Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ



страница10/14
Дата22.02.2016
Размер1.89 Mb.
ТипДиссертация
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ

ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕФТИ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ

В данной главе изложена разработанная автором методика оценки воздействия нефти на геологическую среду с определением основных влияющих факторов. Представлены результаты проведения экспертной оценки по установлению весовых коэффициентов для каждого фактора применительно к объекту исследования. Выполнено районирование территории месторождений и линейных нефтетранспортных объектов по степени потенциальной опасности добываемой и транспортируемой нефти.



4.1 Методика оценки воздействия нефти на геологическую среду
с учетом ее компонентного состава

4.1.1 Предпосылки разработки методики

Интенсивная разработка месторождений Тимано-Печорской провинции потребовала освоения новых методов контроля и обеспечения безопасности окружающей среды с учетом специфики климатических и геологических особенностей региона, а также индивидуального состава и физико-химических свойств добываемого сырья. Состав нефти в значительной степени влияет на характер загрязнения окружающей среды, скорость распространения загрязняющего вещества, возможность и скорость деградации углеводородов и др. (Пиковский, 1988; Губайдуллин, 2006). Поэтому экологическая оценка последствий потенциально возможных нефтяных разливов при разработке месторождений и транспортировке пластового флюида напрямую должна быть связана с оценкой состава и физико-химических свойств добываемого продукта.

Основой для прогноза могут быть уже выявленные характеристики нефти, закономерности нахождения различных веществ и соединений в нефти и газах, а также накопленные сведения об их концентрациях в месторождениях и данные об общем профиле осадочного чехла в нефтегазогеологических провинциях (Кривцов, 1989; Покалов, 1998; Якуцени, 2000).

Для оценок воздействия нефтедобывающего производства, технические объекты которого привязаны не только к наземным природным системам, но и геологической среде в целом, необходимы межотраслевые исследования взаимодействия добывающей техники и природной среды. Материалы таких комплексных исследований входят в пакет лицензионной информации (Клубов, Кочетков, 1995). Повышение требований к оценкам состояния природной среды (Аковецкий, 2008), и как составной ее части геологической среды, при добыче и транспортировке углеводородного сырья определяет необходимость применения методов исследований, адекватных новым задачам. Общие принципы и некоторые методические приемы изучения нарушенных земель в процессе производства рассматриваются в ряде работ (Денисова, 1976; Солнцева, 1981,1998; Середина, 2008 и др.). Существует также большое количество методической литературы по оценке влияния разных видов хозяйственной деятельности на состояние ландшафтов и их компонентов. Но, несмотря на значительное число нормативных и методических материалов, регламентирующих принципы получения оценок состояния отдельных компонентов природной среды, единой методической основы анализа зоны техногенеза нет. Существуют несколько разных подходов к изучению влияния техногенных факторов и оценке состояния природной среды.


  1. Компонентный (традиционный) подход, основанный на изучении отдельных компонентов природных систем (почв, грунтов, вод, биоты). Методологическая основа этого подхода достаточно хорошо разработана и дает принципиальную возможность использовать понятийный аппарат и методы отраслевых наук, включая общую и прикладную геохимию (Солнцева, 1998).

  2. Системный (геосистемный, геокомплексный) подход. В этом случае в методическую схему исследований входит, кроме анализа компонентов среды, и анализ протекающих в них процессов. Усложнение задач определяет и необходимость комплексирования методов, традиционных для разных видов отраслевых исследований (Дьяконов, 1984).

  3. Комплексный ландшафтно-экологический подхода к анализу нарушенных территорий. Методика исследований включает ландшафтно-индикационные работы, методы геохимических балансов и др. (Жучкова, 1977, Дончева, 1978).

Таким образом, подход к анализу зоны техногенного воздействия не унифицирован, хотя каждая отраслевая наука может и должна подходить к этим вопросам со своих «специализированных позиций», используя собственные методы и идеи. Особенности протекания процессов и явлений в районах, подвергшихся загрязнению нефтью и нефтепродуктами, определяют необходимость введения новых понятий и модификации методологии исследований (Солнцева, 1998), которые должны быть наиболее оптимальны для анализа таких территорий.

