Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Хозяйственная деятельность, обуславливающая риск разливов углеводородов в замерзающих морях 10
1.1. Нефтегазоносность и перспективы освоения месторождений и транспортировка жидких углеводородов на континентальном шельфе 10
1.1.1. Потенциал нефтегазоносности и перспективы освоения месторождений 10
1.2.1. Схемы транспорта жидких углеводородов на акваториях замерзающих морей 12
1.2. Физико-географическая характеристика замерзающих морей ісоїггинентального шельфа России 14
1.3. Последствия нефтяных разливов при освоении месторождений и транспорте углеводородов 17
1.3.1. Крупнейшие разливы нефти в мире 20
1.3.2. Катастрофа танкера «Эксоы Валдез» 22
1.3.3. Современное состояние систем ликвидации разливов нефти в России 23
1.3.4. Аварии и разливы нефти в Баренцевом и Белом морях 24
1.4. Обоснование задач исследования 26
ГЛАВА 2. Оценки объемов углеводородного загрязнения морской среды и их эколого-экономических последствий 30
2.1. Анализ статистических показателей безопасности проектов освоения и обустройства морских месторождений нефти и газа 30
2.2. Показатели аварийности отдельных операций при освоении морских месторождений 34
2.2.1. Аварийность морских платформ 34
2.2.2. Аварийность танкерных перевозок углеводородов 37
2.2.3. Аварийность морского трубопроводного транспорта 39
2.3. Методики оценки риска возникновения разливов при авариях на платформах и трубопроводах 40
2.4. Методика оценки риска возникновения разливов при перевозках нефти .45
2.4.1. Исходные данные для оценки риска 46
2.4.2. Расчет показателей аварийности 47
2.4.3. Анализ результатов и разработка рекомендаций 51
2.5. Оценки экономического ущерба при разливах углеводородов 54
Выводы по главе 2 58
ГЛАВА 3. Техника и технология обнаружения и ликвидации нефтяных загрязнений в замерзающих морях 59
3.1. Физические и химические процессы преобразования углеводородов в морской среде 59
3.1.1. Распространение и преобразование нефтяных углеводородов 59
3.1.2. Особенности физико-химического преобразования нефтяных углеводородов в ледовых условиях 62
3.2. Обнаружение нефти и мониторинг разлива 68
3.2.1. Методы и оборудование для дистанционного обнаружения нефти 68
3.2.2. Буи - передатчики сигналов 71
3.2.3. Оборудование для работ на месте разлива 71
3.2.4. Особенности обнаружения нефти в ледовых условиях 72
3.3. Локализация разливов и очистные операции 72
3.3.1. Локализация разлива в ледовых условиях 73
3.3.2. Механический сбор нефти 74
3.3.3 Сжигание нефти 76
3.3.4. Использование диспергентов 77
3.3.5. Использование сорбентов 78
3.4. Выбор технологий и технических средств для проведения операций ЛРН в
замерзающих морях 78
3.5. Обоснование теоретической модели перемещения загрязненного нефтью льда 81
Выводы к главе 3 86
ГЛАВА 4. Направления совершенствования систем ЛРН 88
4.1. Нормативно-правововая база в области предупреждения и ликвидации разливов нефти 88
4.1.1. Ответственность за подготовку и проведение операций ЛРН 88
4.1.2. Анализ действующих нормативных критериев по проведению операций ЛРН 90
4.2. Финансовое обеспечение операций ЛРН 93
4.2.1. Оценка затрат на создание и модернизацию подразделений ЛРН 94
4.2.2. Зарубежный опыт по финансированию операций ЛРН 95
4.2.3. Международная трехуровневая система компенсаций ущерба, вызванного нефтяным загрязнением 97
4.3. Взаимодействие государства, нефтегазовых компаний и других заинтересованных сторон в области ЛРН 100
4.3.1. Национальные системы ЛРН 100
4.3.2. Кооперативы и региональные организации ЛРН 105
4.4. Рекомендации по совершенствованию систем ЛРН 108
4.4.1. Основные требования законодательства 108
4.4.2. Задачи информационного обеспечения ПО
4.4.3. Определение нормативных требований, разработка технико-технологических решени 111
Выводы по главе 4 112
Заключение 113
Список литературы 114
- Физико-географическая характеристика замерзающих морей ісоїггинентального шельфа России
- Методики оценки риска возникновения разливов при авариях на платформах и трубопроводах
- Особенности физико-химического преобразования нефтяных углеводородов в ледовых условиях
- Международная трехуровневая система компенсаций ущерба, вызванного нефтяным загрязнением
Введение к работе
Актуальность темы Согласно Энергетической стратегии России основные объемы прироста запасов, увеличение и стабилизацию добычи углеводородного сырья планируется осуществлять за счет континентального шельфа, в первую очередь, арктического. Как заявил В.В. Путин: «Особое стратегическое значение для России имеет освоение природных богатств арктической зоны и континентального шельфа. Как известно, все перспективные запасы газа находятся в море. И здесь альтернативы морским технологиям нет». Однако шельф арктических и дальневосточных морей представляется наиболее трудным с точки зрения доступности для освоения, что добавляет еще один уровень технико-технологической сложности к задачам прогнозирования возможных последствий, обоснованию принципов и методов обеспечения промышленной и экологической безопасности.
