автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Научные основы определения и прогнозирования безвозвратных потерь нефти при авариях на трубопроводах

Тюменский государственный нефтегазовый университет

с 1

На правах рукописи

ЧЕЛОМБИТКО СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

УДК 622.691.48.22

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ БЕЗВОЗВРАТНЫХ ПОТЕРЬ НЕФТИ ПРИ АВАРИЯХ НА ТРУБОПРОВОДАХ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ТЮМЕНЬ - 1997

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете

Научный консультант: заслуженный деятель науки

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Антипьев В.Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Коршак А.А.;

- доктор технических наук, профессор Телков А.П.;

- доктор технических наук, профессор Шабаров А.Б.

Ведущее предприятие: АООТ "Сибнефтепровод"

Защита состоится 9 февраля 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.07.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Тюмень, ул.Володарского 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГу.

Автореферат разослан 30 декабря 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических

наук, профессор

В.Д.Шантарин

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Вследствие длительной эксплуатации нефтепроводов все чаще случаются аварийные утечки, при которых происходят безвозвратные потери нефти и загрязнение окружающей среды. По данным печати на 1994 год около 25% нефтепроводов России было построено более 30 лет назад, а 29% -более 20 лет назад. К 2000 году уже 73% нефтепроводов будут находиться в эксплуатации более 20 лет, а 41% -свыше 30 лет. Как известно, срок службы наружного изоляционного покры-' тия составляет около 15-20 лет, поэтому, учитывая, что одной из основных причин утечек является коррозия, в ближайшие годы следует ожидать рост аварийности на линейной части "устаревших" нефтепроводов. Особое внимание при эксплуатации нефтепроводов должно уделяться защите водоохранных объектов, поскольку последствия от их загрязнения нефтепродуктами наблюдаются в течение до 20 лет.

В последнее время наблюдается тенденция ужесточения штрафных санкций со стороны государственных органов за безвозвратные аварийные потери нефти от инфильтрации и испарения, а также за допущенное загрязнение ■ окружающей Среды, в связи с чем все более актуальными становятся задачи прогнозирования последствий от вероятных аварий на участках нефтепроводов вблизи важных охранных объектов для возможности разработки защитных мероприятий, а также задачи определения безвозвратных аварийных потерь нефти от испарения и просачивания в грунт.

Для научного прогнозирования возможного ущерба и разработки мероприятий по управлению последствиями аварий на

линейной части нефтепроводов, а также определения объема безвозвратных аварийных потерь необходимы специальные исследования процесса растечения нефти по дневной поверхности с учетом тепло-и массопереноса с окружающей средой.

Целью данной работы является разработка вычисленных и экспериментальных методов определения и прогнозирования потерь нефти в случае аварийного растекания по дневной поверхности, а также при малых утечках на линейной части нефтепроводов и при хранении в стальных резервуарах.

Основные задачи исследований

1. Осуществить математическое моделирование процесса растечения нефти по естественной поверхности с учетом рельефа местности, шероховатости, наличия растительности, потери массы жидкости от испарения и инфильтрации, а также теплообмена с окружающей средой.

2. Для возможности проведения расчетов по определению безвозвратных потерь нефти от испарения и инфильтрации в случае крупной утечки на нефтепроводе, а также прогнозирования последствий от аварии вблизи важных охранных объектов разработать численные модели для наиболее типичных случаев аварийного движения нефти.

3. Выполнить экспериментальные исследования для наиболее распространенных видов аварийного движения нефти. Получить соответствующие эмпирические зависимости для возможности выполнения оперативных расчетов в случае произошедшей аварии, а также с целью определения максимально возможных безвозвратных потерь нефти от испарения и инфильтрации .

4. Исследовать процесс фильтрации ларафиносодержащих неф-

тей. Найти зависимость, учитывающую изменение нефтепрони-цаемости грунта в зависимости от содержания дисперсного парафина в нефти. Для вычисления безвозвратных потерь нефти от инфильтрации получить формулы для вычисления глубины просачивания нефти в грунт на стадии аварийного растекания, а также при квазистатическом положении слоя нефти /после обваловки нефтяного пятна, при хранении в земляном ремонтном амбаре/.

5. Разработать инженерную методику определения безвозвратных потерь нефти от инфильтрации вследствие малых утечек, а также, в случае необходимости применения, при крупных утечках на нефтепроводах /при аварии на заболоченной или сильно пересеченной местности, при невозможности по каким-либо причинам использования численных методов расчета/.

6. Исследовать процесс инфильтрации нефти в случае ава -рийной утечки через сквозное повреждение в днище стального резервуара. Получить зависимости для вычисления объема загрязненного грунта и безвозвратных потерь нефти.

Научная новизна

1. Получены динамические уравнения движения ньютоновской жидкости в приближении задач плановой гидравлики, учитывающие турбулентный режим движения нефти по дневной поверхности, изменение глубины потока по площади растекания, рельеф местности, наличие растительности, вязкость нефти, а также касательные напряжения на свободной поверхности открытого потока.

