремния в образцах пород, также проанализированных на содержание БЮг-

Эта величина всегда меньше 10% в диабазовой пыли, составляет 1118% для туффита, и достигает 20-30% для аргиллита. Таким образом:

- технологические операции, связанные с разрушением горных пород -диабаза, базальта, песчаника, туффита, аргиллита - создают

неблагоприятный пылевой режим в рабочей зоне и вблизи неё;

- при удалении от рабочей зоны концентрация пыли в воздухе резко уменьшается;

- применение средств пылеподавления значительно снижает содержание пыли в воздухе и существенно улучшает пылевой режим;

- бурение сильнопылящих пород - диабаза, туффита и аргиллита -создаёт силикозоопасный пылевой режим в рабочей зоне даже при использовании средств пылеподавления;

- шахтные участки, где не ведутся буровые и уборочные работы, не являются силикозоопасными.

Четвёртая глава посвящена исследованию газового режима нефтяной шахты.

Основными источниками газовыделений в нефтяных шахтах являются: свободный природный газ, заполняющий поры и трещиноватые зоны пород; попутный нефтяной газ, находящийся в растворенном состоянии в нефти и пластовой воды; сорбированный породами газ.

Результаты исследования состава газов, выделяющихся на устьях нефтедобывающих скважин приведены в табл. 2.

Таблица 2

_Состав нефтяных газов (% об)_

Скв;. N2*1 С01 СЙ4 •С2Нб СзНя С4Й10 С5Н12Й>.

чл-" 2 ; 3 4 5 '7' 9 ' 11"

1 0.18 10.2 88.6 0.60 0.10 0.18 0.06

2 1.28 8.90 86.8 1.69 0.06 0.09 0.04

3 0.86 15.2 82.8 0.70 0.09 0.08 0.06

4 0.35 15.2 83.6 0.59 0.07 0.03 0.02

5 0.83 17.8 80.1 0.68 0.12 0.12 0.06

6 1.72 18.5 78.8 0.39 0.16 0.05 0.08

7 0.50 10.9 86.6 1.10 0.30 0.15 0.10

8 0.95 12.5 84.7 1.03 0.18 0.16 0.12

9 0.68 10.8 86.8 1.20 0.12 0.10 0.09

10 0.90 10.8 86.4 1.28 0.18 0.12 0.08

Сравнивая полученные данные с аналогичными, относящимися к середине 70-х годов, можно заключить, что в составе нефтяных газов, выделяющихся из горячей водонефтяной эмульсии, заметно увеличилось относительное содержание тяжёлых углеводородов, а также углекислого газа, в то время как концентрация метана снизилась. Это легко объясняется

как преимущественным улетучиванием наиболее лёгких углеводородов при разогреве пласта, так и протеканием окислительных процессов при повышенных температурах.

Взаимное усиление негативного действия пыли и углеводородов связано с особенностями горных пород, в которых расположены шахтные выработки. Эти породы (аргиллиты, туффиты, алевролиты, диабазы, базальты), находясь в постоянном и очень длительном контакте с нефтенасыщенным песчаником, наверняка содержат все относительно летучие нефтяные углеводороды. Поэтому витающая пыль, которая образуется в результате буровых, взрывных или очистных работ, должна представлять собой комплекс из частиц пыли с набором сорбированных углеводородов. В таких пылевых комплексах концентрация углеводородов может быть многократно выше, чем средняя их концентрация в шахтной атмосфере. Поэтому попадание таких частиц в организм человека, а, по сути, «адресная» доставка в дыхательные пути, в лёгочную ткань комплекса вредных веществ - и двуокиси кремния, и иных элементов, и углеводородов, в том числе непредельных и тяжёлых (С5 и выше), может представлять реальную опасность.

Для исследования этого предположения было предпринято изучение состава углеводородов, содержащихся в горных породах, разрушаемых в процессе буровых, взрывных и очистных работ, т.е. тех, которые являются источниками шахтной пыли. В качестве образцов были выбраны породы, преобладающие в Ярегских нефтешахтах: аргиллит, базальт, песчаник, диабаз с включениями алевролита (табл. 3,4).

Температурный диапазон, выбранный для изучения процессов термической десорбции углеводородов, был ограничен температурой 200°С, что было обусловлено особенностями технологических процессов, применяемых при термошахтном методе. Поскольку температура нагнетаемого пара, как правило, не превышает 200 °С, даже в призабойной зоне пласт не может быть разогрет выше этой температуры (рис.5).

