автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Научное обоснование и внедрение эффективных методов снижения техногенных рисков при разработке нефтяных и газовых месторождений

V Российское акционерное общество "Газпром"

На правах рукописи

Куцын Петр Васильевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РИСКОВ ПРИ

РАЗРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

05.26.04 - промышленная безопасность

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Невский А. ! доктор технических наук, профессор Дьяков В. В. доктор технических наук, профессор Нугаев Р. Я.

Ведущая организация - Государственная Академия нефти газа имени И. М. Губкина

Защита состоится "30" июня 1997 г. в 1000 часов на заседав диссертационного совета Д 183.01.01 в Государственна предприятии Научно - технический центр по безопасности промышленности Госгортехнадзора России ( НТЦ "Промышленш безопасность" ) по адресу: 107066, Москва, ул. Лукьянова, 4, корп. 8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТ "Промышленная безопасность".

Диссертация в виде научного доклада разослана

"<?/" ^^1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н. Колесникова Е. М.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации, представленной в виде научного доклада по сово-■'ппостм научных работ, приводится основное содержание и результаты ¡следований, выполненных, опубликованных и внедренных автором, а .кже под его научным руководством в период 1977 - 1997 гг.

1.1. Актуальность темы.

Вовлечение в разработку нефтяных и газовых месторождений с выжим содержанием сероводорода и других вредных веществ качест-;нно приумножает техногенные риски чрезвычайных ситуаций, связан-лх с выбросами пластового флюида в атмосферу.

Высокая токсичность сероводорода, усугубляемая биологической 'ммацией его вредного воздействия на человека и окружающую при-щную среду с другими вредными техногенными факторами, а также шаровзрывоопасность сероводородсодержащего природного сырья оп-:деляют повышенную опасность возможных аварийных выбросов.

По опенкам компетентных экспертных организаций США, сово-/пный ущерб от крупного аварийного фонтана на сероводородсодержа-их месторождениях нефти и газа может превысить 50 млн. долл.

Основными составляющими указанных ущербов могут являться )ед, нанесенный здоровью и жизни промышленного персонала и насе-;ния, а также загрязнение окружающей природной среды и матери-1ьные потери.

Так, при разработке месторождения сероводородсодержащего газа ак во Франции, имелось более 40 человеческих жертв. Аварийное фон-ширование скважины Лоджпол в канадской провинции Альберта при-

;ло к опасному загрязнению окружающей среды на территории более Х)0 кв. км. и создало угрозу здоровью отдельных групп населения ( ггей, женщин, лиц пожилого возраста и слабого здоровья) на удалении ) 60 км.

На месторождениях нефти и газа бывшего СССР на тысячу скважин [конченных бурением приходился в среднем один открытый фонтан.

При открытом нефтегазовом фонтане на одной из разведочных скважин Тенгизского нефтяного месторождения реальная опасность для весьма уязвимых экосистем Прикаспия наблюдалась на территории более 600 кв. км., при этом угроза опасного загрязнения атмосферы потребовала эвакуации людей из зоны, радиусом более 10 км.

Аварийный фонтан на скважине 427 Карачаганакского нефтегазо-конденсатного месторождения привел к загрязнению поверхностного слоя почвы серосодержащими жидкими углеводородами на территории более 30 га., а также загрязнению приповерхностных водонесущих горизонтов. Неуправляемый выброс на одной из скважин Оренбургского газо-конденсатного месторождения (ГКМ) через неплотности устьевой арматуры привел к необходимости массового временного отвода населения, подобный выброс на Астраханском ГКМ , где содержание сероводорода в пластовом флюиде достигает 25 % , привел к групповому несчастному случаю со смертельным исходом. Известны случаи взрывов топливовоз-душных смесей, образующихся при открытом фонтанировании скважин, достигающих по последствиям нескольких сотен килограммов по три-нитротолуоловому (ТНТ ) - эквиваленту.

Результаты прогнозных расчетов показывают, что открытое фонтанирование скважин на сероводородсодержащих месторождениях, таких как Астраханское, Тенгизское и ряд других может создать реальную угрозу здоровью более десяти тысячам человек и состоянию экологических систем целых регионов.

В этих условиях весьма актуальны как эффективные методы снижения степени техногенных рисков, основанные на системном анализе условий их формирования, так и методы снижения тяжести последствий, включающие активное управление, обоснованное достоверным прогнозированием развития аварий и их последствий с учетом возможности и оптимизации внешних воздействий.

Однако, известные полуэмпирические теории рассеивания примесей в приземном слое атмосферы позволяют производить лишь ориентировочные расчеты последствий возможных аварий, результаты которых плохо коррелируют с натурными наблюдениями и не обладают взаимной сходимостью.

Существенным недостатком в рассматриваемой сфере является юке отсутствие достоверных критериев, определяющих опасность ток-1ЧН0Г0 воздействия сероводорода на человека при аварийном загрязне-ш атмосферы. В отличии от ряда других стран / Канада, Германия /, тановленные Минздравом СССР значения предельно допустимых ава-|йных концентрации сероводорода в атмосфере / 100 мг/м3 для Орен-'ргского ГКМ и 30 мг/м1 для Астраханского ГКМ / никак не связаны | временем его воздействия на человека, что не позволяет обоснованно тнировать и достоверно оценивать эффективность защитных меро->иятий.

Не менее важной проблемой является весьма низкая эффектив->сть "пассивных" методов защиты населения и окружающей природ-)й среды от техногенных выбросов в атмосферу токсичных веществ, ж показали результаты вероятностных расчетов, а также анализ резуль-тов практических исследований на Астраханском ГКМ , если эффектность использования средств индивидуальной зашиты обученным :рсоналом превышает 90%, то для населения она не превышает 40%. [)фективность средств коллективной защиты в этих условиях, включая 1едства временной эвакуации, не превышает 27% для населенных 'нктов, находящихся в зоне часового достижения опасных концентра-ш / с учетом срабатывания системы оповещения /и существенно ниже 1я людей вне населенных пунктов.

В то же время, накопленный производственный опыт и результа-I выполненных научных исследований свидетельствуют о том, что юблемы защиты людей и окружающей природной среды от техноген-.ix чрезвычайных ситуаций могут быть эффективно решены путем фавления техногенными рисками, включающего обоснованные и адек-тно прогнозируемые активные воздействия на развитие этих ситуаций их последствий.

1.2. Цель работы.

Разработка эффективных методов управления техногенными рисками, связанными с аварийными выбросами пластовых флюидов при разработке нефтяных и газовых месторождений на основе системного

анализа их формирования, развития и воздействия на окружающую среду.

Указанная цель определяет необходимость системного решения следующих основных задач :

- анализ техногенных рисков и значимых факторов их формирования;

- достоверная оценка физико - химических и других параметров, определяющих воздействие аварийных выбросов пластовых флюидов на окружающую среду;

- обоснование эффективных методов и разработка технических средств управления техногенными рисками на стадиях возникновения и развития аварийных выбросов пластовых флюидов на основе достоверных критериев опасностей.

1.3. Основные методы исследований.

Для решения сформулированных задач, в работе использован комплекс методов, включающий!

- методы математических логико - вероятностных исследований для оценки уровня техногенных рисков и выявления значимых факторов их формирования при разработке нефтяных и газовых месторождений, включая риски поражения человека и окружающей природной среды вредными веществами, последствиями взрывных явлений и пожаров ;

- совокупность методов математического моделирования, модельных и прямых инструментальных исследований для оценки физико-химических параметров аварийных выбросов и динамических характеристик их рассеивания в атмосфере применительно к сероводородсодержа-щим пластовым флюидам, как в условиях горения выброса, так и без горения;

- комплекс методов прямых экспериментальных исследований уровней опасных производственных факторов в ближней зоне горящего выброса пластового флюида для оценки условий труда, эффективности средств защиты оборудования и персонала, включающий методы количественной оценки загрязнения атмосферы, интенсивности тепловых пото

•в, температуры воздуха, почвы и нагретых поверхностен, освещенно-и, шума, показателей микроклимата;

- эвристические методы решения изобретательских задач для разра-)тки новых методов управления рисками, включая активное воздейст-1е на выброс, а также новых технических средств для их практического )именения.

1.4. Основные защищаемые положения.

Техногенный ущерб окружающей природной среде, промышленно-/ персоналу и населению в результата аварийных выбросов может быть [ижен путем применения методологии комплексного подхода к оценке :ловий и значимых факторов формирования техногенных рисков при юектировании и эксплуатации объектов обустройства месторождений.

Использование разработанных автором математических моделей )Зволяет достоверно прогнозировать уровни загрязнения окружающей эиродной среды и уровни опасных производственных факторов в тижней зоне аварийных выбросов пластовых флюидов.

Эффективное снижение техногенных ущербов может быть достигло применением научно обоснованных методов управления рисками, слючающими оценку вероятности и причин их возникновения, достойное прогнозирование развития, а также активное воздействие на ава-шный выброс.

