Содержание к диссертации
Введение
1 Основные загрязнители окружающей среды от разливов нефтяных углеводородов при трубопроводном транспорте 15
1.1 Состав и физико-химические свойства основных углеводородов нефти 15
1.2 Основные загрязнители окружающей среды при разливах нефтяных углеводородов 19
1.2.1 Давление насыщенных паров транспортируемых нефтяных систем и их фазовые превращения при выходе в окружающую среду 24
1.2.2 Поведение жидких газонасыщенных углеводородных систем на открытой поверхности 28
1.2.3 Реологические свойства вязких и структурированных углеводородных систем 30
1.3 Выводы по разделу 38
2 Исследование и разработка высокоэффективных средств локализации нефтяных углеводородов наводной поверхности 39
2.1 Анализ и обобщение современного состояния техники и технологий локализации жидких углеводородов при эксплуатации нефте- и продуктопроводов 39
2.2 Теоретические исследования процесса локализации нефтяного загрязнения на поверхности воды затопленными газовыми струями 49
2.3 Экспериментальные исследования процессов локализации и отклонения нефтяного пятна на поверхности воды 56
2.4 Выводы по разделу 63
3 Исследование и разработка процесса удаления разлитой нефти вращающимся телом 64
3.1 Современное состояние техники и технологий сбора жидких углеводородов с поверхности внутренних водных объектов при авариях на трубопроводах 64
3.1.1 Удаление разлитой нефти нефтесборщиками адгезионного типа 65
3.1.2 Сбор и утилизация нефти с поверхности воды нефтепоглощающими сорбентами и другими способами 73
3.2 Исследование явления смачиваемости твердых тел жидкими углеводородами 80
3.3 Экспериментальные исследования поверхностной активности отдельных материалов к углеводородам нефти 83
3.4 Физическое моделирование процесса удаления разлитой нефти барабанным телом вращения 90
3.5 Математическое моделирование процесса удаления жидких углеводородов с водной поверхности вращающимися телами 96
3.5.1 Математическое описание и моделирование процесса 96
3.5.2 Проверка адекватности полученной модели реальным процессам 105
3.6 Выводы по разделу 108
4 Разработка и внедрение барабанного устройства сбора разлитой нефти 110
4.1 Разработка конструкции барабанного нефтесборщика 110
4.2 Внедрение всесезонного нефтесборщика в производство 115
4.3 Выводы по разделу 119
Основные выводы 121
Библиографический список использованной
Литературы
- Состав и физико-химические свойства основных углеводородов нефти
- Поведение жидких газонасыщенных углеводородных систем на открытой поверхности
- Анализ и обобщение современного состояния техники и технологий локализации жидких углеводородов при эксплуатации нефте- и продуктопроводов
- Современное состояние техники и технологий сбора жидких углеводородов с поверхности внутренних водных объектов при авариях на трубопроводах
Введение к работе
Актуальность проблемы
Нефтяная промышленность является базовой валютообразующей отраслью топливно-энергетического комплекса, оказывающей существенное влияние на экономическое положение страны. Прогнозируется дальнейший рост нефтяного производства в Российской Федерации. Ожидаемый объём добычи нефти в 2005 году - 329, в 2010 году - 335 и в 2020 году - 360 млн тонн в год [19, 47].
На территории Российской Федерации для сбора и транспорта нефти проложена разветвленная сеть трубопроводов, по которым транспортируются 99 % добываемой нефти [74, 109].
Нефтедобыча и трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов, как известно, относятся к категории опасных производств, отказ которых сопряжен со значительными материальным, экологическим и экономическим ущербами. Наиболее опасны аварии на подводных переходах трубопроводов [36, 105, 118, 133]. Например, в системе магистральных нефтепроводов АК «Транснефть» эксплуатируется более 2000 подводных переходов, в системе АНК «Башнефть» - около 40. Нефте- и продуктопроводы пересекают такие крупные реки как Иртыш, Обь, Енисей, Волга, Кама, Белая и другие, на которых поверхностная скорость течения в период половодья достигает 1,5 м/с и более, а глубина- 15 м. Отметки залегания трубопроводов нередко составляют 20 м и более [64].
Проблема повышения надежности эксплуатации переходов через естественные и искусственные преграды стала одной из самых актуальных, имеющих экономическую, политическую и социальную составляющие [68]. Это объясняется тем, что нарушение герметичности нефте- и продуктопро-водов, проложенных через естественные и искусственные водные преграды, осложняется следующими факторами [47]:
- сложностью быстрого и точного определения места аварии;
значительной площадью разлива, затрудняющей подход к месту аварии;
отсутствием подъездных путей и площадок для установки техники;
сложностью сбора нефти с поверхности воды, вскрытия поврежденного участка трубопровода и др.
