Морская добыча нефти и газа в настоящее время получает все большее развитие в связи с невозможностью обеспечения растущего уровня потребления энерго-сырьевых ресурсов за счет месторождений, расположенных на суше. Потенциальные запасы углеводородов в мировом океане огромны, поэтому будущее нефтяной и газовой промышленности связано с разработкой морских месторождений, что подтверждается соответствующими государственными документами. [1]
Морская добыча нефти и газа особенно нуждается в наиболее полной и качественной автоматизации и телемеханизации, что обусловлено автономными условиями функционирования промыслов вдали от береговых баз производственного обслуживания, в сложных, неблагоприятных гидрометеорологических условиях, затрудняющих оперативный контроль и управление технологическими процессами и установками добычи нефти и газа. [2]
Рост морской добычи нефти , протяженности подводных магистральных нефтепроводов и увеличение объема танкерных перевозок нефти и нефтепродуктов увеличивают опасность аварийных потерь в моря и водоемы. Из них 4 % составляют загрязнения, вызванные авариями танкеров, трубопроводов, нефтехранилищ и установок морской нефтедобычи. [3]
Нефтяная вышка — Чудеса инженерии | Документальный фильм про нефтяную платформу
Масштабы морской добычи нефти и газа с каждым годом становятся все более грандиозными. [4]
В условиях морской добычи нефти и газа, особе нно при освоении глубоководных залежей с помощью отдельных удаленных от суши оснований или эстакад, рассредоточенных на большей площади, для сбора и передачи информации на нижних уровнях управления бесспорное преимущество имеют радиолинии связи. [6]
Наиболее крупными районами морской добычи нефти и газа являются Мексиканский залив, оз. Маракайбо ( Венесуэла), Северное море и Персидский залив, на долю которых приходится 75 % добычи нефти и 85 % добычи газа. [7]
Где и как проводится морская добыча нефти и газа в мире. [8]
Одним из основных методов морской добычи нефти является газлифтный способ. Оборудование для этого способа значительно усовершенствовано применением скважинных камер и канатной техники. Скважинные камеры предназначены для размещения газлифтных клапанов на колонне подъемных труб.
По окончании периода фонтанирования скважин обычно возникает необходимость перевода их на газлифтный способ эксплуатации без замены основного скважинного оборудования. Для этого после бурения в скважину спускают газлифтное оборудование. В период фонтанирования скважин на трубах, в так называемых скважинных камерах, для разобщения трубного и затрубного пространств вместо ( газлифтных клапанов устанавливают глухие пробки. При переходе на газлифтный способ эксплуатации глухие пробки заменяют газлифтными клапанами при помощи канатной техники. [9]
По информационным характеристикам объекта морской добычи нефти и газа в настоящее время не отличаются от аналогичных объектов на суше. [10]
Для подводно-технических работ при морской добыче нефти , газа, других полезных ископаемых применяют подводные роботы. Наиболее распространены бульдозеры-амфибии, имеющие дистанционное управление. При глубинах до 60 м применяют многожильные электрокабели, по которым передаются команды и обратная информация. Визуальный контроль осуществляется телевизионными установками.
КАК РАБОТАЮТ НЕФТЯНЫЕ ВЫШКИ В МОРЯХ
При больших глубинах используют радиотелеуправление. В кабине расположена автоматика и приемно-передающая ультракоротковолновая радиостанция; антенное устройство с помощью поплавка удерживается на поверхности воды, а оператор — на судне. Здесь же размещена и интеллектуальная часть робота — ЭВМ. Для ремонта подводных трубопроводов, скважин используют специальные телеуправляемые подводные лодки. Они снабжены захватами, позволяющими использовать различные механизмы и инструменты. Управляются они также с судов сопровождения. [11]
Одним из наиболее важных районов морской добычи нефти является Северное море, причем близость к западно-европейскому энергетическому рынку еще больше увеличивает его значение. К 1965 г., когда природный газ впервые был обнаружен в южной части Северного моря ( месторождение Вест-Сол), заинтересованные нефтяные компании начали всерьез рассматривать перспективы добычи нефти севернее, однако в то время они были весьма умозрительны. Нефть была впервые обнаружена в июле 1967 г. во второй пробуренной недалеко от побережья Норвегии скважине. Пригодная к коммерческой разработке нефть была найдена в 1970 г. ( месторождение Экофиск) также в норвежских водах. В 1974 г. коммерческими считались уже три группы месторождений в породах различного возраста, и в июне 1975 г. [16] были опубликованы данные об установленных эффективных резервах южнее 62 с. [12]
Дорогое и сложное оборудование для морской добычи нефти и газа должно обладать повышенной надежностью. [13]
Без накловнонаправленного метода вообще нельзя было осваивать морскую добычу нефти : слишком дорого стоило бы сооружение оснований для одиночных буровых. [14]
Учет гидрометеорологических факторов дает возможность оценить их влияние на экономические показатели поисково-разведочных работ и морской добычи нефти и газа. [15]
Источник: www.ngpedia.ru
Особенности морской добычи нефти и газа
Морская добыча нефти и газа, так же как извлечение других трудноизвлекаемых запасов
углеводородного сырья (к примеру, разработка сланцевой нефти), по прогнозам многих
специалистов с течением времени станет преобладать, а затем и вовсе вытеснит добычу этих
энергоресурсов на месторождениях традиционного вида, поскольку такие залежи уже сейчас
серьезно истощены, а в не таком уж и далеком будущем будут совсем исчерпаны.