Эффективная защита персонала и оборудования в ближней зоне го-

ццего выброса пластового флюида от воздействия интенсивного тепло-)ГО излучения, повышенных уровней шума, высоких температур, опас-эгх параметров микроклимата может быть достигнута применением >мплекса методов и технических средств теоретически и эксперимен-шьно обоснованных автором.

1.5. Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены современными методами и средствами югико - математических и экспериментальных исследований, подтверждением теоретических положений экспериментальными и промышлен-1ыми данными, включая результаты полномасштабных полигонных ис

пытаниП с газовыми выбросами дебитом до 10,0 млн.м3/сут. а также результатами внедрения новых научно - технических решений на Оренбургском, Астраханском, Тенгизском, Карачаганакском и ряде других газовых и нефтяных месторождений.

1.6. Научная новизна.

Впервые установлены объективные закономерности и сформированы математические модели, позволяющие достоверно прогнозировать уровни загрязнения окружающей природной среды при мощных длительных выбросах сероводородсодержащих .углеводородных газов и уровни опасных производственных факторов в ближней зоне при горении указанных выбросов.

Впервые обоснована теоретически и подтверждена прямыми экспериментальными исследованиями возможность активного снижения техногенных рисков от выбросов токсичных и взрывопожароопасных веществ для человека и окружающей природной среды путем безопасного выполнения аварийных работ в условиях горения выброса пластового флюида.

1.7. Практическая ценность.

Разработаны научно обоснованные инженерные методы прогнозирования уровней загрязнения окружающей природной среды при мощных длительных выбросах сероводородсодержащих углеводородных газов и уровней опасных производственных факторов в ближней зоне при горении указанных выбросов. Указанные методы вошли в основу нормативно - технических документов по промышленной безопасности, действующих в отрасли, а также концепций обеспечения безопасности принятых Госгортехнадзором и МЧС России для Оренбургского и Астраханского месторождений.

Впервые создан комплекс технических средств и организационно -методических решений, позволяющий эффективно снижать техногенные риски при разработке нефтяных и газовых месторождений путем безопасного выполнения аварийных работ в условиях горения выброса пла

ового флюида, включая средства и методы теплового воздействия па арийный выброс, его оперативной ликвидации, а также средства заши-I промышленного и аварийного персонала.

Практическое использование теоретических результатов работы, а кже внедренных организационно - методических решений и техниче-:их средств широко осуществляется в отечественной и зарубежной га-вой промышленности с 1980 г.

1.8. Апробация работы.

Основные научные положения и практические результаты работы ¡однократно доложены, обсуждены, одобрены и рекомендованы к ис-)льзованию на научно-технических семинарах, конференциях, симпо-|умах, включая Международные газовые конгрессы, Международный эрум по проблемам экологии (Москва, 1994 г.). Основные технические мнения, разработанные автором удостоены медалей ВДНХ, Диплома гавного комитета ВДНХ N 119 - Н от 05.11.1986 г., организационно-гтодические положения использованы в составе Федеральных и отрас-:вых нормативных актов по промышленной безопасности, включая равила безопасности в нефтяной и газовой промышленности, а также циную систему управления охраной труда в газовой промышленности.

1. 9. Реализация результатов работы

Организационно - методические и технические решения, отра-ающпе основные результаты работы введены в состав основополагаю-их Федеральных и отраслевых нормативных актов по промышленной гзопасности в нефтяной и газовой промышленности, включая " Прави-1 безопасности в нефтяной и газовой промышленности " Инструкцию э безопасному ведению работ при разведке и разработке нефтяных га->вых и газоконденсатных месторождений с высоким содержанием серо-адорода ", " Единую систему управления охраной труда в газовой про-ышленности ".

Практическая реализация научно обоснованных методов снижения техногенных рисков осуществлена в конкретных технических техноло

- 10 -

гических и организационно - методических решениях, включенных в проектную документацию на обустройство Астраханского Оренбургского Тенгизского и других нефтяных и газовых месторождений.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в учебно - методических пособиях для подготовки и повышения квалификации инженерного персонала объектов топливно - энергетического комплекса и аварийных служб.

Научно обоснованные технические технологические и конструкторские решения реализованы в конкретном оборудовании для предотвращения, локализации и ликвидации аварийных выбросов, находящемся на вооружении военизированных противофонтанных и газоспасательных служб во всех нефтегазовых регионах России.

1.10. Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в двух монографиях, четырнадцати авторских свидетельствах, десяти научно - технических обзорах и в 26 статьях.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 2.1. Анализ техногенных рисков чрезвычайных ситуаций.

Анализ опыта разработки нефтяных и газовых месторождений показывает, что техногенный риск возможных чрезвычайных ситуаций, определяемый как функция величины возможного ущерба и вероятности его возникновения, является одним из ведущих факторов, существенно влияющим на технические, экономические, экологические и социальные показатели производства.

Особо значимо указанный фактор проявляется при разработке месторождений природного сырья с высоким содержанием сероводорода и других токсичных веществ. Для таких месторождений статистическая обработка массивов отечественной и зарубежной информации позволяет оценить неуправляемые выбросы пластовых флюидов при строитель

стве и эксплуатации скважин как причину 70 - 75 % общего фактического ущерба от техногенных чрезвычайных ситуаций.

При этом, аварийный ущерб, обусловленный выбросом сероводо-родсодержащих пластовых флюидов, может включать в себя вред здоровью и жизни людей в результате опасного загрязнения атмосферы, взрывных и пожарных явлений, ущерб экологическим системам в результате загрязнения воздуха, почвогрунтов, поверхностных и грунтовых вод. а также материальный ущерб в виде уничтоженного имущества, природного сырья, а также затрат на аварийные и ликвидационно - восстановительные работы. Результаты анализа статистики аварийных ущербов от открытого фонтанирования скважин показывают, что экологический ущерб может достигать 70% от общего, а прямой ущерб людям, включая безвозвратные потери, может превысить 20%.

Сокращение указанного ущерба путем эффективного управления техногенными рисками требует достоверно'го количественного анализа условий их формирования, развития и прогнозирования возможных последствий.

Для оценки вероятности неуправляемого выброса пластового флюида при строительстве и эксплуатации скважин, и выявления значимых причин его формирования и развития, применительно к специфическим условиям газовой промышленности адаптирован логико - вероятностный метод анализа надежности и безопасности сложных технических систем "дерева событий". Указанный метод позволяет выявить как возможные комбинации и последовательности событий, так и значимость каждого из них в формировании возможных чрезвычайных ситуаций. При этом обеспечивается анализ значимости событий, связанных как с возникновением аварийного выброса, метеорологическими условиями его рассеивания, так и с поведением человека в зоне воздействия опасных аварийных факторов.

Указанный метод апробирован на Астраханском и Оренбургском ГКМ и принят к использованию для объектов повышенной опасности в газовой промышленности.

Вероятность возникновения неуправляемого выброса на сероводо-родсодержащих скважинах, определенная указанным методом состав

- 12 -

ляет 3,6 - 5,9 х 10 "3 и существенно зависит от горно- геологических условий, применяемого оборудования и ряда других факторов.

При этом, как показали результаты исследований автора, наиболее значимый вклад в формирование и развитие чрезвычайной ситуации вносят следующие факторы:

- нарушение технологии проводки скважин - до 35 %;

- некачественное изготовление и монтаж оборудования - до 17 %;

- недостаточная изученность горно-геологических условий - до 23%;

- ошибки персонала, низкая производственная дисциплина - 25 %.

Указанные факторы в целом более чем на 60 % определяют формирование исследуемых рисков и, соответственно индивидуальных рисков персонала при строительстве скважин, вероятность которого достигает 1,5 - 3,5 х 10 '5.

Величина ущерба, возникающего при неуправляемом выбросе на скважине, определяется совокупностью следующих аварийных факторов:

- загрязнение атмосферного воздуха сероводородом и другими токсичными веществами в концентрациях, опасных для человека и окружающей природной среды;

- образование в ближней зоне аварийного выброса взрывоопасных топливовоздушных смесей и розливов горючих жидкостей с возможностью возникновения пожаров и взрывных явлений;

- загрязнение почвогрунтов жидкими ингредиентами пластового флюида с возможностью их миграции с грунтовыми водами;

- загрязнение прилегающих открытых природных водоемов жидкими и газообразными водорастворяемыми ингредиентами пластового флюида с возможностью закисления природных вод и обусловленного этим вторичного загрязнения, в том числе тяжелыми металлами из донных отложений.

Анализ количества и тяжести последствий фактических проявлений указанных факторов позволяет сделать вывод, что наиболее опасным из них для человека и окружающей природной среды является загрязнение атмосферного воздуха, определяющее до 87% общего техногенного ущерба.

- 13 -

Для уточнения количественных параметров возможных ущербов, занных с неуправляемым выбросом пластового флюида при строителю и эксплуатации скважин были выполнены многолетние экспе-1ентальные исследования рассеивания сероводородсодержащих газов "мосфере на специально оборудованных полигонах.

Исследования проводились совместно с Государственной геофизикой обсерваторией им. Воейкова и ВНИИГАЗом по программе, со-совапноП с Госкомгпдрометом СССР и включали прямые измерения .центраций сероводорода в воздухе на различных расстояниях от ис-ника выброса при широком диапазоне его дебита, других параметров етеоусловий.

