автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка инженерных методов прогнозирования распространения нефти при аварии на нефтепроводе в экстремальных условиях

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тюменский Государственный нефтегазовый университет

Разработка инженерных методов прогнозирования распространения нефти при аварии на нефтепроводе

в экстремальных условиях

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

на правах рукописи

Богачев Николай Петрович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженый деятель науки Российской Федерации,

доктор технических наук, профессор Антипьев В.Н.

Тюмень, 1998

г

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ..................... 3

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ 9

1.1. Основные задачи исследований .......... 12

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ДВИЖЕНИЮ НЕФТЕЙ 13

2.1. Физическое моделирование открытого потока нефти 13

2.2. Экспериментальное исследование центрально-симметричного движения нефти ..........18

2.3. Экспериментальное исследование осесимметричного движения нефти ................. 33

2.4. Экспериментальное исследование одномерного движения нефти...............4 6

2.5. Выводы .................58

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА АВАРИЙНОЙ УТЕЧКИ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ 59

3.1. Об оценке утечки нефти в зимний период времени . 5 9

3.2. Определение количества нефти, находящейся на поверхности земли, в случае значительной утечки /аварии/ на нефтепроводе............ 61

3.3. Определение количества нефти, находящейся на поверхности земли, в случае незначительной аварийной утечки...................69

3.4. Методика определения количества нефти, находящейся на "заснеженной" дневной поверхности ..... . 71

3.5. Выводы ....................7 5

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.................76

Список использованных источников .........77

Приложение 1...................82

Приложение 2...................89

Приложение 3................119-121

Введение

В процессе эксплуатации магистральных нефтепроводов случаются аварийные утечки, при которых происходят безвозвратные потери нефти и загрязнение окружающей среды. В результате анализа периода работы действующих нефтепроводов России было установлено [23], что на 1994 год около 25% нефтепроводов 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. Опыт эксплуатации магистральных нефтепроводов показывает, что срок службы наружного изоляционного покрытия составляет около 15-20 лет [23], поэтому, учитывая, что одной из основных причин утечек является коррозия, в ближайшие годы возможен 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 20 лет.

Аварийные утечки на магистральных нефтепроводах случаются в любое время года, в том числе и тогда, когда поверхность земли покрыта снегом. Разлив более "горячей", чем окружающая среда, нефти в таких случаях приводит к растеплению части снежного покрова и образованию массы "нефть+вода". Определение количества вытекшей нефти, находящейся на поверхности земли вместе с водой и в снежном массиве, имеет важное практическое значение, прежде всего, для оценки количества нефти, закачиваемой в ходе ликвидации аварии обратно в трубопровод. Кроме того, это позволяет оценить объем аварийной утечки непосредственно по результатам обследования загрязненного

участка, что важно в тех практически имеющих место случаях, когда другими способами по различным причинам это сделать затруднительно /например, из-за отсутствия необходимой для этого достоверной исходной информации об утечке, из-за дефектов в работе запорной арматуры и невозможности использования по этой причине аналитических методов, и других/.

В открытой печати не найдено каких-либо математических моделей или эмпирических зависимостей по описанию движения нефти для случаев аварийного растекания по поверхности земли, покрытой снегом. Отсутствуют, также, какие-либо рекомендации по определению количества нефти, находящейся на поверхности земли /в том числе -в снежном массиве/ в результате утечки из нефтепровода в зимний период времени в действующей "Методике определения ущерба окружающей среде при авариях на магистральных нефтепроводах" [31] . В условиях Западной и СевероЗападной Сибири, когда снежный покров сохраняется более полугода, отсутствие нормативного документа с такой методикой осложняет работу эксплуатационных организаций при ликвидации аварийных утечек зимой.

В последние годы 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. Многолетний опыт эксплуатации магистральных нефтепроводов убедительно доказывает, что ущерб от аварии в значительной степени зависит от правильно определенной стратегии и оперативности в ходе выполнения аварийно-восстановительных работ [2,18,49]. Этому в значительной степени могли бы способствовать простые зависимости /экспресс-методы/ по расчету "динамики" распространения

нефти, чтобы еще до прибытия на место аварии можно было бы оценить границы нефтяного пятна за известный промежуток времени и определить необходимые мероприятия по локализации нефтяного пятна. Кроме того, подобные формулы нужны для прогнозирования последствий от вероятных аварий на участках нефтепроводов вблизи важных охранных объектов /рек, озер/ с целью принятия решений о необходимости строительства защитных сооружений, а также разработки защитных и природоохранных мероприятий.

В связи с изложенным была сформулирована следующая цель работы:

- для возможности прогнозирования аварийного растекания нефти, а также выполнения оперативных расчетов получить экспериментальные зависимости по движению нефтей;

разработать методику определения количества нефти, находящейся на дневной поверхности, в результате аварийной утечки из нефтепровода в зимний период времени.

