Введение к работе
В диссертации, представленной в виде научного доклада по сово-'пности научных работ, приводится основное содержание и результаты хледований, выполненных, опубликованных и внедренных автором, а гкже иод его научным руководством в период 1977 - 1997 гг.
1.1. Актуальность темы.
Вовлечение в разработку нефтяных и газовых месторождений с выжим содержанием сероводорода и других вредных веществ качест-:нно приумножает техногенные риски чрезвычайных ситуаций, связан-jx с выбросами пластового флюида в атмосферу.
Высокая токсичность сероводорода, усугубляемая биологической 'ммацией его вредного воздействия на человека и окружающую при-щную среду с другими вредными техногенными факторами, а также шаровзрывоопасность сероводородсодержащего природного сырья оп-:деляют повышенную опасность возможных аварийных выбросов.
По оценкам компетентных экспертных организаций США, сово-/пный ущерб от крупного аварийного фонтана на сероводородсодержа-их месторождениях нефти и газа может превысить 50 млн. долл.
Основными составляющими указанных ущербов могут являться )ед, нанесенный здоровью и жизни промышленного персонала и насе-;ния, а также загрязнение окружающей природной среды и матери-іьньїе потери.
Так, при разработке месторождения сероводородсодержащего газа ак во Франции, имелось более 40 человеческих жертв. Аварийное фон-ширование скважины Лоджпол в канадской провинции Альберта при-;ло к опасному загрязнению окружающей среды на территории более ЮО кв. км. и создало угрозу здоровью отдельных групп населения ( ггей, женщин, лиц пожилого возраста и слабого здоровья) на удалении ) 60 км.
На месторождениях нефти и газа бывшего СССР на тысячу скважин [конченных бурением приходился в среднем один открытый фонтан.
При открытом нефтегазовом фонтане на одной из разведочных скважин Тенгизского нефтяного месторождения реальная опасность для весьма уязвимых экосистем Прикаспия наблюдалась на территории более 600 кв. км., при этом угроза опасного загрязнения атмосферы потребовала эвакуации людей из зоны, радиусом более 10 км.
Аварийный фонтан на скважине 427 Карачаганакского нефтегазо-конденсатного месторождения привел к загрязнению поверхностного слоя почвы серосодержащими жидкими углеводородами на территории более 30 га., а также загрязнению приповерхностных водонесущих горизонтов. Неуправляемый выброс на одной из скважин Оренбургского газоконденсатного месторождения (ГКМ) через неплотности устьевой арматуры привел к необходимости массового временного отвода населения, подобный выброс на Астраханском ГКМ , где содержание сероводорода в пластовом флюиде достигает 25 % , привел к групповому несчастному случаю со смертельным исходом. Известны случаи взрывов топливовоз-душных смесей, образующихся при открытом фонтанировании скважин, достигающих по последствиям нескольких сотен килограммов по три-нитротолуоловому (ТНТ ) - эквиваленту.
Результаты прогнозных расчетов показывают, что открытое фонтанирование скважин на сероводородсодержащих месторождениях, таких как Астраханское, Тенгизское и ряд других может создать реальную угрозу здоровью более десяти тысячам человек и состоянию экологических систем целых регионов.
В этих условиях весьма актуальны как эффективные методы снижения степени техногенных рисков, основанные на системном анализе условий их формирования, так и методы снижения тяжести последствий, включающие активное управление, обоснованное достоверным прогнозированием развития аварий и их последствий с учетом возможности и оптимизации внешних воздействий.
Однако, известные полуэмпирические теории рассеивания примесей в приземном слое атмосферы позволяют производить лишь ориентировочные расчеты последствий возможных аварий, результаты которых плохо коррелируют с натурными наблюдениями и не обладают взаимной сходимостью.
Существенным недостатком в рассматриваемой сфере является кже отсутствие достоверных критериев, определяющих опасность ток-ічного воздействия сероводорода на человека при аварийном загрязне-ш атмосферы. В отличии от ряда других стран / Канада, Германия /, тановленные Минздравом СССР значения предельно допустимых ава-іііньїх концентраций сероводорода в атмосфере / 100 мг/м3 для Орен-'ргского ГКМ и 30 мг/м1 для Астраханского ГКМ / никак не связаны і временем его воздействия на человека, что не позволяет обоснованно іанпровать и достоверно оценивать эффективность защитных меро-міятий.