3. Особенности морской нефтедобычи
Постепенное истощение запасов углеводородов на традиционных месторождениях,
расположенных на суше, с одной стороны, и наличие на морских и океанских шельфах
огромных запасов этих энергоресурсов, с другой, привели к тому, что ведущие
нефтедобывающие компании усилили работу по освоению морских промыслов. Первым и
главным толчком к развитию этого сегмента нефтедобычи послужило введенное странами
ОПЕК в период арабо-израильского конфликта нефтяное эмбарго, в 70-е годы прошлого
столетия.
Подавляющее большинство специалистов сходятся во мнении, что предполагаемые
запасы углеводородного сырья, расположенные в осадочных породах морского и
океанского дна, составляют 70 процентов от всех имеющихся на планете запасов
этих полезных ископаемых, что в количественном выражении составляется несколько
сотен миллиардов тонн. Из всего этого количества около 60-ти процентов залежей
расположены на шельфовых участках.
4.
На данный момент из четырёхсот разведанных мировых нефтегазоносных бассейнов 50 процентов
расположены не только на суше, но также захватывают шельфы близлежащих морей и океанов. В
настоящее время активные разработки в мировом океане обхватывают примерно 350-т морских нефтяных
месторождений, разбросанных по всему земному шару. Все эти месторождения относятся к шельфовым, а
большая часть добычи ведется на глубинах, не превышающих 200 метров.
Современное развитие добывающих технологий делает разработку морских нефтяных и газовых
залежей весьма затратным и технически сложным делом. Кроме того, такая добыча сопряжена с
высокими рисками, связанными с внешними неблагоприятными факторами.
Эффективной и спокойной работе морских нефтяных платформ часто мешают высокая сейсмичность,
наличие в северных широтах айсбергов и дрейфующих ледовых полей, сильные подводные течения,
большие глубины, а также разного рода природные катаклизмы – смерчи, ураганы, подводные
землетрясения и цунами.
Помимо перечисленных неблагоприятных факторов, бурному росту объемов морской нефтедобычи
препятствует большая капиталоемкость обустройства таких промыслов (дороговизна
оборудования, сложность и высокая стоимость платформ и так далее). Кроме того, суммы
эксплуатационных расходов постоянно растут по мере увеличения глубины добычи, при которой
повышается твёрдость и толщина пробуриваемых пород.
Также на эти затраты влияет удалённость промысла от берега и сложные донные рельефы на участках от
берега до места добычи, по которым прокладываются трубопроводы. Много денег вкладывается в
обеспечение безопасности работы платформы и предотвращение утечек в воды океана добываемого
сырья.
5.
Чтобы не быть голословными и для того, чтобы оценить размеры необходимых капитальных вложений, приведем
некоторые цифры:
стоимость только самой буровой платформы, рассчитанной для эксплуатации на глубине до 45 -ти метров,
начинается от двух миллионов долларов США;
оборудование, которое может работать на глубинах до 320-ти метров, обойдется добывающей компании уже в 30
миллионов долларов;
средняя стоимость обустройства эксплуатационного основания для глубоководной нефтедобычи в акватории
Мексиканского залива составляет 113 миллионов долларов США.
Далее идут эксплуатационные расходы. Так, эксплуатация нефтяной передвижной платформы на глубине
пятнадцати метров стоит шестнадцать тысяч долларов США в сутки. При повышении глубины до сорока
метров эта сумма вырастает до 21-ой тысячи. Если используется платформа самоходного типа, то её
эксплуатация на глубине от 30-ти до 180-ти метров обходится в 1,5 – 7 миллионов долларов (в
зависимости от глубины).
Такие высокие первоначальные и эксплуатационные расходы на разработку морских месторождений оправданы
только в тех случаях, когда запасы таких месторождений отличаются большими, а лучше громадными объемами .
Также необходимо учитывать тот факт, что затратность нефтедобычи напрямую зависит от географического
расположения таких месторождений.
К примеру, средняя стоимость работ, связанных с разведкой месторождения в акватории Персидского
залива, составляет около 4-х миллионов долларов, на шельфе Индонезии эта сумма составляет 5
миллионов, а в акватории Северного моря эти затраты возрастают до 11-ти миллионов долларов США.