Многолетний опыт эксплуатации выкидных линий, сборных коллекторов, отечественных и зарубежных магистральных нефтепроводов показывает, что несмотря на самые высокие требования, предъявляемые к надежности, и большие финансовые затраты на своевременное и качественное техническое обслуживание, безотказная их работа невозможна. Статистика отказов и их причин [31, 50, 55, 138] подтверждает, что уровень аварийности остается достаточно высоким и составляет 0,06 аварии на 1000 км «сухих» участков трубопроводов [18, 73]. Этот же показатель на подводных участках трубопроводов колеблется от 0,067 до 3,5 случаев, а средняя интенсивность сквозных дефектов составляет 0,7 [95].
Отказы нередко сопровождаются выходами нефти, попаданием ее в водные объекты и, как следствие, растеканием загрязнения на значительной площади [123]. Поэтому на практике, наряду с борьбой за поддержание и повышение надежности трубопроводных систем, идут по пути обеспечения максимально возможной готовности к чрезвычайным ситуациям, связанным с аварийными разливами нефти [93].
Для предотвращения дальнейшего растекания и сбора плавающей нефти применяют табельные и стационарные заграждения и барьеры, нефтес-борные устройства и сорбенты-нефтепоглотители. Однако многолетний опыт ликвидации нефтяных загрязнений водных объектов показывает, что существующие технологии и технические средства не эффективны при наличии течения, на мелководных водоемах, а также при доочистке любых водных объектов от тонких пленок нефти. Они предназначены, в основном, для использования в области положительных температур. Например, опыт ликвидации аварии на подводном переходе нефтепровода Туймазы-Омск-Новосибирск-2
6 через реку Белая 26.02.1995 г. показал отсутствие целого ряда необходимых технических средств и решений, обеспечивающих четкую организационную структуру выполнения работ по локализации и сбору нефти в условиях ледостава [39, 56].
Обеспечение высокой надежности и безопасности нефтяного производства, решение задач перспективного развития и оптимизации экономической эффективности требуют непрерывного проведения научных исследований и конструкторских работ, оперативного внедрения новейших технологий [74, 75, 100]. В частности, в Резолюции IV Конгресса нефтегазопромышленников России указывается: «ряд отечественных разработок, имеющих по результатам промышленного применения значительно более высокие технико-экономические показатели, не находят широкого распространения среди нефтегазопромышленников России вследствие недостаточной их информированности и ориентированности на зарубежное оборудование (в частности, боны - отклонители нефти, всепогодные нефтесборщики и др.)» [99].
Технологии и технические средства обеспечения надежности, экологической безопасности, сокращения потерь при аварийных разливах при сборе, подготовке, транспорте и хранении нефти, разработанные под руководством и при непосредственном участии Гумерова А.Г., Бородавкина ПП., Юфи-наВ.А., Мазура В.И., Шаммазова A.M., Хамитова И.З., Хасанова И.Ю., Гумерова Р.С., Азметова Х.А., Идрисова Р.Х., Минигазимова Н.С., Шемето-ва В.Ю., Векилова Э.Х., Хлёсткина Р.Н. и других ученых стали основополагающими в деле охраны окружающей среды в нефтяном производстве. Однако дальнейший прогресс в решении проблемы повышения эффективности техники и технологических процессов ликвидации разливов нефти не представляется возможным без совершенствования существующих и разработки новых способов и методов локализации и сбора нефти и нефтепродуктов.
В этих условиях разработка новых эффективных технических средств и технологий ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на опасных объектах нефтяного производства становится актуальной задачей.
Цель работы
Разработка научно обоснованных технико-технологических решений, направленных на повышение эффективности сбора жидких углеводородов с водной поверхности при добыче и трубопроводном транспорте нефти путем раскрытия механизмов внутренних процессов, происходящих в системе «нефть-вода» при разделении фаз.
Основные задачи работы
Провести анализ изменения физико-химических свойств нефти и нефтепродуктов при их выходе в окружающую среду и осложнений, возникающих при этом.
Выполнить анализ современного состояния техники и технологий локализации и сбора разлитой нефти с водной поверхности при добыче и трубопроводном транспорте.
Провести теоретические и экспериментальные исследования процессов локализации и удаления пленки нефти с водной поверхности с применением аэродинамического бонового заграждения и метода прилипания (адгезии).
Разработать математическое описание процессов локализации пленки нефти на поверхности воды боновым заграждением аэродинамического принципа действия и сбора её твердой поверхностью движущегося через границу раздела «нефть-вода» барабана. Выполнить проверку адекватности полученных моделей.
Разработать, сконструировать и изготовить опытные образцы аэродинамического бонового заграждения и всесезонного барабанного нефтесборщика, провести их полигонные испытания.
На защиту выносятся результаты экспериментальных и теоретических исследований, их обобщение и практические рекомендации по обеспечению высокой эффективности процессов локализации и удаления разливов
жидких углеводородов с водной поверхности при добыче и трубопроводном транспорте.
Научная новизна результатов, полученных в работе
Предложены методики определения степени разгазирования нефти и нефтепродуктов, составов газа и неиспаренной жидкости при их выходе в затру бное пространство. Показано, что аномальное поведение плавающей смеси углеводородов обусловлено изменением температурных условий, свойствами и ростом концентрации высокомолекулярных парафинов и поверхностно-активных асфальтосмолистых веществ.
