ТЕХНОЛОГИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ЛИКВИДАЦИИ НЕФТЯНОЙ ЛИНЗЫ С ПОМОЩЬЮ ПРИНУДИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2010 года по МПК E21B43/263 B09C1/00 

В настоящее время в России, да и во всем мире, сложилась катастрофическая ситуация с авариями, связанными с транспортировкой и хранением нефти и нефтепродуктов. До недавнего времени мало кто задумывался о том, какой вред экологии могут нанести аварийные разливы нефти. Если конкретно говорить о видах аварий, связанных с транспортом нефти, то необходимо отметить такие, как аварии на нефтепроводе, аварии на железной дороге (опрокидывание цистерн с нефтью) и аварии на автомобильных дорогах. И каждый из этих видов аварий приносит ежегодно большой экологический ущерб природе. Например, при разрыве нефтепровода происходит большой выброс нефти в грунте или по поверхности почвы, которая быстро фильтруется и проникает на довольно большую глубину в недра почвы, образуя так называемую линзу. Если с поверхности почвы нефть можно достаточно просто собрать, то линзу ликвидировать весьма сложно. Почва оказывается пораженной на долгие годы. На ней мы не сможем увидеть растительного покрова. До настоящего времени известно очень мало эффективных, экономичных и практичных способов локализации и ликвидации нефтяной линзы. Главной целью было разработать новый способ локализации и ликвидации нефтяной линзы с помощью взрывчатых веществ.

Способ локализации и ликвидации нефтяной линзы из глубинных слоев почвы с помощью взрывчатых веществ (В.В.) применяется в первую очередь для блокировки и вытеснения линзы из почвы, с целью ее освобождения от нефти и дальнейшего восстановления и оздоровления почвенного состава, а также для извлечения остаточной нефти и использования ее в качестве вторичного топлива.

После аварийного разлива нефти часть ее удается собрать с поверхности Земли, остальная часть проникает, фильтруется в глубинные слои почвы, образуется линза, которую порой невозможно извлечь. Эта линза может вести себя непредсказуемо, а именно может начать дрейфовать к населенному пункту и проникать в подземные источники питьевой воды. В результате в составе питьевой воды будет присутствовать нефть или ее производные. Чтобы этого не случилось необходимо локализовать линзу, а затем совсем вытеснить ее из почвы с помощью принудительных (взрывчатых средств).

Как было сказано выше, мы имеем два периода в технологии локализации и ликвидации аварийного разлива нефти:

1. Локализация нефтяной линзы.

2. Ликвидация нефтяной линзы.

Поговорим вначале о первом периоде - локализации.

Первый период необходим для того, чтобы ограничить опасное распространение линзы.

Для реализации первого периода необходимо выполнить следующие операции.

1. С помощью газопочвенной съемки обнаружить контрольные границы линзы.

2. Далее необходимо пробурить скважины - шурфы для опускания заряда - и опустить заряды такой массы и мощности, чтобы только локализовать линзу.

Взрыв двойного назначения: 1) Локализация линзы (см. фиг.1).

Взрыв двойного назначения (см. фиг.2):

1) Локализация линзы.

2) Для принудительного вытеснения нефти из линзы.

Для этого учитываются особенности уплотнения и оплавления грунта при взрыве. В результате взрыва образуются так называемые камуфлетные полости. Внутренняя оболочка оказывается сильно оплавленной и нефтеводонепроницаемой. И более того, при взрыве происходит сильное уплотнение грунта за счет образования полости, что конечно же, усиливает непроницаемость грунта между камуфлетными полостями. Это положение подтверждает формула

,

объем грунта уменьшился, плотность увеличилась. Что доказывает схема (см. фиг.3).

V_Г - объем грунта до взрыва

V_П - объем полости после взрыва

V^* - объем уплотненного грунта.

Формула - условие для уплотнения грунта:

Формула уплотненного грунта

V^* _гр - объем грунта после взрыва ( уплотненного грунта)

V_П - объем полости после взрыва

V_Г - объем грунта до взрыва

Два режима взрыва:

1) V_г=V_п+V^*

2) → Зона уплотнения входит в зону линзы.

После взрыва объем грунта равен объему уплотненного грунта V^*.

Назовем этот грунт - уплотненным грунтом, он уплотнился за счет образования полости V_п.

Кроме того, необходимо добавить, что заряды нужно расположить на таком расстоянии друг от друга, чтобы при взрыве двух соседних зарядов определенной мощности перемычка между камуфлетными полостями была максимально уплотненной и непроницаемой для содержимого линзы. Это будет обеспечивать нефтеводонепроницаемую оболочку, что позволит заблокировать и тем самым локализовать линзу (см. фиг.4, 5, 6).

Создание уплотненной зоны - важнейший эффект взрыва в грунте, особенно ценный в условиях локализации нефтяной линзы, поскольку она является своеобразным противофильтрационным экраном.

