СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТА ИЗ-ПОД ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ВОДОЕМА
METHOD AND DEVICE FOR COLLECTING OIL AND OIL PRODUCTS FROM UNDER ICE COVER OF WATER BODY

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для сбора разливов нефти (нефтепродуктов) из-под ледяного покрова преимущественно арктических водоемов.
Несмотря на активизацию деятельности по добычи нефти в арктических регионах, в основном в морских акваториях Северного Ледовитого океана, до настоящего времени не существует достаточно надежных способов и устройств для сбора разливов нефти и нефтепродуктов из-под ледяного покрова.
Известен способ и устройство для сбора нефти из-подо льда, предусматривающие выполнение проруби во льду, установку на льду лебедки, размещение по контуру прямоугольника подо льдом надувного бонового заграждения, наматывание его на барабан лебедки, подтягивание нефти к проруби и ее откачку (А.С. СССР №1765292, МПК Ε02В 15/04, Устройство для сбора нефти из-под ледяного покрова водоема, Бюл. №36, 1992).
Известен также способ сбора нефти из-под ледяного покрова проточного водоема (Патент РФ №2176701, МПК Ε02В 15/04, СПОСОБ СБОРА НЕФТИ И3-ПОД ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПРОТОЧНОГО ВОДОЕМА, 2001), который предусматривает вскрытие ледяного покрова и сбор накопленной нефти в накопители. Вскрытие ледяного покрова осуществляют таким образом, чтобы кромка льда образовывала либо встречный течению реки клин, либо острый угол с одним из ее берегов. Отбирают накопившуюся в прибрежной зоне нефть, направляя ее в заранее подготовленные на берегу накопители, дно которых выполнено с обратным от водоема уклоном. Сообщение между водоемом и накопителями обеспечивают системой трубопроводов, с помощью одного из которых производят отбор нефти из прибрежной зоны, а с помощью другого подают в накопитель воду для обеспечения постоянного уровня жидкостей в накопителе, выдерживают их до кристаллизации льда на границе раздела жидкостей и производят сбор нефти с поверхности льда.
Известен способ сбора нефти из-под ледяного покрова проточного водоема (Патент РФ №222484, МПК Е02В 15/04, Способ сбора нефти из-под ледяного покрова проточного водоема, 2004). Сбор нефти из-под ледяного покрова проточного водоема осуществляют путем направления ее к открытому нефтеприемнику с помощью заграждения, установленного в прорези ледяного покрова поперек водного потока, под углом к его динамической оси, с последующим удалением нефти из нефтеприемника. В качестве заграждения используют гибкую эластичную оболочку с утяжелением по нижнему краю, верхний край которой закрепляют на ледяном покрове, после чего указанную оболочку наполняют водой под избыточным давлением. Изобретение позволяет оперативно и эффективно локализовывать и собирать нефть при авариях нефтепроводов и на нефтехранилищах в условиях ледостава.
Известен также способ сбора нефти из-подо льда проточного водоема (Патент РФ №2279508, МПК Е02В 15/04, СПОСОБ СБОРА НЕФТИ И3-ПОДО ЛЬДА ПРОТОЧНОГО ВОДОЕМА, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО РЕКИ, Бюл. №12, 2006). Способ включает локализацию загрязняющего пятна нефти путем установки бонового заграждения, выполнение во льду проруби поперек реки выше пятна нефти относительно течения реки, установку вдоль проруби лебедок. При этом выполняют вторую прорубь поперек реки ниже пятна нефти относительно течения, а на концах поперечных прорубей - продольную прорубь. По краю первой поперечной проруби устанавливают нефтесборный узел, к которому присоединяют тросы, свободные концы которых перемещают по продольной проруби и присоединяют к барабанам лебедок, установленных по краю второй поперечной проруби. Нефтесборный узел соединяют с тросами, намотанными на барабаны лебедок, находящихся по краю первой поперечной проруби, опускают его под лед, прижимают к поверхности льда путем накачивания воздуха в его надувные оболочки и перемещают от первой поперечной проруби ко второй.
