Методика оценки рисков проведения морских операций и эксплуатации объектов нефтегазодобычи в акваториях арктического шельфа

УДК 681.518; 504.064

Методика оценки рисков проведения морских операций и эксплуатации объектов нефтегазодобычи в акваториях арктического шельфа

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2014

М.И. Анюгина, А.Ю. Большагин, А.И. Вялышев, В.М. Добров, А.А. Долгов, С.В. Зиновьев, Т.Ш. Файзулин

Аннотация

Описана методика оценки рисков загрязнения нефтью и нефтепродуктами контролируемой акватории и качества морских вод по гидрохимическим показателям, получаемым интегрированной системой контроля акваторий арктического шельфа.

Ключевые слова: арктический шельф; разливы нефти; экологический мониторинг; донная станция; автономный подводный аппарат; чрезвычайная ситуация.

The Methodology of Risk Assessment to Provide Marine Operations and Exploitation Oil and Gas Production Facilities on the Waters of the Arctic Shelf

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2014

M. Anugina, A. Bolshagin, A. Vyalyshev, V. Dobrov, A. Dolgov, S. Zinoviev, T. Faizulin

Abstract

The methodology of risk assessment of pollution by oil and oil products area being monitored and the quality of marine waters according to hydrochemical indices obtained the integrated control system of water areas of the Arctic shelf.

Key words: Arctic shelf; oil spills; environmental monitoring; ground station; independent submersible; emergency situation.

Введение

Согласно «Основам государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года» основными приоритетами России в арктическом регионе определены: активное освоение природных ресурсов региона, развитие транспортной и пограничной инфраструктуры, а также информационно-телекоммуникационной среды.

Одним из принципов национальной морской политики является «развитие систем мониторинга состояния морской природной среды и прибрежных территорий». Эта задача актуальна для морских акваторий, связанных с развитием нефтегазового комплекса, особенно с освоением нефтегазового потенциала арктического континентального шельфа Российской Федерации.

При этом большое значение имеют надежные оперативные оценки экологического состояния акваторий, необходимые для его прогнозирования и проведения эффективных мероприятий по ликвидации последствий возможных техногенных аварий, в частности, разливов нефти.

Для получения таких оценок необходим системный подход к методике сбора и анализа данных [1]. Такой подход позволяет не только определять вклад характерных для конкретной акватории источников загрязнений и факторов окружающей среды (климатических, гидрологических, геолого-морфологических), влияющих на распространение загрязнений, и разработать оптимальные методы и средства получения данных о фактических и долговременных изменениях состояния водных масс, но и обеспечить интеграцию полученных результатов с существующими и разрабатываемыми системами федеральных органов исполнительной власти для оперативного принятия управленческих решений, в том числе функциональными подсистемами Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Структура интегрированной системы контроля аварийных ситуаций в районах освоения месторождений углеводородов на арктическом шельфе и входящая в ее состав в качестве структурного элемента информационно-аналитическая подсистема (ИАП), обеспечивающая сбор, обработку, хранение, передачу и анализ совокупности получаемых данных дистанционных и контактных измерений описана в [2].

Основными элементами такой измерительной системы являются:

автоматические стационарные донные станции; автоматические зондирующие измерители; автономные необитаемые подводные аппараты; сейсмические донные станции; стационарные измерители гидрометеорологических условий, включающие радиолокационные средства контроля состояния морской поверхности.

Информационно-аналитическая подсистема обеспечивает контроль информационного взаимодей-

ствия и совместное функционирование технических и программно-технических средств непрерывного сбора, обработки, архивирования и анализа получаемой от подсистем ИСКА информации, а также взаимодействия с внешними информационными системами (центрами) для получения дополнительных данных и выдачи согласованной информации.

Указанная система позволяет контролировать состояние акватории круглогодично, в том числе в условиях ледового покрова как по площади акватории, так и по глубине, обеспечивая обнаружение превышений пороговых значений основных характеристик водных масс, подвергшихся техногенному загрязнению в ходе освоения месторождений углеводородов в акваториях арктического шельфа площадью более 6000 км2 и глубиной до 700 м [2].