2. Предложено уравнение теплообмена, учитывающее конвективный и турбулентный перенос тепла, уменьшение температуры из-за теплового излучения открытой поверхности неф-

ти, испарения и теплоотдачи в грунт и атмосферу, а также поступление тепла вследствие кристаллизации парафина и поглощения лучистой энергии солнца.

3.В результате проведения экспериментов и статистической обработки опытных данных получена эмпирическая зависимость для вычисления альбедо нефтей, позволяющая учесть влияние солнечной радиации на температуру растекающейся нефти.

4.Получено аналитическое решение системы уравнений массо-переноса плановой гидравлики для установившегося одномерного движения при постоянном уклоне дна, на основании которого получены формулы для вычисления основных гидродинамических характеристик процесса кольматажа /для проведения противофильтрационной подготовки земляного амбара/.

5. Для численного моделирования аварийного движения нефти и расчета безвозвратных потерь от инфильтрации и испарения разработаны 3 системы конечно-разностных уравнений:

- для расчета одномерного течения нефти в русле произвольного поперечного профиля;

- для расчета растекания нефти по плоской дневной поверхности;

- для расчета растекания нефти по дневной поверхности произвольного профиля.

6. В результате проведения экспериментов и статистической обработки опытных данных по одномерному течению нефтей получены экспериментальные формулы, выражающие положение "переднего фронта" распространения нефти, среднюю ширину и толщину потока в зависимости от расхода, вязкости жидкости, угла наклона дна и времени движения.

7. В результате обработки опытных данных по растеканию нефтей на гладкой горизонтальной и наклонной поверхностях

получены формулы, дающие возможность определять положение контура нефтяного пятна, площадь растекания и среднюю толщину слоя в зависимости от расхода жидкости, вязкости, наклона поверхности и времени растекания.

8. На основании анализа проведенных экспериментов по растеканию нефтей установлено, что при наклоне дна потока больше 2,5 градусов движение имеет практически одномерный характер.

9. В результате статистической обработки опытных данных" других авторов получена зависимость для вычисления коэффициента фильтрации нефти, содержащей парафин в диспергированном состоянии.

10.Получены аналитические зависимости для вычисления глубины инфильтрации нефти при постоянном и переменном слое жидкости на дневной поверхности, учитывающие уменьшение нефтепроницаемости грунта из-за кольматирукяцего влияния дисперсного парафина.

11. Получены аналитические зависимости для вычисления координат кривой депрессии фильтрационного потока в случае утечки нефти через отверстие в днище стального резервуара, а также формулы для определения объема загрязненного грунта, объема безвозвратных потерь нефти и ориентировочного времени существования утечки.

Практическая ценность Разработанные численные модели позволяют вычислять безвозвратные потери нефти от инфильтрации и испарения как в случае аварийного растекания нефти по дневной поверхности, так и в случае прекращения растекания, а также при временном хранении нефти в земляном амбаре.

Указанные модели дают возможность выполнять прогнозные

расчеты на случай возможной аварии на нефтепроводе вблизи важных охранных объектов, на основании которых:

- определять длину экологически потенциально опасного участка нефтепровода для охранного объекта с целью принятия необходимых мер его безопасной эксплуатации;

- разрабатывать противоаварийные мероприятия с учетом специфических особенностей охранного объекта и участка местности;

- в случае необходимости -строить защитные сооружения с учетом гидрологических особенностей местности.

Полученные эмпирические зависимости по одномерному движению и растеканию нефтей на горизонтальной и наклонной поверхностях можно использовать с целью:

- проведения оперативных расчетов в случае утечки на нефтепроводе, а также для вычисления максимально возможных безвозвратных потерь нефти от испарения и инфильтрации;

- выполнения прогнозных расчетов на участках нефтепроводов вблизи охранных объектов;

- проверки математических моделей по движению ньютоновских жидкостей, имеющих открытую поверхность.

Предложенная инженерная методика определения фактических потерь нефти от инфильтрации позволяет вычислять объем безвозвратных потерь при малых и крупных утечках на нефтепроводах.

Для существенного снижения потерь нефти от инфильтрации и затрат на проведение рекультивационных работ можно выполнять противофильтрационную защиту земляного ремонтного амбара, используя для вычисления гидродинамических характеристик процесса кольматажа полученные в работе зависимости.

Для определения потерь нефти вследствие утечки через

щель в днище емкости получены формулы, применяя которые можно вычислить объем загрязненного грунта основания и подстилающего грунта, объем безвозвратных потерь нефти, а также ориентировочное время существования утечки.

Апробация полученных результатов Основные результаты работы докладывались на:

- научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 1981 г.;

- 1-ой республиканской конференции молодых ученых и специалистов, Уфа, УНИ, 1982 г.;

- 5-ой и 6-ой республиканских научно-технических конференциях по проблемам сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, Уфа, ВНИИСПТнефть, 1982.г., 1984 г.;

- научно-практической конференции "Охрана геологической Среды в районах Субарктики", Тюмень, 1984 г.;

- республиканской научно-технической конференции "Молодежь -науке, производству", Уфа, 1987 г.;

- международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 1996 г.;

- 1-м международном конгрессе "Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего", Тюмень, 1996 г.;

- 1-м международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных дисперсных систем", Москва, ГАНГ им. И.М.Губкина, 1997 г.