Кроме того, лицензии на разработку морских месторождений тоже стоят совсем недешево – почти в два раза
дороже, чем лицензия на разработку сухопутного промысла.
6. Нефтяные платформы. Разновидности и особенности устройства
Основная добыча нефти из месторождений, расположенных в Мировом океане, производится при
помощи специальных технологических сооружений, называемых нефтяными платформами.
Это сложные и дорогостоящие инженерные комплексы, которые позволяют проводить как само бурение,
так и непосредственную добычу углеводородов из горных пород морского дна.Первой нефтяной
платформой, которая была использована в прибрежных морских водах, была платформа, запущенная в
1938-ом году вблизи побережья штата Луизиана (Соединенные Штаты Америки).Первая в мире именно
морская добывающая платформа называлась «Нефтяные Камни». Её ввели в эксплуатацию в 1949 -ом году
на азербайджанском шельфе Каспийского моря.
Нефтедобывающие морские платформы бывают следующих типов:
стационарного;
свободно закреплённого;
полупогружного (подтипы разведочный, буровой и добывающий);
самоподъёмного бурового;
тип с растянутыми опорами;
тип плавучие нефтехранилища.
Стоит сказать, что различные типы таких платформ могут как относиться к какому-либо
конкретному виду, так и быть комбинированными.
7.
Выбор конкретного типа морской платформы производится с учетом конкретных задач,
выполнение которых она должна обеспечивать, а также с учетом особенностей конкретного
месторождения. Поэтому говорить о существовании каких-либо типовых платформ, производство
которых можно было бы поставить на поток, не приходится.
Конструкция самой нефтяной платформы представляет собой четыре основных элемента:
корпус;
палуба;
система якорей;
буровая вышка.
Корпус представляет собой треугольный или четырёхугольный понтон, который опирается на
шесть колонн. На плаву вся конструкция держится за счёт того, что сам понтон наполнен
воздухом. Палуба предназначена для размещения бурильных труб, подъёмных кранов и
механизмов, а также вертолётной площадки. Буровая вышка, как понятно из названия,
предназначена для опускания бурового инструмента на морское дно и его обратный подъем в
случае возникновения такой необходимости. Якорная система удерживает весь технологический
комплекс на месте. Она состоит из девяти лебёдок, расположенных на бортах платформы,
системы стальных тросов и крепящихся к ним якорей. Вес одного якоря может достигать 13-ти
тонн.
8.
Стабилизацию современных нефтяные платформ в заданном месте в настоящее время обеспечивают не
только сваи и якоря, но и применение передовых технологий позиционирования. Платформа может
оставаться заякоренной в одной и той же точке в течение нескольких лет, и все это время она должна
выдерживать переменчивые морские погодные условия. Работу бура, выполняющего разрушение донных
пород, контролируют специальные подводные роботы. Бур собирается из отдельных стальных трубных
секций, длина каждой из которых – 28-мь метров. Современные буры обладают широким спектром своих
возможностей. Например, бур, используемый на платформе EVA-4000, может состоять из трёхсот
трубных секций, что позволяет проводить бурение на глубину до 9,5 километров.
Строительство буровой платформы заключается в доставке на место предполагаемой добычи и
последующего затопления основания плавучей конструкции. На этот своеобразном «фундаменте»
затем надстраивают остальные необходимые компоненты.
Изначально такие платформы изготавливались при помощи сварки решетчатых башен, имеющих форму
усеченной пирамиды, из металлических труб и профилей, которые затем намертво прибивали сваями к
морскому или океанскому дну. На таких конструкциях впоследствии устанавливалось необходимое
буровое или эксплуатационное оборудование. Когда появилась необходимость разработки
месторождений, расположенных в северных широтах, потребовались ледостойкие платформы. Это
привело к тому, что инженерами были разработаны проекты сооружения кессонных оснований,
фактически представляющих собой искусственные острова. Сам такой кессон заполняют балластом, в
качестве которого, как правило, выступает песок. Ко дну моря такое основание прижимается под
действием своего собственного веса, на который действуют силы гравитации. Однако, со временем
размеры морских плавучих сооружений стали увеличиваться, что вызывало необходимость пересмотреть
особенности их конструкций. В связи с этим, разработчиками американской компании Kerr-McGee был
создан проект плавучего объекта, имеющего форму навигационной вехи. Сама конструкция является
цилиндром, нижняя часть которого заполнена балластом. Днище этого цилиндра ко дню крепится с
помощью специальных донных анкеров. Такое техническое решение дало возможность строительства
достаточно надёжных платформ воистину гигантских размеров, которые используются для добычи
нефтяного и газового сырья на сверхбольшой глубине.
9.
Справедливости ради стоит сказать, что каких-либо принципиальных отличий между
процессом извлечения углеводородного сырья и его последующей отгрузки между
добывающими скважинами морского и сухопутного типа нет.
Например, основные элементы стационарной морской платформы совпадают с основными
элементами сухопутного промысла.