Для комплексной характеристики всех форм преобразования природных систем и в первую очередь геологической среды под воздействием возможных нефтезагрязнений необходимо в основу оценок положить информацию о составе и физико-химических свойствах потенциального загрязнителя. При этом следует принять во внимание устойчивость изменений, возникающих в ландшафтах в процессе деятельности человека, а также самоочищающие возможности природных комплексов и составляющих их компонентов (почв, грунтов, природных вод и т.д.).

Сложность реализации такого подхода обусловлена спецификой нефтедобывающего производства. И при изучении влияния данного производства на геологическую среду необходимо выполнить комплексный методический подход к оценке самой среды и возможных поллютантов. Рассматриваемый регион является наименее изученным районом добычи нефти с точки зрения трансформации природных комплексов в результате механических нарушений поверхности, гидродинамических изменений геологической среды и гидрохимических воздействий на отдельные компоненты ландшафтов или природно-территориальные комплексы в целом (Солнцева, 1988).

Параметры таких систем как геологическая среда отличаются чрезвычайной сложностью и их исследование невозможно полностью выполнить теоретически или исчерпывающее представить математическими моделями без сильных упрощений, поэтому для решения геоэкологических задач все чаще применяются экспертные методы. При разработке методики оценки потенциального воздействия нефти на геологическую среду использованы методы экспертных оценок, позволяющие объединить, и учесть профессиональный опыт, знания и интуицию специалистов разных областей знаний, необходимых для всестороннего изучения вопроса и эффективного решения поставленных в работе задач.

Предлагаемая методика является частью комплексного продукта по оценке состояния природной среды в зонах разработки, добычи и транспортировки нефти в прибрежной зоне Баренцева моря. Анализ степени возможного негативного воздействия нефти с точки зрения ее свойств и состава на геологическую среду основан на применении балльных оценок. Это позволило унифицировать единицы измерения и посредством экспертной оценки установить весовые коэффициенты влияющих факторов методом попарного сравнения для уточнения принятой модели.
4.1.2 Влияющие факторы

По характеру влияния природных процессов на объекты транспортной инфраструктуры все ограничивающие факторы можно разделить на группы (Юдахин, Губайдуллин, Коробов, 2002): экологические, гидрометеорологические, геологические, навигационные, военные, технико-экономические и социальные. При оценке потенциального негативного воздействия нефти на геологическую среду основная роль отводится группе экологических факторов.

Для осуществления количественного анализа влияющие факторы необходимо было представить в числовом виде посредством выработки системы критериев, показателей и факторов. Под влияющими факторами понимаются характеристики нефти, которые в наибольшей степени описывают исследуемый процесс и отвечают требованиям поставленной задачи.

В качестве влияющих факторов приняты эколого-геохимические характеристики и физические свойства нефти, являющиеся, по мнению ряда авторов, первостепенными компонентами негативного воздействия на природную и в том числе на геологическую среду, влияние, опасность и важность учета которых подробно рассмотрена в третьей главе:

- плотность нефти при 20 °С;

- содержание легких фракций, выкипающих до 200 °С;

- массовая доля парафина;

- содержание смолисто-асфальтеновых веществ;

- массовая доля серы;

- массовая доля сероводорода.

В качестве показателей приняты нетождественные величины. Выбор критериев определялся наиболее негативными последствиями загрязнения данными компонентами рассматриваемой территории и доступностью информации, т.е. все предложенные для оценки физико-химические показатели нефти определяются на стадии разведки месторождений, что не требует дополнительных специальных исследований для проведения первичной оценки потенциальной опасности нефти.