Получаемые значения контролируемых параметров оперативно передаются в центр обработки и анализа данных для разработки управленческих решений по ликвидации последствий аварийных ситуаций. В условиях труднодоступных арктических акваторий, покрытых льдом, для оперативной передачи данных используются эффективные средства спутниковой связи и подводные высокоскоростные оптоволоконные линии.

Методика оценки качества морских вод и рисков проведения морских операций и эксплуатации объектов нефтегазодобычи в акваториях арктического шельфа

Методика позволяет проводить оценки качества морских вод контролируемой акватории арктического шельфа в районах эксплуатации объектов нефтегазодобычи по гидрохимическим показателям на основе данных ИАП ИСКА и выполнять расчеты риска загрязнения нефтью и нефтепродуктами контролируемой акватории.

Предлагаемая методика имеет следующие особенности:

содержит основные положения и процедуру расчета количества вредных веществ, поступающих в водную среду контролируемой морской акватории арктического шельфа в районах эксплуатации объектов нефтегазодобычи на основе данных интегрированной системы контроля акваторий (ИСКА);

позволяет оценить качество морских вод контролируемой акватории по гидрохимическим показателям, получаемым ИСКА;

обеспечивает расчет риска загрязнения нефтью и нефтепродуктами контролируемой акватории на основе данных интегрированной системы контроля акваторий.

Базовый алгоритм расчета количества вредных веществ, в том числе поверхностных и растворенных нефти и нефтепродуктов предполагает наличие дан-

ных о концентрациях вредных веществ в контролируемой акватории, полученных распределенной системой стационарных и мобильных измерительных комплексов ИСКА.

Оценка качества морских вод контролируемой акватории

Уровень загрязненности морских вод характеризуется концентрацией отдельного химического соединения или ингредиента в принятых для него единицах измерения, а также значением, кратным предельно допустимой концентрации (ПДК) этого загрязнителя в морской воде (табл. 1).

Предлагается следующий порядок качественной оценки состояния акватории.

1. В контролируемой зоне акватории определяют концентрации загрязняющего вещества ' на 1-ом датчике ИСКА в р-ом анализе (замере) — Сир, г/л, где ' = 1 п — количество контролируемых ИСКА веществ; I = 1 т — количество датчиков ИСКА, определяющих концентрации 1-х веществ в контролируемой акватории; р = 1 к — количество замеров концентраций 1-х веществ в установленный интервал времени (минуты, часы, сутки — определяется целями проводимых измерений).

2. По завершении серии измерений (в установленном интервале времени) рассчитывается среднее значение концентрации загрязняющего вещества ' на 1-ом датчике ИСКА по всем к замерам

Са =

Ур=1 {СИр С'ф )

г/л,

к

где Сцф — фоновое значение '-го вещества в месте расположения 1-го датчика.

3. Определяется соотношение среднего значения концентрации г-го вещества на 1-ом датчике Си в установленном интервале времени с ПДК г-го вещества: СуцдК,..

При значении С/ПДК' < 1 (для всех п веществ, определяемых датчиком I) ситуация в акватории в месте расположения датчика I характеризуется как «Отсутствие опасности», и данный датчик в структурной схеме ИСКА окрашивается на средствах отображения коллективного пользования в зеленый цвет.

При значении Ся > ПДК, но меньше значений, указанных в столбце 7 табл. 1 (по одному или нескольким веществам), ситуация в акватории в месте расположения датчика I характеризуется как «Повышенная опасность», и данный датчик в структурной схеме ИСКА окрашивается на средствах отображения коллективного пользования в синий цвет с указанием тех веществ, для которых определено превышение ПДК (например, БО2- — 0,01; РЬ — 0,03; ПХБ — 0,00001; СПАВ — 0,2), где цифры, стоящие после обозначения вещества, показывают значения

измеренных концентраций в мг/л контролируемых веществ С я в месте расположения датчика I.

При значении Си равном или большем, чем значения концентраций контролируемых веществ, указанных в столбце 7 табл. 1 (по одному или нескольким веществам), ситуация в акватории в месте расположения датчика I характеризуется как «Чрезвычайная ситуация», и данный датчик в структурной схеме ИСКА окрашивается на средствах отображения коллективного пользования в красный цвет с указанием тех веществ, для которых определено достижение или превышение значений величин концентраций, указанных в столбце 7 табл. 1 (например, БО4- — 0,02; РЬ — 0,06; ПХБ — 0,00007; СПАВ — 0,6), где цифры, стоящие после обозначения вещества, показывают значения измеренных концентраций в мг/л контролируемых веществ Си в месте расположения датчика I.