Реализация работы Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке временных руководств: -.ВР-01-84. "Комплексная система обеспечения качества и

эффективности проектирования. Оптимизация решений при проектировании земляных амбаров;

- ВР-02-84. "Комплексная система обеспечения качества и эффективности проектирования. Определение ореола загрязнения, потерь нефти и ущерба при аварии на трубопроводе".

Использование этих разработок за период 1984-1987 годы позволило:

-получить реальный экономический эффект в Ишимском управлении магистральных нефтепроводов в размере 136 тыс.руб.; -определить ожидаемый экономический эффект в ТФ "Гипро-трубопровод" в размере 323,6 тыс.руб. /в ценах 1987 г./. Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 17 -в центральной печати.

Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов и и 7 приложений. Текст диссертации изложен на 239 страницах машинописного текста, в том числе основное содержание на 166 страницах, приложения на 73 страницах, содержит 29 рисунков, 16 таблиц. Библиография включает 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первый раздел посвящен методам определения безвозвратных потерь нефти при аварийных утечках на нефтепроводах. Исследованиями установлено, что при возникновении значительной утечки на линейной части нефтепровода происходит практически мгновенный выход вытекающей из порыва нефти на поверхность грунта и растекание по дневной поверхности. Безвозвратные потери нефти от испарения и инфильтрации в значительной степени зависят от площади растекания

нефти, а для более точного расчета этих потерь нужно учесть скорость изменения площади нефтяного пятна и толщину слоя нефти по площади растекания. Для математического описания процесса растекания нефти по дневной поверхности и определения аварийных потерь от инфильтрации в работах П.П.Бородавкина, В.И.Зоненко, В.И.Кима и Л.Г.Телегина предлагается использовать следующие зависимости:

А -?,(<), (1)

у = {гко„иъ*в,Пц)т, (2.)

где 5-площадь нефтяного пятна;

//-толщина слоя нефти, принимаемая постоянной;

/-время;

(?-объемный расход утечки;

^-объемный расход нефти от инфильтрации;

у -глубина инфильтрации нефти;

/■„ -средний радиус капилляров грунта;

о-,-коэффициент поверхностного натяжения нефти;

<9я-угол смачивания;

^-коэффициент динамической вязкости нефти.

Уравнение (1) не учитывает влияния на процесс растекания нефти рельефа местности, шероховатости дна и наличия растительности, вязкости жидкости, потерь массы от испарения, а также изменение температуры нефти из-за теплообмена с окружающей средой. Формула (2) получена на основании капиллярной модели просачивания, когда прене-брегается толщиной слоя жидкости на скорость фильтрации.

В работах Д.Маккэя, М.Мохтади и И.Райсбека для определения площади растечения нефти приведены следующие эмпирические зависимости:

5 = («ж»'-')

(3)

(4)

5 = 53,52, ' ,

где с -постоянная;

V -коэффициент кинематической вязкости нефти; (?. -объем вытекшей нефти.

Непосредственное применение формулы (3) невозможно из-за неопределенности постоянной с, а формула (4) позволяет находить только конечные размеры нефтяного пятна без учета многих важнейших факторов, влияющих на движение нефти по естественной поверхности в процессе аварийного растечения.

Для вычисления глубины инфильтрации нефти в грунт при постоянной и переменной толщине слоя жидкости на дневной поверхности П.Я.Полубариновой-Кочиной предлагается использовать следующие зависимости:

/ = -

>> - (Л+ й<)1п! 1 +

Ь + к

•к'

У,

Ь + К + у 1-т

1а

\, я!1-"')

А + А, +>'

(5)

(б)

А (1 - /и)

где гя-коэффициент пористости грунта; А-коэффициент фильтрации нефти; А, -высота капиллярного поднятия нефти;

у,- глубина проникновения нефти ниже загрязненного слоя, толщиной У .

Экспериментальные исследования Ф.А.Требина, С.А.Кундина и других показали, что в процессе фильтрации парафинистых нефтей происходит уменьшение нефтепроницаемости грунта до 10-12 раз. Как показал анализ опытных данных, это происходит по причине уменьшения просветности поровых каналов грунта из-за кольматирующего влияния дисперсного пара-

фина, поэтому при определении глубины инфильтрации нефти следует учитывать содержание парафина в нефти на процесс фильтрации.

Для вычисления безвозвратных потерь нефти от испарения широко используются эмпирические зависимости, полученные В.Н.Антипьевым и Ю.Д.Земенковым, которые выражают потери массы нефти от испарения в зависимости от плотности, фракционного состава, площади открытой поверхности и толщины слоя нефти, а также скорости ветра и времени. Указанные формулы позволяют вычислять потери нефти от испарения как в динамических условиях при математическом моделировании аварийного растекания нефти, так и квазистатических условиях.