4.1.3 Основа и структура методики

Особенностью поставленной задачи является необходимость учета нескольких показателей, выраженных различными единицами измерений. Поэтому в рассмотренной методике приняты балльные оценки, позволяющие снизить размерность исследуемой системы и найти интегральные характеристики природных и природно-техногенных объектов для их объективного сопоставления между собой. Идея метода основана на том, что. каждый фактор, независимо от единиц измерения, оценивается в баллах. Балльные оценки факторов имеют вертикальный характер, т.е. берется один фактор, и по выбранному способу для каждой альтернативы оценивается его величина. Баллы возрастают по мере увеличения значения фактора. Альтернативы сравниваются между собой по общей сумме набранных баллов IL:

(4.1)

где L=1…m – количество альтернатив,



pi – оценка фактора в баллах,

I = 1…n – количество факторов.

Чем выше индекс L, тем хуже ситуация.

Преимущество балльной классификации заключается в ясности интерпретации результатов: чем хуже условия, тем выше балл, тем хуже альтернатива (или участок).

Однако этот метод обладает и весьма существенными недостатками. Во-первых, он не учитывает различный вклад факторов в конечный результат, т.е. все факторы полагаются равнозначными, что может привести к искажению реальной ситуации. Во-вторых, одинаковая сумма баллов может быть получена вследствие различного сочетания балльных оценок, что дает формальное основание отнести объекты с одинаковой суммой к одному классу, хотя на самом деле это не так. Тем не менее, это обстоятельство не является кардинальным препятствием для проведения классификации, поскольку всегда можно ввести дополнительные критерии для разделения объектов, хотя это приводит к усложнению классификационной модели (Юдахин, Губайдуллин, Коробов, 2002).

Принцип построения шкалы разработан под конкретную задачу классификации. В данной методике шкала балльных оценок разработана с использованием шкал обозначения типа и класса нефти по ГОСТ Р 51858-2002 Нефть. Общие технические условия, Инструкции по применению классификации запасов месторождений, перспективных и прогнозных ресурсов нефти и горючих газов (утв. ГКЗ СССР 14.10.1983 г.) и других классификаций, имеющихся в литературе. Для целей наших исследований наиболее подходящей представляется обобщенная классификация нефти, основанная на учете основных физических характеристик и показателей химического состава (Губайдуллин, Крайнева, 2014).

Одной из наиболее важных характеристик нефти является ее плотность. Данный показатель используется и контролируется на всех этапах технологической цепочки от разработки проекта по освоению месторождения до поступления на потребительский рынок. Общедоступность и достаточно высокая информативность данной величины послужили причиной включения ее как первого параметра, входящего в методику. Основываясь на классификации, приведенной в ГОСТ Р 51858-2002, можно сделать вывод, что большая часть нефти, добываемой в рассматриваемом регионе, по показателю «плотность» является средней, тяжелой и битуминозной, редко легкой, в связи с этим, по параметру «плотность», согласно ГОСТ Р 51858 п.4.3 приняты граничные значения, соответствующие определенному нами диапазону и равные 850, 870 и 895 кг/м3.

Легкая фракция нефти, включающая низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды является наиболее подвижной и токсичной частью нефти. Кроме того, по количеству легких фракций можно определить состав загрязнителя и судить о количестве содержащихся в нефти ароматических углеводородов. Граничные значения для оценки данного фактора также приняты по
ГОСТ Р 51858.

Массовая доля парафина в нефти – важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Парафин нетоксичен, однако, переходя в твердое состояние, он лишает почву возможности свободного влагообмена и дыхания, что в свою очередь может привести к полной деградации биоценоза (Губайдуллин, Иванов, 2006). Для оцениваемого параметра «содержание парафина» приняты граничные значения по


ГОСТ 11851. При содержании парафина до 1,5 % параметру будет соответствовать 1 балл, в диапазоне от 1,51 до 6,0 % – 2 балла, а при значении более 6,0 % – 3 балла.

Особый интерес для многих исследователей представляют смолисто-асфальтеновые вещества, воздействие которых подробно рассмотрено в третьей главе. Для суммарного учета данных компонентов с формулировкой «смолисто-асфальтеновые вещества» по классификации Конторовича и др. (1975) приняты следующие граничные значения с соответствующим присвоением баллов: до 10 % САВ суммарно – 1 балл; от 10 до 20 % – 2 балла и при содержании САВ более 20 % – 3 балла (Губайдуллин, Крайнева, 2014).