4. При условии равномерности распределения датчиков ИСКА на контролируемой акватории определяется среднее значение концентрации -го вещества (по всем датчикам) в контролируемой акватории:

- Ут С

С = ¿—11=1 '

т

где т — количество датчиков в контролируемой акватории, определяющих концентрацию -го вещества.

5. Определяется соотношение среднего значения концентрации '-го вещества (по всем датчикам) С1 в установленном интервале времени с ПДК '-го вещества: С/ПДК.

При значении С1 /ПДК' < 1 (для любого из п веществ), ситуация в контролируемой зоне акватории характеризуется как «Отсутствие опасности», и контролируемая зона окрашивается на средствах отображения коллективного пользования в зеленый цвет.

При значении С1 > ПДК', но меньше значений, указанных в столбце 7 табл. 1 (по одному или нескольким веществам), ситуация в контролируемой зоне акватории характеризуется как «Повышенная опасность», и контролируемая зона окрашивается на средствах отображения коллективного пользования в синий цвет с указанием тех веществ, для которых определено превышение ПДК (например, БО^ — 0,01; РЬ — 0,03; ПХБ — 0,00001; СПАВ — 0,2), где цифры, стоящие после обозначения вещества, показывают значения измеренных концентраций С в мг/л данных веществ в контролируемой зоне.

При значении, С равном или большем, чем значения концентраций контролируемых веществ, указанных в столбце 7 табл. 1 (по одному или нескольким веществам), ситуация в контролируемой зоне акватории характеризуется как «Чрезвычайная ситуация», и зона окрашивается на средствах отображения коллективного пользования в красный цвет с указанием веществ, для которых определено превышение (например, БО2- — 1,0; РЬ — 1,5; Б — 1,2; ПХБ — 1,1;

Таблица 1

Контролируемые ИСКА вещества и элементы

№ пп Наименование вещества Класс опасности Анализатор Фоновое значение, С11ф ,мг/л, (% вес) Значение ПДК, мг/л Рекомендуемое значение Са для объявления ЧС, мг/л

1 Хлор Ион-селективные датчики 19534

2 Сера IV 904,75

3 Сульфид-ион 0,003 0,015

4 Медь III 0,006—63540 0,005 0,025

5 Кадмий II 0,11—11241 0,01 0,05

6 Свинец III 0,01—20721 0,01 0,05

7 Ртуть I 0,02—20061 0,0001 0,0005

8 Фтор 1,3 1,5 7,5

9 Серебро

10 Палладий

1 Палладий Рентген-флюорометрический анализатор

2 Хлор 19534

3 Сера IV 904,75

4 Сульфид-ион 0,003 0,015

5 Медь III 0,006—63540 0,005 0,025

6 Кадмий II 0,11—11241 0,01 0,05

7 Свинец III 0,01—20721 0,01 0,05

8 Ртуть I 0,02—20061 0,0001 0,0005

9 Магний 1337

10 Кремний В Черном море — 0,8 мг/л 10 50

11 Кальций IV 411,25

12 Калий 390,69

13 Бром 66,83

14 Натрий 10898

15 Йод 0,018 -0,036 0,2 1,0

16 Цезий

17 Полоний

18 Стронций (хим.) 7,0 35

19 Молибден II 0,0004 0,002

1 Растворенный кислород (О2) Квадрупольный масс-спектрометр < 2,0

2 Фенолы (С6Н5ОН) I—III 0,001 0,005

3 Нефтяные углеводороды (октан — С6Н6О) III 0,05 0,25

4 Хлорорганические пестициды (ХОП) (Гексохлоран С6Н6С13) I Отсутствие 0,00001 — условно 0,00005

5 Полихлорбифенилы (ПХБ) (Трихлорбифенил — С12Н7С16) I Отсутствие 0,00001 — условно 0,00005

6 Нитритный азот IV 3,3 > 4,0

1 Нефтяные углеводороды III Раман-спектроскпия 0,05 0,25

2 Хлорорганические пестициды (ХОП) I Отсутствие 0,00001 — условно 0,00005

3 Полихлорбифенилы (ПХБ) I Отсутствие 0,00001 — условно 0,00005

4 СПАВ IV 0,1 0,5

СПАВ — 2,6), где цифры, стоящие после обозначения вещества, показывают значения измеренных концентраций данных веществ С1 в мг/л в контролируемой зоне.