В процессе экспериментального определения фактических потерь нефти от инфильтрации при нахождении нефтеемкости загрязненного грунта практически используются метод химического растворения нефтепродуктов и метод выжигания горючих продуктов. Данные методы имеют следующие недостатки: 1-й является дорогостоящим и сложным для проведения в условиях трассы, а 2-й имеет низкую точность определения для почвогрунтов.

Проблемы определения безвозвратных потерь возникают при хранении нефтей в стальных резервуарах в случае обнаружения аварийной утечки через сквозное повреждение в днище. В литературе по эксплуатации нефтепроводов и нефтебаз отсутствуют сведения о существовании каких-либо зависимостей для вычисления объема загрязненного грунта и аварийных потерь нефти.

На основании проведенного анализа известных методов

определения безвозвратных потерь нефти при авариях на магистральных нефтепроводах были сформулированы цель и основные задачи исследований.

Второй раздел посвящен математическому моделированию процесса растекания ньютоновской нефти по естественной поверхности.

При эксплуатации нефтепроводов случаются значительные утечки, когда нефть растекается по дневной поверхности . Во время истечения нефти через разрыв трубы неизвестны ни площадь, ни форма разрыва, ни направление струи вытекающей жидкости. В этом случае можно допустить, что истечение нефти происходит из некоторого фиктивного источника известного расхода на поверхности земли. На основе уравнений плановой гидравлики ньютоновской жидкости получены динамические уравнения движения нефти по дневной поверхности, учитывающие вязкость нефти, турбулентный режим движения, переменность толщины слоя жидкости по площади пятна, рельеф местности, шероховатость и наличие растительности, касательные напряжения на свободной поверхности и вблизи дна. Для вычисления температуры нефти по площади растекания предлагается уравнение теплообмена, учитывающее конвективный и турбулентный перенос тепла, изменение температуры из-за теплового излучения открытой поверхности, испарения, фазовых превращений парафина, поглощения лучистой энергии солнца, теплоотдачи в грунт и атмосферу. В целом, система уравнений тепломассопереноса представляется в следующем виде:

,3/. лил ЛИ!

дхл д.

2А

в + —в, й + "

^'е, 2 <?(>1 дгп е,

с?*' А Д*, Л, Л Л:,2 j

_ 2 ^ _ е, дгга А йс2 Л, А А;1

Д*2

<й*г.

^ + в1 [ ^ + = 0,0026—1 1 -

Ас,

дхг р ч гТ1

&

2

А Л, /йе,

А дх]

+ ^т

г?л\

А ЙГ, ЛГ;

А йг22

(9)

' + 1}, — + 17;

Л

* 2>/Г

дхг Л, <й*г <Я*2

(10)

где одс,*2- оси прямоугольной декартовой системы координат,

расположенной в горизонтальной плоскости; I/, = 1/,(х,,х1,<) -проекции на оси координат осредненной по толщине потока скорости /осредненной _по вероятности/, 1 = 1,2 ; - объемные потери жидкости от испарения с единицы площади открытой поверхности; гв - отметка дна /рельефа местности/, гв = гв(*,,х2) ; Р,РЬ - плотность жидкости и воздуха соответственно; ак - коэффициент неравномерности распределения скорости

по толщине потока; уТ( - коэффициент турбулентной вязкости; X -коэффициент сопротивления дневной поверхности;

и = , е,=А£/,, 2=АС/ , Г=-ЕГ+В; ,

И7, -скорость ветра;

Г- осредненная по толщине потока температура нефти, Т = Т(хпхг,1);

эффективный коэффициент диффузии в направлении х,; с - коэффициент удельной теплоемкости жидкости; А - среднее по времени альбедо нефти; 1- средний по времени поток суммарной солнечной радиации;

Л- эффективное тепловое излучение поверхности жидкости;

Р- поток тепла на границе с воздухом;

г„ - теплота испарения нефти;

IV,- поток массы испаряющейся жидкости;

поток тепла в грунт; гр - теплота фазового перехода парафина; 1Ур- поток массы парафина при фазовом переходе в нефти.

Для Я, ут/ и Т>, получены »выражения на основании известных полуэмпирических зависимостей. Все величины в правой части (10) либо задаются, либо определяются известными формулами, за исключением альбедо нефти. В результате проведения экспериментов с различными нефтями и обработки полученных данных найдено выражение для коэффициента а„, позволяющее определять альбедо нефти в виде:

"о 0,043

Л-- , а0=-— ;

«тА,+ав 1 + 17,51(3,74С0 +Сс)

где йс - высота стояния солнца; Сс, Са -содержание смол и асфальтенов в нефти в долях(вес).

Для решения замкнутой системы уравнений (7)-(10) конечно-разностными методами задаются следующие граничные условия:

- в "начале" потока /вблизи "источника"/ задаются

и = 11(1), й = /|(0, которые выражаются через расход утечки; - на подвижной границе потока /контуре нефтяного пятна/ ставится физическое условие:

и п л 31 ш

где д:2 = ¿(х,,^-уравнение "подвижного фронта" распространения жидкости, определяемое в ходе решения задачи.

