XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нейтрализация нефтяного загрязнения в акватории реки
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Мы проживаем в Ямало-Ненецком автономном округе, у нас находиться 15 крупных месторождений нефти:
Русановское месторождение
Ленинградское месторождение
Бованенковское месторождение
Новопортовское месторождение
Западно-Мессояханское
Восточно-Мессояханское месторождение
Пякяхинское месторождение
Находкинское месторождение
Южнорусское месторождение
Еты-Пуровское месторождение
Заполярное месторождение
Медвежье месторождение
Уренгойское месторождение
Ямбургское месторождение
Русское месторождение.
Фото 1. Карта месторождений Ямала.
В 2020 году рядом с моим поселком Тазовский началась разработка 16 Тазовского месторождения.
Добытая на Ямале нефть составляет около 15% от запасов нефти в российской федерации. На сегодняшний день Россия занимает первое место по добычи нефтегазовых ресурсов.
Работа нефтегазовой системы сопряжена с большими рисками и за частую могут случаться нештатные аварийные ситуации, такие как порыв нефтепровода и разлив нефти в окружающую среду.
В 2020 году произошел масштабный разлив нефтепродуктов в Норильске. При разгерметизации бака с дизельным топливом на ТЭЦ-3 в Кайеркане. Это одна из крупнейших утечек нефтепродуктов в арктической зоне в истории, создающая угрозу для экосистемы Северного Ледовитого океана.
Наибольшую опасность для окружающей среды представляют разливы нефти в акваториях рек, морей и океанов. Аварийный разлив нефтепродуктов охватывает немалые площади. На отдельных месторождениях количество разливов порой достигало нескольких аварий в день. Но вовремя принятые меры помогали стабилизировать ситуацию и уменьшить негативные последствия. Следует заметить, что не всегда сразу удается ликвидировать причины аварии из-за невозможности быстро подоспеть к месту происшествия. И, как следствие, нефть заливает значительные угодья и попадает в воду. Ежегодное количество разливающейся нефти в России в среднем составляет 19-20 млн. тонн в год, а это около 7% добычи.
Разливы нефти в акваториях рек морей и океанов несут огромную угрозу для экосистемы. Течение в акватории быстро растягивает нефтяное пятно на многие десятки, а то и сотни километров и порой небольшой выброс превращается в глобальную катастрофу.
На сегодняшний день специалистами безопасности нефтегазовой отросли, отработаны некоторые схемы, приемы и методы для устранения таких ситуаций:
1.Бактереологический метод разложения нефтепродуктов. Бактерии разлагают нефтепродукты на углерод и воду, или проще говоря съедают их. В течение какого-то времени нефть исчезает с поверхности почвы или воды». Минусы этого метода заключаются в том, что для разложения бактериями нефти, затрачивается большое количество времени, что бывает часто неэффективно. Также разработка самих бактерий достаточно дорогостоящая.
2. Подвергание отходов сжиганию. Если произошло загрязнение нефтепродуктами почвенного слоя, также возможно применение сжигательного метода, он является наиболее легким в использовании и менее затратным, однако этот путь имеет весомые минусы: он становится причиной загрязнения территории и атмосферу продуктами сгорания, соединениями высокой токсичности, а период, в течение которого восстанавливается почва после его применения, существенно увеличивается.
3. Химический метод очистки базируется на использовании специальных препаратов-реагентов, которые, поглощая нефтепродукты, преобразуют их в соединения веществ с более низкой токсичностью.
4. Механический метод очистки. Для сбора нефтепродуктов и мусора с водной поверхности используются специальные суда, с установкой нефтесборщиков, среди которых широко используются нефтесборщики барабанного типа. Как правило, такие суда имеют направляющие захваты, устройство для грубой очистки с механизмом сбора и измельчения мусора. Сам нефтесборщик имеет палубную рубку с пультом управления, корзину для сбора измельченных частиц мусора, емкость для временного хранения нефти.
Фото 2. Нефтесборщик корабельного типа
Эффективный сбор разлитых на водной поверхности нефтепродуктов обеспечивает ленточный жесткощеточный конвейер, который монтируется на носу судна. Нефть и вода фильтруются через щетки несколько раз, вследствие чего вода становится чистой уже на выходе с ленточного коллектора. Скорость сбора обычно составляет 2-3 морских узла, причем мусор и нефтепродукты разделяются автоматически.