Теоретически и экспериментально определена возможность локализации и отклонения нефтяного пятна на спокойной водной поверхности и водотоке водовоздушным валом, образуемым затопленными струями воздуха.
Установлено, что адсорбционные способности твердых поверхностей металлов и неметаллов, используемых в адгезионных способах удаления пленочной нефти с водной поверхности телами вращения, различаются незначительно, что объясняется образованием оболочки (подложки) из полярных (клеящих) высокомолекулярных соединений нефти, первоначально адсорбируемых и удерживаемых шероховатой поверхностью самого материала тела вращения, обладающей повышенной поверхностной активностью (сродством) к углеводородам нефти.
3. Разработаны гидравлическая модель водовоздушного вала для локализации нефтяного загрязнения в неподвижной среде и универсальная математическая модель процесса удаления пленки нефти с водной поверхности вращающимся барабаном.
Практическая ценность работы
1. Разработано механическое боновое заграждение аэродинамического принципа действия, предназначенное для локализации и отклонения к неф-тесборным устройствам плавающей и притопленной нефти на спокойной
водной поверхности и водотоке. Устройство свободно от «ныркового» эффекта, может использоваться в качестве огнестойкого заграждения.
2. Разработано нефтесборное устройство с вращающимся барабаном с гофрированной поверхностью, позволяющее собирать плавающую нефть с минимальной степенью обводненности, а также структурированные углеводородные среды при положительных и отрицательных температурах окружающей среды.
Боновое заграждение и нефтесборщик выпускаются серийно на ОАО «Белебеевский механический завод», ОАО «Салаватнефтемаш» в кооперации с ОАО «Салаватгидромаш» и ОАО ИЗТМ «Витязь». Нефтесборщик внедрен во многих нефтяных компаниях ОАО «Роснефть», АНК «Баш-нефть», ТО «Таза-Мунай» (Республика Казахстан).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались:
на научно-практической конференции «Современное состояние процессов переработки нефти» (г. Уфа, 19 мая 2004 г.);
на научно-практической конференции «60 лет девонской нефти» (г. Октябрьский, 10 сентября 2004 г.);
на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы физики и математики» (г. Стерлитамак, 16-18 сентября 2004 г.);
на научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках IV Российского энергетического форума и X юбилейной международной выставки «Уралэнерго-2004» (г. Уфа, 20 октября 2004 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 141 наименование, содержит 137 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 19 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность разработки новых эффективных технических средств и технологий ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на опасных объектах нефтяного производства, сформулированы цель и основные задачи работы, показана научная новизна, изложены сведения о практической ценности и апробации научных результатов.
В первом разделе дается оценка экологических последствий разливов нефти и нефтепродуктов при технологических процессах добычи, транспорта и хранения.
Известно, что оценка экологических последствий разливов нефти невозможна без учета её физико-химических и реологических свойств, испаряемости, взрываемости и др. В разделе рассмотрены физико-химические свойства основных компонентов нефти — парафинов, асфальтенов, смол, газообразных углеводородов - и проведен анализ причин образования основных загрязнителей окружающей среды при разливах нефти, в связи с чем рассмотрены некоторые методики определения степени разгазирования нефти и нефтепродуктов, составов газа и неиспаренной жидкости при изменении агрегатного состояния - при выходе их на открытую поверхность в условиях движения воздуха над поверхностью испарения. Проведено исследование реологических свойств нефти при её разливе.
Транспортируемая нефть, как правило, находится в однофазном состоянии при давлении перекачки выше давления насыщения. Поэтому при выходе в атмосферу происходит ее разгазирование с выделением газообраз-
11 ных компонентов (СОг, N2, С г С4) и легких бензиновых фракций, что приводит к изменению физико-химических и реологических свойств нефти, загрязнению атмосферы. Для определения степени испарения в неподвижную среду нами использовалась методика расчета однократного испарения, используемая в химической технологии, а для определения степени испарения газонасыщенных смесей на открытой поверхности - обобщенный метод расчета потерь Ф.Ф. Абузовой и Н.Н. Константинова.
Разгазирование нефти приводит к повышению концентрации в ней ас-фальтосмолистопарафиновых соединений и температуры застывания. Данные соединения во многом определяют загрязнение водной растительности, прибрежных зон и донные отложения в водоёмах.
В разделе дано описание причин появления аномальных свойств нефти при её испарении, растворении, биохимическом окислении и охлаждении. Отмечено, что её поведение при воздействии внешних нагрузок определяет конструкцию рабочего органа машины для локализации и сбора разлитой нефти.
Во втором разделе приведены результаты исследований и разработки высокоэффективных средств локализации нефти на водной поверхности.
При аварийном разливе нефти решаются три основные задачи: первоначальная локализация, сбор и удаление нефти.
В работе предложена принципиально новая технология удержания нефти, разлившейся на водных объектах с течением, заключающаяся в образовании воздушной завесы в толще воды и водовоздушного вала на пути движущейся нефтяной пленки перед механическим заграждением за счёт затопленных струй воздуха. При столкновении пленки нефти с водовоздушным валом, образованным под некоторым углом к течению, нефть будет концентрироваться и направляться к нефтесборщику. При этом притопленная нефть также выносится на поверхность водотока. Такой механизм концентрирования, удержания и отклонения набегающей пленки нефти при небольших ско-
ростях течения позволяет исключить возможность её перетока («нырка») под заграждение.