Тогда

У АМразл'

у м,

и = -

, т/час.

Оценка риска загрязнения нефтью и нефтепродуктами контролируемой территории

Появление пятна нефти в контролируемой территории фиксируют доплеровские радиолокаторы и в каждый момент времени г' определяется Б, м2 — площадь нефтяного пятна и к, м — толщина пятна. Определяется масса поверхностной нефти в контролируемой зоне:

МоЫ = Б'хк'хР> т

где Б' — площадь разлива нефти в момент времени г, м2; к1 — толщина пятна разлитой нефти в момент времени г, м; р — плотность нефти, т/м3.

По показаниям датчиков химического контроля растворенных в толще воды нефтепродуктов определяется концентрация нефти (нефтепродуктов) (НиНП) в толще воды в момент времени г, в точках контроля по всей контролируемой зоне и определяется среднее значение концентрации НиНП — С1, г/л: к

У Сп'

С ' = -, г / л.

' к

Здесь Сп' — концентрация НиНП в воде контролируемой зоны в момент времени г1 на датчике п; к — количество задействованный датчиков в контролируемой зоне.

Определяют количество эмульгированной и растворенной в воде НиНП в момент времени г,-:

Мрэ' = 5.8*Ю-3*МразлЛ *С,, т,

где С' — среднее значение концентрации растворенной и эмульгированной нефти в контролируемой зоне, г/л; МразлЛ — масса разлитой нефти в контролируемой зоне, т, в момент времени г, определяемая как:

Мразл.' = Б'^к'^р + 5.8*10-3*Мралч х С, отсюда получаем

М = Б' хк' хр

раз" 1 - 5.8х 10-3 С,''

Определяют скорость нарастания массы нефти в контролируемой зоне в момент времени г:

АМ„

и =-

, т/час.

Аг;

где

^Мразл.' Мразл'+1 Мразл.';

Время достижения количества нефти в 500 т (время достижения чрезвычайной ситуации при достижении 500 т в контролируемой зоне) — гчс.

500

час.

При ведении аварийно-спасательных работ (сбор нефти с поверхности воды) с производительностью V, т/час скорость нарастания количества нефти в контролируемую зоне с учетом ее убыли от действий АСФ(Н) будет:

«'= (и - V), т/час, тогда время достижения количества нефти в 500 т в контролируемой зоне:

500

г чс = —:-,час. и

Вероятность ЧС(Н) в контролируемой зоне определяется следующим образом:

= г^ = 500 х и =и =и-V = 1 _ V.

и и

г, ,„ 500 хи и

при и »V, 1 — ЧС неизбежна; при и <<V, 0 — ЧС невозможна.

Величина риска ЧС(Н) в контролируемой зоне акватории определяется как:

Щ = (1 -К) х Мр^У , руб., и

где У — ущерб акватории от разлива 1 тонны нефти, руб., включающий экономические потери для рыбного хозяйства и туризма; стоимость ликвидации аварийного разлива нефти; стоимость исков ущерба третьим сторонам, стоимость ущерба и восстановления природных ресурсов.

Значение У принимается равным 0.25 0.5 млн руб./т (7 14 тыс. долл. США/т).

С учетом выражения для Мразл. значение риска ЧС(Н) на контролируемой территории на момент времени г' определяется следующим образом:

V,

Щ = (1 --) X -' и 1

Бк р

-' 3 - х У', руб.

- 5.8х 10-3 х С УУ

Б кр

при и>> V, Щ =-' ' 3 - х У.;

' 1-5.8х 10-3 хС,

при v<<V, Щ' —> 0 — ЧС невозможна.