При динамическом, в том числе взрывном, нагружении уплотнение грунта происходит в основном в результате сжатия воздуха (уменьшения свободной пористости), т.е. в результате переупаковки частиц скелета с взаимным их смещением. Вследствие уменьшения свободной пористости в глинистом грунте уменьшаются размеры пор и их количество за счет объединения адсорбционных пленок, окружающих минеральные частицы, что приводит к увеличению вязкого сопротивления и уменьшению площади фильтрации.

По результатам исследований по взрыванию цилиндрических и сферических зарядов были получены следующие зависимости радиусов цилиндрической и сферической полостей соответственно от погонного веса камуфлетного заряда (С_п) и общего веса (С)

R_ц - радиус цилиндрической полости

R_c - радиус сферической полости

К - коэффициент податливости (сжимаемости)

С_п - погонный вес камуфлетного заряда

С - общий вес камуфлетного заряда

Обозначим вес эффективного сосредоточенного заряда через С_эф, тогда формулу (Б) запишем так:

Сравнивая формулы (А) и (Б), получаем

Расположение центра сферического заряда определим по формуле

Второй период - ликвидация нефтяной линзы с помощью взрыва.

Он предназначен для принудительного вытеснения нефти из линзы. Для этого необходимо, чтобы зона уплотнения входила в зону линзы. Это осуществляется путем подбора зарядов большей мощности или варьируя расстояниями между зарядами определенной мощности (см. фиг.7).

Для вытеснения линзы из почвы необходимо создать ΔР - давление, ударную волну. При этом возникнет необходимый поршневой эффект.

В пробуренные скважины (шурфы) опускают заряды (взрывчатые вещества) большей массы и соответственно большей мощности. Производят серию направленных и мощных взрывов. Верхние части скважин (шурфов) плотно заделывают для концентрации энергии и усиления ударной волны. В этом случае зона уплотнения в большей степени входит в зону линзы. И в итоге мы добиваемся вытеснения линзы из почвы, т. е. ликвидации линзы.

Для достижения более высокого эффекта (более успешного вытеснения линзы из почвы) необходимо применять следующую технологию, связанную с обводнением и замачиванием грунта.

1-й способ

1. С помощью газопочвенной съемки определить границы линзы.

2. Пробурить скважины - шурфы для опускания заряда (взрывчатого вещества).

3. Опустить заряды.

4. Над областью линзы рекомендуется произвести обводнение или замачивание грунта и наполнения водой скважин. Для этого устраивают так называемую дамбу, которую заполняют водой и оставляют на 20-30 суток.

Допускается немного иной процесс - сначала замачивают грунт, а затем в уже замоченном грунте пробуривают скважины - шурфы (см. фиг.8), которые затем дополнительно наполняются водой.

Это делается с той целью, чтобы увеличить поршневой эффект - эффект вытеснения линзы с помощью взрывной волны. Поскольку грунт - среда пористая, в порах находится воздух. Плотность воздуха меньше плотности воды (ρВоздуха<ρВоды). При замачивании грунта поры заполняются водой. В итоге плотность замоченного грунта выше плотности пористого грунта. А значит, более плотная среда значительнее передает ударную волну. Далее рассмотрим действие взрыва в водонасыщенном грунте. Физическая природа гидровзрывного уплотнения состоит в том, что предварительное замачивание грунта вызывает ослабление неводостойких и слабоводостойких структурных связей переходного типа, а последующие глубинные взрывы разрушают первичные ослабленные связи и способствуют более плотной переукладке частиц и формированию новых структурных связей. При замачивании грунта до степени влажности S_r>0,80 содержание воды в нем настолько велико, что коллоидные связи значительно ослабевают, сцепление становится небольшим. Замоченный грунт имеет ряд свойств, отличных от свойств грунта, находящегося в твердом состоянии, и деформации, происходящие при взрыве заряда ВВ, носят совершенно иной характер, чем в твердом грунте.

Основной особенностью водонасыщенного грунта от момента его увлажнения до окончательной стабилизации является непрерывное перераспределение напряжений в нем и непрерывная переупаковка его частиц. При взрыве заряда во все стороны будет распространяться взрывная волна - область высоких давлений. Форма фронта взрывной волны будет зависеть от формы заряда и его расположения относительно открытой поверхности грунта. Скорость распространения взрывной волны в водонасыщенном грунте будет больше скорости ее распространения в грунте, находящемся в твердом (маловлажном) состоянии. По фронту взрывной волны создастся очень большое давление, под воздействием которого разрушаются внутренние связи грунта.

Вследствие разрушения внутренних связей грунта нарушается равновесное состояние его как системы. Минеральные частицы и оставшиеся неразрушенными агрегаты уже под действием гравитационных сил стремятся занять наиболее устойчивое в этих условиях положение. Происходит оседание минеральных частиц и агрегатов, не связанных между собой внутренними связями, их более плотная упаковка (см. фиг.9).