0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0

0150 градусов И 200 градусов

I ■

j Ж _Л ¡а [ж Л Л

^ <зЗ> ^ ^ О? ■оО' А1, о?

о* & & & ^ О^

компоненты

Рис.5. Десорбция углеводородов из образца песчаника (фракция 0.25+0.5 мм)

Во всех образцах преобладают непредельные углеводороды, что, безусловно, представляет опасность для работающего персонала шахты.

Существенно и другое обстоятельство: содержащиеся в объёме породы углеводороды удерживаются довольно прочно, заметное их выделение начинается только при температуре 100°С, ниже этой температуры они фиксируются только в следовых количествах.

Следует отметить, что данные по содержанию углеводородов во фракциях измельчённых пород с размерами частиц 0.05+0.5 мм не дают полного представления о составе углеводородно-пылевых комплексов, поскольку пылевые частицы гораздо мельче, порядка 10+20 мкм. Поэтому следовало определить содержание углеводородов на частицах именно таких размеров. Оказалось, что непосредственный хроматографический анализ крайне затруднён в этом случае ввиду того, что такие мелкие частицы, спрессовываясь в анализаторе, практически не пропускают газ-носитель. Однако приблизительную оценку концентраций углеводородов, связанных со столь мелкими пылевыми частицами, можно сделать, основываясь на хорошо просматриваемой зависимости концентрации от размеров частиц (рис.6).

Таблица 3

Результаты термической десорбции углеводородов (% об.) из горных пород при температуре нагрева 100°С

Йа' йробьг* , Фракция 0.'25-НЭг.5 мм ; Фракция 0.1-Ю.25 ш , • Фракция 0.05 +0.1 мм

1 2 •3 • " 4" ' "" 1 / " 2 3 , 4' - • ,1 ' 2 3 4 ■

Состав

„СЕ» 0,00008 0,00015 0,00017 0,00086 0,00020 0,00031 0,00035 0,00254 0,00054 0,00066 0,00082 0,00650

¿дат : 0,00002 0,00002 0,00007 0,00042 0,00005 0,00005 0,00012 0,00118 0,00014 0,00016 0,00028 0,00290

'СаЙ}.,. 0,00008 0,00005 0,00006 0,00008 0,00017 0,00014 0,00019 0,00017 0,00038 0,00038 0,00051 0,00044

-СзНу 0,00001 0,00001 0,00006 0,00045 0,00005 0,00007 0,00014 0,00116 0,00011 0,00020 0,00029 0,00275

-СзЩ-' 0,00017 0,00009 0,00005 0,00015 0,00026 0,00026 0,00015 0,00030 0,00062 0,00060 0,00039 0,00074

Г-С4Н10 Следы Следы Следы 0,00068 Следы Следы Следы 0,00080 Следы 0,00002 0,00003 0,00166

П-С4Н10 0,00003 Следы 0,00004 0,00033 0,00003 0,00005 0,00011 0,00066 0,00008 0,00011 0,00019 0,00183

с4н5 . 0,00008 0,00014 Следы 0,00008 0,00021 0,00028 0,00014 0,00021 0,00046 0,00062 0,00030 0,00070

Следы Следы Следы 0,00117 Следы Следы Следы 0,00147 Следы Следы 0,00005 0,00206

П-С5Н12 0,00004 0,00004 0,00008 0,00028 0,00011 0,00009 0,00027 0,00053 0,00029 0,00022 0,00060 0,00126

Сейм Следы Следы Следы, 0,00020 Следы Следы Следы 0,00042 Следы Следы 0,00010 0,00096

Таблица 4

Результаты термической десорбции углеводородов (% об.) из горных пород при температуре нагрева 200°С

№ пр()бы . " Фракция 0.25-5-0.5 мм . ФракдтаО. 1-^0.25 мм1 Фракция 0.05 +0Дмм

:: 1- 2 ' ; ." 3' :' ; 1 3 "4 1 2 3 4

Состав

СН4 0,00034 0,00128 0,00032 0,00332 0,00129 0,00340 0,00145 0,01033 0,00378 0,01230 0,00424 0,02820

, ' С}Вб 0,00008 0,00031 0,00004 0,00234 0,00019 0,00066- 0,00012 0,00482 0,00062 0,00194 0,00032 0,01333