Впервые крупномасштабные экспериментальные исследования 1и проведены на базе Оренбургского газоконденсатного месторожде-1, где был спроектирован и сооружен специальный эксперименталь-й полигон, обустройство которого позволяло выбрасывать в призем-

¡1 слой атмосферы необходимые объемы природного сероводородсо-)жащего газа.

Для определения массового расхода сероводорода при каждом вы-жс газа, перед началом и в конце выпуска, производились отбор и шиз проб газа на его компонентный состав.

Для последующей оценки влияния на рассеивание вредных веществ змодинамического состояния нижних слоев атмосферы, на полигоне л оборудован специальный метеопост, где в процессе каждого выпус-газа производили регистрацию метеопараметров с помощью метео-шции М-49.

Для оценки турбулентности атмосферы, производили градиентные блюдения за скоростью ветра и температурой воздуха на высотах 0,5; 1 10 м. Особое внимание уделялось изучению ветровых полей и гради-тов температуры в приземном слое. Для изучения влияния суточного и зонного изменения метеопараметров на характер рассеивания, газ вы-скали в разное время года и различное время суток: утром - при слабо-звптом конвективном обмене воздушных масс, днем - в период макси-шыюго турбулентного обмена и вечером, когда турбулентный обмен лаблен.

- 14 -

Концентрацию сероводорода в воздухе определяли параллельно экспрессным и химическим методами. Измерение концентраций экспрессным методом с помощью индикаторных газоанализаторов производилось на близком расстоянии от источника (от 40 м до 3-5 км) в осевом и перпендикулярном направлениях ветра. Количественный химический анализ отобранных проб производили по стандартизованным методикам. Точки отбора проб воздуха располагались равномерно по трем расходящимся лучам, причем центральный луч совпадал с направлением ветра, а угол между крайними лучами составлял 15-30°, что примерно соответствует диапазону углов горизонтального рассеивания газовоздушного облака в реальных метеоусловиях. Расстояние между точками отбора в поперечном направлении струн газа на каждой дистанции по мере удаления от места выпуска колебалось от 100 до 1000 м. Плотность точек отбора на расстояниях предполагаемого максимума концентраций сероводорода устанавливалась наибольшей - до шести точек в зоне. Пробы воздуха отбирались одновременным включением автоматических электроаспираторов ЛК-1 с автономным электропитанием по всему сектору исследований путем протягивания атмосферного воздуха через два последовательно соединенных поглотителя. Высота точек отбора составляла 1,5 м (примерный уровень расположения дыхательных путей человека), время отбора 30 мин.

С целью выявления изменений концентрации сероводорода в вертикальном направлении дополнительно производили отбор проб воздуха на высоте 3,6 и 9 м. Число точек отбора проб в каждом опыте достигало 30, а число отобранных проб при этом составляло 120.

На испытательном полигоне, оборудованном в районе Мубарек-ского ГПЗ, в качестве источника мощных выбросов газа в атмосферу использовался участок действующего газопровода, транспортирующего се-роводородсодержащий природный газ. Длина участка 10 км, диаметр газопровода 1000 мм с рабочим' давлением 5,2 МПа, относительная плотность транспортируемого газа 0,77.

Опорожнение участка производилось через выкидную линию в горизонтальном направлении на уровне около 1,0 м от земной поверхности. Начальные давления в газопроводе в ходе экспериментов изменялись от 2,0 до 5,2 МПа. Начальные и остаточные давления в газопроводе регист

- 15 -

рировались самопишущим манометром МТС-71-2, по разнице начального п остаточного давлений в газопроводе определяли объем выпущенного в атмосферу газа за период времени, соответствующий величине снижения давления.

Время выпуска газа в атмосферу изменялось в широком диапазоне ог нескольких минут до нескольких часов. Содержание сероводорода в газовых выбросах колебалось от 1,4 до 6 %. Эксперименты проводились в разное время года и суток. Особое внимание уделялось проведению экспериментов в условиях инверсии температуры. Подавляющее большинство опытов проводилось при горизонтальном направлении выброса газа, определенная часть опытов - при вертикальном выбросе. В общей сложности эксперименты проводились в течение 7 лет по 30-40 опытов в каждой из годовой серии.

В комплекс экспериментальных исследований входило измерение концентраций сероводорода на различных расстояниях от источника газовых выбросов и регистрация параметров метеорологических условий, при которых проводился каждый отдельный опыт.

Концентрации измерялись экспрессным и химическим методами в приземном слое воздуха как по направлению ветра (на удалении от нескольких метров до 30 км), так и но ширине газового облака.

Анализ результатов выполненных исследований позволил оценить достоверность расчетного определения приземных концентраций вредных веществ по различным методикам , известным в мировой практике.

Сопоставление экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов по наиболее известным методикам при идентичных условиях / мощность источника газовых выбросов, скорость ветра и расстояние, на котором выполнялись замеры / для различных категорий устойчивости атмосферы представлено в табл. 1; 2.

Представленные сопоставительные данные свидетельствуют о весьма малом достоверности прогнозирования последствий возможных аварийных газовых выбросов с использованием известных методик, что обусловлено как кратными величинами возможных ошибок в % ровне загрязнения атмосферы, так и неопределенностью области 1 завышение или занижение / указанных ошибок.

Таблица 1

Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами ( инверсия температуры )

Концентрация сероводорода, мг/мл

Расстояние от источ- Эксперимент По методике По методике

ника выбросов, км - . Пасквилла Сеттона

.э 320 2043 4055

5 280 1004 1728

10 148 372 543

12 133 .311 400

15 105 222 276

20 89 178 171

25 78 128 118

' 30 26 109 87

Таблица 2

Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами (неустойчивость атмосферы)

Концентрация сероводорода, мг/м

Расстояние от источ- Эксперимент По методике По методике

ника выбросов, км Пасквилла Сеттона

0,5 428 144 240

1 363 88 57

2 100 13 15

3 84 4,5 7

5 63 2 3

7 20 - 2,4

9 11 - 1,1

На практике это может привести как к переоценке, так и опасной недооценке масштабов возможных чрезвычайных ситуаций и, соответст

- 17 -

вемно. недостаточной эффективности мероприятий по защите персонала, населения и природной среды.

Выполненные экспериментальные исследования и анализ их результатов позволили рекомендовать для практических расчетов простые инженерные методы на основе на основе следующих эмпирических зависимостей:

1,57 . х-1'26

4 =---------------- О: (О

и

0,02 7 х-"'86

ч =----------------- О; (2)

и

0,15.x'1'2

4 =-----------------0 (3)

и

где

с] - концентрация сероводорода (или другой токсичном примеси) в воздухе, мг/м'\

х - расстояние от источника газовых выбросов по направлению ветра, м;

и - скорость ветра, м/с;

С> - мощность источника газовых выбросов по сероводороду, мг/с.

Формулы (1) и (2) рекомендуются для расчета концентраций примеси в условиях устойчивости атмосферы как наиболее неблагоприятных метеоусловий для рассеивания газовых выбросов, а формула (3) -для неустойчивой категории атмосферы, когда рассеивание происходит наиболее интенсивно. Причем формула (1) предпочтительнее при расчете концентраций для газовых выбросов относительной плотностью менее 1,0 и подстилающей поверхности (рельефа местности) с чередующимися травяным покровом и сельскохозяйственными культурами, а формула (2) -для и оголенной, относительно гладкой поверхности.

- 18 -

В целом, как показали результаты экспериментальных исследований, неуправляемые выбросы из скважин на сероводородсодержащих месторождениях представляют серьезную опасность для персонала, населения и окружающей природной среды.

В связи с изложенным, большой практический интерес представляют технические решения, направленные на снижение указанной опасности путем как скорейшей ликвидации выбросов, так и воздействия на них различными физико - химическими методами.

Из числа последних наиболее эффективным представляется зажигание выброса, обеспечивающее снижение приземных концентраций вредных веществ, вследствие их конвекционного подъема и рассеивания в атмосфере. Однако, практическое применение данного метода связано с проявлением целого ряда дополнительных опасных факторов, таких как-температурные воздействия, интенсивные тепловые потоки, повышенный уровень шума, а также экстремальные параметры микроклимата. Анализ, прогнозирование и защита от указанных производственных опасностей потребовали как дополнительных исследований, так и новых научно - технических решений.

2.2. Исследования уровней опасных производственных факторов в ближней зоне горящего выброса пластового флюида.

Для проведения экспериментальных исследований уровней опасных производственных факторов на базе Оренбургского ГКМ были спроектированы и сооружены два опытных полигона - для моделирования аварийного выброса сероводородсодержащего пластового флюида с дебитом до 3 млн. м3/сут. при содержании сероводорода до 3,0 % объемн., и для моделирования мощных газовых фонтанов с горением пластового флюида - с дебитом до 10 млн. м3/сут газа стандартного товарного качества.

Исследования выполнялись в соответствии с программами, согласованными с органами природоохранного и санитарного надзора с применением метрологически аттестованных методик и средств измерения.