Недостатком указанных способов (А.С. СССР №1765292, Патенты РФ №№2176701, 2224842, 2279508) является ограниченность их применения, поскольку способы могут быть использованы только в условиях проточного водоема.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ и устройство для сбора нефти из-под ледяного покрова водоема (Патент РФ №2533920, МПК Е02В 15/04, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА НЕФТИ И3-ПОД ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ВОДОЕМА. Бюл №33, 2014 г.), включающий бурение во льду скважины, установку под ледяной покров полой оболочки, оснащенной по контуру надувным ограждением, закачку в их полости воздуха, а в зону контакта оболочки с загрязненным участком льда рабочего агента, удаление из-под ледяного покрова загрязняющих веществ из полостей оболочки надувного ограждения воздуха и удаление оболочки надувного ограждения из скважины, бурение в ледяном покрове другой скважины с проведением операций, включающих удаление из-под ледяного покрова загрязняющих веществ, при этом бурение во льду скважин, установку в них оболочки с надувным ограждением осуществляют непосредственно в зоне разлива нефти, полости оболочки, надувного ограждения заполняют горячим воздухом.
Основным недостатком известного способа и устройства (Патент РФ №2533920) является низкая производительность, высокая трудоемкость и локальность характера очистки водоема (сбор нефти производится с небольшого участка акватории).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности, снижение трудоемкости и расширение возможностей сбора, удаления из-под ледяного покрова водоемов нефти (нефтепродуктов).
Задача решается за счет того, что в способе сбора нефти или нефтепродукта из-под ледяного покрова водоема, включающем локализацию пятна нефти или нефтепродукта и последующее удаление нефти или нефтепродукта откачкой в нефтеприемник, в отличие от прототипа, в область локализации пятна нефти или нефтепродукта под ледяной покров подают по крайней мере один понтон, накачивают его воздухом в количестве, достаточном для создания подъемной силы, достаточной для подъема и деформации ледяного покрова с образованием купола на участке локализации пятна нефти или нефтепродукта, обеспечивающего сбор нефти или нефтепродукта, находящегося между поверхностью воды и ледяным покровом, причем прилагаемая к ледяному покрову подъемная сила должна быть меньшей силы, вызывающей разрушение ледяного покрова.
Кроме того, возможны следующие варианты реализации способа: в качестве нефтеприемника используют понтон; удаление нефти или нефтепродукта из образованного подо льдом купола производят через пробуренное во льду на вершине купола скважину; в пробуренную скважину погружают завихритель с откачным устройством, вращением завихрителя создают в воде подо льдом вихревую воронку, обеспечивающую сбор в нее нефти или нефтепродукта, и производят откачку нефти или нефтепродукта из вихревой воронки; локализацию пятна нефти или нефтепродукта производят размещением под ледяным покровом бонового заграждения путем его транспортировки дистанционно управляемыми торпедами и/или подводными аппаратами, а в качестве понтона используют дистанционно управляемый подводный аппарат; локализацию пятна нефти или нефтепродукта производят размещением под ледяным покровом бонового заграждения путем размещения его через пробуренные по периметру пятна нефти или нефтепродукта скважины; используют надувные боновые заграждения; вначале подо льдом размещают боновые заграждения в ненадутом состоянии, а после их размещения надувают их; область, образованную боновым заграждением и ледяным покровом на конечном этапе откачки нефти или нефтепродукта, заполняют горячим воздухом; используют надувные понтоны; в качестве надувного понтона используют одно- или двухкамерный резино-тканевый резервуар, который используют также в качестве нефтеприемника, а за счет подкачки в него воздуха обеспечивают сохранение силы его воздействия на ледяной покров; на ледяной покров по границе области локализации пятна нефти или нефтепродукта по ее периметру прикладывают нагрузку, достаточную для погружения части ледяного покрова в воду по этой границе; нагрузку на ледяной покров по границе области локализации пятна прикладывают, заполняя водой расположенные по периметру области мягкие или эластичные резервуары или кольцевой резервуар.