При рассмотрении в оценке массовой доли серы для присвоения баллов приняты граничные значения, приведенные в ГОСТ Р 51858-2002 п.4.3, где нефти по содержанию серы подразделяется на классы. Так для малосернистой нефти с массовой долей серы до 0,60 % включительно будет соответствовать величина – 0 баллов; от 0,61 до 1,80 % – 1 балл; от 1,81 до 3,50 % – 2 балла и для особо высокосернистой нефти с массовой долей серы свыше 3,50 % – 3 балла.

По содержанию сероводорода в основу экспертной оценки положена упрощенная классификация по ГОСТ Р 51858 п.4.5 прим.2, где нефти с массовой долей сероводорода «менее 20 млн-1» считаются не содержащими сероводород. Соответственно при содержании сероводорода в нефти более 20 млн-1 параметру присваивается 3 балла по оценочной шкале, а при значении менее 20 млн-1, характеризуемое как «отсутствие» – 0 баллов.

На основе представленных граничных значений произведено распределение баллов по предложенным компонентам (таблица 4.1). В зависимости от значений каждому параметру присваивается определенное количество баллов, которые в итоге суммируются. На основании суммарного количества баллов можно судить о степени потенциальной опасности нефти для геологической среды, как по отдельным добычным скважинам и по месторождению в целом (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008), так и для крупных нефтепромыслов и транспортных магистралей.
Таблица 4.1 - Балльная оценка параметров


Баллы

0

1

2

3

Плотность, кг/м3

до 850,0

850,1…870,0

870,1…895,0

более 895

Легкие фракции, %




до 21

21…27

более 27

Парафин, %




до 1,5

1,5…6

более 6

САВ, %




до 10

10…20

более 20

Сера, %

до 0,60 вкл.

0,61…1,8

1,81…3,5

более 3,5

Н2S

отсутствует







присутствует

Такая оценка позволяет наглядно выявить наиболее уязвимые с точки зрения воздействия на среду участки, однако специфичность региона требует внесения в оценку дополнительных условий. Поэтому для повышения точности модели оценки, а также для сопоставления значимости влияющих факторов между собой была проведена процедура экспертной оценки по установлению весовых коэффициентов для каждого влияющего фактора. Это дает возможность учесть экспертные мнения об особенностях взаимодействия нефти, с учетом ее компонентного состава, с геологической средой прибрежной зоны юго-восточной части Баренцева моря.


4.1.4 Определение весовых коэффициентов методом
экспертных оценок

Весовые коэффициенты по своей сути являются множителями, корректирующими значения параметров системы в зависимости от их значимости, или оценками вклада факторов (компонентов системы) в конечный результат (Беляев, Кондуфорова, 1990; Бондур, 1993).

Весовые коэффициенты k в экспертных методах находятся на основании экспертных оценок методом анализа иерархий. Для проведения такой оценки производится подбор экспертов. Имеется несколько подходов подбора кандидатов для включения в экспертную группу. В данной работе для этой цели был использован априорный метод взаимного оценивания. Для этого отобранной группе кандидатов, специализирующихся по тематике проводимого автором исследования, было предложено составить оценочные списки кандидатов, предложенных для включения в экспертную группу. При этом для каждого кандидата была подготовлена краткая информация о круге научных интересов, проводимых исследованиях и обобщенного обзора публикаций.

В результате проведенного взаимного оценивания предпочтения для включения в экспертную группу было отдано тем кандидатам, рейтинг которых был наивысшим. Таким образом, был определен круг лиц для участия в опросе (краткая информация об участниках опроса представлена в Приложении).

Далее для сформированной группы экспертов были четко сформулированы цели решаемой задачи и сообщены критерии и показатели, которые будут применены для оценки факторов.

Экспертам было предложено оценить (сравнить) между собой влияющие факторы по некоторой балльной шкале, от 1 до 10:


(4.2)

где у – оценка выходного качества объекта, полученная j-го эксперта,



п – количество объектов,

т – число экспертов.