Не менее важной проблемой является весьма низкая эффектив-)сть "пассивных" методов защиты населения и окружающей природні среды от техногенных выбросов в атмосферу токсичных веществ, ж показали результаты вероятностных расчетов, а также анализ резуль-тов практических исследований на Астраханском ГКМ , если эффектность использования средств индивидуальной защиты обученным :рсоналом превышает 90%, то для населения она не превышает 40%. [іфективность средств коллективной защиты в этих условиях, включая іедства временной эвакуации, не превышает 27% для населенных 'нктов, находящихся в зоне часового достижения опасных концентра-ій / с учетом срабатывания системы оповещения /и существенно ниже ія людей вне населенных пунктов.
В то же время, накопленный производственный опыт и результа-і выполненных научных исследований свидетельствуют о том, что юблемы защиты людей и окружающей природной среды от техноген-.IX чрезвычайных ситуаций могут быть эффективно решены путем іравления техногенными рисками, включающего обоснованные и адек-тпо прогнозируемые активные воздействия на развитие этих ситуаций их последствий.
1.2. Цель работы.
Разработка эффективных методов управления техногенными рисками, связанными с аварийными выбросами пластовых флюидов при разработке нефтяных и газовых месторождений на основе системного
анализа их формирования, развития и воздействия на окружающую среду.
Указанная цель определяет необходимость системного решения следующих основных задач :
анализ техногенных рисков и значимых факторов их формирования;
достоверная оценка физико - химических и других параметров, определяющих воздействие аварийных выбросов пластовых флюидов на окружающую среду;
- обоснование эффективных методов и разработка технических
средств управления техногенными рисками на стадиях возникновения и
развития аварийных выбросов пластовых флюидов на основе достовер
ных критериев опасностей.
1.3. Основные методы исследований.
Для решения сформулированных задач, в работе использован комплекс методов, включающий!
методы математических логико - вероятностных исследований для оценки уровня техногенных рисков и выявления значимых факторов их формирования при разработке нефтяных и газовых месторождений, включая риски поражения человека и окружающей природной среды вредными веществами, последствиями взрывных явлений и пожаров ;
совокупность методов математического моделирования, модельных и прямых инструментальных исследований для оценки физико-химических параметров аварийных выбросов и динамических характеристик их рассеивания в атмосфере применительно к сероводородсодержа-щим пластовым флюидам, как в условиях горения выброса, так и без горения;
- комплекс методов прямых экспериментальных исследований уровнен опасных производственных факторов в ближней зоне горящего выброса пластового флюида для оценки условий труда, эффективности средств защиты оборудования и персонала, включающий методы количественной оценки загрязнения атмосферы, интенсивности тепловых пото
- 7 -їв, температуры воздуха, почвы и нагретых поверхностей, освещенно-и, шума, показателей микроклимата;
- эвристические методы решения изобретательских задач для разра-)тки новых методов управления рисками, включая активное воздейст-іе на выброс, а также новых технических средств для их практического )именения.
1.4. Основные защищаемые положения.
Техногенный ущерб окружающей природной среде, промышленно-/ персоналу и населению в результата аварийных выбросов может быть [ижен путем применения методологии комплексного подхода к оценке :ловий и значимых факторов формирования техногенных рисков при юектировании и эксплуатации объектов обустройства месторождений.
Использование разработанных автором математических моделей )Зволяет достоверно прогнозировать уровни загрязнения окружающей эиродной среды и уровни опасных производственных факторов в шжней зоне аварийных выбросов пластовых флюидов.
Эффективное снижение техногенных ущербов может быть достиг-/то применением научно обоснованных методов управления рисками, слючающими оценку вероятности и причин их возникновения, досто-ірное прогнозирование развития, а также активное воздействие на ава-ійньїй выброс.
Эффективная защита персонала и оборудования в ближней зоне го-ццего выброса пластового флюида от воздействия интенсивного тепло-)ГО излучения, повышенных уровней шума, высоких температур, опас-зіх параметров микроклимата может быть достигнута применением >мплекса методов и технических средств теоретически и эксперимен-шьно обоснованных автором.