Третий раздел посвящен разработке численных моделей на основе уравнений (7)-(10) с целью математического описания наиболее распространенных случаев аварийного движения нефти. Предложенная численная модель одномерного движения позволяет выполнять расчеты в случае течения нефти в русле произвольного поперечного профиля. Для моделирования движения нефти по дневной поверхности плоского типа конечно-разностная модель построена методом В.А.Русанова, когда решение исходной системы уравнений в переменной области движения выполняется после отображения в полуполосе постоянной ширины. Для возможности проведения расчетов в случае растекания нефти по дневной поверхности произвольного профиля также разработана численная модель, при использовании которой необходимо задание отметок поверхности аварийного участка местности.

Анализ выполненных расчетов по указанным численным моделям показал приемлимую в инженерной практике точность вычислений при значениях коэффициента неравномерности распределения скорости по глубине потока а„ е[2.0,2.2].

Четвертый раздел посвящен экспериментальному исследованию движения ньютоновских нефтей. В качестве основных факторов, влияющих на процесс движения, рассматривались подача /объемный расход/, вязкость нефти, угол наклона дна и время движения "переднего фронта" потока.

После проведения экспериментов по растеканию нефтей на гладкой горизонтальной поверхности была образована матрица данных, размером 4 на 150. В результате статистической обработки получены следующие зависимости:

г5 = 3,39к-0'ше°'иУ'45' , (11)

= Зб,0и-°'"7б°'764Гм" , (12)

Аср = 0,028у0,К7ем"г0'08г , (13)

где -радиус контура нефтяного пятна; кср -средняя толщина слоя нефти.

В результате проведения экспериментов по растеканию нефтей на гладкой наклонной поверхности была сформирована матрица данных, размером 5 на 702. Обработка этих данных позволила получить следующую формулу:

51 = 10,71((9+ 1)°-205в0'7" V-0-257/1 075 , (14)

где в -угол наклона поверхности, град.

Совместная обработка опытных данных по растеканию нефтей на гладкой горизонтальной и наклонной поверхностях дала возможность найти общую экспериментальную зависимость

£ = 22,15(0 + 1)°.о»£«.™^-2*У'077 . ( 15 )

Проведение экспериментов по течению нефтей в гладко-стенном наклонном лотке позволило образовать матрицу данных, размером 5 на 720. В результате обработки этих данных получены следующие формулы:

/ = 12,42 и-о.™0<"2"еМ48/»'ш, (16)

1,ср = ( (17)

Ь = з,2б^^'J70-o''52o•J7V'O5,, (18)

где /- расстояние до "переднего фронта" потока нефти; Ь - ширина открытого потока.

Проверка качества описания опытных данных полученными

экспериментальными зависимостями, проведенная с помощью критерия Фишера, показала адекватность при уровне значимости 10%.

На основании использования законов подобия Ньютона были установлены границы применимости полученных формул.

Пятый раздел посвящен изучению фильтрации нефтей.

В результате статистической обработки опытных данных Ф.А.Требина и С.А.Кундина по фильтрации парафиносодержа-щих нефтей получена зависимость

с,. = 0,1 - 0,06427 ехр(3,006 • 5) , позволяющая учитывать кольматирующее влияние дисперсного парафина на поровые каналы грунта путем добавления Св в известную формулу

т2

к = к° /

(19)

где/ ¿"-начальное значение коэффициента фильтрации; -начальная скорость движения жидкости в поровых каналах грунта;

8 -объемное содержание дисперсного парафина; 2)-среднее значение диаметра поровых каналов.

Для возможности определения потерь нефти от инфильтрации на стадии аварийного растекания, а также при временном хранении в земляном ремонтном амбаре с использованием (19) получены следующие зависимости:

Г

4 20

(20)

где

7 = ~ к

- (й + й,)1п 1 +

А 4-й,

если А = со/ю/, (21)

' А'(1-т)

т

, если А* согШ . (22)

При _у / (А + АЛ) «1 из (20), (21) и при >-,(1 -#м)/(А + + >>)«1 из (20), (22) глубина инфильтрации нефти выражается в явном виде следующим образом:

Применение численных методов расчета потерь нефти от инфильтрации в реальных условиях не всегда возможно /в случае отсутствия необходимой для этого достоверной исходной информации, при аварии на болоте, при свищевой утечке и т.д./, поэтому в работе предлагается методика их определения в полевых условиях. '

Проведенные лабораторные эксперименты с различными нефтями и образцами грунтов позволили установить, что при инженерных расчетах нефтеемкость грунтов можно принимать равной их влагоемкости, при этом погрешность не превышает 5%. Статистическая обработка агрогидрологических данных из справочников показала, что:

все грунты глубиной до 1,5 м можно рассматривать состоящими из 2-х слоев с одинаковой влагоемкостью /почвенного и нижележащего подстилающего/, полученные значения средней толщины почвенного слоя для различных типов грунтов изменяются в пределах 0,2-0,3 м; - влагоемкость почвенного слоя для всех типов грунтов превышает влагоемкость подстилающего грунта;

для различных типов грунтов оказалось возможным определить средние размеры площадей , в пределах

(22)

(23)

которых влагоемкость грунта можно принимать постоянной /результаты сведены в таблицу/.