По этим причинам исследования проблем надежной и безаварийной эксплуатации арктических морских промыслов и транспортировки продукции, среди которых особенно важными являются предотвращение и ликвидация аварийных разливов жидких углеводородов в труднодоступных районах с суровыми климатическими и ледовыми условиями, а также отсутствии необходимых объектов береговой инфраструктуры являются весьма насущными. Поэтому совершенствование систем ликвидации разливов нефти (ЛРН) является актуальной задачей исследований.
Цель диссертационной работы: разработка методов и совершенствование систем обнаружения и ликвидации разливов нефти в замерзающих морях.
Для достижения указанной цели в работе рассмотрены вопросы информационного, технического и организационного обеспечения планирования и проведения операций ЛРН.
Информационное обоснование разработок основывается на средствах и способах сбора, накопления, обработки и использования данных о процессах эксплуатации существующих систем ЛРН, результатов анализа сведений по мерам предупреждения, ликвидации и защиты от последствий разливов жидких углеводородов. Количественная оценка риска, основанная на соответствующей статистике, позволяет разработать и принять обоснованные решения по совершенствованию систем и управлению работами по борьбе с разливами.
Техническое обоснование разработок определяется современным уровнем развития техники и технологии ликвидации нефтяных разливов вх
замерзающих морях, а также нормативными требованиями оперативного реагирования и деятельности при возникновении разлива.
Организационное обоснование включает в себя планирование и реализацию работ по созданию технического оснащения подразделений ЛРН, совершенствование самой организационной структуры, обеспечивающей высокую эффективность деятельности, и т.д.
Основные задачи исследований
Оценка риска возникновения и объемов разливов нефти при технологических операциях по добыче и транспортировке нефти и газа на шельфе замерзающих морей;
Оценка эколого-экономических последствий нефтяных разливов при реализации нефтегазовых проектов в замерзающих морях;
Моделирование распространения нефтяного разлива в ледовых условиях;
Анализ применимости физико-химических методов обнаружения, локализации и ликвидации нефтяных разливов в ледовых условиях;
- Разработка технических требований к судовым системам проведения
операций ЛРН в замерзающих морях;
— Разработка рекомендаций по совершенствованию систем ЛРН на
объектовом, региональном и национальном уровнях, включая
нормативно-правовое, финансовое и информационное обеспечение.
Научная новизна заключается в комплексном междисциплинарном подходе к технической организации процессов планирования, обнаружения, локализации и ликвидации аварийных разливов жидких углеводородов с учетом реальных океанологических факторов ледовитых морей и формулируется в следующих основных положениях.
Разработана методика количественной оценки риска и возможных объемов разливов нефти на различных технологических объектах обустройства месторождений в замерзающих морях, основанная на анализе существующих статистических показателей, практике эксплуатации технических средств и требованиях нормативного реагирования при возникновении аварийных ситуаций. Обоснована теоретическая модель движения загрязненного нефтью льда, использование которой позволяет квалифицированно планировать операции ЛРН в замерзающих морях.
Разработаны технические требования к судовым системам ликвидации разливов нефти в замерзающих морях, а также метод определения необходимого количества технических средств, оборудования и персонала для оснащения региональных систем ЛРН. Проведен комплексный анализ
состояния российской нормативно-правовой базы и оснащения бассейновых аварийно-спасательных подразделений Минтранса РФ, на основе которых разработаны рекомендации по совершенствованию объектовых, региональных и национальной систем ЛРН в замерзающих морях.
На защиту выносятся
Методика оценки риска, объемов и эколого-экономических последствий разливов нефти при технологических операциях по добыче и транспортировке жидких углеводородов на шельфе замерзающих морей.