с2а 0,00041 0,00102 0,00006 0,00132 0,00112 0,00309 0,00020 0,00312 0,03466 0,01060 0,00083 0,01444

СзНз 0,00014 0,00030 0,00003 0,00374 0,00036 0,00071 0,00010 0,00570 0,00110 0,00321 0,00040 0,01610

СзШ 0,00123 0,00462 0,00007 0,00496 0,00334 0,01394 0,00039 0,01146 0,01316 0,04421 0,00146 0,03246

1-С4Н10 ■ 0,00007 0,00007 0,00001 0,00681 0,00022 0,00022 0,00005 0,00764 0,00081 0,00077 0,00022 0,01212

п-С.)Н]о 0,00019 0,00022 0,00003 0,00314 0,00025 0,00041 0,00012 0,00430 0,00044 0,00148 0,00054 0,00672

ел: 0,00662 0,00945 0,00030 0,00234 0,01321 0,03447 0,00140 0,00556 0,04062 0,06880 0,01260 0,00684

{-С5Н,2 0,00012 0,00012 Следы 0,00989 0,00031 0,00046 0,00012 0,01159 0,00110 0,00144 0,00072 0,02250

П-С5Н12 0,00044 0,00034 0,00011 0,00241 0,00062 0,00058 0,00044 0,00337 0,00130 0,00155 0,00266 0,00163

СбНи 0,00047 0,00109 0,00011 0,00206 0,00077 0,00382 0,00036 0,00321 0,00155 0,01280 0,00158 0,00678

Примечание: 1 — аргиллит, 2 - диабаз с включениями алевролита, 3 — туффит, 4 — песчаник.

0,08 0,06

'•я-------.а

' I I т*1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 Средний размер частиц, мм ■ - ■ -СН4 песчаник — -Я - СЗН6 аргиллит —л—С4Н8 диабаз

0,0075 ю

•I 0,005

0,0025 0

0 0,1 0,2 0,3

Средний размер частиц, мм

■ - ♦ - -СН4 песчаник — ■в— СЗН6 аргиллит —*— С4Н8 диабаз

Рис.6. Зависимость содержания углеводородов от фракционного состава пород при температуре нагревания 200 °С (а) и 150°С (б)

Концентрация сорбированных пылью углеводородов должна быть пропорциональна поверхности пылевых частиц. Поскольку при дроблении частицы на фрагменты меньших линейных размеров общая поверхность увеличивается прямо пропорционально, то следовало ожидать, что концентрация углеводородов на частицах будет возрастать по такому же закону. Между тем, анализируя полученные данные, нетрудно убедиться, что мелкие частицы в некоторых случаях сорбируют

сверхпропорциональные количества углеводородов, хотя эта сорбция и не является чрезмерной и превышает предполагаемую лишь в 1.2-5-1.5 раза. По-видимому, это обстоятельство связано с тем, что для сорбции существенна не условно общая поверхность частиц, а именно поверхность неровностей, шероховатостей, то есть областей с наивысшей поверхностной энергией, так называемых «активных центров». При дроблении глинистой либо другой аморфной породы мелкие частицы приобретают всё менее правильную форму, что приводит к возникновению

непропорционально большого числа активных центров и, как следствие, к завышенной сорбции углеводородов. Но даже в этом случае, имея данные по сорбции для частиц нескольких размеров, нетрудно оценить концентрацию углеводородов на более мелких пылевых частицах. Не имея возможности определить её непосредственно, мы предприняли исследование гранулометрического состава пыли, полученной при измельчении образцов нескольких горных пород: аргиллита, туффита, диабаза. При этом самая крупная фракция 0.25*0.5 мм была исключена из анализа.

В результате проведенных исследований получены следующие процентные содержания каждой фракции в исходной пробе с размером частиц <0.25 мм (табл. 5).