- 19 -

Модельные исследования аварийного выброса сероводородсодер-жашего пластового флюида проводились в целях оценки уровня возможного загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами.

Загрязнение атмосферного воздуха продуктами сгорания и недо-жига сероводородсодержащего природного газа определяли параллельно с использованием экспрессных табельных .газоаналитических средств отечественного и импортного производства и хроматографических методов лабораторного анализа отобранных проб на сероводород, сернистый газ, окись углерода и углеводорода, а также на углекислый газ и метан.

Пробы воздуха для всех химических анализов отбирали синхронно по сериям эксперимента через 30-60 мин после выхода фонтана на устоявшийся режим. Точки отбора проб находились в 50, 200, 500 и 1000 м от устья фонтана с подветренной стороны.

Контрольная точка находилась вне зоны влияния факела /150 м от устья с наветренной стороны/. Всего проводили три серии экспериментов при дебите сжигаемого газа эквивалентом 0,5; 1.5 н 2.5 млн. м'/суг.

Метеорологические условия в точке контроля: температура воздуха 22,0 - 26,6°С, относительная влажность 25-32 %, скорость ветра 3-5 м/с с порывами до 10-12 м/с.

В непосредственной близости от устья фонтана ни один из примененных методов анализа не обнаружил присутствия загрязнителей ни в одной из проб воздуха, за исключением хроматографических анализов, показывающих повсеместное наличие фона метана величиной 0,7 мг/м\

Превышения фоновых концентраций (до 1,5 мг/м5 ) метана обнаружены хроматографическим методом на расстоянии 50 - 100 м от устья фонтана. Химическими и экспрессными методами обнаружено наличие продуктов неполного сгорания газа на расстояниях 40, 50, 100. 200, 500 м от устья фонтана. При этом максимальное содержание сернистого газа, регулярно'обнаруживаемого в приземном слое атмосферы на расстоянии 50 м от факела, составляло 0,5 - 0,9 мг/м3. Сероводород обнаружен в ряде проб в 500 - метровой зоне в концентрациях до 0,048 мг/м '.

В целом, в результате исследований выявлено, что во всем исследуемом диапазоне метеорологических условии в приземном слое атмосферы не наблюдается содержание вредных веществ в концентрациях, превышающих ПДК рабочей зоны и, с учетом реальной длительности

- 20 -

аварийной ситуации, представляющих существенную угрозу для здоровья людей и окружающей природной среды, за исключением наиболее чувствительных к серосоединениям представителей флоры / хвойных и т.д./.

Моделирование мощных горящих газовых выбросов выполняли на специальном полигоне в районе Совхозного СПХГ, оборудованном имитационной скважиной.

Питание имитационной скважины газом производилось по отводу диаметром 324 мм от газопровода товарного газа Оренбург-Уфа. Рабочее давление в магистрали газопровода 4,5 МПа.

На отводе устанавливали задвижку с гидроуправлением, замерный узел для учета расхода газа и оголовок для формирования струи выброса с внутренним диаметром 221 мм.

При моделировании мощных газовых фонтанов исследовали уровни -опасных производственных факторов при дебитах 1,87; 2,82; 4,72; 6,54; 8,59; 9,19 млн. м3/сут. Во всех сериях опытов стандартными методами замеряли показатели микроклимата /температура воздуха, влажность воздуха, скорость ветра /, температуру поверхности почвы, яркостную температуру пламени, интенсивность /поверхностную плотность/ тепловых потоков, геометрические размеры пламени.

Максимально регистрируемые изменения температуры воздуха в непосредственной близости от устья скважины достигали 18°С от фоновой величины, существенного изменения атмосферного давления не обнаружено.

Измеренные значения яркостной температуры зоны горения составили 1280-1500°С, зоны догорания 1350-1465°С, с увеличением дебита наблюдалось снижение температуры пламени.

Освещенность, создаваемую светом пламени газового фонтана, измеряли на всех исследуемых дебитах газа (от 1,3 до 8,6 млн.м3/сут) Максимальная горизонтальная освещенность в радиусе 20 м от устья составила 25000 лк; при дебите 8,6 млн.м3/сут на расстоянии 50 м от устья - 5000 лк на расстоянии 100 м - 4000 лк.

Результаты замеров относительной влажности воздуха представлены на рис.1.

- 21 -

На рис.2. представлены результаты измерении фактических вели-1ин эжекционной составляющей скорости движения воздуха на уровне [ыхания персонала, обусловленной эффектом эжекцин воздуха компакт-юП газовой струей.

Измеренные значения интегрального показателя уровня шума пред-тавлены на рис. 3. Спектральный анализ шума экспериментальных га-овых фонтанов с дебитами от 0,5 до 8,59 млн.м7сут показал, что интен-ивность звукового давления существенно зависит как от дебита выброса, ак и от характеристик устья скважины, особенно существенных при верхзвуковых скоростях истечения газа. Частотный анализ шума газовой труп, истекающей из трубы диаметром 0,221 м со скоростями, в 4-5 раз [реиышающими скорость звука, показал наличие двух основных источ-1Иков шума - низкочастотного, связанного со "звучанием" оголовка сква-шны, и высокочастотного шума истекающей струи. При фонтане деби-ом 8,54 млн.м'/сут уровень звукового давления даже на расстоянии 50 м 1Т устья достигает 112 дБ, что приближается к порогу болевого ощуше-111 я человека.

Весьма важным представляется экспериментально выявленное на-шчие пнфразвуковых колебаний с уровнем, определяемым преимущест-¡енно параметрами оголовка скважины , и превышающим, в условиях ■ксперимента, предельно допустимый в 3 - 7 раз.

Результаты замеров температуры поверхности почвы представлена на рис.4.

Как следует из результатов экспериментальных измерений, пред-тавленных на рис. 5. , тепловые потоки высокой интенсивности, а так-;<е обусловленные ими повышенные температуры облучаемых поверх-юстей являются наиболее опасными производственными факторами в ¡лижней зоне горящего выброса и определяют необходимость адекват-гой зашиты как персонала, так и оборудования, включая транспортные ;редства.

На практике указанная защита может быть достигнута как приме-■ением специальных технических средств, так и рациональным разме-цением оборудования и режимом работы персонала.

Для рационального размещения оборудования и персонала на стадии планирования аварийных мероприятий предложены и могут быть

Относительная влажность, %

Расстояние от устья, м

100

Рис. 1 Измеренные значения относительной влажности воздуха при различных дебитах

(А- 2,0 млн.м3/сут; Б- 4,869млн.м7сут; В - 8,665млн.м7сут) Скорость воздуха, м/сек

Расстояние от устья, м

Рис. 2 Величина эжекционной составляющей скорости движения воздуха при различных дебитах (А- 2,0 млн.м7сут; Б- 4,869млн.м7сут; В - 8,665млн.м7сут) Уровень шума, дБ

о —

Расстояние от устья, м

ю

20

60

100

Рис. 3 Измеренные значения уровня шума при различных дебитах (А- 2,0 млн.мэ/сут; Б- 4,869млн.м:>/сут; В - 8,665млн.м3/сут)

Расстояние от устья, м Рис. 4 Результаты замеров температуры поверхности почвы

в зависимости от расстояния и дебита фонтана

Расстояние от устья, м

Рис. 5 Результаты инструментальных замеров плотности тепловых потоков

- 24 -

эффективно использованы как метод экстраполяции представленных экспериментальных данных, так и эмпирические зависимости, в частности математическая модель, удовлетворительно описывающая экспериментальные данные полиномиальной функцией четвертого порядка вида:

п.ш < 4

Ка=П{К,;К2;К3; ЦтУ,

где: Кг коэффициент, определяемый составом пластового флюида, К2- коэффициент, определяемый параметрам» устья, Кз- коэффициент, определяемый метеоусловиями, С>- дебит выброса,

ц-допустимая величина плотности теплового потока для оборудования / транспорта, человека и т.д. /,

И,- допустимое расстояние от источника выброса.

При организации аварийных работ в условиях реального выброса целесообразно применение упрощенной инженерной методики расчета допустимых величин расстояний от источника выброса на базе результатов прямых замеров плотности теплового потока с использованием полиномиальной функции второго порядка вида:

п,т<2

К4=П{Х1П; х2п;ЧЛ Я2га};

где: Х1, Х2- расстояния точек прямого замера плотности теплового потока,

ЯьЯ2-. измеренные значения плотности теплового потока на расстояниях от источника соответственно X] и Х2.

2.3. Разработка комплекса программно - технических средств для прогнозирования последствий техногенных рисков.

Корреляционный анализ достоверности известных математических моделей, а также результаты выполненных экспериментальных исследований позволили разработать комплекс программно-технических средств

- 25 -

для прогнозирования последствии возможных чрезвычайных сшланпн. связанных с выбросом токсичных п взрывопожароопасных веществ в окружающую природную среду.

На рис.6, представлена схема указанного комплекса, разработанного автором совместно с ВолгоУралНИПИгазом и МЧС. совокупности позволяющего обеспечить достоверное прогнозирование последствий основных опасных производственных факторов, формирующих и определяющих последствия чрезвычайных ситуаций.