Традиционным методом борьбы с нефтяными загрязнениями в настоящее время на воде является механический сбор с помощью нефтяных сборщиков на корабельной основе. Теоретические расчеты показывают, что оптимальный диапазон толщины пленки нефти при разливе на воде до десятых долей миллиметра от нескольких сантиметров легко и эффективно убираются механически.
Недостатками этого метода является, что даже при относительно комфортных погодных условиях и толщине пленки в несколько десятков миллиметров и более, стандартный сборщик нефти обычно собирает до 50-60% воды вместо нефти, в т.ч. в виде эмульсии т.е это вода в нефти, которая требует дополнительной сепарации от нефти. Даже если такая сепарация осуществляется при сборке нефти и вода очищается до уровня ПДК (а это возможно только на крупнотоннажных судах сборщиках), невозможно собрать, таким образом, более 60% нефти. Кроме того, на волне более полуметра и метра и на малых глубинах такая техника мало эффективна или, чаще, вообще не применима.
Частым недостатком выше перечисленных методов и способами устранения нефтяного разлива является принятие всех мер реагирования с запозданием, когда между обнаружением разлива и началом его устранения проходит достаточно большое количество времени, порой до нескольких суток. В течении этого времени даже небольшое нефтяное пятно может принять размер большой экологической катастрофы в акваториях.
Актуальность работы заключается в определении оптимального способа доставки нефтяного сборщика в акваторию реки, для сбора и утилизации нефтепродуктов. В настоящее время традиционным методом борьбы с нефтяными разливами на воде является механический сбор с помощью нефтяных сборщиков на корабельной основе. Но из-за того, что на территории Крайнего Севера низкая проходимость как по суше, так и по воде, то доставка средств утилизации разливов нефтепродуктов на дальние расстояния может занимать время от 12 до 48 часов. И неконтролируемый разлив в акватории реки принимает огромный масштаб чрезвычайного положения в следствии течения воды. За то время пока крупный сборщик нефти корабельного типа из порта доберётся до точки разлива, проходит большой промежуток времени. Это может привести к серьезным экологическим бедствиям.
Что бы разобраться в таком вопросе, как локализация разливов нефтепродуктов в акваториях обращаемся к данным научных работ Югорского государственного университета. С этим университетом и нашей школой заключен договор о научно исследовательском сотрудничестве. И попробуем решить следующую задачу:
Предположим, что в результате аварии на хранилище нефтепродуктов в акваторию реки попало некоторое количество нефти. Утечку удалось быстро локализовать, а на реке оперативно установить боновые заграждения. Для обследования реки необходимо провести аэросъемку местности, всего сделав 100 снимков.
Исследуемый участок реки имел длину 5 км, и среднюю ширину 200м. Загрязнение присутствовало на 85 снимках, и оказалось, что оно занимает от 55% до 70% площади поверхности воды (на разных снимках по-разному). Лаборатория также провела исследования толщины пленки нефтепродуктов, она составила от 0.11мм в местах с малым загрязнением, до 0.23мм в местах с большим загрязнением.
Для нейтрализации нефтепродуктов предложено использовать реагент, который распыляется над загрязненной акваторией и позволяет легко собрать продукты утечки, при этом для на каждые100 л нефтепродукта требуется 7.8кг реагента.
Цель и задачи проекта:
Основная цель проекта – создание оптимальной схемы доставки нефтесборщиков к месту ЧП на удаленных территориях с последующей эффективной локализацией и нейтрализацией нефтяного пятна с помощью химических реагентов.
Задачи проекта:
Оценить объем (V) утечки нефтепродукта.
Рассчитать количество реагента, которое необходимо доставить в район ЧП.
Предложить свою схему сбора и утилизацию нефтяного пятна в акватории реки.
Оценка объема утечки нефтепродукта.
Методом элементарных математических вычислений определяем объем утечки нефтепродуктов и выполняем расчет величины площади загрязнения акватории реки. Используя таблицу переводов физических величин, получаем исходные значения. Методом пропорций получаем искомое значение необходимого реагента.
Чтобы оценить объем утечки нефтепродуктов, необходимо рассчитать площадь (S) исследуемого участка реки по формуле S=а(длина)*b(ширина), следовательно,
S=500м. * 200м. = 100000 м².
Теперь благодаря знанию площади исследуемого участка составим пропорцию площади загрязнения. Мы знаем, что на 85 снимках, сделанных БПЛА загрязнение, занимало от 55% до 70%площади поверхности воды (на разных снимках по-разному). Поэтому методом пропорций мы можем рассчитать величину загрязнений:
10000 м² - 100% 10000 м² - 100%
Х м² - 55% Х м² - 70% Х=5500м² Х=7000м²
Исходя из полученных данных находим среднюю величину площади загрязнения нефтепродуктами в акватории реки:
S=(5500+7000)/2=6250м².