Главная особенность морской буровой – это, в первую очередь, автономность её работы.
Чтобы достичь такой автономности, морские буровые установки оборудуют очень мощными
электрическими генераторами, а также опреснителями морской воды. Запасы на удаленных от
берега платформах возобновляются с помощью обслуживающих судов. Также применение
морского транспорта необходимо для доставки всей конструкции к месту добычи, в случае
проведения спасательных и противопожарных мероприятий. Транспортировка добытого с
морского дна сырья осуществляется посредством донных трубопроводов, а также с помощью
танкерного флота или через плавающие нефтехранилища.
10. Технологии морской нефтегазодобычи
Современные технологии в случае, если место добычи расположено неподалеку от побережья,
предусматривают бурение наклонно-направленных скважин.
В случае необходимости этот технологический процесс предусматривает применение передовых
разработок, позволяющих дистанционно управлять буровыми процессами, чем обеспечивается
высокая точность проводимых работ. Такие системы предоставляют оператору возможность
отдавать буровому оборудованию команды даже с расстояния нескольких километров.
11.
Глубины добычи на морском шельфе, как правило, находятся в пределах двухсот метров, в отдельных
случаях достигая значения в полкилометра. Применение той или иной буровой технологии напрямую
зависит от глубины залегания продуктивного слоя и удалённости места добычи от берега.
На участках мелководья, как правило, возводят укреплённые основания, представляющие собой
искусственные острова, на которых впоследствии монтируется бурильное оборудование. В
некоторых случаях на мелководье применяется технология, предусматривающая ограждение
участка добычи системой дамб, что дает возможность получить огороженный котлован, из
которого затем можно откачать воду.
В случаях, когда от места разработки до берега – сотня или более километров, без использования
плавучей нефтяной платформы уже никак не обойтись. Самыми простыми по своей конструкции являются
платформы стационарного типа, однако их можно применять только при глубине добычи несколько
десятков метров, поскольку на таком мелководье есть возможность закрепить стационарную
конструкцию при помощи свай или бетонных блоков.
Начиная с глубин около 80-ти метров, начинается использование плавучих платформ,
оборудованных опорами. На участках с большими глубинами (до 200 метров) закрепить платформу
уже становится проблематично, поэтому в таких случаях используются буровые установки
полупогружного типа.
На месте такие платформы удерживаются с помощью якорных систем и систем позиционирования,
которые представляют собой целый комплекс подводных двигателей и якорей. Бурение на сверхбольших
глубинах осуществляется с помощью специализированных буровых судов.
12.
При обустройстве морских скважин применяется как одиночный, так и кустовой методы. В
последние годы стали практиковать применение так называемых передвижных буровых
оснований. Сам процесс морского бурения выполняется при помощи райзеров, которые
представляют собой опускаемые до самого дна трубные колонны больших диаметров .
После того, как процесс бурения заканчивается, на дно ставится многотонный превентор, который
представляет собой противовыбросную систему, а также устьевая арматура. Все это дает
возможность предотвратить утечки добываемого сырья из пробуренной скважины в открытые
воды. Кроме того, обязательно устанавливается и запускается контрольно-измерительное
оборудование, следящее за текущим состоянием скважины. Сам подъем нефти на поверхность
производится при помощи системы гибких шлангов. Как становится понятно, сложность и высокий
уровень технологичности процессов по освоению морских месторождений – очевидны (даже без
углубления в технические детали таких процессов). В связи с этим возникает вопрос: «Является ли
такая сложная и затратная нефтедобыча целесообразной?» Однозначно – да. Здесь основными
факторами, говорящими в её пользу, являются постоянно растущий спрос на нефтепродукты при
постепенном истощении сухопутных месторождений. Все это перевешивает затратность и
сложность такой добычи полезных ископаемых, поскольку сырье востребовано и окупает затраты
на свою добычу.
13.
В настоящее время Россия и некоторые азиатские страны в ближайшем будущем планируют
нарастить мощности в морской добыче углеводородов. И обусловлено это чисто практической
стороной вопроса, поскольку многие российские месторождения имеют высокую степень
выработанности, и пока они приносят доход, необходимо обустройство альтернативных
месторождений с большими запасами сырья, чтобы впоследствии безболезненно перейти на
морскую добычу. Несмотря на существующие технологические проблемы, высокие трудозатраты и
большие капитальные вложения, извлеченная с морского и океанского дна нефть уже сейчас
является конкурентоспособным товаром и прочно занимает свою нишу на мировом рынке
углеводородного сырья.
14. Некоторые интересные факты о морской добыче нефти
Самой большой нефтяной платформой в мире считается размещенная в Северном море норвежская
платформа под названием «Тролл-А». Её высота составляет 472 метра, а общая масса – 656 тысяч
тонн.