Проведены теоретические и лабораторные исследования влияния явления барботажа на поведение пленки нефти на поверхности воды. Результаты этих исследований легли в основу разработки опытного образца бонового заграждения аэродинамического принципа действия. Промышленные испытания бонового заграждения показали, что образующийся на границе пленки нефти при истечении воздуха из затопленных сопел водовоздушный вал позволяет локализовать и отклонять плавающую нефть как на спокойной водной поверхности, так и при наличии течения.
В разделе представлена гидравлическая модель водовоздушного вала, которая позволяет оценить его высоту на краю пленки нефти в зависимости от геометрических характеристик и интенсивности работы генератора пузырьков, находящегося в зато/тленном состоянии.
В третьем разделе приводятся результаты исследований процесса удаления разлитой нефти телами вращения. В этой связи выполнен анализ современного состояния техники и технологий сбора жидких углеводородов с водной поверхности. Установлено, что наиболее эффективными являются механические способы, особенно в первый период проведения операции сбора нефти. Отмечено, что наибольшего внимания заслуживает адсорбционный метод, позволяющий собирать нефть с наименьшим содержанием воды и работать как на спокойной воде, так и на водотоках совместно с заграждениями.
В разделе приведены результаты экспериментальных исследований поверхностной активности отдельных материалов различной шероховатости. Определены наиболее целесообразные покрытия тел вращения по отношению к растворам нефти, обогащенной нефтяными парафинами и асфальто-смолистыми веществами.
Анализ полученных результатов показал, что, несмотря на различие адгезионных способностей твердых поверхностей исследуемых металлов и неметаллов к нефти, их адсорбционные способности в одинаковых гидродина-
мических условиях различаются незначительно. Силы сцепления на границе раздела «твердое тело-нефть», в исследуемых пределах, возрастают по мере увеличения содержания в растворе как парафинов, так и асфальтосмолистых соединений, а следовательно, и вязкости раствора.
В разделе приведены результаты физического моделирования процесса удаления разлитой нефти с поверхности воды барабанными телами вращения с рабочими поверхностями различного профиля.
Моделирование динамики процесса удаления нефти с поверхности воды методом прилипания проводилось в лабораторных условиях с помощью полых барабанных нефтесборщиков с различными геометрическими формами полированных металлических поверхностей.
На основе опытов установлены основные параметры процесса. Отмечено, что барабанный нефтесборщик с гофрированной поверхностью, при прочих равных условиях, обладает повышенной производительностью и прочностью при меньшей массе.
В разделе приведены математическое описание процесса удаления пленки нефти с поверхности воды твердой поверхностью вращающегося барабана, результаты проверки адекватности полученной модели опытным данным.
Расчётами установлено, что предложенная модель адгезионного сбора нефти барабанным нефтесборщиком в исследуемом интервале основных параметров характеризуется как универсальная и достаточно адекватная.
Четвертый раздел посвящен разработке конструкции барабанного нефтесборщика на основе результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
Плавучее барабанное устройство адсорбционного типа предназначено для удаления плавающей на водной поверхности нефти. Устройство всесе-зонно, оснащено системой обогрева адсорбционной поверхности, лотков и нефтесборной емкости, что исключает их обмерзание и повышает эффективность работы устройства при сборе высоковязких нефтей при низких темпе-
ратурах. Гофрированный металлический тонкостенный барабан обеспечивает легкость, жесткость и долговечность конструкции, позволяет использовать устройство на мелководье при наличии зыби на водной поверхности.
Сбор аномальных жидкостей в зимних условиях обеспечивается подачей теплоносителя во внутреннюю полость барабана и изменением числа его оборотов путем варьирования расхода рабочей жидкости на гидромоторе. Такая схема не требует общепринятой специально обустроенной майны с нагревом горячим воздухом рабочей зоны над плавающим загрязнителем.
Изготовлены опытные образцы нефтесборщика, которые прошли приёмочные и промышленные испытания в НГДУ «Аксаковнефть», полигонные -в НГДУ «Чекмагушнефть». Результаты промышленных испытаний показали устойчивую работу нефтесборщика.
В настоящее время нефтесборщик выпускается серийно на ОАО «Бе-лебеевский механический завод» в кооперации с ОАО «Салаватнефтемаш», ОАО «Салаватгидромаш» и ОАО ИЗТМ «Витязь» и внедрен в нефтяных компаниях ОАО «Роснефть», АНК «Башнефть», ТО «Таза-Мунай» (Республика Казахстан).
Состав и физико-химические свойства основных углеводородов нефти
Свойства нефти различных месторождений неодинаковы и зависят от её состава, компонентного состава растворенного в ней газа, температуры и давления.