Представленная методика оценки рисков загрязнения акваторий, вовлеченных в сферу хозяйствен-

п

г

чс

V

ной деятельности, обусловливает применение трехуровневой системы реагирования:

первый уровень соответствует нормальной экологической обстановке и не требует вмешательства;

второй уровень соответствует нарушениям нормального экологического состояния среды и требует повышенного внимания;

третий уровень соответствует возможной или возникшей чрезвычайной ситуации и требует оперативного вмешательства.

Совокупность отображаемых сигналов позволяет оператору контролировать создавшуюся ситуацию и принимать соответствующие решения.

Таким образом, информационно-аналитическая подсистема ИСКА, оснащенная алгоритмом обработки и представления мониторинговой информации, позволяет осуществлять предупреждение чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефти и нефтепродуктов, а также способствует их ликвидации на ранних стадиях возникновения, что является одной из важнейших составляющих системы комплексной безопасности.

Литература

1. Большагин А.Ю., Вялышев А.И., Добров В.М., Долгов А.А., Зиновьев С.В., Олтян И.Ю., Горбацкий В.В. Комплексный мониторинг — неотъемлемая часть безопасности арктической зоны Российской Федерации // Арктика: экология и экономика. 2014. №1 (13). С. 38—47.

2. Вялышев А.И., Добров В.М., Долгов А.А., Зиновьев С.В., Файзулин Т.Ш. Система контроля аварийных ситуаций объектов нефтегазодобычи в акваториях арктических морей // Технологии гражданской безопасности. 2013. Т. 10. № 3. С. 16—21.

Сведения об авторах

Вялышев Александр Иванович: д. ф.-м. н., ФГБУ ВНИИ

ГОЧС (ФЦ), гл. н. с. науч.-исслед. центра.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

Тел.: (499) 233-25-24.

E-mail: vialyshev@rambler.ru

SPIN-код — 1070-5547.

Добров Владимир Михайлович: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (499) 233-25-24. E-mail: dobrov007@mail.ru SPIN-код — 1235-0759.

Долгов Александр Анатольевич: к. ф.-м. н., ФГБУ ВНИИ

ГОЧС (ФЦ), вед. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

Тел.: (499) 233-25-24.

E-mail: dolaa@rambler.ru

SPIN-код — 9808-0600.

Зиновьев Сергей Владимирович: ФГБУ ВНИИ ГОЧС

(ФЦ), нач. отделен.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

Тел.: (499) 445-44-59.

E-mail: golf1972@mail.ru

SPIN-код — 7969-5572.

Файзулин Тимур Шамильевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), зам. нач. отделен.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (499) 449-90-20. E-mail: tim3725@yandex.ru SPIN-код — 8582-4171.

Анюгина Мария Игоревна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), м. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

Тел.: (499) 449-90-20.

E-mail: mashasweet@list.ru

SPIN-код — 3591-9959.

Большагин Алексей Юрьевич: аспирант, ФГБУ ВНИИ

ГОЧС (ФЦ).

Тел.: (499) 449-90-20.

121352, Москва, ул. Давыдковская, д. 7.

E-mail: alekseybolshagin@gmail.com

SPIN-код — 1440-5194.

Information about authors

Vyalyshev Alexandr I.: doctor of physical and mathematical sciences, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), chief researcher, research center.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 233-25-24. E-mail: vialyshev@rambler.ru SPIN-scientific — 1070-5547.

Dobrov Vladimir M.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), senior researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 233-25-24. E-mail: dobrov007@mail.ru SPIN-scientific — 1235-0759.

Dolgov Alexandr A.: candidate of physico-mathematical sciences, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), leading researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 233-25-24. E-mail: dolaa@rambler.ru SPIN-scientific — 9808-0600.

Zinoviev Sergei V.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), head of division. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 445-44-59. E-mail: golf1972@mail.ru SPIN-scientific — 7969-5572.

Faizulin Timur Sh.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), deputy chief of division. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-90-20. E-mail: gtim3725@yandex.ru SPIN-scientific — 8582-4171.

Anugina Maria I.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), junior researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-90-20. E-mail: mashasweet@list.ru SPIN-scientific — 3591-9959.

Bolshagin Alexey J.: graduate student, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology).

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-90-20. E-mail: alekseybolshagin@gmail.com SPIN-scientific — 1440-5194.