Математический алгоритм программы "Прогноз 1" основан на Методике прогнозирования масштабов загрязнения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте (РД 52.04.253-90), модифицированной с учетом результатов экспериментальных исследований.

Программа "Прогноз 1" позволяет прогнозировать масштабы заражения атмосферного воздуха на уровне пороговых токсодоз в зависимости от физических свойств и агрегатного состояния газообразных, парообразных или аэрозольных токсичных веществ, а также их смесей, с % четом условии их хранения, параметров выброса, а также метеорологических условии.

Программа "Прогноз 2" разработана на базе эмпирических зависимостей, основанных на результатах прямых экспериментальных исследований и позволяет количественно оценить значение' плотности .тепловых потоков и температуры поверхности в ближней зоне горящего газового, парового и аэрозольного выброса с учетом параметра его истечения, дебита и метеорологических условий .

Программа "Прогноз 2" позволяет прогнозировать масштабы воздействий тепловых и температурных факторов на уровнях, представляющих опасность для персонала, промышленного оборудования и транспортных средств.

Программа "Прогноз 3" основана на магема1ической модели прогнозирования последствий взрывных явлений на промышленных объектах, разработанной во ВНИИ ГОЧС России и адаптированной применительно к специфике промышленных объектов газовой промышленности

Программа "Прогноз 3" позволяет прогнозировать масштабы и уровни воздействия поражающих факторов взрывных явлений на основе

Возможная чрезвычайная ситуация

Рис. 6 Комплекс программно-технических средств для

прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций.

Рис. 7 Алгоритм прогнозирования последствий возможных ч резвы ч айных ситуа1 ш й.

- 27 -

расчета избыточного давления, продолжительности и импульса фазы сжатия ударном волны, а также массы и скорости полета осколков оборудования. При этом в качестве явлении, ннншшрчющих чрезвычайные ситуации рассматриваются детонация и дефлаграция топливовоздушных смесей на основе углеводородных газов и жидкостей, а также разрыв сосудов высокого давления.

При этом прогнозированию подлежит степень повреждения зданий и сооружении находящихся на территории промышленного объекта и в прилегающей зоне, а также безвозвратные потерн промышленного персонала и населения.

В совокупности представленные выше программно-технические средства могут быть эффективно использованы в составе программного комплекса "ЩИТ", предназначенного для оперативного прогнозирования последствий возможных чрезвычайных ситуаций с учетом всех опасных производственных факторов.

Программный комплекс "ЩИТ" включает в себя блок электронного масштабируемого картографирования местности, базовые массивы информация но промышленным объектам, прилегающим населенным пунктам и планируемым аварийно-спасательным средствам и методам, а также блок псевдографики, что позволяет оперативно получать графическую информацию по прогнозируемым последствиям техногенных рисков и выявлять рациональные методы защиты людей и окружающей природной среды.

Алгоритм прогнозирования последствий возможных чрезвычайных ситуаций с использованием разработанных программно - технических средств представлен на рис.7.

На рис. 8. 9. представлены фрагментарные иллюстрации прогнозирования последствии техногенных рисков с применением программного комплекса "ЩИТ" при работе в графическом режиме, позволяющем, согласно результатам проведенных штабных учений, снизить сроки принятия решений по защите персонала в 3 - 5 раз и существенно повысить качество этих решении.

Программный комплекс "ЩИТ" рекомендован к применению Гос-гортехнадзором России, органами МЧС России и эффективно используется на Оренбургском, Астраханском и других сероводородсодержащнх

(О Карта Явария Параметры Иомодь

517 392 2911400 Пайт

И

пункт —»Пронобъект

*] Отм»*п» « Обк^тгг: | Нвалдйи

<— Оыйрос СДЯВ —• Вэрип

ЗЕ

твшгзяшЕаЕЕзаза

|»1

Ндс.пункт : п.КонсонопьскиЛ

06ЦЦС СОСДС1ИЯ

—' Пронобт^хти —» Транспорт

—' Аварийные и спецслужбы —' Реиення по ЧС —< Редактировать форну

ыврат*

нфо акрытъ

Рис. 8 Моделирование аварийной ситуации с применением ПК "ЩИТ"

(С) Карта Авария Параметры Помочь 11У Ж) гиЬВ776 Вайт

я ош ш\м ю

Астраханский ГлювиЛ Комплекс

Рис. 9 Моделирование взрывных явлений с применением ПК "ЩИТ"

- 29 -

месторождениях как в оперативных, так и в учебных целях при прогнозировании последствии аварийных ситуации и отработке рациональных аварийно-спасательных мероприятий.

2.4. Разработка концепции управления рисками техногенных чрезвычайных ситуаций.

Анализ результатов выполненных информационно - аналитических, экспериментальных и логико - математических исследований, а также созданные методы прогнозирования формирования, развития и последствий возможных аварий позволили научно обосновать концепцию практического управления рисками техногенных чрезвычайных ситуаций при разработке нефтяных и газовых месторождений.

Сущность указанной концепции заключается в обоснованном достоверным анализом техногенных рисков применении эффективных методов и технических средств управления этими рисками на стадиях возникновения и развития аварийных выбросов пластовых флюидов.

В основе концепции теоретически выявленные и практически подтвердившие высокую эффективность методы активного воздействия на аварийный выброс в следующей совокупности:

- сокращение длительности и, соответственно, объемов аварийных выбросов путем применения новых технических решений и оборудования для ликвидационных работ;

- зажигание аварийного выброса на скважине в целях снижения

уровня загрязнения приземного слоя атмосферы и сопутствующих экологических ущербов, включая загрязнение природных водоемов и почвогрунтов;

- тепловое воздействие на аварийный выброс, заключающееся в разбавлении струи аварийного выброса, либо облака токсичной газовоздушной смеси на пути его распространения, высокотемпературными продуктами сгорания углеводородного топлива при соблюдении мер пожарной и взрывобезопасности.

В составе концепции впервые в нефтяной и газовой промышленности применена в качестве критерия уровня опасного воздействия сероводорода его пороговая токсодоза, учитывающая, в отличие от ранее не

- 30 -

пользуемого подхода, как уровень загрязнения воздуха, так и длительность воздействия загрязнителя на человека.

С учетом представленного критерия обосновано понятие аварийной / буферной / зоны химически опасного объекта, как территории, где могут быть достигнуты значения пороговой токсодозы, а также сформулированы требования промышленной безопасности к этим зонам. При этом, под пороговой токсодозой, согласно соответствующим нормативам Госсаннадзора. понимается ингаляционная доза вредного вещества, вызывающая первые признаки поражения человека. Указанное понятие впервые введено для Астраханского ГКМ и в настоящее время введено в нормативные акты Госгортехнадзора России. „

На рис. 10. представлены результаты расчетов размеров буферных зон для открытых фонтанов на скважинах при различных метеоусловиях для длительности выброса без сгорания 60 мин.

На базе аналогичных расчетных зависимостей и представленного подхода предложен ряд простых инженерных методов, которые для каждых конкретных условий позволяют:

- достоверно оценить размер аварийной зоны с учетом прогнозируемых и реальных метеоусловий;

- оценить и при необходимости оперативно повысить эффективность защитных мероприятий с учетом времени, необходимого для их выполнения;

- оценить время, необходимое для реализации мероприятий по активному воздействию на выброс, например его зажиганию, с учетом реальной опасности выброса для персонала и населения.

Так, на базе указанного подхода установлено и регламентировано органами надзора время для зажигания аварийного фонтана для скважин Астраханского ГКМ - 30 мин., и для скважин Оренбургского ГКМ - 120 мин.

Практическая реализация представленной концепции потребовала разработки, апробации и внедрения комплекса новых методов аварийных работ и соответствующих им технических средств.

Рис. 10 Расчетные оценки размеров аварийной (буферной) зоны при аварийном выбросе на скважине.

Состояние атмосферы :

А - инверсия. Б - изотермия, В - конвекция

- 32 -

2.5. Разработка системы комплексного мониторинга техногенных

чрезвычайных ситуаций.

На основе результатов выполненных исследований в рамках предложенной концепции под научным руководством автора разработана система комплексного мониторинга возможных техногенных чрезвычайных ситуаций при разработке нефтяных и газовых месторождений, структура которого представлена на рис.11 .

Для практической реализации представленных функций мониторинга и эффективной взаимосвязи его структурных элементов разработаны организационные решения, регламентирующие деятельность соответствующих служб предприятий и ведомственных аварийных формирований.

Наиболее полно система комплексного мониторинга разработана применительно к условиям Астраханского ГКМ в проектной и нормативной документации 1985 - 1993 гг. и к настоящему времени реализована в полном объеме.