Теоретическая модель перемещения загрязненного нефтью льда, позволяющая прогнозировать траекторию нефтяного разлива и планировать операции ЛРН в замерзающих морях.
Метод определения необходимых технических средств, оборудования и персонала для оснащения региональных систем ЛРН и обоснование технических требований к судовым системам ликвидации разливов нефти в замерзающих морях.
Рекомендации по совершенствованию систем ЛРН, включая нормативно-правовое, финансовое и информационное обеспечение.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Результаты работы направлены на научно-обоснованный выбор стратегии борьбы с углеводородными разливами в замерзающих морях и обоснование технических и организационных требований по созданию новых и совершенствованию существующих объектовых и региональных систем ЛРН в замерзающих морях России.
Результаты работы использованы при разработке:
«Программы освоения ресурсов углеводородов на шельфе Российской Федерации до 2030 года» (2005) и Корректировке «Программы освоения ресурсов углеводородов на шельфе Российской Федерации до 2030 года» (2009);
«Плана мероприятий по охране окружающей среды при освоении Приразломного нефтяного месторождения»;
«Плана ликвидации аварийных разливов нефти Варандейского нефтяного терминала».
Апробация работы
Положения диссертационной работы обсуждались на международных конференциях «Освоение шельфа арктических морей России» RAO-2005 и RAO-2007 (Санкт-Петербург, 2005 и 2007 гг.), «Безопасность морских
сооружений» SOF-2007 (Москва, 2007), «Управление рисками и устойчивое развитие ЕСГ России» RIMS-2006 (Москва, 2006), «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток» ROOGD-2006 (Москва, 2006), семинаре МЧС «Современные требования в области предупреждения чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2005), а также на заседаниях секции Ученого Совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 1 в издании, включенном в «Перечень...» ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные результаты с выводами, список использованной литературы из 99 наименований. Содержание изложено на 117 страницах машинописного текста и включает 17 рисунков и 33 таблицы.
Физико-географическая характеристика замерзающих морей ісоїггинентального шельфа России
Рассматриваемая область включает нефтегазоносные шельфы и прибрежную зону арктических (Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского), дальневосточных (Берингова, Охотского и Японского) и других замерзающих (Балтийского и Белого) морей Российской Федерации.
При разработке нефтегазовых месторождений и транспортировке продукции скважин на акваториях замерзающих морей ледяной покров оказывает мощное силовое воздействие на гидротехнические сооружения и суда, что заставляет усиливать конструкции, а это, в свою очередь, приводит к значительному удорожанию проектов освоения месторождений.
Кроме того, ледяной покров и ледовые образования увеличивают риск аварийного загрязнения морской среды углеводородами и серьезно осложняют производство работ по их ликвидации, а в некоторых случаях делают их проведение невозможным.
В данной акватории существуют как однолетние, так и многолетние льды. Генезис последних обусловлен выносом льда из Арктического бассейна через проливы восточнее Шпицбергена и ограниченным периодом времени, в течение которого происходят процессы таяния в северных районах моря. Не растаявшие в зимний период льды дрейфуют в юго-западном направлении и перемешиваются с вновь образовавшимися молодыми льдами.
Ледовитость моря широко варьируется при максимуме в марте и минимуме в сентябре [10]. Юго-западная часть моря, как правило, свободна ото льда. В зимний период ледяные поля в данном районе часто подвергаются воздействию циклонов, что приводит к торошению. Для однолетнего льда характерна толщина в пределах 0.4-1.5 м, но может достигать и значений 2-2.5 м. Для многолетнего льда наиболее характерна толщина 3-5 м [78, 98]. Айсберги в Баренцевом море относительно малы с максимальной толщиной около 100 м. Зубов Н.