В Соединенных Штатах датой начала американской морской нефтедобычи считают 1896-ой год, а её
основателем – калифорнийского нефтяника по фамилии Уильямс, который уже в те годы бурил скважины,
используя построенную им собственноручно насыпь.
В 1949-ом году на расстоянии 42 километра от Апшеронского полуострова, на металлических эстакадах,
которые были возведены для нефтедобычи со дна Каспийского моря, построили целый поселок, который
был назван «Нефтяные Камни». В этом поселке обслуживающие работу промысла люди жили по
нескольку недель. Эта эстакада (Нефтяные Камни) даже появилась в одном из фильмов « Бондианы»,
который назывался «И целого мира мало».
С появлением плавучих буровых платформ появилась необходимость обслуживания их подводного
оборудования. В связи с этим стало активно развиваться глубоководное водолазное оборудование.
Для быстрой герметизации нефтяной скважины в случае возникновения аварийных ситуаций (к примеру,
если шторм бушует такой силы, что буровое судно на месте удержать не удается), используется
превентер, который представляет собой своеобразную пробку. Длина такой «пробочки» может доходить
до 18-ти метров, а весить такой превентер может до 150-ти тонн.
Основным побудительным мотивом к развитию морской нефтедобычи стал мировой нефтяной кризис 70-х
годов прошлого столетия, спровоцированный эмбарго, наложенным странами ОПЕК на поставку черного
золота западным странам. Такие ограничения вынудили американские и европейские нефтяные
компании искать альтернативные источники нефтяного сырья. Кроме этого, освоение шельфа стало
вестись более активно с появлением новых технологий, которые уже в то время позволяли производить
морское бурение на больших глубинах.
15.
Начало разработке шельфа Северного моря было положено в момент открытия у голландского
побережья газового месторождения под названием Гронинген (1959-ый год). Интересно, что
название этого месторождения привело к появлению нового экономического термина – эффект
Гронингена (по-другому – «голландская болезнь»). Суть этого термина с экономической точки
зрения – значительное удорожание национальной валюты, которое произошло из-за резкого
увеличения объемов экспортных поставок газа, что крайне негативно отразилось на прочих
отраслях экономики, связанной с экспортно-импортными операциями.
Источник: ppt-online.org
Нефть в океане
Наряду с ПАВ антропогенного происхождения, естественными ПАВ, представляющими собой продукты жизнедеятельности морских организмов, и детергентами нефть является основным источником загрязнения поверхности океана [1] [2] . Добыча нефти, особенно на шельфе, ее морские перевозки непрерывно растут. Растет и количество нефтепродуктов, попадающих в море. Общее количество нефти и нефтепродуктов, попадающих ежегодно в океан, оценивается разными исследователями от 6 до 12 млн т.
Сырая нефть и ее производные — исключительно сложная смесь многих химических соединений. Она содержит около 300 углеводородов, индивидуальные концентрации которых варьируются по объему от 1СН % до единиц процентов. Физические и химические свойства нефти существенно зависят от месторождения, и разные ее сорта отличаются по содержанию парафина, смол и серы. Сырые нефти значительно отличаются по плотности — от весьма легкой (6,5 • 10 2 —7,0 • 10 2 кг/м 3 ) до весьма тяжелой (9,85 • 10 2 — 1,05 • 10 3 кг/м 3 ). Вязкость нефти зависит от ее химического и фракционного состава, особенно от смолистости, и также изменяется в широких пределах 1 .
При годовом объеме загрязнения Мирового океана в 6—12 млн т источники загрязнения распределены следующим образом: морской транспорт (промывные воды, докование, утечки, погрузочно- разгрузочные работы и т. д.) — 35 %; промышленные стоки — 13 %; морская добыча нефти — 1,5 %; речной сток — 32 %; поступление из атмосферы — 10 %; природные источники поступления нефти — около 10 %. Обращает на себя внимание относительно небольшое количество нефти, поступающей в океан непосредственно вследствие ее морской добычи и из природных источников 2 (табл. 4.1).
Относительный вклад антропогенных источников нефтяного загрязнения морских акваторий
1. Городские стоки
2. Атмосферные осадки
3. Морские операции
4. Промышленные стоки
5. Городские смывы
6. Танкерные операции
7. Прибрежная нефтеперегонка
8. Аварии танкеров
- 1 Павлова Е. И., Новиков В. К. Общая экология : учебник и практикум для прикладного бакалавриата., 2019.
- 2 Наряду с приведенными выше данными о распределении источников поступления нефти существуют другие многочисленные оценки, дающие близкие значения, например: Запевалов А. С., Показеев К. В., Пустовойтенко В. В. Обнаружение нефтяных загрязнений радиолокационными средствами космического базирования, проблемы и пути их решения.
Анализ космических снимков морской поверхности показывает, что области глобального нефтяного загрязнения совпадают с трассами морских перевозок и устьями крупнейших рек. К крупномасштабным зонам загрязнения относятся не только шельф, но и некоторые районы открытой части моря. Средняя загрязненность таких морей, как Баренцево, Балтийское, Черное, Каспийское, Средиземное, превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в несколько раз.