Нефть представляют собой многокомпонентный раствор углеводородов трех классов: метанового (парафинового), нафтенового (циклоалканы) и ароматического. В нефти, кроме того, могут содержаться кислород, азот, сера. Однако главными элементами, определяющими состав нефти, являются углерод (примерно 86%) и водород (примерно 13%). Основное, преобладающее значение в составе нефти имеют углеводороды метанового ряда (СпН2п+2)- По своему физическому состоянию при нормальных условиях углеводороды от СН4 до С4Н10 могут быть отнесены к газам. Члены ряда от С5Н2 до СбНз4 включительно - жидкости, и, наконец, высшие члены метанового ряда от СрНзб до С35Н72 - твердые тела. С точки зрения создания техники и технологий борьбы с загрязнением воды и почвы нефтяными углеводородами важны знания свойств жидких и твердых компонентов нефти и нефтепродуктов.
Физико-химические свойства парафинов, асфальтенов и смол различны и определяются, как правило, раздельно. Их содержание, на примере наиболее типичных нефтей месторождений Башкирии, приведено в таблице 1.1 [32].
По данным таблицы 1.1 все рассматриваемые нефти, кроме нефтей угленосной свиты нижнего карбона, имеют обычную плотность и сравнительно низкую вязкость. Нефти угленосной свиты отличаются не только от других нефтей месторождений Башкирии, но и от других нефтей угленосной свиты У рало-Поволжья. Асфальтосмолистые вещества в типичных нефтях месторождений Башкирии содержатся в пределах от 5,3 до 17,1 % масс, содержание кокса колеблется от 2,0 до 7,3 %, а парафинов - от 2,7 до 5,6 %, температура плавления которых для всех нефтей практически одинакова. Наибольшее количество светлых дистиллятов (до 300 С) содержится в нефтях девонских и сакмаро-арти неких отложений. Заметим, что на поздних стадиях разработки месторождений состав и свойства добываемых нефтей значительно изменяются - нефти становятся более тяжелыми, высоковязкими за счет увеличения в них содержания высокомолекулярных парафинов, смол и асфальтенов.
Нефтяные парафины представляют собой неполярную смесь высокомолекулярных углеводородов с примесью твердых нафтеновых, ароматических и смешанных высокоплавких нафтено-ароматических углеводородов (церезины — Сзз-Сэо)- Промысловые парафины содержат атомы углерода от Cj8 до Сбб (реже выше) и выпадают в осадок в диапазоне температур 295...360К [3,68, 137]. Таблица 1.1- Характеристики отдельных нефтей Показатели Месторождения
Ишимбайское, Кузьминовскиймассив, сакмаро-артинские отложения Туймазин-ское, угленосная свита нижнего карбона Серафи-мовское,ДІ Туйма-зинское,ДН Шкапов-ское, ДІУ
Относительная плотность Молекулярная масса Кислотность, мг (КОН)/г Вязкость кинематическая (при20С),10"6м2/с Содержание, % масс:серыасфальтеновасфальтенов + смолсмол сернокислыхкоксапарафинов Температура плавления парафинов, С Выкипает по Энглеру, % об:до 200 Сот 200 до 300 С 0,870 230 0,14172,851,712,8 43 4,4 2,7492622 0,889264 0,12363,065,1 17,1 54 7,3 3,14820 20 0,846 215 0,13111,36 3,5 11,5 33 4,9 5,65028 21 0,853 219 0,13121,51 3,8 12,6 37 5,1 5,34827 22 0,8151900,055,70,620,87 5,3 18 2,0 5,15134 22
Примечание - По товарной характеристике нефти с содержанием, % масс, 3-5 % смол - малосмолистые, 6-10% парафина - высокопарафинистые, 0,5-1,8% серы - малосернистые [И 7]. Давление насыщенных паров товарной нефти не должно превышать 66,5 кПа при 38 С [67]. В настоящее время для нефти, транспортируемой потребителям, определение давления насыщенных паров допускается при температуре сдачи, что должно быть отражено в стандарте [40],
Для определения зависимости растворимости парафинов от температуры в различных нефтяных растворителях предложено эмпирическое уравнение [12] X = (ll20-2,97k)-l,13t tn\ (1.1) где X - растворимость в г на 100 см3 растворителя; tK, t, tM, - температуры кипения растворителя, растворения, плавления парафина соответственно, С.
К асфальтосмолистым веществам относят асфальтены, смолы, карбе-ны, карбоиды, асфальтогенные кислоты и их ангидриды. Асфальтены — компоненты нефти, нерастворимые в петролейном эфире (легкая парафиновая фракция нефти). Это высокоплавкие высокоароматизированные полициклические гетеросоединения, наиболее высокомолекулярные соединения нефти (молекулярная масса 5000-6000). Содержание асфальтенов в нефтях колеблется от 0 до 3-4 % и более, они состоят из углерода в пределах 80-86 %, водорода - 7,3-9,4 %. На природе исходной нефти наиболее сильно сказываются качественный и количественный составы гетероэлементов в асфальтенах, которые содержат серы 0-9 %, кислорода 1-9 %, азота 0-1,5 % соответственно. Асфальтены хорошо растворяются в ароматических углеводородах. Они влияют на вязкость нефти, и при содержании асфальтенов 4-5 % нефть может проявлять свойства неньютоновских жидкостей.