Шкала балльной оценок является относительной и допускает произвольные преобразования, т.е. баллы могут быть любыми числами. Главное требование к оценочной шкале заключается в том, чтобы она давала возможность однозначно сопоставлять объекты между собой (Коробов, 2008). Для сравнения было предложено использовать специальную оценочную шкалу (Саати, Кернс, 1991), представленную в таблице 4.2, которая позволяет тщательно проанализировать какой из двух сравниваемых факторов в большей степени, по мнению эксперта, опасен для геологической среды района исследования.


Таблица 4.2 – Иерархия экспертных сравнений соотношения факторов (Саати, Кернс, 1991)

Балл

Суждение

Пояснение

1

Равная важность

Равный вклад факторов

2

Промежуточное



3

Умеренное превосходство

Опыт и суждение дают легкое превосходство одного фактора над другим

4

Промежуточное



5

Существенное превосходство

Сильное превосходство одного фактора над другим

6

Промежуточное



7

Значительное превосходство

Имеется практически значительное превосходство одного фактора над другим

8

Промежуточное



9

Очень сильное превосходство

Имеется значительное превосходство одного фактора над другим

Перед экспертами стояла задача сравнить влияющие факторы попарно по отношению к их воздействию («весу») исключительно друг с другом (табл. 4.3). При заполнении матрицы результаты были представлены в виде дроби, где в числителе – основной сравниваемый (строчный или горизонтальный) фактор, а в знаменателе – тот фактор, относительно которого производится сравнение (вертикальный).

При проведении оценки эксперты (список экспертов см. в Приложении) анализировали и сравнивали, как предложенные в таблице 4.1 факторы влияют на геосистемы прибрежной зоны Баренцева моря, а также токсичность и опасность для геологической среды различной по составу и свойствам нефти. Также учитывалось негативное влияние присутствующих в нефти химических элементов и их соединений на состояние и безаварийное функционирование технологического оборудования (интенсификация коррозионных процессов и др.).

Каждое суждение кодировалось числом от 1/9 до 9. Например, если придано существенное превосходство фактора (например, содержание САВ) над фактором (например, содержание легких фракций), то полагают в матрице парных сравнений Пример заполнения такой матрицы приведен в таблице 4.3.

Суть обработки матрицы заключается в разложении: , где . Цель – определение компонент вектора весов , что позволяет ранжировать критерии .

Аппроксимацию весов можно осуществить несколькими способами. Одним из возможных подходов к аппроксимации вектора весов может служить путь вычисления собственного вектора матрицы парных сравнений, который равен соответствующему максимальному собственному числу.


Таблица 4.3 - Матрица парных сравнений групп факторов (пример)

Факторы

Плотность нефти при

20 °С


Содержание легкой фракции, выкипающей до 200 °С

Массовая доля парафина

Содержание смолисто-асфальтеновых веществ

Массовая доля серы

Содержание сероводорода (Н2S)

Плотность нефти при 20 °С

1

1/3

1

1/7

1/3

1/5

Содержание легкой фракции, выкипающей до 200 °С

3

1

1

1/5

1

3

Массовая доля парафина

1

1

1

1/3

3

1

Содержание смолисто-асфальтеновых веществ

7

5

3

1

5

3

Массовая доля серы

3

1

1/3

1/5

1

1/5

Содержание сероводорода (Н2S)

5

3

1

1/3

5

1

Необходимо отметить, что иногда удается получить весовые коэффициенты прямым расчетом. Это возможно только в тех случаях, когда удается установить прямую связь между влияющими факторами на основании статистических оценок.



Осреднение весовых коэффициентов. Найденные в результате обработки экспертных суждений весовые коэффициенты представляют собой прямоугольную матрицу K=(kn,m), в которой количество столбцов n равно количеству факторов, а количество строк m соответствует числу экспертов. Задача заключается в нахождении вектора осредненных оценок весовых коэффициентов. Такая задача может быть решена несколькими способами.