Основные положения разработанной системы мониторинга включены в "Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности", "Инструкцию по безопасному ведению работ при разведке и разработке нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождениях с высоким содержанием сероводорода" а также в ряд других Федеральных и отраслевых нормативных актов по промышленной безопасности, предотвращению и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

2.6, Разработка технических средств для ликвидации техногенных

чрезвычайных ситуаций

Реализация сформированной концепции управления техногенными рисками, в частности, путем активного воздействия на аварийный выброс, потребовала проработки и научно-технического обоснования конструктивных параметров новых технических средств, адекватных предложенным методам и условиям аварийных работ.

Рис. 11 Структура мониторинга возможных техногенных чрезвычайных ситуаций.

- 34 -

Разработка комплекса новых технических средств была направлена на обеспечение практической возможности выполнения следующих основных аварийных работ:

- ликвидация неуправляемого выброса на скважине в условиях горения пластовой продукции;

- обеспечение эффективной защиты людей и окружающей природной среды при ликвидации аварийного выброса, содержащего сероводород и другие токсичные компоненты.

Кроме того, выполнено концептуальное обоснование новых технических решений направленных на сокращение длительности ликвидационных работ на скважине, как одного из основных методов активного воздействия на аварийный выброс, обеспечивающего существенное сокращение экологического и социального ущерба.

В результате выполненных исследований разработан, апробирован и принят на вооружение в газовой промышленности комплекс новых технических средств и методов их применения.

На рис.12, представлена разработанная автором и получившая широкое промышленное применение схема дистанционной механизированной установки запорного устройства на устье фонтанирующей скважины в условиях горения пластового флюида.

Применение представленной схемы регламентировано наставлениями, предусматривающими предварительное прогнозирование уровней опасных факторов для обеспечения безопасного размещения и оптимальных режимов работы персонала, а также применение специальных теплозащитных средств индивидуальной и коллективной защиты, аварийного оборудования, транспортных и других средств.

Как показала практика, наибольшую опасность для персонала при установке запорных устройств в условиях горения пластового флюида создает возможность возникновения горизонтальной струи при пересечении оборудованием оси выброса. Исследования показали, что длина горизонтальной струи при этом может достигать следующих значений:

- дебит выброса, млн. м3/сут. 2,0 4,0 6,0 8,0

- длина струи, м. 8,0 18,0 26,0 35,0

Для обеспечения возможностей ликвидации аварийных выбросов на скважине без пересечения противовыбросовым оборудованием струи

Рис. 12 Схема установки запорного устройства

1-запорное устройство; 2-траверса; 3-крюкоблок; 4-стрела; 5-ходовая часть; 6-кабина машиниста.

Рис. 13 Устройство для герметизации устья скважины

-устье скважины; 2-захватывающее устройство; 3-узел герметизации; ^отводы; 5-перекрывающее устройство; 6-ось; 7-гидроцилиндры; )-плоскость разъема.

- 36 -

пластового флюида, что позволяет обеспечить существенное повышение безопасности и сокращение сроков ликвидационных работ, разработаны и защищены научные основы, методы расчетов и основные принципы конструирования разъемных запорных установок, принцип создания и функционирования которых проиллюстрирован примером конструкторского оформления, представленного на рис.13 .

Установка содержит захватывающее устройство для фиксации на устье скважины, отводы для подачи жидкости глушения в ствол скважины и подачи пластовой продукции в амбар и перекрывающее устройство. Весь комплект герметизирующего оборудования выполнен продольным по вертикальной оси, что позволяет использовать его в различных условиях и обеспечивает при выполнении аварийных работ не пересечение струи фонтана. Система гидроуправления позволяет осуществлять все операции по герметизации скважины дистанционно. Описанное устройство может быть эффективно использовано при ликвидации горящих газовых фонтанов, т.к. при его наведении, сравнительно с традиционными методами , металлоконструкции подвергаются существенно меньшему тепловому воздействию. Применение разработанного устройства для ликвидации негорящих газовых фонтанов также целесообразно, вследствие как предотвращения возможности отравления персонала, так и снижения вероятности воспламенения фонтана при герметизации устья.

Последнее достигается тем, что непересечение струи фонтана герметизирующим оборудованием снижает возможность возникновения искр статического электричества. Использование устройства не требует грузоподъемной техники, тросовых операций и позволяет существенно сократить сроки аварийных работ.

Исследования эффективности индивидуальных средств, разработанных для защиты персонала в условиях ликвидации горящего выброса, выполнялись на специально оборудованном экспериментальном полигоне Оренбургской военизированной части по предупреждению возникновения и по ликвидации открытых газовых и нефтяных фонтанов.

Исследования выполнялись в 1993г. путем проведения ряда независимых испытаний и преследовали следующие цели:

-изучение условий труда работников аварийных служб при выполнении работ на устье скважины в наиболее тяжелых услови-

- 37 -

ях, встречающихся на практике - в условиях горящего аварийного фонтана с истечением рассеянной приземной струи пластового флюида;

- оценка и повышение эффективности применения термозащитных экранирующих костюмов различных типов в выше указанных экстремальных условиях.

Для имитации открытого выброса с горением рассеянной струи га-использовали наземно расположенную гребенку - отрезок трубы дли-1 2,5 м перфорированный отверстиями диаметром 10 мм удаленными /г от друга на расстояние 200 мм. Расчетный расход газа подаваемого сжигание через гребенку составлял 10-12 тыс. м7час.

Описанные выше методика и устройство позволили при сравни-ьно небольших расходах газа организовать приземный газовый вы->с с высотой видимого пламени до 12 - 14 м при практическом отсут-;ии зоны отрыва пламени, кроме того указанный источник имел ли-шую форму, что в сумме позволило имитировать рассеянный газовый эрос и его наземное расположение, соответствующие наиболее тя-пым условиям, известным из практики аварийных работ.

Климатические условия в период испытаний, измеренные с ис-тьзованием стандартных средств составили: температура воздуха - -9°С; скорость ветра - 2 - 3 м/сек; атмосферное давление - 730 мм.рт.ст.

Измеренные значения интенсивности теплового излучения на раз-шых удалениях от источника выброса при измерении в вертикальной, )аллельной источнику плоскости представлены на рис.14.

В течении всего периода испытаний по показаниям экранированно-ртутного термометра измеряли температуру воздуха, результаты из-эений представлены на рис.15.

Температура поверхности почвы определялась прямым методом с юльзованием контактного термометра с диапазоном измерений 0 -)°С. В процессе испытаний термометр размещали на поверхности поч-с подветренной стороны от источника тепла, результаты измерений вставлены на рис.16.

Рис. 14 Измеренные значения плотности тепловых потоков

Рис. 15 Измеренные значения температуры воздуха при различной плотности теплового потока (А- 20 Квт/м2; Б- 30 Квт/мг; В - 45 Квт/м2;)

Рис. 16 Измеренные значения температуры поверхности при различи плотности теплового потока (А- 20 Квт/м;; Б- 30 Квт/м2; В - 45 Квт/м1;)

- 39 -

Измеренные при помощи яркостного пирометра значения темпера-эы пламени в процессе испытаний колебались в диапазоне 1090 -

20° С.

В процессе испытаний персонал в теплозащитных экранирующих гномах подвергался стандартной нагрузке средней тяжести при типом режиме выполнения аварийных работ - две последовательные паузки по 15 мин. с перерывом 15 мин.

Результаты исследований эффективности теплозащитных экрани-ющих костюмов различных типов в экстремальных ситуациях пред-шлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты исследований эффективности теплозащитных экранирующих костюмов

сказатели До последов ания Испытуемый в ТЭК"Фоптан-1" До ис- следов ания Испытуемый в ТЭК "Фонтан-2"

после нагрузки 1 после нагрузки 2 после нагрузки 1 после нагрузки 2

1 2 3 4 5 6 7

мперагура ротовой полости 34,2 34,4 36,8 35,6 35,8 36,6

мпература кожи Лоб Область сердца 28,8 31,8 31,2 32,4 33,2 35,2 33,0 33,6 33,2 34,6 35,8 34,6

мперагура дкостюмн 26,2 28,6 42,0 28,4 29,2 42,0

ЧСС 68 128 136 70 130 138

кггота дыханий 12 28 32 14 22 24

202 под аской в % - 1,6 2,8 в индивидуальном дыхательном аппарате

- 40 -

Показатели, представленные в табл. 3 определяли стандартными методами медико - биологических исследовании с применением специальной телеметрической системы передачи информации от датчиков в рабочей зоне.

Средневзвешенная температура тела после первой физической нагрузки по сравнению с исходной возросла у испытуемого, одетого в костюм "Фонтан-1" на 1,1 °С, а у пользующегося костюмом "Фонтан-2"- на 0.1°С. Тот же показатель после второй физической нагрузки по сравнению с исходной величиной возрос на 3,5°С и 1,3°С соответственно.

Это может свидетельствовать в более щадящем влиянии на терморегуляцию организма костюма "Фонтан-2" по сравнению с "Фонтан-1" и о более высоких его теплозащитных свойствах.

В целом, как показывают результаты испытаний, теплозащитные экранирующие костюмы, при рациональном режиме труда и отдыха, позволяют обеспечить безопасность персонала в экстремальных условиях.