Н. [15] считал, что основным источником айсбергов является Земля Франца-Иосифа. Район Печорского моря характеризуется суровыми условиями: среднегодовая температура воздуха ниже 0С, а средняя минимальная температура воздуха, возможная 1 раз в 100 лет, может достигать -50С [52]. Ледовый период продолжается с ноября до конца июля [26]. Восточная часть Печорского моря характеризуется более суровыми условиями, чем западная: например, средняя продолжительность ледового периода в западной части моря составляет 185 дней, в то время как в восточной - 240 дней [28]. Максимальная ледовитость развивается в марте-апреле и достигает 100%. Толщина ровного льда колеблется от 0.5 до 1.6-1.7 м, при средней толщине около 1.1-1.3 м [91]. В большинстве случаев площадь ледяных полей составляет 0.2-4 км , но иногда встречаются и гигантские поля. Среднее время формирования ледового покрова вблизи г. Архангельска - середина ноября, средняя продолжительность ледового периода - 175 дней. Толщина льда припая в южной части Белого моря обычно составляет 0,5 — 0,8 м. Средняя ледовитость моря составляет 70 — 80 %. Средняя сплоченность дрейфующего льда составляет 8-10 баллов. Толщина дрейфующего льда варьируется в пределах 1.4-1.6 м и может достигать 2.0 м. Толщина наслоенного льда достигает 3.0 м. Сплоченность льда равна 10 баллам (с вероятностью 0.75-1.0) [79]. Чаще всего встречаются льдины с размером 300-800 м. В районе дрейфующего льда встречаются поля многолетнего льда, но доля их не более 10%. Максимальная скорость дрейфа составляет 0.5-0.6 м/с [59]. Припай формируется очень быстро и простирается, примерно, на 20 км мористее. На западном побережье п-ва Ямал ширина припая может достигать 40 км (район глубины моря 20 м). Толщина припая колеблется от 1 до 2-х метров. Многолетние торосы и стамухи в данном районе не наблюдаются [79]. Охотское море Охотское море значительно вытянуто в направлении с севера на юг, что создает существенные различия в ледовом режиме отдельных его акваторий. В Охотском море присутствует только однолетний лед. Максимального значения ледовитость достигает во вторую декаду марта: в суровые зимы почти вся (около 97%) поверхность моря покрыта льдом, а в теплые - 67%. Средняя продолжительность ледового периода на севере моря составляет 230-240 дней, у мыса Елизаветы (о. Сахалин) - 200 дней и уменьшается до 170-180 дней к центральной части острова. Основными факторами, вызывающими дрейф льда, является ветер, приливные и постоянные течения. Динамические факторы способствуют частому разлому ледяного покрова и торосообразованию. Толщина нарастающего в течение зимы льда составляет 0.8-1.2 м, наслоенный лед может достигать 2.5 м. Стамухи распространены повсеместно в прибрежной зоне, особенно, от берега и до глубины 10 м, при этом число стамух на квадратный километр может достигать 75. Максимальная зафиксированная осадка киля стамухи равна 26 м [2]. Берингово море относится к морям со сложным ледовым режимом, особенно в северной части. Формирование и распространение льда в море обусловлено главным образом характером атмосферной циркуляции, сложной береговой линией и обширными мелководьями в северо-западной и особенно в северо-восточной части. К концу декабря ледовитость моря увеличивается до 20-30% (в лёгкие зимы — до 10%), при этом граница плавучих льдов почти не выходит за пределы 100-метровой изобаты. В зимы с малым распространением льда максимум ледовитости, не превышающий 20%, приходится на февраль. Под воздействием северных ветров молодые льды сплоченностью 9-10 баллов смещаются к югу на открытые участки шельфа, где под действием сильного ветра и волнения не только дробятся до размеров битого льда, но вследствие надвигов и торошения увеличивают толщину до 1.20 м и более уже в начале зимы.
На севере моря дрейфующий лед в среднем отмечается в течение 8-10 месяцев, а после суровых зим - на протяжении всего лета. В районах, прилегающих к Камчатке, наибольшая продолжительность ледового периода отмечается в Укинской губе - 190-200 дней, в экстремально ледовые зимы -до 240-250 дней. В других районах моря лед держится обычно не более 160-180 дней.
В Балтийском море наблюдается только однолетний лед. Ледовый период длится до 7 месяцев и максимальная толщина ледяного покрова достигает 1.2 м (в северной части Ботнического залива). Среднегодовая максимальная толщина ровного льда в северной оконечности Ботнического залива равна 0.7-1.0 м. В Финском заливе средняя толщина ровного льда равна, примерно, 0.4 м, в восточной части залива может достигать 0.7 м. Соленость льда довольно низкая - не более 1%о [77].
Частые деформации ледяного покрова способствуют формированию торосов. Толщина торосов лежит в пределах 5-15 м, максимальная - может достигать 30 м. Торосистость льда Ботнического залива составляет 1-2 балла, и торосы являются главным препятствием для судов в зимнее время.