Поскольку водная среда имеет определенную вязкость, оказывает сопротивление движению частиц, между соседними соприкасающимися частицами возникают силы трения. Процесс переупаковки минеральных частиц и агрегатов после перехода взрывной волны по водонасыщенному грунту требует определенного времени. Этот процесс не может быть мгновенным, хотя он гораздо более скоротечный, чем процесс, происходящий без воздействия взрывной волны. В результате через некоторое время грунт приобретает плотность, значительно большую, чем в естественном состоянии. Однако сам процесс изменения плотности принципиально отличен от деформации сжатия грунта в обычном понимании. Проход взрывной волны по водонасыщенному грунту вызывает более глубокие разрушения внутренних связей в нем, резко ускоряет процесс переупаковки минеральных частиц грунта. Вследствие этого уплотнение взрывами водонасыщенного грунта достигается быстрее и с большим эффектом, чем сухого. Контроль за увлажнением грунта осуществляется радиоизотопным методом.

Расчетное количество воды Q на замачивание грунта определяется по формуле:

где n - средневзвешенное значение пористости;

V - объем замачиваемого грунта, м³;

S_r - средневзвешенное значение степени влажности естественного грунта.

Объем замачиваемого до взрывов грунта определяется по формуле:

где V₁ - объем грунта в пределах замачиваемого котлована, равный площади котлована, умноженной на толщину промачиваемого грунта;

V₂ - суммарный объем грунта в пределах зон распространения воды под углом β в стороны от замачиваемого котлована.

В момент взрыва образовавшиеся газообразные продукты с большой силой действуют на прилегающий к заряду слой жидкости, сжимая его. Волна сжатия - ударная волна со скоростью, отвечающей скорости звука в сжатой жидкости, распространяется по воде, отрываясь от продуктов взрыва. Расширение газового пузыря, образовавшегося на месте заряда, вызывает смещение границы окружающей его жидкости.

Далее предлагается 2-й способ ликвидации нефтяной линзы, основанный на ее локализации с помощью взрыва и дальнейшем обводнении (замачивании грунта). В этом случае взрывчатые вещества необходимы для уплотнения и оплавления грунта, создания нефтеводонепроницаемой перемычки по нижней и боковым границам линзы.

Для этого предварительно необходимо обнаружить границы линзы, пробурить скважины - шурфы. Опустить заряды такой массы и мощности, чтобы только заблокировать линзу для дальнейшего заполнения ее водой. При этом грунт вокруг линзы будет уплотнен и оплавлен. Далее выполняем операцию - обводнение грунта, т.е. замачиваем грунт с помощью специально устроенной дамбы.

В процессе замачивания происходит смешивание воды и нефти. А поскольку плотность нефти меньше плотности воды, то вода будет постепенно вытеснять нефть из линзы. Нефть частично будет всплывать и выходить на поверхность, где ее с помощью специальных насосов будут откачивать и отделять от воды (см. фиг.10).

Изобретение относится к области защиты в чрезвычайных ситуациях, к ликвидации аварийных разливов нефти. Способ локализации и ликвидации нефтяной линзы из глубинных слоев почвы включает обнаружение границ линзы, бурение скважин, локализацию линзы и вытеснение нефти на поверхность. Локализация осуществляется путем проходки по контуру нефтяной линзы скважин или шурфов, после чего осуществляют их заряжание взрывчатым веществом такой массы и мощности, при которых после взрыва происходит создание нефтеводонепроницаемой внутренней оболочки, блокирующей нефтяную линзу путем уплотнения и оплавления грунта. Ликвидация включает многократные последовательные взрывы в тех же скважинах или шурфах, возникающие ударные волны от которых вытесняют нефтяную линзу из почвы. Возможно применение дополнительного обводнения грунта, с целью увеличения его плотности, и, тем самым, увеличения эффективности воздействия ударной волны, которая направленно смещает нефтяную линзу вверх. Изобретение увеличивает эффективность извлечения нефти из почвы, повышает производительность труда, улучшает экологию, освобождает почву от нефтяного загрязнения. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ локализации и ликвидации нефтяной линзы из глубинных слоев почвы, включающий обнаружение границ линзы, бурение скважин, локализацию линзы и вытеснение нефти на поверхность, отличающийся тем, что локализация осуществляется путем проходки по контуру нефтяной линзы скважин или шурфов, после чего осуществляют их заряжание взрывчатым веществом такой массы и мощности, при которых после взрыва происходит создание нефтеводонепроницаемой внутренней оболочки, блокирующей нефтяную линзу путем уплотнения и оплавления грунта, а ликвидация включает многократные последовательные взрывы в тех же скважинах или шурфах, возникающие ударные волны от которых вытесняют нефтяную линзу из почвы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает дополнительное обводнение грунта, с целью увеличения его плотности, и, тем самым, увеличения эффективности воздействия ударной волны, которая направленно смещает нефтяную линзу вверх.