Которая составляет 6250м²
Теперь необходимо рассчитать среднюю величину толщины пленки нефтепродуктов. Мы знаем, что по лабораторным данным толщины пленки нефтепродуктов, составила от 0.11мм в местах с малым загрязнением, до 0.23мм в местах с большим загрязнением. Производим расчет средней величины:
(0,11+0,23)/2=0,17мм.
Производим перевод в метры:
0,17мм в метры = 0,00017м.
Исходя из полученных данных можем рассчитать объем загрязнения акватории реки:
V=6250м²*0,00017м=1,0625м³.
Переведем полученный результат в литры для удобства расчета
1,0625м³ в литры = 1062,5 л.
Расчёт количества реагента, необходимого для утилизации утечки нефтепродуктов.
Рассчитываем количество реагента необходимого для утилизации утечки нефтепродуктов. Составим пропорцию:
100л -7,8кг.
1062,5л – Х кг
Исходя из этой пропорции получаем количество реагента, которое необходимо доставить в акваторию для утилизации нефтепродуктов. Что составляет 82,875 кг.
Преимущества химического метода:
Уменьшают вязкость жидкости,
Прекрасно растворяет отложившиеся нефтепродукты и парафины,
Снижает расходы на транспортировку,
Очищает верхние слои нефти и уменьшает границу раздела фаз,
Имеет высокую проникающую способность.
Проблема в том, что химические реагенты достаточно токсичны и опасны с точки зрения экологии. Не разлагаются полностью до простых элементов. Химические реагенты для растворения бывают кислотные и щелочные. По своим преимуществам и недостаткам эти реагенты примерно равны.
Схема сбора и утилизация нефтяного пятна в акватории реки.
Традиционным методом борьбы с нефтяными загрязнениями в настоящее время на воде является механический сбор с помощью нефтяных сборщиков на корабельной основе. Силы и средства Государственной морской спасательной службы Минтранса России базируются в морских портах и не в состоянии обеспечить оперативную ликвидацию аварийных разливов нефти на расстоянии 100-150 км от них, на севере Арктики эти расстояния могут достигать от 400-500км. В случае волнения в акваториях спасательные суда не смогут на максимальной скорости идти к месту аварии, следовательно, время реагирования на ЧС затягивается более чем 48 часов. За такой срок под воздействием ветра нефтяное пятно существенно увеличится в размерах. В результате масштаб аварии может возрасти до катастрофы.
Преимущества нефтесборщиков корабельного типа:
1. такие суда имеют направляющие захваты, устройство для грубой очистки с механизмом сбора и измельчения мусора.
Недостатки нефтесборщиков корабельного типа:
Как правило, порты нефтесборщиков находятся достаточно далеко от места происшествия и путь может занимать от 12 до 48 часов, а при плохих погодных условиях и до недели. За это время нефтяное пятно растянется, и масштаб катастрофы увеличиться.
Стандартный сборщик нефти обычно собирает до 50-60% воды вместо нефти, в т.ч. в виде эмульсии, которая требует дополнительной сепарации от нефти.
Мы предлагаем использовать маленькие, более маневренные, приспособления, которые работают по принципу больших судов -нефтесборщиков, но с возможностью их доставки и эксплуатации на месте разлива.
Устройства СКИММЕРы управляются дистанционно совместно с БПЛА, который ведёт непрерывную съемку над акватории с разливом. Это значительно минимизирует вмешательство человека и будет актуально для арктических труднодоступных территорий с суровыми климатическими условиями.
Теоретические расчеты показывают, что оптимальный диапазон толщины пленки нефти при разливе на воде от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров легко и эффективно убираются механически.
В условиях Крайнего Севера на арктических территориях, где ведутся активные разработки нефтегазовых месторождений, среднегодовые температуры имеют низкие значения.
График 1. Среднегодовые температуры на территории ЯНАО.
В составе нефти помимо углеводородов, имеются парафины с температурой замерзания от -60°С до +35°С. На нашей территории застывание нефтепродуктов из-за количества находящихся в ней парафинов происходит достаточно быстро, что позволяет предложить иной способ очистки разлившихся нефтепродуктов.
График 2. График застывания парафинов в зависимости от температуры окружающей среды.
Мы можем специальным приспособлением собрать застывшие фрагменты нефти и образовавшуюся эмульсию, и тем самым очистить участок акватории от загрязнения.