Задача решается также за счет того, что в устройстве для сбора нефти из-под ледяного покрова водоема, включающем надувное боновое ограждение, транспортное устройство, грузоподъемное устройство, емкость для сбора нефти или нефтепродукта, шланги для откачки нефти или нефтепродуктов, компрессор и шланги для подачи воздуха, в отличие от прототипа, в качестве грузоподъемного устройства используется расположенный под ледяным покровом понтон объемом, достаточным для локальной деформации ледяного покрова с образованием участка куполообразной формы при закачке в понтон воздуха.
Кроме того, возможны следующие варианты выполнения устройства: понтон выполнен с возможностью закачки в него удаляемой нефти или нефтепродукта; оно дополнительно оснащено устройством для завихрения воды подо льдом, а также бурильным оборудованием и вакуум-насосом; в качестве устройства для завихрения воды подо льдом используется погружной винт, выполненный с возможностью раскладки и/или раздвижки лопастей винта; лопасти погружного винта расположены в несколько ступеней; дополнительно снабжено устройством для нагрева рабочего агента и нагнетательным насосом; бурильное оборудование, устройство для завихрения воды подо льдом, вакуум-насос, шланги для откачки нефти или нефтепродуктов смонтированы на транспортном устройстве, а в качестве транспортного устройства используется водоплавающее транспортное устройство на гусеничном ходу или транспортное устройство на воздушной подушке; устройство дополнительно снабжено мягкими или эластичные резервуарами или кольцевым резервуаром, нагнетательным насосом и оборудованием для закачки и слива воды из резервуаров, а также устройством для нагрева воды в упомянутых резервуарах.
Реализация способа включает локализацию пятна нефти или нефтепродукта, которая обеспечивается размещением под ледяным покровом бонового заграждения, например путем его транспортировки дистанционно управляемыми торпедами и/или подводными аппаратами или путем размещения его через пробуренные по периметру пятна нефти или нефтепродукта скважины. Далее, в область локализации пятна нефти или нефтепродукта под ледяной покров подают по крайней мере один понтон, накачивают его воздухом в количестве, достаточном для подъема ледяного покрова на локальном участке локализации пятна нефти или нефтепродукта на требуемую высоту, обеспечивающую за счет деформации ледяного покрова образование в последнем купола, достаточного для сбора нефти или нефтепродукта, находящегося между поверхностью воды и ледяным покровом. При куполообразной (в виде «перевернутой чаши») деформации ледяного покрова на участке локализации пятна более легкая по сравнению с водой нефть (нефтепродукты, нефтяные загрязнения) вытесняется и собирается при вершине образованного из ледяного покрова купола. Для повышения эффекта вытеснения можно увеличить деформацию льда, обеспечивающую приложение нагрузки, достаточной для (полного или частичного) погружения льда в воду по этой границе. В качестве грузов можно использовать, например, лед или воду. В последнем случае по периметру пятна на поверхности ледяного покрова изготавливают бассейн (емкость) в виде кольца и заполняют его водой или располагают по кольцу гибкие (эластичные, мягкие), например полимерные или резино-тканевые, резервуары, создавая требуемую нагрузку путем закачки в них воды.
Удаление нефти или нефтепродукта из образованного подо льдом купола путем его откачки насосом производят либо через пробуренное во льду на вершине купола скважину, либо непосредственно в понтоны. При этом понтоны (жесткие или гибкие) заполняют удаляемой из-подо льда нефтью или нефтепродуктами, обеспечивая заданную силу их воздействия на ледяной покров за счет удаления из них балластовой воды, взамен поступивших нефти или нефтепродуктов.
Эффективность удаления нефти или нефтепродуктов может быть в некоторых случаях повышена за счет использования вихря, создаваемого погружением в пробуренную скважину, завихрителя с откачным устройством. При этом вращение завихрителя создает в воде подо льдом вихревую воронку, обеспечивающую сбор в нее нефти или нефтепродукта. В результате действия центробежных сил в воде подо льдом образуется воронка и в образованную воронку с поверхности воды (с границы «вода - нефтепродукты - лед») собираются разлитые в воде нефть и нефтепродукты. Далее, собранная в вихревой воронке нефть (нефтепродукты, нефтяные или аналогичные им загрязнения) откачивается насосом через перфорации отборника в полом валу завихрителя в нефтеприемник.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фигурах 1 и 2 показаны схема деформации ледяного покрова с образованием купола с откачкой во внешний нефтеприемник. На фигуре 3 представлена схема деформации ледяного покрова при воздействии периферийного груза, расположенного на границе нефтяного пятна. На фигуре 4 представлена схема деформации ледяного покрова с образованием купола с откачкой в понтон-нефтеприемник, а на фигуре 5 - процесс удаления нефти из-подо льда с использованием вихревой воронки.