Остаточные нефти на поздних стадиях разработки месторождений, как отмечалось ранее, имеют тенденцию к обогащению асфальтенами. При контакте с воздухом они переходят в труднорастворимые соединения - битумы, гудроны.
Битумы - это полутвердая или твердая смесь преимущественно углеводородного состава, растворимая в органических растворителях. Они отличаются повышенным содержанием асфальтеносмолистых компонентов (25...75 % масс), высокой плотностью (965...1220 кг/м3), аномальной вязкостью (более 104 мПа-с) [17].
Смолистые вещества совместно с маслами и асфальтенами относятся к основной составляющей нефти [40]. Большую часть неуглеводородных соединений нефти составляют асфальтосмолистые вещества, являющиеся самыми высокомолекулярными компонентами нефтей. От 80 до 90 % молекулы асфальтосмолистых веществ составляет углеводородный скелет из конденсированных циклических и структурных систем.
Поведение жидких газонасыщенных углеводородных систем на открытой поверхности
Одной из актуальных и нерешенных проблем трубопроводного транспорта является локализация последствий аварийных выбросов нефти и нефтепродуктов.
Нефть, попадая в воду, растекается по её поверхности. При этом толщина слоя нефти в зависимости от внешних условий и длительности растекания загрязнения может составлять от нескольких сантиметров до мономолекулярного слоя.
Чтобы локализовать, сконцентрировать и предотвратить дальнейшее распространение разлитой нефти по водной поверхности применяют передвижные и стационарные заграждения, барьеры из сорбентов, струи воздуха, воды, химические барьеры и др. При этом, применительно к локализации загрязнения на поверхности водотоков используют, в основном, плавучие и стационарные заграждения. Принцип действия плавучего заграждения, получившего наибольшее распространение на практике, заключается в создании плавучего механического барьера, препятствующего горизонтальному перемещению верхнего слоя воды с нефтяной пленкой.
При аварийном разливе нефти на водной поверхности решаются три основные задачи [106]: первоначально - локализация, затем сбор и удаление нефти с поверхности воды. При этом все они должны выполняться, по возможности, быстро, т. к. с потерей времени их решение осложняется вследст виє того, что плавающая нефть химически и биологически окисляется, часть её испаряется, растворяется и осаждается на дно водоёма на мелководье.
При спокойной водной поверхности, в условиях отсутствия течения, применение плавучего барьера может быть эффективным. В условиях течения проблема локализации нефтяного пятна резко усложняется. Поэтому рациональный подход к выбору конструкции бонового заграждения (БЗ) требует получения правильных представлений о форме и характере поведения нефтяного пятна, удерживаемого боновым заграждением, и выработки критериев оценки эффективности его работы.
Одним из наиболее важных вопросов при локализации нефтяных пятен является выбор оптимальной, предотвращающей унос нефти, осадки и угла установки к потоку БЗ при заданных скорости течения и объеме плавающих продуктов.
БЗ размещают на акватории с расчетом наиболее полного улавливания нефтяного разлива из магистрального нефтепровода, всплывающего на поверхность в виде шлейфа, расширяющегося в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Ширину раскрытия БЗ рассчитывают по скорости растекания нефти по поверхности воды, принимаемой равной 3,5 % от скорости ветра [65, 106].
Заглубленное сразу под уровень текучей воды вертикально стоящее препятствие вызывает местное повышение уровня перед ним. При этом большая или меньшая часть задерживаемой препятствием воды подныривает под нижний край заграждения, образуя замкнутую водоворотную зону. Линии тока основного потока отклоняются от внутренней поверхности нефтяного пятна и тем самым уменьшают воздействие на него.
По мере скопления нефти у БЗ изменяется форма нефтяного пятна и происходит вымывание её фиксированного объема. На рисунке 2.1 (фото гидравлического лотка) хорошо наблюдаются неустойчивый характер течения воды вблизи острой кромки заграждения, а также крупные глобулы нефти, отрываемые от основной массы скопления и уносимые под заграждение [76].
Исследованиями [76] обнаружено, что для заданной скорости течения воды и объема нефти, находящейся на поверхности воды, её унос происходит только в том случае, если глубина погружения БЗ h меньше некоторого критического значения (h hKp).
Анализ и обобщение современного состояния техники и технологий локализации жидких углеводородов при эксплуатации нефте- и продуктопроводов
Характер распространения нефтяных загрязнений при проведении учений по локализации и сбору возможных разливов нефти на водной поверхности [36] определяется методами экспериментальной гидрологии на масштабных лабораторных моделях [108, 132] или математического моделирования по прогнозированию движения нефтяного разлива при любой гидрометеорологической обстановке [36, 132]. Способы и места установки БЗ и объемы подготовительных мероприятий, с учетом местных условий и времени года, обычно предусматриваются Планом ликвидации аварий и отрабатываются на учениях на подводных переходах [94].
Для локализации нефтяного загрязнения на поверхности рек, водоёмов устанавливаются боновые заграждения различных конструкций [88] и, как правило, в несколько рядов.