Для вычисления объема потерь нефти от инфильтрации Ур предлагается использовать следующую формулу:

Ур =$„(т1Н1 +т3Н2) , (24)

где 5„-площадь нефтяного пятна;

/и,,тг-средние по высоте и площади загрязнения влагоемкости для 1-го и 2-го слоя грунта;

I И, I л. 1 N

У»! («I М /»I >1

УУ = 1, если 5, ]У = целая частьесли 5Л>Л'/;

Нг/-глубина загрязнения подстилающего грунта на у-ой площади;

Л',-количество скважин на 5у ;

Л^-количество проб в скважине из почвенного слоя;

ТУ,-количество проб в скважине из подстилающего грунта.

Используя данные по влагоемкости грунтов из справочников, были получены средние значения N„N¡,N3 для различных типов грунтов.

Шестой раздел посвящен изучению аварийной утечки через сквозное повреждение в днище стального резервуара.

Известно, что трещины в днище образуются чаще всего в сварных швах и имеют щелевидную форму. Как показывает опыт эксплуатации, обнаружить наличие малой аварийной утечки через отверстие в днище можно по появлению нефтяного пятна у основания резервуара. При решении задачи определения зоны загрязненного грунта и объема потерь нефти вследствие утечки предполагалось, что: - образование отверстия происходит мгновенно;

- отверстие в днище является прямоугольным, имеющим одинаковую площадь с действительным;

грунт, подстилающий основание резервуара, является слабопроницаемым /непроницаемым/ для просачившейся нефти.

Данная задача решена для стальных резервуаров с горизонтальными плоскими днищами методом конформного отображения области фильтрации на область изменения комплексного потенциала фильтрационного потока. Координаты кривой депрессии вычисляются по формуле

где Н - высота налива нефти в емкости;

хоу- прямоугольная система координат /ось у направлена вертикально вверх, начало координат -в центре щели/; х,у - координаты точек кривой депрессии / у 0, 0<х:£с, / ; ХоО'о-координаты "точки появления"нефтяного пятна /у0<у<О/;

г -полуширина щели.

Ориентировочное время существования утечки можно определить по формуле

(26)

Гх = -\х\ + .V,2, ДС, =гг-(д:2+>'г)с(«2/0, у, = -(я2 + уг)ат2р, = ,

у(А*,)2 + (Л>,)2

к Г | |

где к, т0 -коэффициент фильтрации и пористость грунта основания резервуара;

-•*( > = Ум - У/ •

Если основание подстилается непроницаемым для фильтрующейся нефти грунтом, то объем загрязненного грунта основания и объем потерь нефти можно найти, используя следующие зависимости:

V =21

+ 1Г

х1{У/ + у0У17Цу)<1у

(28)

(29)

где /, - длина щели;

уг - толщина основания резервуара;

У ~ /<(*)» х = /Лу) ~ выражения для кривой депрессии.

В случае, когда основание резервуара подстилается слабопроницаемым грунтом, в работе выполнено описание процедуры вычисления объема загрязненного грунта и объема нефти, содержащейся в грунте, используя полученные в работе зависимости.

В Приложении 1 получено аналитическое решение системы уравнений {!)-(8) в предположении установившегося одномерного движения по наклонной шероховатой поверхности постоянного уклона без учета потерь жидкости от испарения и инфильтрации, на основании которого найдены зависимости для расчета гидродинамических характеристик процесса кольматажа земляного ремонтного амбара раствором глинистой суспензии.

В Приложениях 2-5 описаны проведенные эксперименты, приведены полученные опытные данные, а также их статистическая обработка.

В Приложении б приведены копии документов по внедрению некоторых результатов работы.

В Приложении 7 изложены соображения по возможному применению представленных в работе исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для математического моделирования процесса аварийного растекания нефти по дневной поверхности предложена замкнутая система уравнений тепломассопереноса в приближении задач плановой гидравлики, учитывающая режим движения нефти, переменность толщины слоя по площади растекания, влияние рельефа местности и растительности, вязкости жидкости, потери массы от испарения и инфильтрации, а также теплообмен с окружающей средой.

Для возможности проведения противофильтрационной коль-матирующей подготовки земляного амбара получено аналитическое решение, позволяющее по известному уклону стенок амбара и типу грунта вычислять основные гидродинамические характеристики процесса кольматажа. Рекомендуется проведение данной технологической процедуры для создания долговременной противофильтрационной защиты земляного амбара.

