В настоящее время в России эксплуатируется 350 тыс. км межпромысловых нефтепроводов. Количество аварий на межпромысловых нефтепроводах за последние несколько лет увеличилось на 20%. Ежегодное увеличение аварийности составляет 5-9%. Их причиной могут быть технические проблемы, ошибки персонала, деятельность похитителей нефти, террористические акты, катастрофические природные явления [1].
Как показывает мировой опыт, основные страны – производители и потребители нефти и нефтепродуктов уже испытали на себе существенные негативные последствия нефтяного загрязнения.
Основой для выявления нефтеэкологической ситуации и выработки мероприятий по предупреждению и ликвидации нефтяного загрязнения является: проведение комплексного мониторинга и детальной экспертизы нефтезагрязненных земель, унификация ряда параметров и методов, обеспечивающих очистку почв от нефтяного загрязнения, прогноз зоны распространения разливов нефти при неблагоприятных метеоусловиях и оценки возможных последствий [2].
Прогноз динамики распространения углеводородов с учетом действующих факторов и выявления участков с высокой степенью нефтезагрязнения требует применения методов моделирования сложных систем и информационных технологий.
Для решения нефтеэкологических вопросов такого рода предлагается новый тип моделей – К-модель сложной системы [3], которая учитывает многосвязность переменных и объединяет в себе фундаментальные законы классической физики и теории фильтрации; параметрические уравнения, полученные в результате проводимых ранее исследований и применяемые в соответствие с нормативными документами в практических ситуациях; а также выявленные закономерности, не поддающиеся параметризации в силу недостатка информации о виде зависимости и ограниченности средств контроля, приводящей, кроме того, к разной дискретности измерения переменных процесса.
В ходе исследования было определено множество параметров модели.
Параметры нефти, которые будем учитывать в модели: µ – вязкость нефтезагрязнителя; ρн – плотность нефтезагрязнителя; Tн – температура нефтезагрязнителя; Pн – давление нефтезагрязнителя; θ – фракционный состав нефтезагрязнителя; χ – переменная, показывающая наличие механических примесей. Вектор параметров нефти в модели Q1(t) = (Tн, Pн, θ, χ, μ, ρн).
Параметры почвы, которые будем учитывать в модели: m – пористость почвы; k – проницаемость почвы; s – величина удельной поверхности частиц почвы; l – влагоудерживающая способность частиц; r – размер частиц; q – процентное соотношение частиц определенного размера; ς – форма частиц; λ – способность частиц к деформации; ψ – наклон местности, на которой произошел разлив. Вектор параметров почвы в модели Q2(t) = (m, k, s, l, ψ, r, q, ς, λ).
Параметры окружающей среды, которые будем учитывать в модели: P – давление окружающей среды; T – температура окружающей среды; g – ускорение свободного падения; η – влажность воздуха; w – количество осадков; а – параметр, характеризующий состояние атмосферы. Вектор параметров внешней среды в модели имеет вид Q3(t) = (T, P, g, w, а, η).
Дополнительные параметры модели: Vн – объем вылившейся нефти; Gp– производительность насоса на нефтеперекачивающей станции, определяется по показателям приборов на нефтеперекачивающей станции; τ – период времени от возникновения аварии до остановки насосов на нефтеперекачивающей станции; Dн – диаметр нефтепровода; lн – длина участка поврежденного нефтепровода между двумя задвижками; Кз – эмпирический параметр, устанавливаемый в зависимости от рельефа местности; L – глубина загрязненной почвы, определяется шурфованием; Fз – площадь разлива; a0, b0 – размеры нефтяного пятна на поверхности в момент времени, соответствующий прекращению последующего разлива нефти из трубопровода; a, b – размеры (границы) нефтяного пятна; Mз – количество нефти и нефтепродуктов, вылившееся из нефтепровода, Mвн – количество впитавшейся нефти, Mи – количество испарившейся нефти, uи – скорость испарения нефти, Мзг – количество нефтезагрязненного грунта, ρзг – плотность нефтеагрязненного грунта; Мп – количество нефти, разлитое по поверхности, Lп – толщина слоя нефти на поверхности земли; Vзг – объем просочившейся нефти, ρп – плотность поверхностного слоя почвы, ρг – плотность грунта, kп – проницаемость поверхностного слоя почвы; Ka, Kb – капиллярные силы, действующие по продольному и поперечному направлениям соответственно; G – обобщенный показатель качества грунта; u = (ux, uy, uz) – скорость фильтрации по трем направлениям.