1.5. Достоверность и обоснованность научных положений, выво-10в и рекомендаций обеспечены современными методами и средствами тогико - математических и экспериментальных исследований, подтверждением теоретических положений экспериментальными и промышлен-іьіми данными, включая результаты полномасштабных полигонных ис
-8.-пытаний с газовыми выбросами дебитом до 10,0 млн.м3/сут. а также результатами внедрения новых научно - технических решений на Оренбургском, Астраханском, Тенгизском, Карачаганакском и ряде других газовых и нефтяных месторождений.
1.6. Научная новизна.
Впервые установлены объективные закономерности и сформированы математические модели, позволяющие достоверно прогнозировать уровни загрязнения окружающей природной среды при мощных длительных выбросах сероводородсодержащих .углеводородных газов и уровни опасных производственных факторов в ближней зоне при горении указанных выбросов.
Впервые обоснована теоретически и подтверждена прямыми экспериментальными исследованиями возможность активного снижения техногенных рисков от выбросов токсичных и взрывопожароопасных веществ для человека и окружающей природной среды путем безопасного выполнения аварийных работ в условиях горения выброса пластового флюида.
1.7. Практическая ценность.
Разработаны научно обоснованные инженерные методы прогнозирования уровней загрязнения окружающей природной среды при мощных длительных выбросах сероводородсодержащих углеводородных газов и уровней опасных производственных факторов в ближней зоне при горении указанных выбросов. Указанные методы вошли в основу нормативно - технических документов по промышленной безопасности, действующих в отрасли, а также концепций обеспечения безопасности принятых Госгортехнадзором и МЧС России для Оренбургского и Астраханского месторождений.
Впервые создан комплекс технических средств и организационно -методических решений, позволяющий эффективно снижать техногенные риски при разработке нефтяных и газовых месторождений путем безопасного выполнения аварийных работ в условиях горения выброса пла
- 9 -ового флюида, включая средства и методы теплового воздействия на арийный выброс, его оперативной ликвидации, а также средства заши-i промышленного и аварийного персонала.
Практическое использование теоретических результатов работы, а кже внедренных организационно - методических решений и техниче-:их средств широко осуществляется в отечественной и зарубежной га-вой промышленности с 1980 г.
1.8. Апробация работы.
Основные научные положения и практические результаты работы юднократно доложены, обсуждены, одобрены и рекомендованы к ис-)льзованию на научно-технических семинарах, конференциях, симпо-іумах, включая Международные газовые конгрессы, Международный эрум по проблемам экологии (Москва, 1994 г.). Основные технические мнения, разработанные автором удостоены медалей ВДНХ, Диплома гавного комитета ВДНХ N 119 - Н от 05.11.1986 г., организационно-етодические положения использованы в составе Федеральных и отрас-:вых нормативных актов по промышленной безопасности, включая равила безопасности в нефтяной и газовой промышленности, а также циную систему управления охраной труда в газовой промышленности.
1. 9. Реализация результатов работы
Организационно - методические и технические решения, отра-ающне основные результаты работы введены в состав основополагаю-их Федеральных и отраслевых нормативных актов по промышленной гзопасности в нефтяной и газовой промышленности, включая " Прави-i безопасности в нефтяной и газовой промышленности ", и Инструкцию э безопасному ведению работ при разведке и разработке нефтяных га->вых и газоконденсатных месторождений с высоким содержанием серо-адорода ", " Единую систему управления охраной труда в газовой про-ышленности ".
Практическая реализация научно обоснованных методов снижения техногенных рисков осуществлена в конкретных технических техноло
- 10 -гических и организационно - методических решениях, включенных в проектную документацию на обустройство Астраханского Оренбургского Тенгизского и других нефтяных и газовых месторождений.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в учебно - методических пособиях для подготовки и повышения квалификации инженерного персонала объектов топливно - энергетического комплекса и аварийных служб.
Научно обоснованные технические технологические и конструкторские решения реализованы в конкретном оборудовании для предотвращения, локализации и ликвидации аварийных выбросов, находящемся на вооружении военизированных противофонтанных и газоспасательных служб во всех нефтегазовых регионах России.
1.10. Публикации.
Основное содержание диссертации изложено в двух монографиях, четырнадцати авторских свидетельствах, десяти научно - технических обзорах и в 26 статьях.