Таблица 5

Процентное содержание фракций_

Порода ' Размер частиц, мм ,

. <0,25 . . 0.25-0.10 0,1-0,05 0.05-0.01 <0.01

■ %мйсс : % масс %>гасс ■ % масс- -

У'а^гйллйт- 100 52.28 9.40 22.68 15.64

туффит 100 45.72 12.39 29.34 12.58

■диабаз 100 42.57 23.31 26.04 8.08

Полученные данные позволяют рассчитать средний (эффективный) размер пылевых частиц для каждого образца и, с учётом уровня запылённости, создаваемого при разрушении каждого из них, оценить концентрации углеводородов, содержащихся в атмосфере в связанном виде, т.е. на поверхности пылевых частиц. Приблизительный расчёт показывает, что суммарная концентрация углеводородов в витающей пыли, имеющей размеры 5*20 мкм, может достигать 1.5*2% объёмных. Поэтому при проведении шахтных работ без пылеподавления действие сорбированных углеводородов может заметно усилить отрицательное влияние минеральных компонентов пыли; при использовании средств пылеподавления концентрация углеводородов, сорбированных пылевыми частицами, несущественна и не представляет опасности для персонала шахты. Это обстоятельство имеет значение при выборе метода разработки

месторождений высоковязкой нефти.

Пыль горных пород, в большом количестве покрывающая их поверхность и не удаляющаяся вентиляцией, содержит некоторые количества сорбированных газов и, предположительно, может либо сорбировать дополнительные количества углеводородов из атмосферы, либо отдавать их путём десорбции, являясь их источником. Мы помещали заранее изученные образцы пыли с известным набором сорбированных углеводородов в рабочую зону шахты, где проводились буровые работы, и виде тонкого слоя выдерживали в течение трёх месяцев, периодически отбирая часть пробы для анализа индивидуального состава сорбированных углеводородов. Десорбцию проводили при максимальной температуре (200 °С). Оказалось, что в процессе пребывания в шахтной атмосфере пыль не сорбирует летучие углеводороды, а, напротив, теряет часть углеводородов, содержащихся в ней изначально (рис. 7). Снижение концентраций сорбированных углеводородов невелико и не может существенно влиять на состояние шахтной атмосферы.

0,007 1

0 Н-1-1-1

0 1 месяцы 2 3

Рис.7. Динамика изменения содержания углеводородов в образцах пыли (фракция 0.25-0.5 мм) при 200 °С:

1 - С4Н8 (аргиллит);

2 - С3Н6 (диабаз с включениями алевролита);

3 - С2Нб (песчаник)

Наибольшую опасность для здоровья представляют не те летучие углеводороды (Сг Се), которые были найдены в пылевых частицах, а смолистые продукты, составляющие основную часть тяжёлой ярегской нефти.

Нами были исследованы образцы пыли, полученной при измельчении горных пород, наиболее типичных для Ярегских нефтешахт, и отобранных на тех участках шахты, где ранее и в настоящее время проводились буровые и очистные работы.

Образцы исследовались на содержание органического вещества. Данный анализ позволяет определить массовое количество тяжёлых углеводородов (С8 и >) в горных породах.

По содержанию тяжёлых углеводородов исследованные породы располагаются в ряд: базальт < туф фит < аргиллит < песчаник < нефтенасыщенный песчаник.

Сопоставляя полученные данные со сведениями об уровнях запылённости шахтной атмосферы, возникающая при бурении, либо уборке горных пород, . можно заключить, что только бурение нефтенасыщенного песчаника без пылеподавления сможет создать в воздухе опасную концентрацию тяжёлых углеводородов, т.к. в этом случае их концентрация может достигнуть 7(Н-80 мг/м3. Тем не менее, поскольку далеко не всегда соблюдаются правила безопасного ведения работ, сочетание тяжёлых углеводородов с пылью представляет собой определённую опасность.

Для оценки вклада каждого из возможных источников поступления углеводородов в шахтную атмосферу были использованы данные по абсолютным газовыделениям Ярегских шахт, объёмам нефтедобычи, а также расчёты, выполненные по предложенному алгоритму для прогнозирования газового режима шахты (рис.8).

(пояснения обозначений в тексте)

Исходя из имеющихся источников выделения углеводородов в шахтную атмосферу, их суммарное поступление (3, м3/сут:

Р = Од0б + Рпыл + (2„ор (1)

где Одоб - поступление углеводородов, выделяющихся из добывающих скважин, м3/сут; <3ПШ - поступление углеводородов, сорбированных на пылевых частицах, м3/сут; <31гор - поступление углеводородов, выделяющихся из вскрытых пород, м3/сут.

Одоб = СНЕф*0*Ч„еф/100 (2)

где С„Сф - удельное содержание углеводородов в нефтяном газе (табл.2), % об; О - газовый фактор нефти, м3/т; q - дебит скважин, т/сут.