Установка плавающих БЗ перпендикулярно течению осуществляется, как отмечалось, при скоростях течения реки до 0,35 м/с [106]. При больших скоростях течения БЗ устанавливаются под углом к течению. При этом возможны варианты использования глухого или проточного БЗ, либо их комбинации [132]. Выбор варианта определяется степенью необходимого концентрирования нефтяного пятна, способом его удаления с водной поверхности (нефтесборщик определенной производительности, траление, сорбент-нефтепоглотитель, сорбирующие салфетки [34], струи воды [134] и др.) и эффективностью очистки водной поверхности.
В зависимости от конкретной ситуации применяют несколько вариантов и конструктивных решений [35]: - жесткие или с шарнирным соединением металлические БЗ с системой якорения, устанавливаемые в русле реки постоянно (стационарные); - металлические БЗ, разворачиваемые в русло реки в момент аварии (полустационарные).
Во всех названных вариантах БЗ снимаются на зиму. Для отвода нефти из зоны локализации (от бонового заграждения) в каждом из названных вариантов предусматривается либо прибрежный котлован, либо плавающая ло 44 вушка, выполняющая роль того же котлована, но имеющая некоторые технологические преимущества [35, 94].
Схемы постановки и крепления боновых заграждений и сбора разливов нефти описаны [53, 65, 71, 106], Заметим, что применение стационарных БЗ создает некоторые проблемы: - создается постоянный подпор воды в зоне локализации, что препятст вует попаданию нефтяной пленки в эту зону; - усложняются условия навигации судов в районе подводного перехода.
Полустационарные БЗ устанавливаются вдоль берегов реки на рубеже задержания и вводятся в действие при возникновении аварийной ситуации путем разворачивания их в русло реки. Находясь в режиме «ожидания», они не мешают судоходству, а создают подпор только с момента установки их в рабочее положение. Основной их недостаток - необходимость постоянного круглосуточного дежурства обходчика или специальной бригады на рубеже задержания, чтобы своевременно развернуть БЗ.
Жесткие металлические БЗ отличаются от металлических бонов с шарнирными соединениями звеньев конструкцией соединения секций. БЗ с шарнирными соединениями звеньев позволяют работать при волнении и на больших судоходных реках. Система якорения БЗ жесткого типа значительно проще, их удобнее применять на средних судоходных реках.
Если объем аварийного разлива достаточно большой и не может быть удержан одним БЗ, вслед за ним, с учетом топогеодезических и гидрологических изысканий, устанавливаются дополнительно дублирующие заграждения (2-3 ряда), технология работы с которыми может быть такой же, как и с основным заграждением [71, 132]. Следующие за первым БЗ (с котлованом и приемником) рубежи заграждения нефти представляют собой гибкие боны типа «Уж», «ОРТІМАХ» (США) и другие (или рубежи сорбирующих бонов [35]), которые крепятся к стационарным береговым якорям под определенным углом к течению. Дополнительные рубежи задержания могут быть выполнены также из металлических труб с приемниками нефти, закрепленных в нерабочем состоянии вдоль уреза воды [33]. При установке нескольких рядов БЗ по проточной схеме необходимо обеспечить, чтобы суммарная производительность нефтесборщиков была равна возможному объему поступающей нефти [106]. Полупроточные БЗ обычно оборудуются плавающей ловушкой [34]. Для защиты берегов от плавающей нефти используются легкие сорбци-онноудерживающие БЗ, либо нефть отгоняют от берега струями воды или воздуха.
В чрезвычайных ситуациях на малых реках для задержания нефтяного разлива могут использоваться подручные плавучие заграждения: маты из соломы, камыша, бревен и т. п.
Свои особенности имеет предотвращение растекания нефти по поверхности воды при авариях на подводных переходах в зимних условиях. Эффективные способы локализации и ликвидации аварийных выбросов нефти в условиях ледостава практически не разработаны [96], несмотря на то, что в Российской Федерации на большинстве рек ледяной покров сохраняется в течение 6-9 месяцев. Это объясняется, в частности, необходимостью оценки реальной гидрогеологической обстановки на участке работ ледомерной съемкой и выполнением детальных измерений плана течений под ледяным покровом. Недостаточно изучены и особенности распространения нефти под ледяным покровом на больших реках и мелководье (глубина 0,5-0,6 м). Исследованиями ОАО «Сибнефтепровод», ЦГЭИ, ГГИ [96] установлены только некоторые особенности поведения нефти при разгерметизации трубопровода под ледяным покровом.
Современное состояние техники и технологий сбора жидких углеводородов с поверхности внутренних водных объектов при авариях на трубопроводах
После завершения или параллельно с локализацией загрязнения приступают к сбору нефтепродуктов с водной поверхности и к закачке их в плавучие или береговые ёмкости, или в проходящие вблизи трубопроводы. Как показывает практика, наиболее эффективен механический способ сбора разлитых нефтепродуктов, особенно в первый период после аварии. Устройства механического типа по принципу действия подразделяются [92]: на всасывающие, работающие по принципу водослива, с вертикальным завихрением; адгезионные; с применением сорбционных материалов и др.
