м.г. ГУБАЙДУЛЛИН, В.Б. Коробов

Экологический мониторинг

нефтегазодобывающих объектов

европейского СЕВЕРА РОССИИ

Архангельск

2012

Министерство образования и науки Российской Федерации

Северный Арктический федеральный университет

Институт нефти и газа

м.г. ГУБАЙДУЛЛИН, В.Б. Коробов

Экологический мониторинг

нефтегазодобывающих объектов

европейского СЕВЕРА РОССИИ

Учебное пособие

Архангельск

2012

Рассмотрено и рекомендовано к изданию методической комиссией

Института нефти и газа Северного Арктического федерального университета им. М.В. Ломоносова 17 апреля 2012 г.

Рецензенты

А.И. Малов, д-р геол.-мин. наук, главный научный сотрудник Института экологических проблем Севера УрО РАН

Кафедра географии и геоэкологии САФУ имени М.В. Ломоносова ?

УДК 662.276

Губайдуллин М.Г., Коробов В.Б. Экологический мониторинг нефтегазодобывающих объектов Европейского Севера России: Учебное пособие. Архангельск: ИПЦ САФУ, 2012. 224 с.

Выполнен анализ экологических проблем, возникающих при освоении нефтегазовых месторождений в условиях Севера. Изложены методические основы организации и проведения мониторинга атмосферы, гидросферы, почвенно-растительного покрова, экзогенных геологических процессов в условиях вечной мерзлоты и континентального шельфа арктических морей, системы наблюдений и контроля нефтяного загрязнения и отходов производства. Рассмотрены факторы формирования экологического состояния наземных и морских экосистем, принципы информационного обеспечения экологического мониторинга.

Рекомендовано для студентов, нефтяных и газовых специальностей различных форм обучения. Учебное пособие также может быть полезным для аспирантов и специалистов-экологов.

Табл. 25. Ил. 22. Библиогр. 24 назв.

Введение

Наша планета вступила в этап своей истории, когда только общие целенаправленные усилия позволят избежать катастрофы и откроют перспективы дальнейшего развития цивилизации. Сегодня мы начинаем понимать существование удивительного парадокса. Человек все время «покорял» природу. Но вместе с тем непрерывно росла и зависимость от нее человека. Такова диалектика жизни – наши успехи всегда являются одновременно и нашими поражениями. Перед человечеством встало объективное требование – не вступать в противоречие с естественными закономерностями, дабы не вызвать необратимых процессов.

Особо заметно это противостояние в биосфере, где и происходит взаимодействие живой и неживой природы с человеком. Термин «биосфера» в науку ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году. Тогда этим понятием обозначалась границы обитания живых организмов.

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский. Согласно его воззрениям, весь лик Земли обязан своим происхождением жизни. Жизнь – это связующее звено между космосом и Землей. Смысл учения В.И. Вернадского состоит в следующем. Появление на Земле человека означало новый огромный шаг в эволюции планеты. Его активность многократно ускоряет все эволюционные процессы, темпы которых быстро растут по мере технической вооруженности цивилизации. Дальнейшее неконтролируемое, не направляемое развитие людей таит в себе опасности, которые нам трудно предвидеть. Именно поэтому наступит время, когда дальнейшая эволюция планеты и человеческого общества должны будут направляться разумом.

Биосфера постепенно станет превращаться в сферу разума, т. е. в ноосферу (авторство термина принадлежит французским ученым математику и философу Г. Леруа и палеонтологу и теологу Т. де Шардену). Цель науки и человеческих действий не в том, чтобы сохранить мир в его первозданном виде – он все равно постоянно изменяется, а найти такие формы взаимодействия человека и природы, которые бы обеспечивали совместное устойчивое развитие биосферы, под которой сейчас понимается «не среда жизни, а глобальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой – разнообразные формы жизни и их метаболиты» [8]. Биосфера может прожить без человека. Человек существовать вне биосферы не может. Свои действия человек должен приспосабливать к природным законам. Иначе, как говорил В.И. Вернадский, «человечеству просто не выжить». «Биосфера и человек, а не человек и биосфера» – этот принцип, сформулированный выдающимся биологом ХХ века Н.В. Тимофеевым-Ресовским, должен, в конце концов, лечь в основу наших взаимоотношений с окружающей средой (ОС). Усредненное мышление с его антропоцентризмом и лозунгами типа «Все для человека», в конечном счете, ведет к утрате гуманизма, технократичности мышления и уничтожению природы. Нельзя забывать заповедь первого глашатая экологического мировоззрения английского философа Ф. Бекона «Повелевать природой можно только, повинуясь ее законам» [18].

Проблемы взаимодействия человека с природой изучает экология. Термин «экология» начал использоваться еще в 19 веке. Его буквальный перевод с греческого означает «изучение собственного дома». Экология как наука исследует взаимосвязь человека и других биологических видов с ОС, рациональное использование природных ресурсов и их охрану и воспроизводство. Развитие производства немыслимо без использования природы и ее разнообразных ресурсов. Перед человечеством неотвратимо встала задача рационального природопользования, позволяющего удовлетворять жизненные потребности людей в сочетании с охраной и воспроизводством природной среды. Распространенное представление о том, что увеличение количества производимой людьми энергии всегда благо, требует пересмотра: так, увеличение средней температуры поверхности планеты на 4-5 ºС по некоторым оценкам грозит человечеству экологической катастрофой.