Фигуры 1-5 содержат: 1 - ледяной покров, 1а - купол, образованный деформированной частью ледяного покрова, 2 - нефть или нефтепродукты, 3 - вода, 4 - всасывающий патрубок насоса, 5 - насос, 6 - нефтеприемник, 7 - боновые заграждения, 8 - понтон, 9 - мягкие или эластичные резервуары или кольцевой резервуар, 10 - нефтепродукты, закаченные в нефтеприемник (собранные нефтепродукты), 11 - полость внутри кольцевого пантона, 12 - скважина (прорубь), 13 - полый вал завихрителя, 14 - мобильная установка для бурения и откачки нефти, 15 - трубопровод для откачки нефтепродуктов в емкость, 16 - завихритель (Полой стрелкой показано направление действия силы, возникающей от действия понтона на ледяной покров; черной стрелкой - сила действия периферийного груза на ледяной покров; F - подъемная сила).
Способ осуществляется, а устройство работает следующим образом. Способ основывается на следующем принципе: воздействуя на ледяной покров 1 снизу вверх силой F (фиг. 1), равной выталкивающей силы воды, действующей на размещенный под ледяным покровом 1 понтон 8 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4), производят деформацию ледяного покрова 1 с образованием деформированной частью ледяного покрова купола 1а (фиг. 1б). Нефть и нефтепродукты 2, имеющие меньший по сравнению с водой удельный вес (плотность), собираются при вершине купола 1а, откуда и производится их удаление (фиг. 1в). Прилагаемая к ледяному покрову подъемная сила (F) должна быть меньшей силы, вызывающей разрушение ледяного покрова, в противном случае при разрушении льда образованный из покрова купол 1а исчезнет и реализация способа на этом участке станет невозможной.
Производят локализацию пятна нефти или нефтепродукта, которая может быть осуществлена, например, размещением под ледяным покровом 1 бонового заграждения 7 (фиг. 2-5) путем его транспортировки управляемыми торпедами и/или подводными аппаратами (не показано). Локализацию пятна нефти или нефтепродукта можно осуществлять размещением под ледяным покровом 1 (фиг. 2а, фиг. 3а, фиг. 4а) бонового заграждения 7 либо путем его транспортировки дистанционно управляемыми торпедами и/или подводными аппаратами (не показано), а в качестве понтона 8 использовать, например, дистанционно управляемый подводный аппарат, либо путем размещения бонового заграждения 7 через пробуренные по периметру пятна нефти или нефтепродукта скважины. В последнем случае вначале подо льдом 1 размещают боновые заграждения 7 в ненадутом состоянии, а после их размещения их надувают. В область локализации пятна нефти или нефтепродукта под ледяной покров 1 (фиг. 2а, фиг. 3а, фиг. 4а) подают по крайней мере один понтон 8, накачивают его воздухом (фиг. 2а). Могут использоваться как металлические понтоны, имеющие устройство для откачки и закачки воды и заполнения их объема воздухом, так и надувные эластичные понтоны. В качестве надувного понтона используют одно- или двухкамерный резино-тканевый резервуар 8 (фиг. 2), который может также использоваться в качестве нефтеприемника 8 для продуктов 10 (фиг. 4), а за счет подкачки в него воздуха обеспечивают сохранение силы воздействия понтона 8 на ледяной покров 1. Понтон 8 заполняют воздухом в количестве, необходимом для создания выталкивающей силы, достаточной для осуществления деформации ледяного покрова 1 и его подъема на участке локализации пятна нефти или нефтепродукта на требуемую высоту (фиг. 2б, фиг. 3б, фиг. 4б), обеспечивающую за счет деформации ледяного покрова 1 образование в последнем купола 1а, достаточного для сбора нефти или нефтепродукта 2, находящегося между поверхностью воды 3 и ледяным покровом 1. Для увеличения степени деформации ледяного покрова 1 по границе области локализации пятна нефти или нефтепродукта по ее периметру прикладывают