Наиболее простой оценкой является среднее арифметическое . Осреднение проводится для каждого фактора в отдельности. Такое осреднение допускается проводить в тех случаях, когда плотность распределения ki симметрична или сами коэффициенты практически однородны. Тогда и оценка будет несмещенной. При асимметричных плотностях распределения или наличии хотя бы одного-двух резких отклонений экспертных суждений следует использовать другие оценки.

Вместе с матрицей парных сравнений была выполнена оценка качества работы экспертов. При использованном методе анализа иерархий для нахождения весовых коэффициентов влияющих факторов качество работы экспертов определялось по индексу согласованности (ИС), который дает информацию о степени нарушения численной согласованности экспертных суждений.

Индекс согласованности в каждой матрице и для всей иерархии можно приближенно оценить, используя формулу:



, (4.3)

где – собственное число,



– число сравниваемых элементов.

Сравним ИС с величиной, полученной при случайном выборе количественных суждений из шкалы 1/9, 1/8, …, 1, 2, …, 9, но при образовании обратносимметричной матрицы. Средние согласованности (СС) для случайных матриц разного порядка приведены в (табл. 4.4).


Таблица 4.4 – Средние согласованности для случайных матриц
разного порядка

N

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

СС

0

0

0,58

0,90

1,12

1,24

1,32

1,41

1,45

1,49

Если разделить ИС на СС для матрицы того же порядка, то получим отношение согласованности (ОС):



. (4.4)

Качество каждого эксперта было оценено по величине ОС. В случаях, когда рассматривается сложная и зависящая от большого количества факторов система, верхняя граница отношения согласованности принимается на уровне не более 20 %. При превышении ОС установленных пределов, результаты оценки эксперта к дальнейшему рассмотрению не принимались.

В результате обработки экспертных суждений, выраженных заполненными матрицами, для каждого из предложенных влияющих факторов был установлен свой весовой коэффициент (табл. 4.5). Полученное

Таблица 4.5 – Весовые коэффициенты влияющих факторов (Губайдуллин,



Крайнева, 2014)



Влияющие факторы (свойства нефти)

Эксперты

Среднее

1

2

3

4

5

6

7

1

Плотность

0,1392

0,0708

0,0356

0,0558

0,0490

0,0463

0,0558

0,0485

2

Содержание легких фракций

0,0247

0,1906

0,3265

0,1524

0,1528

0,2029

0,1524

0,1974

3

Массовая доля парафина

0,1405

0,1264

0,1092

0,1279

0,2366

0,0546

0,1279

0,1313

4

Смолисто-асфальтеновые вещества

0,1744

0,3921

0,1623

0,4120

0,4074

0,1567

0,4120

0,3101

5

Массовая доля серы

0,0704

0,0857

0,0634

0,0817

0,0899

0,0799

0,0817

0,0793

6

Сероводород

0,4508

0,1344

0,3029

0,1701

0,0643

0,4596

0,1701

0,2334

*

Коэффициент согласованности, %

42,2

36,6

7,1

14,5

9,4

3,9

14,5

9,9

*К дальнейшей обработке были приняты оценки экспертов с коэффициентом согласованности менее 20%.
с учетом весовых коэффициентов выражение для расчета суммарных балльных оценок имеет вид:

(4.5)

где j – количество ячеек;



k – весовые коэффициенты влияющих факторов;

p – балльные оценки показателей факторов;

i – порядковый номер каждого из шести влияющих факторов.

Наиболее значимыми, по мнению экспертов, оказались такие факторы как содержание в нефти смолисто-асфальтеновых веществ (0,31), присутствие сероводорода и содержание легких фракций, выкипающих до 200 °С (рис. 4.1). Наименее значимым влияющим фактором определен показатель характеризующий плотность нефти (0,05).


Рисунок 4.1 – Усредненные весовые коэффициенты влияющих факторов

Далее путем шкалирования показателей строится оценочная шкала классификации нефти по уровню ее воздействия на геологическую среду, согласно которой проводится дальнейшее районирования исследуемой территории.




Каталог: diss2 -> files


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14


База данных защищена авторским правом ©psihdocs.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница