ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 622.323:504 © В.В. Середин, М.Ф. Леонович, П.А. Красильников, 2015
Прогноз фильтрации углеводородов в дисперсных грунтах при разработке нефтяных месторождений
В.В. Середин, д.г.-м.н., М.Ф. Леонович, к.т.н., П.А. Красильников, к.г.-м.н. (Пермский гос. национальный исследовательский университет)
Адреса для связи: nedra@nedra.perm.ru, seredin@nedra.perm.ru, kafedra.ingeo@gmail.com
Ключевые слова: геологическая среда, влажный грунт, песок, моторное масло, углеводородное загрязнение.
Forecast transformation of dispersed hydrocarbons in soils in the development of oil fields
V.V. Seredin, M.F. Leonovich, P.A. Krasilnikov (Perm State National Research University, RF, Perm)
E-mail: nedra@nedra.perm.ru, seredin@nedra.perm.ru, kafedra.ingeo@gmail.com
Key words: geological environment, wet soil, sand, engine oil, hydrocarbon contamination.
To forecast the depth and amount of soil contamination by accidental spills of hydrocarbons on the ground surface, the experimental studies were done. Probabilistic and statistical processing of these data showed that there are statistical relationships between the concentration of hydrocarbons in soils and the depth of contamination, as well as between the time of anthropogenic impact and the depth of contamination, as the significant indexes of pair correlation show Based on the identified relationships the authors have developed mathematical models to predict the depth of contamination in dependence on the anthropogenic load time and have established relationships between the concentration of hydrocarbons in the soil and the depth of contamination.
При добыче, транспорте и хранении нефти и нефтепродуктов довольно часто происходит загрязнение различных объектов природной среды [1, 2]. Техногенное воздействие углеводородов на грунтовый массив представляет интерес по крайней мере в двух аспектах. Первый аспект - негативное влияние углеводородов на почвы, питьевые воды и воздух [2, 3]. С целью его снижения проводят рекультивацию почв [4]. Для выбора наиболее эффективных методов очистки почв необходимы знания по прогнозу глубины и степени загрязнения грунтов углеводородами при аварийных выбросах нефти на земную поверхность.
Второй аспект - изменение свойств грунтов при замене их поровой жидкости углеводородами [5-8]. Важность этого аспекта обусловлена тем, что при воздействии углеводородов на грунт, являющийся основанием для инженерных сооружений, изменяется его несущая способность, что иногда приводит к аварийным ситуациям на объектах нефтедобычи. Для контроля изменений свойств грунтов также необходимы знания в области прогноза глубины и степени их загрязнения при аварийных выбросах нефти.
Изучение закономерностей распространения углеводородов в различных грунтах [9, 10], а также работы по экспериментальному моделированию углеводородного загрязнения геологической среды [11] дают возможность прогнозировать уровни загрязнения грунтов при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов [9, 12] на ограниченных территориях. Указанное обусловлено тем, что грунтовый массив и углеводороды имеют сложное строение и различные свойства, поэтому методы прогнозирования глубины и степени загрязнения грунтов углеводо-
родами требуют экспериментального и теоретического развития. Целью данной работы является разработка математических моделей для прогнозирования глубины и степени загрязнения грунтов при аварийных разливах углеводородов на земную поверхность на основе экспериментальных данных. Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
- изучить распределение (по времени и концентрации) масла моторного в песках и глинах по глубине;
- рассчитать уравнения связи между глубиной проникновения углеводородов и временем техногенной нагрузки на грунтовый массив;
- рассчитать уравнения связи между глубиной проникновения и концентрацией углеводородов в грунтовом массиве.
Объектом исследований являлись пески мелкой и средней крупности, а также глины. В качестве поровой жидкости использовались вода дистиллированная и моторное масло «ЛУКОЙЛ «Мото2Т».
Методика исследования
Для достижения поставленной цели были выполнены две серии экспериментальных исследований грунтов. В первой серии грунты находились в воздушно-сухом состоянии, во второй - при различной влажности. Опыты проводили в пластиковых трубах диаметром 5 см и высотой 55 см. На дне цилиндра размещалась жесткая шайба (поршень), перфорированная дренажными отверстиями диаметром 1,5 мм. Сверху на нее была положена прокладка из фильтровальной бумаги. Подготовка сухого грунта к первой серии эксперимента включала уплотнение песков разной крупности и глины
Таблица 1
Таблица 2
Глубина фильтрации
Время воды масла моторного
фильтрации, сут в песке средней крупности, влажном в песке средней крупности, сухом в песке мелком, сухом в глине, сухой
0 0 0 0 0 0
0,1 54,0 6,2 7,8 4,8 0,5
1 20,5 24,5 15,9 2,5
2 29,5 28,3 18,4 3,5
3 34,0 31,2 20,3 4,4
4 35,0 32,8 21,1 4,9
5 44,0 35,3 22,6 5,724
6 50,1 37,2 23,6 6,128
7 52,1 38,5 24,6 6,532
8 54,0 39,7 25,5 7,034
10 41,8 27,0 7,9
12 44,3 28,7 9,1
16 45,2 29,3 9,5
22 49,0 31,6 11,8
24 49,8 32,2 12,3
28 51,2 33,0 13,0
32 52,1 33,7 13,4
34 52,9 34,2 13,6
35 53,1 34,4 13,7
41 54,0 35,6 14,1
45 36,0 14,2
48 37,2 14,4
49 37,2 14,5
65 40,2 15,2
в цилиндрах под действием статическом нагрузки 0,007 МПа до полной стабилизации процесса осадки. Для второй серии эксперимента в цилиндр с уплотненным песком средней крупности наливалась дистиллированная вода до полного увлажнения всего объема. Вода фильтровалась через дренажные отверстия в течение 3 сут. После этого грунт был готов к исследованиям.