Для повышения эффективности защиты персонала и оборудования, представленные технические средства могут быть использованы совместно со специально разработанной установкой УПТС-2, обеспечивающей создание водяной завесы от горизонтально линейно расположенных турбулентных распылителей воды. Применение указанной установки позволяет создать эффективную водяную завесу высотой до 15 м от земной поверхности и в три-двенадцать раз снизить уровень интенсивности тепловых потоков. Так, создание водяной завесы на расстоянии 10 м от устья компактного газового фонтана с дебитом 9,0 млн. м3/сут. позволяет снизить интенсивность тепловых потоков с 28 до 1,3-1,7 кВт/м2.

Кроме использования водяной завесы экспериментально оценена эффективность других разработанных защитных средств, в том числе переносных теплоотражательных экранов, специальных металлизированных теплоотражагельных тканей и защитных индивидуальных костюмов на их основе. Указанная оценка позволила разработать и внедрить обоснованные рекомендации по эффективному применению защитных средств.

Предложенные технические средства и рекомендуемые методы их применения практически использованы при ликвидации открытых газовых фонтанов на испытательной скв. 217 Оренбургского ГКМ в 1980 г.;

- 41 -

скв. 44 Сахалинского месторождения "Монги" в 1980г.. а также огкрьгго-о иефтегазоконденсатного фонтана на скв. 321 Карачаганакского -1ГКМ в 1994г.

В практике возможны случаи когда зажигание аварийного выбро-а на скважине может привести к усложнению ликвидационных работ и шогократно увеличить их длительность вследствие разрушения усть-вого оборудования скважины и буровой установки, а также случаи, не-озможности обеспечения устойчивого горения фонтана вследствие наличия в нем больших количеств пластовой воды.

Кроме того, зажигание выброса на скважинах северных месторож-ении может привести к осложнениям, связанным с растеплением поч-огрунтов слоев вечной мерзлоты.

Применительно к указанным случаям разработаны, патентно защищены и апробированы в реальных условиях научно - технические ре-зения, предусматривающие эффективное тепловое воздействие на газо-ый выброс путем применения специальных тепловых источников.

Так, активное воздействие непосредственно на газовый выброс без го зажигания может быть осуществлено с применением газоводяной труп от автомобиля типа АГВТ-100 (АГВ'Г-150). либо от других техни-еских средств, включающих турбореактивный двигатель. Воздействие а облако токсичной газовоздушной смеси на пут его распространения южет быть осуществлено также, с применением отработанных газов урбореактивных двигателей, либо обеспечением сжигания углеводо-одного топлива, например газа, в специальных технических средствах ипа "тепловая завеса".

Установки газоподяпого тушения АГВТ-100 (130-141 отечесг-енного производства на базе автомобиля 311Л-131 имеются на нооруже-ии военизированных пожарных частей и обладают следующими харак-гристиками:

- производительность турбореактивного двигателя по отработанным газам 40...47 кГ/сек;

-температура выходящих отработанных газов 645...720°С;

- скорость истечения газов на выходе из сопловой насадки 550...600 м/сек;

- массовый расход топлива 0,53...0,7 кг/сек;

- время непрерывной работы по запасу топлива 40...45 мин, при пополнении запаса топлива не ограничивается;

Конструкция АГВТ-100 предусматривает возможность подачи в зону истечения отработанных газов воды с регулируемым расходом до 60 л/сек, что позволяет, при необходимости, снизить температуру в зоне струи, например, при выполнении отдельных операций ликвидационных фонтанных работ. ТРД снабжен дистанционно управляемым приводом запуска и поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что позволяет оперативно изменять направление и вертикальный угол струи отработанных газов без маневрирования автомобилем.

С целью прогнозирования эффективности использования ТРД для снижения уровня загрязнения атмосферы при возникновении фонтаноЕ различных дебитов, выполнены исследования динамики рассеивания вредных веществ в атмосфере для двух возможных вариантов:

- аварийное фонтанирование без воздействия на флюид.

- аварийное фонтанирование с разбавлением флюида отработан ными газами ТРД от АГВТ-100.

Прямые экспериментальные исследования / табл. 4 / показали вы сокую эффективность применения турбореактивных двигателей, особен но для наихудших метеорологических условий (малых скоростях вет ра), обусловленную:

- прямым разбавлением токсичного газовоздушного облака;

- инициированием конвективного теплового подъема облака;

- турбулизацией приземного слоя воздуха, способствующей эф

фективному рассеиванию вредных веществ.

Так, согласно выполненным полигонным исследованиям, примене ние двух пожарных автомобилей АГВТ-100 для активного воздействи. на облако газовоздушной смеси от газового фонтана с дебитом по серо водороду до 20 тн/сут при скорости ветра 1 м/сек позволило снизить ре гистрируемые концентрации сероводорода в приземном слое атмосфер! в 16 - 25 раз.

Для необходимого и целесообразного в ряде вышеизложенных сл) чаев оперативного тушения пламени выброса пластового флюида, не учло обоснованы методы импульсного порошкового пламеподавлени открытых фонтанов, а также принципы расчета и конструировани специальных технических средств.

6-фиксатор; 7-стержень; 8-прокладки; 9-седло; 10-цилиндр; 11-штуцер; 12-втулки; 13-стопорный шарик.

Рис. 18 Устройство для тушения горящего газового выброса 1-мембрана; 2-накопительная камера; 3-источник энергии; 4-корпус; »-выходное отверстие; 6-разгонный ствол; 7-дополнительная мембрана.

Таблица 4

Содержание сероводорода в атмосфере при рассеивании аварийного выброса с цспользованнем АГВТ-100 и без него

Приземные максимальные кон- Приземные максимальные концен-

Скор. Ветра м/сек центрации сероводорода при рассеивании выброса АГВТ-100, мг/м* трации сероводорода при аварийном выбросе газа без сжигания и без применения специальных спо-

собов рассеивания выб роса, мг/м

1 км 3 км 5 км 1 км 3 км 5 км

1 0,0 0,0 0.0 282 31,3 11,2

2 0,012 0,785 1,0 168 18,6 5,7

3 8,5 6,2 3,2 141 15,7 5,6

4 40,4 11,8 4,7 135 15,0 5,4

Расход газа 1 млн.м3/сут.

Концентрация сероводорода в газе 5 % объемн. Состояние атмосферы - устойчивое.

На рис.17 . представлена принципиальная схема устройства для порошкового пожаротушения на базе закачного огнетушителя типа ОП -50 (3) с быстродействующей пневмоуправляемой головкой, обеспечивающего, согласно результатам полигонных испытаний, эффективное тушение газового выброса с дебитом до 1,5 млн. м3/сут.

На рис.18, представлена схема устройства для тушения горящего газового выброса типа ППП-200, обеспечивающего тушение газового выброса с дебитом до 10 млн. м3/сут.

Указанные устройства защищены авторскими свидетельствами СССР и получили широкое внедрение в России и странах СНГ.

- 45 -

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации на основании результатов выполненных автором ис-юваниП изложены научно обоснованные технические, технологиче-; и организационно - методические решения, внедрение которых вно-значительный вклад в повышение промышленной безопасности при >аботке нефтяных и газовых месторождений, что имеет приоритет-значение для развития топливно - энергетического комплекса. Основные выводы и рекомендации по диссертации могут быть рмулированы следующим образом:

1. Разработана научно обоснованная методология комплексного кода к оценке условий и значимых факторов формирования и прояв-тя техногенных рисков, а также методов их снижения при проектиро-1и и эксплуатации объектов обустройства нефтяных и газовых ме-юждений.

2. Впервые установлены объективные закономерности и сформиро-л математические модели позволяющие достоверно прогнозировать зни загрязнения окружающей природной среды при мощных дли-.ных выбросах сероводородсодержащих углеводородных газов и зни опасных производственных факторов в ближней зоне при горе-указанных выбросов.

3. Впервые обоснована теоретически и подтверждена прямыми экс-лментальными исследованиями возможность эффективного сниже-

техногенных рисков путем безопасного выполнения аварийных ра-в условиях горения выброса пластового флюида.

4. Впервые обоснована теоретически и подтверждена прямыми экс-иментальными исследованиями возможность эффективного сниже-техногенных рисков путем активного теплового воздействия на ава-ный газовый выброс, заключающегося в разбавлении струи аварийно->ыброса, либо облака токсичной газовоздушной смеси на пути его тространения, высокотемпературными газообразными продуктами.

5. Разработаны, апробированы и рекомендованы к применению на-э методические основы комплексного мониторинга возможных тех-;нных чрезвычайных ситуаций при разработке нефтяных и газовых горождений.

- 46 -

6. Разработаны, апробированы и рекомендованы к применению новые научно - технические решения в области проектирования технических средств для эффективного проведения аварийных работ на скважинах и защиты от опасных производственных факторов.

7. Новизна и уровень разработанных научно - технических решений подтверждены и защищены авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ , а их эффективность и полезность подтверждены результатами широкого внедрения в России и странах СНГ.

4. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В 50 НАУЧНЫХ ТРУДАХ, В ТОМ ЧИСЛЕ:

1. Куцын П.В., Гендель Г.Л., Бабиев Г.Н. Охрана труда при разработке серосодержащих месторождений природных газов. -М., Недра, 1986.