Средства, создающие водослив и вихревую воронку при сборе плавающей пленки нефти широко описаны в литературе. Это малогабаритные нефтесборщики [37, 72, 85], нефтесборщик «НС-6» [82]; устройства всасывающего типа: нефтесборщики «Нефтесбор-1» [37, 46], «НД-1» [37, 108] и др.
Проведенный анализ показал, что такие установки просты в конструктивном исполнении, но весьма нестабильны в работе. Этой технике и технологиям очистки поверхности внутренних водных объектов от плавающих нефтяных углеводородов присущ ряд серьезных недостатков: - при сборе плавающих углеводородов (особенно при их небольшой толщине) засасывается (захватывается) большое количество воды; - большинство нефтесборщиков этого типа неустойчиво работают даже при незначительном волнении (зыби) на водной поверхности; - при откачивании водонефтяной смеси наиболее легкими, удобными в эксплуатации центробежными насосами образуется стойкая эмульсия, особенно в присутствии природных поверхностно-активных веществ (иловые глобулы воды) и «внутренних» ПАВ самой нефти. Образование эмульсии создает новую проблему при отделении воды от собранной пленки нефти; - приемные устройства нефтесборщиков часто забиваются механическими примесями водоема (листья, сучья, ветки и т.д.); - нефтесборщики совершенно не приспособлены для работы в зимнее время. Исключение может составить работа части из них в заранее обустроенной майне при плюсовой температуре за счет установки над майной палатки с подачей в рабочую зону горячего воздуха [39].
Метод основан на прилипании нефти к различным материалам гидрофобного типа заданной формы (барабан, диск, бесконечная лента и т.п.). Гидравлический или электрический привод, или привод от двигателя внутреннего сгорания передает вращательное движение телу вращения, погруже иному на определенную глубину в нефть или воду с плавающей на ней пленкой нефти. Тело вращения, соприкасаясь с нефтью при вращении, увлекает её и удерживает на своей поверхности. При этом если толщина нефтяной пленки меньше глубины погружения тела вращения, вода твердой поверхностью отталкивается. Далее нефть, поднимаясь над водной поверхностью из зоны контакта, срезается с твердого тела в зоне сбора и поступает в накопительную ёмкость. Сепарация происходит непосредственно в момент снятия пленки нефти с водной поверхности. Теоретически, таким образом, нефтяное пятно с водной поверхности можно собрать без примеси воды. Это свойство данной технологии сбора нефти с поверхности воды является, бесспорно, важным, особенно применительно к внутренним водным объектам, поскольку исключается необходимость отделения от собранной смеси воды и отпадает проблема очистки воды перед сбросом в водный объект [87, 92, 103, 113]. Фирма «Эластэк» (121, Council Street, Carmi, IL 62821, USA) сформулировала основные требования к нефтесборщикам (таблица 3.1).
Из рассмотренной таблицы видно, что наиболее полно требованиям, предъявляемым к нефтесборщикам, отвечают барабанные машины.
Заметим, что в силу ряда причин, несмотря на наличие передовых отечественных разработок, эти нефтесборщики в России серийно не выпускаются [92]. Нефтяные компании в основном закупают их за границей. Например, только АК «Транснефть» в 2001 г. закупила 27 нефтесборщиков [97]. В таблице 3.2 приведены некоторые характеристики нефтесборщиков, продемонстрированных на учениях [20, 39].
На сегодня отсутствует единый критерий оценки эффективности работы нефтесборщиков. Поэтому объективная оценка их технико-экономических показателей затруднена. Так, на региональных учениях в ОАО «Верхневолжскнефтепровод» на реке Которосль [33] эффективность работы нефтесборщиков «ТДС-136» фирмы «Эластэк» (США), «Комара-12К» фирмы «Вайкома» (Англия) и «НС-2» (разработка ОАО «МН «Дружба») оценивали по производительности, содержанию воды в собранной нефти и степени очистки водной поверхности.
На других учениях, на реке Иртыш [20], эффективность работы нефтесборщиков оценивали по показателям, приведенным в таблице 3.3.
Естественно допустить, что и выводы оказались неоднозначными. В первом случае представленные нефтесборщики обеспечивали достаточно качественный сбор нефти, оказались легки, просты и удобны в эксплуатации. Предпочтение отдано, однако, скиммеру «ТДС-136», обладающему меньшей осадкой и большей производительностью. Ценовые показатели не приводились.
Во втором случае замечаний оказалось значительно больше: - все представленные нефтесборщики обладают одним из недостатков -либо слишком малой производительностью при удовлетворительных результатах разделения водонефтяной смеси, либо некачественным разделением смеси при большой производительности; - при использовании в обвязке нефтесборщиков («НСДУ-1», скиммер ОАО «МН «Дружба», «НА-15») центробежных насосов образуется значительное количество стойкой водонефтяной эмульсии с содержанием нефти 250...300 мг/дм3; - конструкция большинства нефтесборщиков не позволяет использовать их в комплекте с боновыми заграждениями для сбора нефти на течении.