В подготовленные цилиндры с сухим и влажным грунтами сверху заливали моторное масло «ЛУКОЙЛ «Мото2Т» в объеме 100 мл. Высота слоя масла составляла 5 см. Для исключения интенсивного испарения воды и масла с поверхности песка и обеспечения свободного доступа воздуха цилиндр сверху был закрыт пленкой с мелкими отверстиями. Глубина проникновения масла во влажном песке измерялась с помощью мерной линейки по масляному следу в грунте с фиксацией времени наблюдений. Результаты исследований представлены в табл. 1. Для оценки влажности и концентрации углеводородов по высоте цилиндра отбирались пробы грунта. Результаты измерений приведены в табл. 2. Для расчета уравнений связи использовался вероятностно-статистический анализ полученной информации [9, 12].
Обсуждение результатов исследований
На рис. 1 показано изменение глубины проникновения моторного масла в грунты во времени. Из него видно, что в сухих грунтах (влажность W = 2 - 5 %) глубина проникновения масла моторного контролируется характеристикой грунта. Так, в сухих глинистых породах за 63 сут глубина проникновения масла = 15 см, а сухих мелких песках ^ м с = 40 см. В сухих песках средней крупности
Номер Средняя глубина Влажность песка, % Содержание моторного масла, %, в песке
пробы отбора проб по высоте цилиндра, см начальная (до фильтрации масла моторного) остаточная (после фильтрации масла моторного) влажном сухом
1 1,75 2,72 0,31 1,8 2,95
2 5,25 2,93 2,12 1,66 2,72
3 8,75 2,91 2,44 1,60 3,02
4 12,25 2,94 2,42 2,12 2,95
5 15,75 3,29 2,95 2,45 3,29
6 19,25 4,23 2,24 2,28 3,37
7 22,75 4,86 2,15 1,85 3,55
8 26,25 5,80 2,24 2,13 3,43
9 29,75 14,58 2,42 2,71 3,50
10 33,25 19,54 2,69 2,13 3,51
11 36,75 20,65 2,84 2,32 3,76
12 40,25 20,62 2,92 2,81 4,18
13 43,75 20,95 3,63 10,54 4,79
14 47,25 21,03 4,76 10,75 5,22
15 50,75 22,24 8,04 4,37 10,04
16 53,25 21,95 19,36 0,76 5,0
масло достигло дна цилиндра фпсс = 54 см) за 41 сут. Во влажных же песках средней крупности (W < 22 %) масло достигло дна цилиндра (^ с в = 54 см) за 8 сут, т.е. в 5 раз быстрее, чем в сухих песках. В данном эксперименте не достигнута предельная глубина фильтрации машинного масла в песках средней крупности, так как высота цилиндра составляет 55 см.
Из вышеприведенного следует, что средняя скорость проникновения моторного масла во влажных песках средней крупности максимальная и составляет vпcв = 0,068 м/сут, в сухих песках средней и мелкой крупности уменьшается соответственно до vп с с = 0,0132 м/сут и vпмс = 0,0062 м/сут, в сухих глинах vгс = 0,0023 м/сут. Таким образом, чем больше размер структурных элементов и выше влажность (W до 22 %), тем больше глубина и скорость проникновения моторного масла в грунт.
Для прогнозирования глубины загрязнения массива в зависимости от времени углеводородного воздействия
Рис. 1. Изменение глубины проникновения масла моторного в грунтах во времени:
1 - сухая глина; 2 - сухой мелкий песок; 3 - сухой песок средней крупности; 4 - влажный песок средней крупности
Таблица 3
ициент корреляции
Параметры Время фильтрации масла, сут Глубина проникновения моторного масла, см
в сухой мелкий песок в сухую глину во влажный песок средней крупности в сухой песок средней крупности
Время фильтрации масла, сут 1 0,83 0,95 0,95 0,83
Глубина проникновения: моторного масла, см:
в сухой мелкий песок 0,83 1 0,95 0,95 0,95
в сухую глину 0,95 0,95 1 0,99 0,96
во влажный песок средней крупности 0,95 0,95 0,99 1 0,96
в сухой песок средней крупности 0,83 0,95 0,96 0,96 1
Таблица 4
Характеристика грунта V % Уравнение
Сухой песок средней крупности 2 -5 Ьп.с.с = 30,8967 + 0,6953/'
Влажный песок средней крупности 22 Ьпсв = 11,3333 + 6,0333/
Сухой мелкий песок 2 -5 Ьпмс = 22,074 + 0,322/
Сухая глина 2 -5 Ьг.с = 6,4108 + 0,1696/
Примечание. Уравнения для Ьпсс и Ьпсв целесообразно использовать при глубине загрязнения песков углеводородами до 0,6 м.
на грунты t проведена вероятностно-статистическая обработка экспериментальных данных. Первоначально устанавливались взаимосвязи между временем загрязнения и глубиной проникновения масла в грунт. Для этого использовался корреляционный анализ. Результаты расчетов коэффициентов корреляции г приведены в табл. 3. Анализ коэффициентов корреляции показывает, что численные значения г выше,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.