нагрузку, достаточную для погружения ледяного покрова в воду по этой границе (фиг. 3б, фиг. 4б, фиг. 5б). Упомянутую нагрузку на ледяной покров 1 по границе области локализации пятна прикладывают, заполняя водой расположенные по периметру области мягкие или эластичные резервуары или кольцевой резервуар 9 (фиг. 3б, фиг. 4б, фиг. 5б). Удаление нефти или нефтепродукта 2 из образованного подо льдом 1 купола 1а производят через пробуренное во льду 1 на вершине купола 1а скважину (прорубь) 12 (фиг 5в). Например, в пробуренную скважину 12 погружают завихритель 16 с откачным устройством, вращением завихрителя 16 создают в воде подо льдом 1 вихревую воронку, обеспечивающую сбор в нее нефти или нефтепродукта, и производят откачку нефти или нефтепродукта 2 из вихревой воронки. При использовании в качестве надувного понтона 8 одно- или двухкамерный резино-тканевый резервуар, который используют в качестве нефтеприемника 8 (фиг. 4), удаление нефтепродуктов 2 производят за счет их слива через отверстия в верхней части понтона 8 (фиг. 4а). При удалении нефти и нефтепродуктов с созданием вихревой воронки можно использовать мобильную установку. В этом случае над областью локализованного пятна нефти или нефтепродукта 2 размещают мобильную установку для бурения и откачки нефти 14 (фиг. 5б) и в ледяном покрове 1 бурят скважину, погружают через нее в область пятна полый вал завихрителя 13 с откачным устройством (фиг. 5б). После погружения завихрителя 16 в воду на необходимую глубину раскрываются лопасти завихрителя 16 (фиг. 5в) и вращением завихрителя 16 создают в воде подо льдом 1 вихревую воронку, обеспечивающую сбор в нее нефти или нефтепродукта 2, и производят откачку нефти или нефтепродукта 2 из вихревой воронки через полый вал завихрителя 13. Для обеспечения работы завихрителя 16 и удаления нефти и нефтепродуктов 2 используется кольцевой понтон 8, имеющий полость 11 внутри кольцевого понтона и в месте контакта понтона с ледяным покровом 1а каналы для движения нефти и нефтепродуктов 2 (фиг. 5). При образовании в воде вихревой воронки из-за разности плотностей воды и нефти более легкая нефть собирается в центральной части вихревой воронки. Далее, через перфорации в полом валу завихрителя 13 нефть или нефтепродукты 2 через трубу для откачки нефти насосом через трубопровод для откачки нефтепродуктов откачивается в нефтеприемник 6, функции которого выполняют мягкие или эластичные резервуары или кольцевой резервуар 9 (фиг. 5). Затем после удаления нефти или нефтепродуктов 2 лопасти завихрителя 16 складываются, и завихритель 16 удаляется из-подо льда, и мобильная установка для бурения и откачки нефти 14 переезжает на другой участок, где необходимо удалить нефтяные загрязнения.
Устройство для сбора нефти или нефтепродукта из-под ледяного покрова водоема (фиг. 5) включает надувное боновое ограждение 7, транспортное устройство 14, грузоподъемное устройство 8, емкость для сбора нефти или нефтепродукта (нефтеприемник) 6, шланги (трубопровод) для откачки нефти или нефтепродуктов 15, компрессор и шланги для подачи воздуха. В качестве грузоподъемного устройства используется расположенный под ледяным покровом понтон 8 объемом, достаточным для локальной деформации ледяного покрова 1, с образованием участка куполообразной формы 1а при закачке в понтон воздуха (фиг. 5).
Модельные сравнительные эксперименты показали, что по сравнению с прототипом (Патент РФ №2533920) предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность от 1,8 до 2,6 раз и снизить трудоемкость в 4-6 раз.
Таким образом, реализация способа и устройства позволяет повысить производительность, снизить трудоемкость и расширить возможности сбора, удаления из-под ледяного покрова нефти (нефтепродуктов) на проточных и непроточных водоемах.