Методики оценки риска возникновения разливов при авариях на платформах и трубопроводах
Исходя из средних значений вероятностей, приведенных в табл. 1.8 и 1.9, вычисляются математические ожидания объемов нефтяных углеводородов, попадающих в морскую среду при аварийных ситуациях за периоды разработки месторождений, которые составляют: для нефтегазового месторождения 24786 м , для газоконденсатного месторождения 8452 м . Применительно к месторождениям присахалинского шельфа обобщенный, анализ физико-химических свойств нефтей и газоконденсатов показывает, что наиболее характерным загрязнителем морской среды будет легкая и маловязкая нефть (62,5% ожидаемой вероятности) метано-нафтенового или нафтено-метанового типа с периодом полураспада 12 часов. Следующим по вероятности распространения (27,5%) являются газоконденсаты с периодом полураспада 5 часов. Наиболее "долгоживущим" загрязнителем морской среды является тяжелая высокосмолистая нефть (10 % ожидаемой вероятности) с периодом полураспада более 20 часов.
Равновесная масса легкой нефти, остающейся на поверхности воды при фонтанировании скважины с дебитом и 700 т/сут., оценивается в « 520 т. При фонтанировании газоконденсатной скважины равновесное количество конденсата на поверхности воды составит « 217 т. Для тяжелой нефти равновесное количество будет « 865 т. Площади углеводородных пятен при указанных количествах составят соответственно не менее 580 км -для легкой нефти, 270 км - для газоконденсата и 910 км - для тяжелой нефти.
Оценка риска возникновения разливов нефти является важным этапом разработки планов ЛРН, поскольку на ее основе определяются, исходя из возможных объемов разлива, требования к количеству и составу оборудования ЛРН и, в конечном итоге, затраты на создание системы ЛРН.
Разливы нефти могут произойти на различных этапах освоения морских месторождений: буровых работах, строительстве, эксплуатации. Однако сейчас в России масштаб этих операций по-прежнему невелик, и на сегодняшний день основную опасность представляют перевозки углеводородов, добытых на суше.
В действующих российских нормах [37, 38] максимально возможный объем разлива нефти для танкера определяется как вместимость двух танков (например, для танкера дедвейтом в 70 тыс. тонн объем разлива может составить 14 тыс. тонн). Этот подход является весьма консервативным, не учитывает существенные различия в условиях навигации и интенсивности судоходства в многочисленных морях России и различия в конструкции танкеров [13].
Существующие нормы устанавливают ответственность для перевозчиков и не затрагивают вопросы комплексной оценки безопасности перевозок, т.е. неясно, например, насколько увеличатся риски при увеличении грузопотока в 2 раза. Разработанная методика оценки риска возникновения разливов при перевозках нефти позволяет решать широкий круг задач: Определение общего уровня риска по региону; Определение участков (маршрутов, портов и т.д.) с максимальным уровнем риска; Определение частоты разливов различных объемов (уровней); Определение вклада различных факторов в общую величину риска. Возможность получения обоснованных результатов напрямую зависит от наличия необходимых данных и их качества. Методика включает три основных этапа (см. рис. 2.3): 1. Сбор исходных данных. 2. Расчет показателей аварийности 3. Анализ результатов и разработка рекомендаций. Ниже представлено общее описание методики и ее использование на примере Баренцева моря. Для проведения оценки риска используются следующие исходные данные: 1. Существующие и планируемые объемы перевозок (таблица 1.1), информация о водоизмещении танкеров, используемых на различных маршрутах [13]. 2. Статистическая информация 4х баз данных по разливам нефти (описание представлено в разделе 2.1): а. База данных Службы управления минеральными ресурсами США (US Mineral Management Service) [48] б. База данных международного фонда по предотвращению загрязнения от танкеров (International Tanker Owners Pollution Fund ITOPF) в. База данных Хельсинской Комиссии HELCOM [87] г. База данных о морских авариях береговой охраны Канады - Canadian Maritime Casualty Information System [ссылка] Все указанные статистические источники отражают общемировую тенденцию к снижению числа аварий на танкерном флоте, уменьшению количества разливов, общего и среднего их объемов. Это обусловлено как техническими (переход к использованию двухкорпусных танкеров, новые системы навигации, подготовка экипажа, улучшенные правила судоходства), так и экономическими причинами (выгодность вложений в системы безопасности, высокие штрафные санкции при возникновении разливов).
Также во всех базах отмечено, что для разливов малых объемов статистика является приблизительной, поскольку информация о них предоставляется не всегда и часто бывает неполной.
Основной сложностью использования указанной статистики является недостаток данных по замерзающим морям, имеется ограниченный объем информации по морю Бофорта [48] и восточному побережью Канады.