Входными являются определенные ранее параметры трех взаимодействующих систем: нефти (Q1), почвы (Q2) и окружающей среды (Q3).
На выходе модель выдает пространственные границы нефтяного пятна (Π – площадь разлива, L – глубина проникновения нефтезагрязнителя) и уровень загрязнения (α).
Для математического описания движения жидкостей и газов в пористых средах, возникающего при аварийном разливе углеводородов, используются уравнение неразрывности, представляющее собой математическое выражение закона сохранения массы фильтрующейся жидкости в пористой среде и закон Дарси [4], – переменные процесса (насыщенность, скорость фильтрации, глубина нефтезагрязнения).
На рисунке показана схема многомерного стохастического процесса нефтезагрязнения. Где ξ(t) – векторное случайное воздействие. Каналы связи H, соответствующие различным переменным, включающие в себя средства контроля, приборы для измерения наблюдаемых переменных; Q1t, Q2t, Q3t, Dt, Пt, Lt, αt – измерение соответствующих переменных в дискретное время t; h(t) – случайные помехи измерений переменных процесса.
Рисунок 1. Схема многомерного стохастического процесса геофильтрации нефти в почве
В ходе исследования были разработаны вычислительный алгоритм[5], учитывающий специфические особенности конкретной математической задачи.
С помощьюпостроенной модели были изучены: режим полного пропитывания верхнего слоя, процесс инфильтрации различных углеводородов, распространение нелинейных течений в пористых средах, а также, закономерности изменения зоны нефтяного загрязнения.
Полученные результаты могут быть применены как непосредственно в области нефтяной промышленности с целью прогноза зоны распространения разливов нефти при влиянии различных внешних факторов, для оценки эффективности выполненных рекультивационных работ по восстановлению нефтезагрязненных участков, так и при моделировании других сложных технологических процессов.
Список литературы:
- Катастрофы:аварии на нефтепроводах//[Сайт]/ URL: https://www.uischool8.ru/old/netproject/baikal/katastr/katastr-0.htm.(дата обращения: 15.03.16).
- РогозинаЕ.А. Актуальные вопросы проблемы очистки нефтезагрязненных почв / Е. А. Рогозина // Нефтегазовая геология. Теория и практика. –2006. – № 1. – URL: .
- Мальцева Т.В., Медведев А.В., Молокова Н.В. О К-моделях и их приложении [Электронный ресурс] М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2014. С. 2992–3003.Электрон. текстовые дан. (1074 файл.: 537 МБ). 1 электрон.опт. диск (DVDROM). ISBN 978-5-91450-151-5.
- Молокова Н.В., Мальцева Т.В. Об идентификации процесса нефтезагрязнения пористой среды // Идентификация систем и задачи управления: Труды X Международной конференции SICPRO’15. – М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2015. – С. 314–328.
- Молокова Н.В., Мальцева Т.В. О компьютерной системе моделирования процессов нефтезагрязнения // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XVII Международной конференции. − Самара: Самарский научный центр РАН, 2015. – С.363-369[schema type=»book» name=»ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РЕШЕНИИ НЕФТЕЭКОЛОГИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ» description=»В данной статье представлены прикладные аспекты методов моделирования сложных систем и информационных технологий при решении нефтеэкологических вопросов.» author=»Молокова Наталья Викторовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-19″ edition=»euroasia-science_28.04.2016_4(25)» ebook=»yes» ]
.