<5„ь,л = Спыл %ы„/100 (3)

где Спыл - удельное содержание углеводородов в пылевых частицах, % об. Удельное содержание можно представить следующим образом:

С„ыл = (ф1*к<11*кПОр| + фг*к<12*кпор2 + фз*к<1з*к|Юрз )*С„/рп (4)

где ф(, ф2, фз - соответственно доля пылевых частиц в пылевой системе размерами 0.05-Ю. 1, 0.1-Ю.25, 0.25-^0.5 мм; к^, к<ц, к^ - коэффициенты, учитывающие изменение количественного состава углеводородов в зависимости от размера частиц соответственно 0.05-Ю.1,0.1-5-0.25, 0.25-^0.5 мм. Фактические значения данного коэффициента для Ярегского месторождения, полученные соотношением количественного содержания углеводородов в частицах различного размера приведены в табл. б, кпорь к поР2. к Порз -содержание углеводородов в пылевых частицах различных горных пород, % об. Фактические значения данной величины для Ярегского месторождения, полученные путём суммирования объёмного содержания углеводородов, приведены в табл. 7, С„ - концентрация пылевых частиц в воздухе, кг/м3; рп - плотность пылевых частиц, кг/м3. Чпыл - объём поступающей пыли, м3/сут.

Таблица б

Значения коэффициента ка_

. /Горная' порода , Размер-пылевых частиц '

' Д.1я суммы непределБНЫх ." -углеводородов., Дтя суммы предельных -углеводородов; • , Дтщ- Суммы. углеводородов:

0.05 *ол- •1. ^ 9 о - , о о . О Л <-> >л 1л £ Й--Г с о 'Г п. чч о ® «о ; М в •о

Аргиллит 1 0.20 0.09 1 0.37 0.17 1 0.22 0.10

Диабаз 1 0.41 0.12 1 _ 0.29 0.11 1 0.39 0.12

Туффит 1 0.13 0.03 1 0.26 0.06 1 0.19 0.04

•'Нсфтена-сыДшнЬш песчаник ' 1 0.37 0.16 1 0.47 0.31 1 0.44 0.26

Таблица 7

Значения коэффициента кпоп__

Горная порода Для суммы непредельных углеводородов Для суммы предельных углеводородов Для суммы углеводородов

Аргиллит 0.088 0.011 0.099

Диабаз 0.124 0.035 0.159

Туффит 0.015 0.011 0.026

Нефтенасыщенный песчаник 0.054 0.107 0.161

Рпор Спор^Эпор

где Спор _ удельное выделение углеводородов с поверхности обнажённых горных пород м3/(м2 сут), 8„0р - общая поверхность обнажённых горных пород, м2.

Фактические замеры суммарной концентрации углеводородов в условиях отсутствия внезапных выбросов в табл. 8.

Таблица 8

Концентрация углеводородов в шахтной атмосфере

Мда'о отбора ' ' НЩ-2. у;-;-' НЙ1-3 .. :

" гг-з. в.ент 1Т-1 .;

• Характеристика _ ,' • работ ; бурение добыча уборка

- ' СН, ' 0.345 0.182 0.335 0.355

V. • '. &Н« 0.008 0.002 0.012 0.002

С;Д1;( . 0.003 0.003 0.004 0.002

' - СлНю... . .. 0.014 0.010 0.012 0.010

с5нп. 0.002 0.001 0.001 0.005

0.110 0.102 0.099 0.124

Проведённые расчёты показывают, что газовыделения из добывающих скважин составляют не более 10*15% от общего поступления углеводородов в шахтную атмосферу, т.е. являются малосущественными. Наименее существенными является загрязнение атмосферы углеводородами, сорбированными пылевыми частицами. Если принять наиболее жёсткие (практически недостижимые) условия ведения

работ, при которых предельная концентрация пыли (500 мг/м3) создается при максимально возможном непрерывном потоке вентиляционного воздуха, то общее поступление углеводородов, сорбированных пылевыми частицами не превысит 0.002 м3/мин (2 л/мин), что на порядок ниже общей загазованности. Таким образом, загрязнение атмосферы углеводородами при добыче нефти термошахтным методом создаётся в основном за счёт выделения углеводородов из вскрытых горных пород.