Сейчас невозможно точно определить, насколько та или иная методика подходит к условиям Баренцева моря, поскольку не имеется надежных данных о перевозках в рассматриваемом регионе, позволяющих проверить теоретические расчеты. Поэтому в предлагаемой методике используются три основных подхода к оценке риска возникновения разливов: 1) по грузообороту, 2) по объему перевозок, и 3) по числу заходов в порты. На основе данных таблицы 1.1 были оценены следующие параметры транспортной системы Баренцевого моря:
Расчет показателей аварийности может производиться для рассматриваемой акватории в целом и для отдельных районов, портов, терминалов и т.д. Детальное исследование региона позволяет точнее определить необходимые мероприятия по обеспечению безопасности с учетом различной экономической и экологической важности отдельных пунктов и районов. Для проведения такого расчета требуется полный перечень данных о движении судов (транспортных и других) и произошедших аварийных ситуациях. Необходимо признать, что на сегодняшний день получить такую информацию по Баренцеву морю крайне сложно, а сведения об авариях часто скрываются. По этой причине на основе имеющихся данных были расчитаны показатели аварийности по Баренцеву морю без детализации по районам.
Оценка риска на основе статистических данных по грузообороту выполнена по двум статистическим базам: базе ITOPF (сведения о разливах в мире) и базе Canadian Maritime Casualty Information System (сведения о разливах в восточном секторе канадской Арктики, регионе, наиболее близком по природным условиям к российским замерзающим морям).
При этом следует отметить, что статистика ITOPF в подавляющем большинстве случаев относится к однокорпусным и двухкорпусным танкерам неледового класса, а в восточном секторе канадской Арктики используются танкеры ледового класса.
Особенности физико-химического преобразования нефтяных углеводородов в ледовых условиях
Распространение нефти по поверхности воды обуславливается силой тяжести, максимальные размеры нефтяного пятна определяются вязкостью нефти и силами поверхностного натяжения. В исследовании Фэя [62] выделено три основных фазы распространения: 1) гравитационно-инерционная; 2) гравитационно-вязкостная; 3) фаза, при которой силы вязкости уравновешиваются силами поверхностного натяжения.
При этом нефть теряет летучие и водорастворимые фракции, оставшиеся более тяжелые и вязкие тормозят процесс растекания. В первые несколько суток часть фракций нефти переходит в газовую фазу (легкие нефти - до 75%, средние - до 40%, тяжелые - до 5-10%) [63].
Часть нефти, оставшаяся на поверхности воды в виде пленки, подвергается воздействию гидрологических и метеорологических факторов. Достигая критической толщины в 0,1 мм, нефтяное пятно распадается на более мелкие фрагменты. Нефть дрейфует по направлению ветра со скоростью, составляющей 3-4% от скорости ветра [26]. При сильном волнении происходит быстрое рассеивание нефти в слое активного перемешивания, значительная часть ее эмульгируется.
Многие исследователи [23, 27, 60] отмечают, что до 15% нефтяных углеводородов могут растворяться. Прежде всего, это низкомолекулярные алканы и ароматические углеводороды. Процесс растворения более длителен, чем процесс испарения, в большей мере зависит от природных условий. Однако другие авторы утверждают, что нефть слабо растворима (менее 1% углеводородов).
Возможно образование двух типов эмульсий: вода в нефти и нефть в воде. Первый тип возникает при сильных штормах в районе разлива тяжелых нефтей с повышенным содержанием нелетучих фракций. Такие эмульсии могут существовать до 100 дней, их устойчивость возрастает с понижением температуры.
Эмульсии типа «нефть в воде» представляют суспендированные в воде капельки нефти. Эти образования неустойчивы из-за действия сил межповерхностного натяжения.
Наряду с вышеописанными физическими процессами в нефтяном пятне возникают процессы химического преобразования. Их проявление заметно не ранее, чем через сутки после попадания нефти в морскую среду. Преобладают процессы окисления, сопровождающиеся фотохимическими реакциями, вызванными ультрафиолетовым излучением. В сернистых нефтях данные реакции замедленны, так как сера в данном случае является ингибитором: Конечные продукты окисления обладают повышенной токсичностью. Фотохимические реакции повышают вязкость нефти, повышая содержание смолистых и асфальтеновых компонентов, тем самым, способствуя образованию твердых нефтяных агрегатов [60].
Около берега и на мелководье происходит седиментация отдельных компонентов нефти. От 10 до 30% углеводородов может осесть на дно при наличии достаточного количества взвесей в воде и активного перемешивания водных масс. Тяжелые нефти более подвержены седиментации.