2. Куцын П.В. Охрана труда на газовом промысле. -М., Недра, 1982.

3. Буяльский В.Б., Куцын П.В., Котов А.Г., Янович А.И., Налетов B.C. "Нормативно-техническое обеспечение проектирования и применения автоматических установок порошкового и комбинированного пожаротушения для объектов газовой промышленности" - М., ВНИИЭгаз-пром, 1990. -66с. Обз.инф. Серия: Техника безопасности и охрана труда.

4. Гендель Г.Л., Куцын П.В. "Планирование аварийных мероприятий на газохимических комплексах" - М., ВНИИЭгазпром, 1989г. - 37с. Обз.инф. Серия .Техника безопасности и охрана труда.

5. Белов Н.С., Куцын П.В., "Рассеивание газовых выбросов в районах месторождений высокосернистого природного газа и оценка воздействия их на биосферу" - М., ВНИИЭгазпром, 1989г., 34с., Обз.инф. Серия: Техника безопасности и охрана труда.

6. Буяльский В.Б., Куцын П.В., Бобылев В.В., Котов А.Г. "Применение порошковых средств пожаротушения на объектах транспорта природного газа". - М., ВНИИЭгазпром, 1989г., - 30 е., Обз.инф. Серия: Техника безопасности и охрана труда.

7. Налетова A.B., Куцын П.В., Молчанов А.Ф., Гендель Г.Л., "Система управления охраной труда в ВПО Оренбурггазпром" - М.:

ШИЭгазпром, 1986. 45с., - Обз.инф. Серия: Техника безопасности и )ана труда.

8. Белов Н.С., Кунын П.В., "Методы и средства повышения безо-иости на объектах месторождений высокосернистого природного га- М., ВНИИЭгазпром, 1987, с.38., Обз.инф. Серия: Техника безопас-'ти и охрана труда.

9. Куцын П.В., Гендель Г.Л., Янкович А.Х., Бабиев Г.И., )ебования охраны труда при проектировании крупных газохимиче-;х комплексов"- М., ВНИИЭгазпром, 1986, 35с. - Обз.инф. Серия: шика безопасности и охрана труда.

10. Куцын П.В., Ярмолюк Э.А., Босняцкий Г.П. "Профилактика вматизма на объектах газовой промышленности" - М., ВНИИЭгаз->м, 1988, 32 е., Обз.инф. Серия: Техника безопасности и охрана труда.

11. Белов Н.С., Куцын П.В., "Основные направления создания сис-[ы управления безопасностью на месторождениях природного газа" -

ВНИИЭгазпром, 1988, 32с, Обз.инф. Серия: Техника безопасности и iaiia труда.

12. Куцын П.В., Гендель Г.Л., Малышкин В.А. "Совершенствование нологии огневых ремонтных работ" М., ВНИИЭгазпром, 1983, 35 с, !.инф., Серия: Транспорт и хранение газа.

13. Куцын П.В., Рзаев Т.М. и др. Предупреждение затрубных газо->явлений и открытого фонтанирования при бурении скважин. -Газовая умышленность, 1977, N2.

14. Куцын П.В., Хасаев P.M. и др. Зависимость возникновения (кционных искр при проводке скважин с продувкой от геологической актеристики пород. -Газовая промышленность, 1977, N4.

15. Куцын П.В., Бабалов М.А. и др. Расчет вероятности возникнове-опасной токсической ситуации. -Газовая промышленность, 1977, N 5.

16. Куцын П.В. Охрана труда в отрасли. -Газовая промышлен-ть, 1978, N9.

17. Куцын П.В., Петлюк Э.В. и др. Рациональное проектирование юрмации по технике безопасности. -Газовая промышленность, 8, N 7

- 48 -

18. Куцын П.В., Султанович А.И. и др. Система организации работ по охране труда. -Газовая промышленность, 1979, N 8.

19. Куцын П.В. Комплексная оценка причин травматизма в газовой промышленности. -Газовая промышленность, 1979, N 10.

20. Куцын П.В., Султанович А.И. и др. Выполнять требования охраны труда на предприятиях отрасли. -Газовая промышленность, 1980, N 8.

21. Куцын П.В., Герасимов Е.М., Бабиев Г.Н. Интенсивность теплового облучения газоспасателей при ликвидации газового фонтана. - Газовая промышленность, 1981, N 10.

22. Куцын П.В. Вероятностно статистическая оценка возникновения высоких концентраций сероводорода. -Газовая промышленность, ¡982, N 1.

23. Авт. свид. СССР N 856464 "Установка для тушения пожаров на газовых и газонефтяных скважинах". Абдурагнмов И.М., Макаров В.Е., Куцын П.В.

24.' Авт. свид. СССР N 952276 "Устройство для тушения пожара фонтанирующей скважины". Абдурагнмов И.М., Куцын П.В., Макаров В.Е.

25. Куцын П.В., Герасимов Е.М., Бабиев Г.Н. и др. Условия труда газоспасателей при ликвидации газового фонтана. - Газовая промышленность, 1982, N4.

26. Куцын П.В., Семенов А.П., Абдурагнмов И.М. и др. Мгновенная ликвидация горящего газового фонтана. - Газовая промышленность, 1982,N 5.

27. Куцын П.В., Гендель Г.Л. и др. Безопасное проведение огневых работ. -Газовая промышленность, 1982, N11.

28. Куцын П.В., Бабиев Г.Н. и др. Газовая безопасность: система контроля. -Газовая промышленность, 1983, N 6.

29. Куцын П.В., Бабиев Г.Н. и др. Газовая безопасность: система контроля / продолжение/. -Газовая промышленность, 1983, N 7.

30. Куцын П.В., Белов Н.С. и др. Распространение вредных примесей в атмосфере от наземных источников загрязнения в экстремальных ситуациях. -Газовая промышленность, 1983, N 8.

- 49 -

31. Куцым П.В. Экспериментальное изучение рассеивания серово-юдсодержащего природного газа в приземном слое атмосферы. -ювая промышленность, 1983, N 9.

32. Куцын Г1.В., Гендель Г.Л. и др. Планирование и прогнозирова-з работ по охране труда. -Газовая промышленность, 1986, N 6.

33. Куцын П.В. Прогнозирование уровня загрязнения воздуха при )ржнении остановленных участков газопроводов. -Газовая промыш-шость, 1987, N7.

34. Куцын П.В., Босняцкицй Г.П. и др. В двух шагах от горящего итана. -Газовая промышленность, 1988, N 5.

35. Куцын П.В. Противофонтанная служба: проблемы, практика нений. -Газовая промышленность, 1988, N 8.

36. Куцын П.В. Гарантии производственной безопасности. -Газовая умышленность, 1989, N 10.

37. Куцын П.В., Михайлова Л.П. и др. Подбор протекторов при ¡действии природного газа. -Газовая промышленность, 1991, N 12.

38. Авт. свид. СССР N 1113513 "Устройство для герметизации ъя скважины". Колыхалов O.K., Гендель Г.Л., Куцын П.В.

39. Авт. свид. СССР N 1232024 "Газоанализатор" Максудов Ф.Г., кендер-заде Ф.А., Куцын П.В. и др.

40. Авт. свид. СССР N 1344377 "Устройство для тушения пожара нтанирующей скважины". Куцын П.В., Ленкевич Ю.Е., Абдурагимов *Л., и др.

41. Авт. свид. СССР N 1470306 "Устройство для тушения пожара

нтанирующей скважины". Куцын П.В., Ленкевич Ю.Е., Абдурагимов vi., Андросов A.IO.и др.

42. Авт. свид. СССР N 1540839 "Устройство для защиты от теп-зого излучения". Гендель Г.Л., Куцын П.В., Макарова О.Б. и Ге-:ькин В.И.

43. Авт. свид. СССР N 1594736 "Устройство для тушения пожара", цын П.В. и др.

44. Авт. свид. СССР N 1602972 "Забойный превентор". Куцын 3. и др.

45. Авт. свид. СССР N 1644979 "Порошковый огнетушитель". Kyll П.В., Крупич В.П., Федотов А.И., Гендель Г.Л. и др.

- 50 -

46. Авт. свид. СССР N 1666876 "Электрозапальник". Малышкнн В.А., Куцын П.В., Гендель Г.Л. и др.

47. Авт. свид. СССР N 1676640 "Устройство для тушения пожара порошком". Куцын П.В., Гендель Г.Л. и др.

48. Авт. свид. СССР N 1723310 "Устройство для тушения пожара на фонтанирующей скважине". Куцын П.В. и др.

49. Авт. свид. СССР N 1759434 "Регенеративный респиратор с химически связанным кислородом". Куцын П.В. и др.

50. Куцын П.В., Деньга B.C., Гафаров H.A. Комплексное страхование промышленных рисков: проблемы и перспективы. -Газовая промышленность. 1996, N 7 - 8.

Подписано в печать /б. Об". 9\ Заказ № Тираж 1Ü0 экз. Типография Оренбургской ВЧ.