Таким образом:

основными источниками газовыделений в нефтяных шахтах являются: свободный природный газ, заполняющий поры и трещиноватые зоны пород; попутный нефтяной газ, находящийся в растворенном состоянии в нефти и пластовой воде; сорбированный породами газ;

максимальное содержание углеводородов в пылевых частицах наблюдается в момент пылеобразования;

выявлено наличие в пылевых частицах предельных и непредельных углеводородов;

сорбированные породами углеводороды удерживаются довольно прочно, заметное их выделение начинается только при температуре 100°С, ниже этой температуры они фиксируются только в следовых количествах;

количество сорбированных пылью углеводородов возрастает при уменьшении размеров пылевых частиц;

бурение нефтенасыщенного песчаника без пылеподавления может создать в воздухе опасную концентрацию тяжёлых углеводородов;

предложен алгоритм прогнозирования поступлений углеводородов в воздух нефтяных шахт.

Основные научные и практические выводы и результаты завершённых исследований заключаются в следующем:

1. Оценены источники поступления углеводородов в шахтную атмосферу и показано, что наиболее существенное загрязнение атмосферы связано с десорбцией углеводородов из обнажённых горных пород

2. Работы, связанные с разрушением горных пород, создают силикозоопасную атмосферу в рабочих зонах, что требует применения методов пылеподавления и средств индивидуальной защиты

3. Исследованы процессы термической десорбции углеводородов из горных пород и показано, что породы теряют сорбированные углеводороды при температуре не ниже 100°С, что необходимо учитывать при прогнозировании уровня загрязнённости шахтной атмосферы в зависимости от применяемого режима теплового воздействия на пласт

4. Установлены количественные зависимости десорбции от размера и минерального состава пылевых частиц и показано, что на содержание сорбированных углеводородов и, как следствие, на степень загрязнения шахтной атмосферы существенно влияет размер частиц

5. Разработан алгоритм прогнозирования поступлений углеводородов в воздух рабочих зон нефтяных шахт и предложены формулы для прогнозной оценки вклада каждого из источников

6. Разработана инструкция по контролю пылевого режима

7. Проведённые исследования показали, что наличие в атмосфере нефтяных шахт углеводородно-пылевых комплексов не вносит существенного вклада в загрязнение воздуха рабочих зон и не может являться ограничением к применению термошахтного метода разработки месторождений высоковязких нефтей.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Цхадая Н.Д,, Крупенский В.И., Нор Е.В.. Пылевой режим рабочих зон нефтяных шахт. Бурение горных пород. Тез. докл. III Всероссийской научно- практической конференции с международным участием. С.Петербург, 1999, с. 111.

2. Цхадая Н.Д., Крупенский В.И., Нор Е.В. Пылевой режим рабочих зон нефтяных шахт. Очистка забоев. Тез. докл. III Всероссийской научно-

2007-4 14095

практической конференции с международным участием. С.-Петербург, 1999, с. 112.

3. Цхадая Н.Д., Нор Е.В., Крупенский В.И. Пылевой режим нефтешахт: Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России: тезисы докладов 4-ой научно-технической конференции: Москва, 2001, с.301.

4. Нор ЕВ. Производственная среда нефтяной шахты. Источники загрязнения и оценка опасности. «Безопасность жизнедеятельности», №5, 2003, с. 8-10.

5. Нор Е.В., Цхадая Н.Д., Крупенский В.И. Пылевой режим нефтяной шахты. «Безопасность жизнедеятельности» №7, -2003, с.8-11.

6. Цхадая Н.Д., Нор Е.В., Крупенский В.И. Оценка газопылевого режима нефтяной шахты: совместное влияние факторов. «Нефть и газ», №4,2003, с.107-112.

7. Нор Е.В. Источники выделения углеводородов в шахтную атмосферу. «Безопасность жизнедеятельности» № 9,2004, с. 38-39.

8. Нор Е.В. Тяжёлые углеводороды в составе пыли. «Безопасность жизнедеятельности» (в печати).

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии Ухтинского государственного технического университета Ус. п. л. 1,4. Уч-изд. л. 1,0. Сдано в печать 19.11.2004 г.

Тираж 100 экз. Заказ 184 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.

Оглавление автор диссертации — кандидат технических наук Нор, Елена Владимировна

Введение 2004 год, диссертация по безопасности жизнедеятельности человека, Нор, Елена Владимировна

Заключение диссертация на тему "Прогнозная оценка пылегазового режима воздуха рабочих зон нефтяных шахт при паротепловом воздействии на пласт"

БиблиографияНор, Елена Владимировна, диссертация по теме "Охрана труда (по отраслям)"