Наряду с физической седиментацией происходит биоседиментация -фильтрация планктоном эмульгированной нефти и осаждение ее на дно вместе с организмами и продуктами их жизнедеятельности. При попадании на дно нефтяные углеводороды становятся значительно более устойчивыми, скорость окислительных процессов резко замедляется, следствием чего становится захоронение нефти на неопределенный срок. Имеются свидетельства того, что даже через 20 лет после разлива в донных отложениях сохраняются значительные количества нефти [60].
Биохимические процессы разложения нефти определяют конечную судьбу большинства оставшихся в морской среде нефтяных углеводородов. Около 100 видов бактерий и грибов способны использовать компоненты нефти в качестве среды роста. В районах нефтяного загрязнения численность этих микроорганизмов достигает 1-10% от общего числа гетеротрофных бактериальных сообществ (в обычных условиях численность не превышает 0,1-1%) [27].
Деградация нефти происходит в результате ряда ферментных реакций на основе оксигеназ, дегидрогеназ и гидролаз. Больше других подвержены биохимическому разложению алканы, при увеличении сложности молекулы скорость деградации значительно снижается.
Нефтяные агрегаты (смолисто-мазутные комки и шарики) образуются после растворения и испарения легких фракций, эмульгирования, химического и микробного разложения. Химический состав агрегатов изменчив, большую часть обычно составляют асфальтены и высокомолекулярные соединения тяжелых фракций. Нефтяные агрегаты представляют собой липкие образования неправильной формы размером 1 мм- 10 см.
Нефтяные агрегаты могут существовать несколько лет в открытом океане и до года во внутренних морях. Они медленно разрушаются в толще воды, на берегу или на дне после потери плавучести.
Обобщая вышесказанное, нужно сказать, что итогом описанных процессов является полное преобразование нефти: потеря первоначальных свойств, разделение на фракции, изменение химического состава компонентов, рассеяние и распад вплоть до полного исчезновения исходных и промежуточных компонентов с образованием углекислого газа и воды [27].
Физическое распределение и характеристики нефти, разлитой подо льдом, над ним или между льдинами, имеют решающее значение при определении наиболее эффективных методов реагирования на различных стадиях нарастания и таяния льда. Физико-химическое преобразование углеводородов в ледовых условиях определяется рядом важных процессов, часть из которых показана на рис.3.1 и описана ниже.
Международная трехуровневая система компенсаций ущерба, вызванного нефтяным загрязнением
Механический сбор считается основным способом удаления как сырой, так и эмульгированной нефти из морской среды. Преимуществами метода являются универсальность применения и экологичность, а недостатками -высокая трудоемкость и существенные ограничения по гидрометеорологическим условиям. Для механического сбора требуются различные судовые средства, нефтесборщики (скиммеры), системы сепарации нефти и воды, танки для хранения собранной смеси нефти и воды, прочее вспомогательное оборудование, но наиболее важным условием является наличие хорошо подготовленной команды специалистов.
Практически сбор нефти подразделяется на два этапа: отделение крупных льдин размером более 2 м, и сбор нефти с мелкобитым льдом. Передняя сторона нефтесборщика имеет форму остроугольного треугольника, что позволяет пропускать крупные льдины над или под ним (рис. 3.3). Нефть с небольшими кусками льда проходит через отверстия и собирается у задней стенки, затем с помощью одного из устройств, которые рассматриваются ниже, поднимается на борт в сепарационную установку, где происходит окончательное отделение нефти от кусков льда и воды. Процесс разделения может быть ускорен применением вращающихся барабанов, щеток, вибрационных устройств, подачей воздуха снизу и т.д.
Способы сбора и подъема собранной нефти на борт судна основываются на двух основных принципах: 1) адгезионной способности нефти и 2) инжекции нефти потоком воздуха. Основными видами нефтесборных устройств (скиммеров) являются воздушный конвейер, щеточное и щеточно-барабанные устройства, канатное устройство.
Канатное нефтесборное устройство является наиболее распространенным на практике. Существующие устройства могут устанавливаться на судах-катамаранах, подвешиваться к судовым кранам. Для эффективной работы при низких температурах для канатных нефтесборников были добавлены системы подачи горячей воды на впитывающие элементы, установлен насос в нефтесборном устройстве, усовершенствованы отжимные механизмы, повышена устойчивость к низким температурам и т.д. Возможно применение нескольких канатных нефтесборников, расположенных рядом друг с другом. Большим преимуществом вертикально действующего устройства является отсутствие необходимости обработки льда и поэтому оно может размещаться в любом месте в районах с высокой концентрацией нефти. Канатное нефтесборное устройство является надежным средством при работах в условиях ледяной каши.
