Введение к работе
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
4 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
-
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.
-
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.
-
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 .
-
Исследовать процесс фильтрации ларафиносодержащих неф-
5 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 безвоз
вратных потерь нефти от инфильтрации вследствие малых
утечек, а также, в случае необходимости применения, при
крупных утечках на нефтепроводах /при аварии на заболо
ченной или сильно пересеченной местности, при невозмож
ности по каким-либо причинам использования численных ме
тодов расчета/.
6. Исследовать процесс инфильтрации нефти в случае ава -
рийной утечки через сквозное повреждение в днище стально
го резервуара. Получить зависимости для вычисления объема
загрязненного грунта и безвозвратных потерь нефти.
Научная новизна
-
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.
-
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.
'З.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 испаре
ния 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.
-
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.
-
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.
-
На основании анализа проведенных экспериментов по растеканию нефтей установлено, что при наклоне дна потока больше 2,5 градусов движение имеет практически одномерный характер.
-
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 кольматирующего 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
8 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
9 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 конфе
ренциях 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.