2. На основании полученной системы уравнений тепломассопереноса ньютоновской жидкости разработаны следующие численные модели:

одномерного движения ньютоновской жидкости, на основании которой можно выполнять расчеты по течению нефти в русле произвольного поперечного сечения;

- осесимметричного движения, используя которую можно проводить расчеты по аварийному растеканию нефти на естест-

венной поверхности "плоского" типа;

- произвольного движения, применение которой дает возможность выполнять расчеты по аварийному растеканию нефти на естественной поверхности произвольного профиля.

Путем проведения вычислительных экспериментов на основании указанных численных моделей и полученных опытных данных установлено, что коэффициент неравномерности распределения скорости по толщине потока для ньютоновских нефтей ак = 2.0 - 2.2 .

Данные модели рекомендуется использовать в случае аварийного растекания нефти для определения безвозвратных потерь от испарения и инфильтрации как за известное /заданное/ время, так и за промежуток времени /неизвестный/, когда расчетная площадь /граница/ пятна не достигнет некоторого фиксированного значения /положения/.

Указанные численные модели позволяют вычислять, также, безвозвратные потери от инфильтрации и испарения в случае квазистатического положения нефти /в земляном амбаре, после обваловки пятна на месте аварии, в процессе расчета аварийного растекания нефти, когда модуль скорости движения нефти в любой точке пятна станет меньше объемной скорости испарения и инфильтрации/.

Данные численные модели рекомендуется применять для проведения прогнозных расчетов по растеканию нефти в случае крупной аварии на нефтепроводе /с наиболее тяжелыми экологическими последствиями/ вблизи важного охранного объекта как на стадии эксплуатации, так и на стадии проектирования, что позволяет своевременно разрабатывать противоаварийные мероприятия, а в случае необходимости -строить защитные сооружения.

3. Выполненные экспериментальные исследования по растеканию слабоиспаряющихся нефтей на гладких поверхностях позволили установить, что при наклоне дна больше 2,5 градусов движение имеет практически одномерный характер.

Получены эмпирические формулы по определению положения контура растекшейся нефти, площади пятна и средней толщины слоя нефти в зависимости от времени движения, вязкости нефти и подачи жидкости в случае растекания по гладкой горизонтальной поверхности.

Получены эмпирические формулы по определению площади пятна растечения нефти в зависимости от времени, вязкости и подачи жидкости в случае растекания нефти по наклонной поверхности с углом наклона до 2,5 градусов, а также в общем случае -при растекании на наклонной либо горизонтальной поверхности.

Получены эмпирические формулы для одномерного движения, позволяющие вычислять расстояние до "переднего фронта" распространения нефти, среднюю толщину и ширину потока в зависимости от расхода жидкости, вязкости и времени движения.

Указанные эмпирические зависимости не учитывают влияния на процесс движения многих существенных факторов, но дают возможность оперативно получить завышенные результаты, поэтому рекомендуется применять данные формулы для выполнения прогнозных расчетов по аварийному движению нефти, а также для определения максимально возможных безвозвратных потерь от инфильтрации и испарения в случае аварии на нефтепроводе.

4. Полученную зависимость для вычисления коэффициента фильтрации нефти, содержащей парафин в диспергированном

состоянии, рекомендуется использовать для уточненных расчетов по инфильтрации парафиносодержащих нефтей.

Для вычисления глубины загрязнения грунта на стадии аварийного растекания нефти, а также в случае квазистатического положения, предлагается применять полученные в работе формулы, учитывающие уменьшение нефтепроницаемости грунта из-за кольматирующего влияния дисперсного парафина в нефти.

Разработанная инженерная методика экспериментального определения фактических потерь нефти от инфильтрации дает возможность определять аварийные потери нефти от инфильтрации при малых и крупных утечках на нефтепроводах в полевых условиях.

5. Выполненное исследование процесса фильтрации нефти при аварийной утечке через щель в днище стального резервуара показало, что обнаружение малой утечки возможно в случае, если основание резервуара подстилается непроницаемым или слабопроницаемым для фильтрующейся жидкости грунтом.

Представленные в работе формулы позволяют определять координаты кривой депрессии фильтрационного потока нефти, ориентировочное время существования утечки, объем безвозвратных потерь нефти от инфильтрации в зависимости от размеров щели, высоты налива нефти в емкости, размеров основания резервуара и физико-механических свойств грунта.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ: 1. Неволин А.П., Дзик М.И., Челомбитко С.И. Экологические критерии проектирования магистральных нефтепроводов в северных районах. //Проблемы нефти и газа Тюмени.-Тюмень: ЗапСибНИГНИ, 1981, в.51. -С.52-53.

2. Миронов В. В., Челомбитко С.И., Неволин A.n. Влияние утечек на устойчивость трубопровода в вечномерзлых грунтах. //Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса/ Тез.докл. 1-й республ.научно-техн. конфер.,-УФА: УНИ, 1982. -С.126.

3. Челомбитко С.И. Определение глубины проникновения нефти в водоненасыщенный грунт.//Тез.докл. 5 республ. научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов. -Уфа: ВНИИСПТнефть, 1982. -С.38.