Устройства щеточного и щеточно-барабанного типа используют принцип адгезии (рис. 3.4). Нефть прилипает к поверхности барабана и размещенных на нем щетках и далее удаляется гребнечесальным механизмом и/или скребком. Нередко применяются несколько (два или более) щеточно-барабанных узлов, расположенных один за другим. Щеточно-барабанные узлы имеют щетину разной жесткости - каждой тип жесткости предназначен для выполнения определенной функции, т.е. удаление нефти на льду и водной поверхности, сбор ее между льдинами или отвод льда от установки. Щетина должна быть изготовлена из гибкого и очень прочного материала, чтобы избежать повреждений от постоянного трения о лед. Штыри, равномерно размещенные между щетиной, защищают щетки от чрезмерного изгиба. Такие параметры, как длина и жесткость щетины, диаметр барабана, угол атаки между щеточным барабаном и поверхностью, количество щеточно-барабанных узлов и скорость их вращения являются важными факторами, влияющими на эффективность сбора нефти.
В воздушном конвейере (рис. 3.6) смесь нефти, воды и льда переносится воздушным потоком по шлангу в разделительную камеру, где оставшийся лед отсеивается на перфорированном экране. Смесь нефти и воды поступает на сепаратор. Воздушный конвейер достаточно эффективен, оборудование сравнительно невелико. Основной технической проблемой является замерзание шлангов, для этого разработаны различные системы подогрева или продувки паром.
Сжигание нефти является наиболее быстрым и производительным методом удаления нефти из морской среды, но в большинстве случаев может быть произведено лишь в сравнительно короткое время после возникновения разлива. Сжигание существенно экономичнее механического сбора, но требует специального оборудования (огнестойких бонов и системы поджога), которое не всегда включается в состав технических средств ЛРН.
В 90е годы проводились многочисленные исследования и полевые эксперименты по технологии сжигания нефти в море. Большинство из них проводилось в сравнительно комфортных условиях (непосредственно после разлива, на спокойной воде) и показало хорошие результаты с эффективностью сжигания: 70-90% объема для сырой нефти и 40-60% для эмульсий. В экспериментах были определены необходимые условия для эффективного сгорания: минимальная толщина пленки 1-3 мм для сырой и 3-5 мм для эмульгированной нефти, высота волн не более 1 м, скорость течения менее 0,5 м/с [5].
Технические средства для сжигания включают комплект огнестойких бонов и систему поджога. Огнестойкие боны разрабатываются с начала 80х годов, и в настоящее время существует несколько десятков видов, различающихся по типу материалов, максимально допустимой температуре (т.е., по допустимой длительности сжигания), скорости развертывания и т.д. Системы поджога также достаточно многочисленны, наиболее распространены горелки, подвешиваемые к вертолету или устанавливаемые на борту судов.
Широко известен метод ликвидации разливов нефти при помощи диспергентов - химических веществ, активизирующих процессы диспергирования нефти в водной толще. Диспергенты являются поверхностно-активными веществами, снижающими межфазное натяжение на границе нефть - вода и способствующими образованию взвешенных в воде глобул нефти диаметром 1-5 мкм. В результате этого нефтяное пятно исчезает с поверхности и рассеивается в водной толще. Под воздействием диспергентов глобулы нефти не прилипают к находящимся в воде частицам или донным отложениям. При использовании современных препаратов отпадает необходимость перемешивать диспергент, нефть и воду. Диспергенты сами хорошо смешиваются с нефтью и водой, что позволяет использовать их, распыляя с вертолетов и самолетов. Однако применение диспергентов связано с многочисленными трудностями и ограничениями: в первую очередь, многие эксперты считают, что нефтяное загрязнение перемещается в водную толщу, но не удаляется из морской среды, поэтому говорить об «очистке» в этом случае можно со значительной долей условности. Именно поэтому в большинстве стран применение диспергентов требует специального разрешения; технически сложно обеспечить оптимальное соотношение объемов в смеси диспергент - нефть, поскольку в нефтяном пятне чередуются участки с различной толщиной пленки, при этом разница в толщине изменяется в 10 и более раз; эффективность диспергентов резко снижается при повышении вязкости нефти, т.е. их применимость в холодных водах замерзающих морей требует отдельного исследования; для распыления диспергентов используется авиация, что не позволяет обеспечить высокую точность применения. В настоящее время в России не имеется каких-либо специальных требований к использованию диспергентов, что на практике означает необходимость получения согласований от природоохранных ведомств.