На нефтяных месторождениях, расположенных вблизи акваторий рек, озер, морей, должны находиться в зоне быстрого доступа более маневренные устройства для сбора и утилизации разлива нефтепродуктов. Такие устройства имеют небольшие габаритные размеры, то есть имеют низкую производительность
Однако имея не одно, а несколько таких приспособлений при чрезвычайных ситуациях персонал, обслуживающий месторождение, должен будет в срочном порядке установить боновое заграждение для сбора нефтяного пятна и запустить в это заграждение несколько устройств по типу СКИММЕР.
Мы можем специальным приспособлением собрать застывшие фрагменты нефти и образовавшуюся эмульсию, и тем самым очистить участок акватории от загрязнения. Имея не одно, а несколько таких приспособлений при чрезвычайных ситуациях (в зависимости от объема загрязнения). Персонал, обслуживающий месторождение, должен будет в срочном порядке установить боновое заграждение для сбора нефтяного пятна и запустить в это заграждение несколько устройств по типу СКИММЕР.
Устройство СКИММЕР имеет ряд преимуществ:
Имеют большую мобильность и всегда в доступе на месторождениях.
Экономическое преимущество (меньше затрат на топливо, нет затрат на энергетику, отсутствие персонала, не дорогостоящие).
Возможность использовать дистанционно.
Широкий диапазон производительности.
Высокая эффективность.
Возможность сбора тяжелых нефтепродуктов, в том числе мазута.
Н
Фото 8. СКИММЕР.
Схема 2. Предполагаемое устройство СКИММЕР.
.
адежность при эксплуатации.
Устройство СКИММЕР будет включать в себя:
- корпус устройства;
- двигатель;
- фото видео камера;
- спутниковая радио связь.
Возможно стоит оснастить устройство СКИММЕР специальным фильтром для быстрой отчистки воды от нефти.
Фото 3 и 4. Тазовское нефтегазоконденсатное месторождение и строящийся нефтяной хаб.
Но не всегда разлив нефтепродуктов происходит рядом с нефтяной вышкой где присутствует обслуживающий персонал способный в короткий промежуток времени локализовать и нейтрализовать нефтяной разлив. Поэтому, для разлива нефтепродуктов в акваториях, удаленных от нефтепромыслов и портов предлагаем следующий схему доставки и утилизации нефтяного загрязнения:
Нефтяной разлив можно обнаружить с помощью спутников, которые исследуют участки с предполагаемыми местами разливов наиболее интенсивно.
При обнаружении разлива необходимо в экстренном порядке собрать бригаду ликвидаторов ЧП, которые не посредственно устанавливают приборы для утилизации разлива в акватории.
Доставка вертолетами людей и оборудования позволит сократить время для транспортировки в труднодоступное место происшествия, сюда будут входить:
- бригада ликвидаторов разлива(по сути являются исполнителями и жду команды из центра),
которые снабжены устройствами с радио связью и видео связью с центром управления по локализации аварии, СКИММЕРами, БПЛА;
- БПЛА оснащенные камерой и радио связью для определения масштаба бедствия и передачи сведений: на центр управления, приборам СКИММЕРами бригаде ликвидаторов,
- СКИММИРы (с учетом предварительного объема разлива нефтепродуктов) в необходимом количестве, для сбора и утилизации нефтепродуктов, оснащенные видео камерами и радио связью для сбора и передачи информации: БПЛА, в центр управления аварии и бригаде ликвидаторов;
- боновые заграждения, которые выставляются по периметру разлива нефти и не дают течению растащить нефтяное пятно дальше;
- емкости для сбора, сепарации и дальнейшей утилизации нефтепродуктов;
- химические реагенты для нейтрализации нефтепродуктов собранных в ёмкостях.
Следует отметить, что полученные с видеокамер данные, передаются в центр ликвидации аварии, затем анализируется специалистами, которые принимают основные решения о дальнейшем ходе операции.
Схема 3. Организация работы беспилотных СКИММЕРов на участке ликвидации разлива нефти.
Бригада ликвидаторов вылетает на вертолете по распоряжению центра управления аварийной ситуации. Бригада, получив задание комплектует в вертолет оборудование необходимое для устранения аварии.
Прилетев на место ЧП, бригада выставляет боновые заграждение по периметру разлива нефтепродуктов во избежание дальнейшего распространения. Используя спутниковую радио связь и связь с центром, ликвидаторы запускают над разливом БПЛА оснащенный видео камерой. Видеосъемка с места аварии в режиме реального времени передается в центр управления, для принятия решений и передачи их бригаде ликвидаторов. Бригада устанавливает СКИММИРы на местах разлива.