Нефть, как естественный продукт биоты, участвует в биогео- химических циклах миграции веществ на протяжении миллионов лет. Объем поступления нефти из недр в океан составляет около 0,6 млн т в год, причем основную ее массу составляют углеводороды. В Мировом океане ежегодно путем фотосинтеза производится 12 млн т углеводородов. В процессе длительной эволюции сложились механизмы ассимиляции, самоочищения водоемов от углеводородов. Однако в последние годы наблюдается значительное превышение объемов антропогенных поступлений нефти в океан над природными объемами.
Ассимиляционная емкость целого ряда районов Мирового океана превышена. Другим важнейшим моментов является то, что изменился состав нефтяного загрязнения.
С судовыми льяльными водами, с нефтеперерабатывающих предприятий, в результате моечных операций на танкерах в водоемы попадают не нефть и нефтепродукты, а продукты их переработки — парафиновые, асфальтосмолистые компоненты, нефтеостатки. Свойства и состав этих загрязнений отличаются от свойств и состава нефтей. В нефтеостатках концентрируются высокомолекулярные компоненты нефти, продукты полимеризации и поликонденсации углеводородов, продукты коррозии металлов и др. Основная масса нефтяных загрязнений поступает в океан именно в форме нефтесодержащих вод. По некоторым оценкам, до 75 % нефти поступает в океан в эмульгированном состоянии.
Нефть, попавшая в море, растекается и перемещается по его поверхности, претерпевая при этом ряд химических и физических изменений. Эти изменения нефти начинаются непосредственно с момента попадания ее на поверхность воды и продолжаются, в зависимости от типа разлившейся нефти и гидрометеорологических условий, в течение почти всего периода пребывания нефти на воде. На рис. 4.3 приводятся данные физико-химических процессов, происходящих с разлитой нефтью на поверхности моря. Показана зависимость распределения испарения, рассеивания, растворения, окисления, эмульгирования, распространения разлитой нефти на поверхности моря в зависимости от времени нахождения пятна от нескольких часов до года.
Рис. 4.3. Совокупность основных процессов, имеющих место при разливе нефти в воде
Большие потери массы (около 50 % за первые сутки) происходят за счет испарения. Процесс испарения нефти существенно усиливается при больших скоростях ветра [3] . Другим важнейшим фактором, влияющим на скорость испарения нефти, является температура морской воды. Главными факторами, определяющими динамику растекания нефти, являются ветер и поверхностные течения.
Процесс распространения нефтяных пятен в море подчиняется сложным математическим законам. Решение такой сложной многофункциональной задачи требует комплексного подхода, в котором должны сочетаться исследования гидродинамической структуры моря и физико-химических изменений нефти при ее взаимодействии с окружающей средой. Механическое перемещение (растекание и адвекция), турбулентное перемешивание (диспергирование, диффузия, седиментация — осаждение) и физико-химические изменения зависят от турбулентно-циркуляционных параметров морской среды и свойств самого вещества. К основным физико-химическим изменениям нефти под воздействием внешних факторов относятся испарение, эмульгирование, растворение в воде, фотоокисление и биоразложение.
В отличие от химически чистых поверхностно-активных веществ, нефть никогда не растекается до мономолекулярных слоев, а ее пленки имеют большую толщину. Так, по данным Агентства по охране окружающей среды США, через 600 с после попадания в воду 1 т нефти образуется пятно, толщина которого составляет около 10“ 2 м. С течением времени толщина пленки в пятне уменьшается (до величин менее 10 _3 м), а само пятно расширяется, покрывая поверхность площадью до 12 км 2 . Растекание нефти продолжается до тех пор, пока толщина пленки не достигнет величины 10—30 мкм. Дальнейшее изменение толщины пленки происходит за счет испарения и поступления нефти в нижележащие слои. Когда толщина пленки составит 0,1—1 мкм, пятно начинается разрываться на отдельные фрагменты. Обычно толщина свободной нефтяной пленки оценивается величиной порядка 3 • 10 -5 м. После попадания в море около 50 % нефтепродуктов испаряется, 23—28 % образуют тяжелые оседающие агрегаты, 1—5 % растворяются в воде и только 15—17 % образуют пленку [4] . Химический состав нефти и продуктов ее переработки варьируется в широких пределах, поэтому приведенные оценки являются весьма приблизительными.
На гладкой морской поверхности без ветра, волн и течений нефть растекается довольно быстро. Например, 1 м 3 средневосточной сырой нефти за 10 мин распространяется в пределах круга радиусом около 25 м. Через 1,5 ч радиус увеличивается вдвое, средняя толщина пленки при этом составляет 1СИ м. В целом судьба нефтяного слива в море характеризуется совокупностью следующих процессов: испарение, эмульгирование, растворимость, окисление, образование агрегатов, седиментация и биодеградация, включающая микробное разрушение и ассимиляцию планктонными и бентосными организмами.