Научная новизна результатов работы:

1. На основании проведенных опытов по свободному растеканию ньютоновских нефтей на гладкой горизонтальной и наклонной плоскости, а также течению в наклонном лотке и обработки полученных данных найдены экспериментальные зависимости, позволяющие определять границы распространения нефти, площадь растекания и среднюю глубину в зависимости от подачи нефти, вязкости, угла наклона дна и времени движения.

2. Получены формулы по определению объема нефти, находящейся на "заснеженной" поверхности земли в

результате аварийной утечки из магистрального нефтепровода для следующих случаев:

- когда вытекшая на дневную поверхность нефть не имеет открытой поверхности /находится в пределах снежного покрова/;

- когда часть нефтяного пятна имеет открытую поверхность;

в указанных выше 2-х случаях, если на дневной поверхности находится слой талой воды;

- при "малой" толщине снежного покрова, когда глубина растекшейся нефти превышает толщину слоя снега.

Практическая ценность работы:

1. Экспериментальные формулы по одномерному течению ньютоновских нефтей, а также свободному растеканию на горизонтальной и наклонной плоскостях могут применяться в инженерной практике для:

выполнения оперативных расчетов по распространению нефти по плоской дневной поверхности или в сухом русле при порыве на магистральном нефтепроводе;

- предварительного проведения расчетов по прогнозированию возможного аварийного распространения нефти в результате разрыва магистрального нефтепровода вблизи важного охранного объекта.

2. Применение разработанной "Методики прогнозирования аварийного растекания нефти и оценки безвозвратных потерь на магистральных нефтепроводах" позволяет прогнозировать возможное аварийное распространение нефти по плоской дневной поверхности и течению в естественном русле с учетом уменьшения массы растекающейся нефти от

испарения и инфильтрации, а также оценивать объем потерь от испарения и инфильтрации при произошедшей аварии на трубопроводе.

3. Использование "Методики выполнения расчетов по оценке объема аварийной утечки из нефтепровода в зимнее время" дает возможность при ликвидации аварии на магистральном нефтепроводе в "заснеженный" период времени производить вычисление объема аварийной утечки нефти на основании данных обследования загрязненной территории.

Реализация результатов работы

На основании представленных в работе результатов разработаны 2 методики, предназначенные для применения в качестве стандарта предприятия:

- "Методика прогнозирования аварийного растекания нефти и оценки безвозвратных потерь на магистральных нефтепроводах" ;

"Методика выполнения расчетов по оценке объема аварийной утечки из нефтепровода в зимнее время".

Основные результаты докладывались на:

- международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 19 96 г.;

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

всероссийской научно-технической конференции

"Моделирование технологических процессов бурения, добычи

и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий", Тюмень, 1998г.; - 3 всероссийской научно-практической конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности",С-Петербург, 1998 год.

Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ.

Работа выполнялась в Тюменском Государственном нефтегазовом университете и Нефтеюганском УМН.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВАРИЙНЫХ

РАЗЛИВОВ НЕФТИ

Известно, что наибольшие безвозвратные потери углеводородного сырья в системе трубопроводного транспорта нефти происходят в результате аварийных утечек на линейной части нефтепроводов. Объем безвозвратных потерь нефти в таких случаях слагается из потерь от испарения и просачивания в грунт, поэтому существенно зависит от области распространения нефти. Исследованием различных вопросов этой сложной проблемы занимались многие отечественные и зарубежные ученые: В.Н.Антипьев, П.П.Бородавкин, Ю.Д.Земенков, Б.И.Ким, А.А.Коршак, В.В.Миронов, В.А.Смирнов, П.И.Тугунов и его ученики, а также Д.Маккей, М.Мохтади, Ж.Райсбек и многие другие исследователи.

Исследования аварийных утечек на нефтепроводах показали, что при значительных повреждениях стенки трубы нефть в течение нескольких десятков секунд достигает поверхности земли и затем растекается по дневной поверхности [4 9] . Для математического моделирования процесса растекания нефти в работах [13,52] предлагается использовать следующее уравнение баланса:

/«^ = 6(0-^(0. (1-1) ш

где

//-толщина слоя нефти, принимаемая постоянной; 5-площадь нефтяного пятна; /-время;

/а

()-объемный расход утечки;

-объемный расход нефти от инфильтрации.

Данное уравнение не учитывает влияния на процесс растекания нефти таких важных факторов, как вязкость нефти, уклон местности, а также потери массы от испарения. Кроме того, в этих работах не указывается, как вычислять среднюю толщину слоя нефти Ь, что делает невозможным без дополнительных исследований применение данного уравнения.

В отечественных изданиях [13,4 9 и др.] для вычисления площади растекания нефти предлагается использовать эмпирические зависимости зарубежных авторов [50,52]:

£ = (С£Л-°'5)М И-42°-8,О,5 , (1.2)

5 = 53,5а,0'89 / (1.3)

где

с-постоянная;

^-ускорение свободного падения; ^-коэффициент кинематической вязкости нефти; -объем разлившейся нефти.