СКИММИРы, собирают нефтепродукты, заполняют свои внутренние контейнеры и подплывают к береговой линии, где бригада ликвидаторов отчищает их и переносит собранные нефтепродукты в ёмкости для сбора, сепарации и дальнейшей утилизации. По необходимости осуществляет смену зарядного устройства в СКИММИРах. Таким образом наполнив ёмкости отстоя, нефтепродукты поднимаются в верхнюю часть контейнера, в нижней части остается вода. Воду спускают в акваторию, а нефтепродукты с помощью насосов поступают в емкость для сепарации, где окончательно происходит разделение суспензии на нефть и воду. Вода сливается, а чистый (без водный) нефтепродукт поступает в емкость для нейтрализации и разложения химическими реагентами.
В дальнейшем планируется разработка устройства СКИММЕРа и его апробации на воде с применением БПЛА с радиосвязью.
Использование инновационных технологий в нефтегазовой отрасли актуально в труднодоступных, удаленных и климатически сложных территориях, где нахождение и вмешательство человека не всегда возможно. Инновационная научно-практическая деятельность представляет эту возможность.
Выводы по проекту:
1.Методом элементарных математических вычислений определен объем утечки нефтепродуктов и выполнили расчет величины площади загрязнения акватории реки.
2.Рассчитано количество реагента необходимого для утилизации утечки нефтепродуктов.
3.Разработана схема быстрого реагирования для сбора и утилизация нефтяного пятна в акватории реки, включающая в себя:
- бригаду ликвидаторов разлива (по сути являются исполнителями и жду команды из центра), которые снабжены устройствами с радио связью и видео связью с центром управления по локализации аварии, СКИММЕРами, БПЛА;
- БПЛА оснащенные камерой и радио связью для определения масштаба бедствия и передачи сведений: на центр управления, приборам СКИММЕРам и бригаде ликвидаторов;
- СКИММЕРы(с учетом предварительного объема разлива нефтепродуктов) в необходимом количестве, для сбора и утилизации нефтепродуктов, оснащенные видео камерами и радио связью для сбора и передачи информации: БПЛА, в центр управления аварии и бригаде ликвидаторов;
- боновые заграждения, которые выставляются по периметру разлива нефти и не дают течению растащить нефтяное пятно дальше;
- емкости для сбора, сепарации и дальнейшей утилизации нефтепродуктов;
- химические реагенты для нейтрализации нефтепродуктов собранных в ёмкостях.
Литература и источники информации:
Камеры для беспилотника https://terradrones.ru/catalog/cameras/
Влияние температуры на работу аккумуляторной батареи
https://akkmir.ru/articles/vliyanie_temperatury_na_rabotu_akkumulyatornoy_batarei
Фотографический план местности на точной геодезической опоре, полученный методом беспилотной аэрофотосъёмки
https://altumgeo.ru/products/ortofotoplan/?keyword=%2Bортофотоплан&matchtype=b&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=iz_Andeks&gclid=Cj0KCQiAzsz-BRCCARIsANotFgO6aweCkNF2VdF2fjybn-04OKPa0DSBzmPuA3gy7fHwMNGzhBjI6SAaAtm7EALw_wcB.
Методы обезвреживания и утилизации нефтеотходов
https://www.google.ru/amp/s/neftegaz.ru/amp/news/vtrende/209609-metody-obezvrezhivaniya-i-utilizatsii-nefteotkhodov-effektivnye-i-ekonomichnye-sposoby/ .
Типовой перечень и критерии опасных метеорологических явлений
https://meteoinfo.ru/hazards-definitions
Сульфатотредуцирующие бактерии
.https://t.rbc.ru/tyumen/15/09/2016/57da74689a79478dddb4c6eb
Приложение I.
Фото 1. Карта месторождений Ямала.
Фото 2. Нефтесборщик корабельного типа/
График 1. Среднегодовые температуры на территории ЯНАО.
Диаграмма1. Химический состав нефти.
График 2. График застывания парафинов в зависимости от температуры окружающей среды.
Схема 2. Предполагаемое устройство СКИММЕР.
Ф ото 3 и 4. Тазовское нефтегазоконденсатное месторождение и строящийся нефтяной хаб.
Схема 3. Организация работы беспилотных СКИММЕРов на участке ликвидации разлива нефти.