Испарение летучих фракций в значительной степени зависит от природы нефти, температуры, ветровой и волновой деятельности и может составлять до 40 % первоначального объема.
Низкомолекулярные углеводороды хорошо растворимы в морской воде. С увеличением молекулярного веса их растворимость уменьшается, что приводит к молекулярной дисперсии составных частей нефти в воде. При наличии кислорода и отсутствии ингибиторов углеводороды окисляются довольно быстро.
Исследования показывают, что до 60 % нефти может разлагаться под влиянием физико-химического окисления. Большое влияние на скорость окислительных реакций оказывает температура воды. Так, при снижении температуры с 20 до 5 °С скорость реакций уменьшается в 2,5 раза, а при повышении температуры на 10 °С скорость окислительных реакций увеличивается в 2 раза. На фотохимическое окисление нефтепродуктов под действием солнечного света заметное влияние оказывают толщина пленки и состав морской воды. Продукты фотохимического и микробиологического окисления уменьшают коэффициент натяжения углеводородной пленки, скорость испарения воды через пленку (до 10 раз) и увеличивают скорость растекания пленки на поверхности воды.
Даже после исчезновения нефти с водной поверхности ее вредное действие на экосистемы продолжает сохраняться длительное время. В 1969 г. каботажная баржа с нефтью села на мель вблизи Вудсхолского океанографического института. Ученые получили уникальную возможность для научного анализа последствий нефтяного воздействия на различные типы участков побережья.
Хотя выброс нефти был непродолжительным, загрязненность нефтью на маршах (заболоченные затопляемые участки) сохранялась в течение 10 лет. Участок, покрытый крупной галькой, сохранил нефтяное загрязнение в течение 2 лет. Скалистый участок не содержал загрязнений через 2 мес.
На распространение пленок по поверхности моря влияют два основных процесса: перенос (дрейф) под действием ветра, волн и течений и самопроизвольное растекание по поверхности. При сильном ветре пятно разрушается, и в слое ветрового перемешивания возникает нефтяная эмульсия (причем водная эмульсия со временем оседает на дно).
Рассмотрим кратко динамику нефтяного слика. Если разлившаяся нефть на поверхности моря не подвергается действию волн, ветра и течений, то основную роль в формировании области нефтяного разлива сначала играет сила тяжести. Затем начинают преобладать силы поверхностного натяжения, вязкости и инерции.
В зависимости от соотношения сил, играющих главную роль в распространении нефти, выделяют три стадии в процессе формирования нефтяного загрязнения. На первой стадии (гравитационно-инерционный или инерционный режимы растекания) определяющую роль играют силы тяжести и инерции. На второй стадии — называемой гравитационно-вязким режимом — определяющую роль играют силы тяжести и вязкости, на третьей — силы поверхностного натяжения и вязкости.
Радиальный размер области растекания нефти на первой стадии имеет вид
где Сг — константа, примерно равная единице; g — ускорение силы
тяжести; V — объем нефтяной пленки; t — время; А = ——— (pw,
Ро — плотность воды и нефти соответственно).
В гравитационно-вязком режиме растекания
где С2 ~ 1,5; v — коэффициент кинематической вязкости воды. Наконец, в режиме поверхностного натяжения имеем
Величина а является суммарной величиной поверхностного натяжения пленки на воде: а = awa — alv0 — аа0, где avra, alv0, аа0 — соответственно коэффициенты поверхностного натяжения на границах раздела «вода — воздух», «вода — нефть», «воздух — нефть».
Приведенное разделение режимов растекания нефти является первым приближением к изучаемому процессу. Исследования показывают, что вязкость нефти влияет на коэффициент сопротивления между слоями нефти и воды и скорость растекания нефти в гравитационно-инерционном режиме.
Продолжительность режимов растекания зависит от первоначального объема нефти. Причиной прекращения растекания нефти является уменьшение и изменение знака коэффициента поверхностного натяжения пленки на воде. Однако определение этой границы является очень сложной задачей, ввиду того что в состав нефти входит много органических веществ, влияющих на величину коэффициента поверхностного натяжения.
Перемещение (дрейф) нефтяной пленки как целого в отличие от растекания определяется внешними силами: ветром, течениями, поверхностными волнами [5] .
Если дрейф пленки нефти происходит под действием ветра и течений, не вызванных прямым действием ветра, скорость дрейфа равна арифметической сумме скоростей:
где Uw — скорость ветрового дрейфа; Uc — скорость дрейфа, вызванного течениями. Определяющую роль в дрейфе пленки играет ветровой дрейф. Скорость ветрового дрейфа составляет около 3 % от скорости ветра. Под действием силы Кориолиса направление дрейфа отклоняется от направления скорости ветра.