Применение формулы (1.2) невозможно без дополнительных исследований, так как не определена постоянная с, а формула (1.3) не учитывает влияния на процесс растекания нефти уклона местности, расхода утечки, вязкости жидкости, времени движения и других факторов, поэтому годится, разве лишь, для весьма ориентировочных расчетов.

В [3,4] предложена многофакторная математическая модель процесса растекания нефти по естественной поверхности на основе системы нелинейных уравнений 2-го порядка, однако практическое применение указанной модели затруднительно из-за отсутствия в эксплуатационных

н

организациях работников со специальным, необходимым для этих целей, образованием.

Таким образом, опубликованные в открытой отечественной и зарубежной печати формулы по определению площади нефтяного пятна обладают существенными недостатками, что делает невозможным их непосредственное применение, либо значительно ограничивает область их использования.

В практике эксплуатации магистральных нефтепроводов при возникновении аварийной утечки на трубопроводе площадь растекания нефти определяется непосредственно на месте аварии в соответствии с действующей "Методикой ..."[31] путем измерения либо фотографирывания. Никаких зависимостей для проведения прогнозных расчетов по возможному растеканию нефти в случае аварии на магистральном нефтепроводе в [31] и других нормативных документах не предлагается.

На основании изложенного видно, что в повседневной деятельности эксплуатационных организаций пока невозможно широкое практическое прогнозирывание аварийных ситуаций и их последствий на участках нефтепроводов вблизи важных охранных объектов. Поэтому затруднительно принятие решений, не обоснованных расчетами, о необходимости строительства защитных сооружений, а также

предварительная детальная разработка организационно-технических мероприятий по комплексу необходимых аварийно-восстановительных работ с учетом специфических особенностей каждого охранного объекта.

1.1. Основные задачи исследований

В связи с вышеизложенным, были сформулированы следующие основные задачи исследований:

1. Выполнить экспериментальные исследования для наиболее распространенных в практике эксплуатации магистральных нефтепроводов случаев аварийного движения нефти. Получить соответствующие эмпирические зависимости для возможности выполнения прогнозных и оперативных расчетов . по аварийному движению нефти.

2. Исследовать особенности загрязнения окружающей среды от аварийных утечек из магистральных нефтепроводов в зимнее время. Получить зависимости для расчета количества нефти, вытекшей из магистрального нефтепровода в зимний период времени, вследствие значительной или незначительной утечки.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ДВИЖЕНИЮ НЕФТИ 2.1. Физическое моделирование открытого потока нефти

На основании анализа практического моделирования открытых водных потоков [30] можно сделать вывод, что физическое моделирование аварийного растечения нефти по естественной поверхности невозможно без существенных нарушений условий подобия "модели""и "натуры", поэтому в соответствии с задачами исследований выполним моделирование процесса растечения нефти по гладкой /гипотетической/ поверхности и движения нефти в русле с гладким дном. Для установления подобия между потоками нефти на модели и в "натуре" воспользуемся законом подобия Ньютона, согласно которому подобие между двумя однородными механическими системами достигается за счет геометрического, кинематического подобия /что

соответствует подобию условий однозначности/, а также динамического подобия [30] . Характерным геометрическим размером для открытых потоков является толщина потока h [29,30], а геометрическое подобие заключается, кроме подобия геометрических размеров, в подобии размеров "живого" сечения потоков модели и "натуры" и описывается следующим образом [30,34]:

= idem , (2.1)

Ro V

g ?

где R - гидравлический радиус "живого" сечения потока.

В тех случаях, когда выполнить это условие не удается, говорят о моделировании на "искаженной" модели, причем, как показывает практика, для широких открытых потоков,

имеющих плоский рельеф дна, возможно искажение геометрических масштабов в 10 и более раз [30].

Чтобы осуществить кинематическое подобие двух открытых потоков необходимо, чтобы эпюры распределения скоростей по глубине в сходственных сечениях этих потоков были одинаковы [30, 34] . При движении вязкой жидкости в гладком русле с малыми числами Рейнольдса краевые условия считаются известными - предполагается полное "прилипание" жидкости на дне, поэтому в этом- случае кинематическое подобие будет иметь место при равенстве коэффициентов гидравлического сопротивления дна модели и "натуры", т.е. при

Х-idem . (2.2)

\

Для установления динамического подобия необходима идентичность основных критериев подобия модели и "натуры", которыми для открытых потоков являются критерии Фруда и Рейнольдса [29,30,34]. В [30] авторы на основании моделирования открытых водных потоков отмечают, что учесть оба эти критерия одновременно бывает исключительно сложно, поэтому обычно выделяется один критерий в качестве основного, а другой, по-возможности,используется как дополните