4. Челомбитко С.И., Неволин А.П. Влияние фильтрации жидкости на устойчивость трубопровода в грунте.//Тез.докл.

5 республ. научно-техн.конфер. молодых ученых и специалистов.-Уфа: ВНИИСПТнефть, 1982. -С.44.

5. Неволин A.n., Важенина Н.В., Челомбитко С.И., Комаров И.Н. Оптимизация решений при проектировании временных хранилищ нефти и нефтепродуктов.-Тез.докл. 6 республ. научно-техн. конфер.молодых ученых и специалистов. -Уфа: ВНИИСПТнефть, 1984. -С.58-59.

6. Неволин A.n., Челомбитко С.И. Определение потерь нефти и нефтепродуктов при растекании по дневной поверхности. -Тез. докл. 6 республ. научно-техн.конф.молодых ученых и специалистов. -Уфа: ВНИИСПТнефть, 1984. -С.17-18.

7. Неволин A.n., Челомбитко С.И. Охрана окружающей среды при проектировании временных хранилищ нефти. //Охрана геологической среды в районах Субарктики./ Тез. докл. научно-практ. конфер.-Тюмень,1984. -С.59.

8. Неволин А.П., Челомбитко С.И. Прогноз геокрилогичес-ких процессов при эксплуатации нефтепроводов. //Охрана геологической среды в районах Субарктики./ Тез. докл. научно-практ. конфер. -Тюмень,1984. -С.64.

9. Есенгалиев A.A., Важенина В.В., Неволин А.П., Челом-

битко С.И. БР-01-84. Временное руководство.Комплексная система обеспечения эффективности и качества проектирования . Оптимизация решений при проектировании земляных амбаров. -Тюмень: ГФ "Гипротрубопровод", 1984. -36 с.

10. Неволин А.П., Миронов В.В., Челомбитко С.И. Определение потерь нефти при фильтрации в грунт. //Нефтепромысловое дело и транспорт нефти, 1984, в.4. -С.28-30.

11. Неволин А.П., Челомбитко С.И. ВР-02-84. Временное руководство. Комплексная система обеспечения эффективности и качества проектирования. Расчет ущерба от растекания нефти при отказе нефтепровода. -Тюмень: ТФ "Гиротрубопро-вод", 1984. -21с.

12. Челомбитко С.И., Неволин А.П. Определение потерь нефти и нефтепродуктов при фильтрации из резервуаров. -М.: ВИНИТИ, 1986, №5-В. -11 с.

13. Челомбитко С.И., Новоселов В.Ф., Неволин А.П. Тепло-массоперенос в процессе растекания вязкой жидкости по естественной поверхности.- М.: ВИНИТИ, 1986, №4-В. -9с.

14. Челомбитко С.И. Прогнозирование аварийного растечения нефти или нефтепродукта вблизи охранного объекта. //Молодежь -науке, производству/ -Тез. докл. республ. научно-технич.конфер. -Уфа: УНИ, 1987. -С.61.

15. Челомбитко С.И. Численное моделирование аварийного растечения нефти. // Нефть и газ Западной Сибири /. -Тез. докл. международной научно-техн. конфер. -Тюмень, 1996. -С.101.

16. Антипьев В.Н., Богачев Н.П., Челомбитко С.И.Определение безвозвратных потерь нефти при утечке через щель в днище емкости.//Нефть и газ Западной Сибири/ -Тез. докл. международной научно-техн.конф.-Тюмень,1996. -С.99.

17. Челомбитко С.И. Экологические аспекты защиты окружающей среды при эксплуатации нефтепроводов. //Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего/. -М.: ИРЦ ГАЗПРОМ, 1997, т.2, с.116-118.

18. Антипьев В.Н., Богачев Н.П., Челомбитко С.И. Динамические уравнения процесса растечения нефти по естественной поверхности. //Известия ВУЗов, сер. "Нефть и газ", 1997, №-1. - С.86-89.

19. Антипьев В.Н., Богачев Н.П., Челомбитко С.И. Экспериментальные исследования по движению ньютоновских жидкостей. //Известия ВУЗов, сер. "Нефть и газ", 1997, №-3.

-С.71-74.

20. Антипьев В.Н., Вогачев Н.П., Челомбитко С.И.Математическое моделирование тепломассопереноса при аварийном растечении нефти по дневной поверхности. //Межвузовский сборник научных статей, сер. "Нефть и газ", №-1. Уфа: УГНТу, 1997 г. -С.195-197.

21. Антипьев В.Н., Богачев Н.П., Челомбитко С.И. Вычислительные методы прогнозирования экологических последствий от аварий на' нефтепроводах.//Материалы Первого международного симпозиума "Наука и технология углеводородных дисперсных систем". -М.: ГАНГ им. И.М.Губкина, 1997 г. -С.79-80.

22. Челомбитко С.И. Метод расчета потерь нефти через щель в днище емкости. //Известия ВУЗов, сер."Нефть и газ", 1997 г., №-4. -С. 44-46.

Соискатель

Челомбитко С.И.