После прекращения растекания дальнейший рост площади нефтяного загрязнения будет происходить под действием турбулентной диффузии. Диффузия нефтяных загрязнений отличается от диффузии консервативных пассивных примесей. Неконсервативность нефтяной пленки обусловлена испарением, растворением нефти и биодеградацией, в процессе диффузии происходит изменение химического состава пленки. Поэтому необходимо подходить с осторожностью к перенесению результатов опытов по горизонтальной турбулентной диффузии с различными красителями на диффузию нефтяного пятна. Следует отметить, что в случае нефтяной пленки имеет место горизонтальная диффузия, а для нефти в диспергированном состоянии диффузия будет трехмерной.
Поверхностные волны оказывают значительное влияние на нефтяные загрязнения. Они являются причиной волнового дрейфа, вызывают перемешивание нефти при обрушении волн, изменяют толщину нефтяного слика над различными участками волны. Волновое движение создает в приповерхностном слое волновое течение, обусловленное нелинейными эффектами. Скорость течения определяется формулой Стокса.
Исследование дрейфа нефти под воздействием волн и при совместном воздействии волн и ветра проводилось пока только в лабораторных работах. Оказалось, что в этом случае скорость волнового дрейфа превышает значение скорости Стокса. Скорость волнового дрейфа во всех случаях составляет менее 20 % от скорости ветрового дрейфа. Отметим, что эти результаты получены в лабораторных условиях при малых разгонах. Соотношение между скоростью чисто ветрового дрейфа и скоростью волнового течения зависит не только от скорости ветра, но и от стадии развития волнения.
Поверхность океана при определенных ветровых условиях покрыта значительным числом обрушивающихся волн, которые влияют на перемешивание нефти и расплывание нефтяных сликов. В свою очередь нефтяные слики уменьшают частоту обрушения волн. Разрушение волны на нефтяном слике приводит к перемешиванию нефти в водяном столбе, плавучесть частиц нефти вызывает подъем ее частиц на поверхность. Баланс сил, приводящих к заглублению и к подъему нефти, определяет время нахождения ее частиц в воде.
Непосредственно влияние загрязняющих веществ, в частности нефти, на обрушение волн сохраняется до тех пор, пока не нарушена целостность поверхностных пленок. При сильных ветрах поверхностный слик разрушается, в слое ветрового перемешивания образуется эмульсия нефти в воде, влияние которой на обрушение волн незначительно. Увеличение вязкости в приповерхностном слое из- за образования эмульсии приводит к незначительному ослаблению высокочастотных составляющих спектра волн. Проникновение нефти в глубину сопровождается пространственной дифференциацией частиц нефти по размерам и нефтяных углеводородов по химическому составу.
Волны способны изменять толщину нефтяного слика. Измерения толщины слоя нефти над волновой поверхностью (если толщина слоя более 1 мм) в лабораторных и натурных условиях показали, что слой нефти становится более толстым над гребнями волн и уменьшается над впадинами. Этот эффект был установлен в случае волн без ветра.
Исследования показывают, что напряжение трения и давления в ветровом потоке могут приводить к перераспределению слоя нефти над волновой поверхностью. Слик, имеющий большие пространственные размеры, приводит к изменению характеристик пограничного приводного слоя — изменяются шероховатость водной поверхности, коэффициент сопротивления, скорость трения, скорость ветра в приводном слое. В результате изменяется поступление энергии от ветра к поверхностным волнам и течениям, нарушаются газообмен и влагообмен пограничных слоев. Использование в сельском хозяйстве ПАВ для уменьшения испарения с водоемов небольших размеров — хорошо известный факт. Таким образом, пленочные загрязнения значительных акваторий морей могут существенно нарушить механизмы взаимодействия атмосферы и океана.
- [1] Запевалов А. С, Показеев К. В., Пустовойтенко В. В. Обнаружение нефтяныхзагрязнений радиолокационными средствами космического базирования, проблемы и пути их решения // Физические проблемы экологии. 2010. № 16. С.151—167.
- [2] Методы и средства борьбы с нефтяными загрязнениями вод Мирового океана.Т. 8. Проблемы химического загрязнения вод Мирового океана / под ред. М. П. Нестеровой, Л. : Гидрометеоиздат, 1989; Монин А. С, Красицкий В. А. Явления на поверхности океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1985.
- [3] Фащук Д. Я., Крылов В. Н., Иерокликс М. К. Загрязнение Черного и Азовскогоморя пленками нефтепродуктов // Водные рессурсы. 1996. Т. 23. № 3. С. 361—375.
- [4] ФащукД. Я., Крылов В. Н., Иерокликс М. К. Указ. соч.
- [5] Боганов Е. В., Мельникова О. Н., Показеев К. В. Влияние пленок ПАВ на дрейфовое течение воды // Известия РАН. Серия Физическая. 2006. № 12. С. 1704—1710.
Источник: studme.org