Рост уровня антропогенного воздействия на ОС в сочетании с недостаточным объемом и разобщенностью природоохранных мероприятий привел в последние десятилетия к ухудшению экологической обстановки в России. Наиболее уязвимыми оказались промышленно-развитые районы с высокой концентрацией промышленных производств.

Нефтегазовые комплексы являются потенциально опасными по загрязнению ОС и ее отдельных объектов. При разведке и разработке нефтегазовых месторождений, транспортировке, хранении и переработке нефти и газа источники загрязнения ОС в той или иной мере присутствуют во всех звеньях технологической цепочки от скважины до перерабатывающих заводов и пунктов потребления. Воздействие их на основные компоненты ОС (воздух, почву, растительный, животный мир и человека) обусловлено токсичностью природных углеводородов и большим разнообразием химических веществ, используемых в технологических процессах, а также физическими видами воздействий промышленных объектов и объектами транспортной инфраструктуры.

Все технологические процессы в нефтегазовой промышленности (поисково-разведочные работы, бурение и разработка, сбор, транспорт, хранение и переработка нефти и газа и реализация производимых из них продуктов) должны осуществляться при полном соблюдении мер по охране ОС. В проектных и технологических документах на разведку, опытно-промышленную эксплуатацию, разработку и обустройство нефтяных и газовых месторождений обязательно предусматривается полный перечень мероприятий по охране ОС, мониторингу различных воздействия и загрязнения. В связи с этим изучение экологических проблем нефтегазовых комплексов является необходимым элементом в подготовке инженеров соответствующих специальностей.

Для выявления изменений состояния геосфер под влиянием деятельности человека необходима система повторных наблюдений с анализом, оценкой и прогнозированием параметров ОС, целью которой является принятие управленческих решений по защите их компонентов от техногенного воздействия, а также контроль за их осуществлением. Такую систему долгосрочных наблюдений, оценки, контроля и прогноза состояния и изменения объектов в настоящее время общепринято называть мониторингом. Ведение мониторинга базируется на создании и оборудовании специальной режимной сети и наличия долгосрочной программы наблюдений, конечной целью которых является реализация опережающих мероприятий по снижению негативного воздействия на компоненты ОС [11].

Задача мониторинга нефтегазодобывающих работ состоит:

• в создании основы для определения общих тенденций и выявлении первых признаков угрозы здоровью человека, загрязнения территории и акватории;

• в обеспечении удовлетворения нормативных и лицензионных требований;

• в проверке предсказаний и теоретических прогнозов, полученных в ходе выполнения этапа "Оценка влияния на окружающую среду";

• в определении фактического уровня загрязнения и воздействий;

• в оказании помощи в оценке того, достигла ли компания, ведущая работы, целей, предусмотренных ее планом;

• в организации охраны и рационального использования ОС;

• в содействии раннего выявления непредвиденных последствий работ;

• в помощи при принятии будущих решений о том, где, когда и как должны проводиться нефтегазодобывающие работы, и должны ли они проводиться вообще.

Мониторинг должен проводиться таким образом, чтобы быть в состоянии оценить различие между воздействиями в результате работ, за которыми ведется слежение, и воздействиями из других источников. Тип проводимого мониторинга зависит от конкретного вида ожидаемой деятельности, характера воздействий и особенностей окружающей среды, которая может оказаться затронутой.

Особенно актуальны перечисленные задачи мониторинга в северных и арктических регионах. Вызвано это повышенной чувствительностью местных экосистем к внешнему воздействию. На Севере видовой состав природных комплексов существенно беднее, а биомасса значительно меньше по сравнению с расположенными южнее территориями. В то же время природа значительно суровее. Полярная ночь, продолжительная зима и короткое лето, жестокие морозы, избыточное увлажнение, сильный ветер, наличие многолетнемерзлых пород – все это является причиной неблагоприятных условий для обитания растений и животных. Проще говоря, им попросту не хватает света, тепла и питательных веществ.

Правда, некоторые виды растительного и животного мира с успехом приспособились к такой жизни, но, во-первых, их не так уж много, а во-вторых, они слишком зависимы от кормовой базы. К этому надо еще добавить медленные темпы накопления биомассы. Вот и получается, что как только выпадает или ослабевает какое-либо звено трофической цепи, ему далеко не так просто найти замену.

Но и абиотические компоненты природной среды в высоких широтах также подвержены большему воздействию. Обусловлено это следующими обстоятельствами. Значения гидрометеорологических характеристик, таких как температура, скорости ветра и течений здесь существенно выше. Большую роль играет наличие ледяного покрова в водоемах и водотоках. Как следствие, и экзогенные процессы на плохо закрепленных растительностью горных породах, особенно в зоне тундр, также будут более интенсивными.

Поэтому в высокоширотных областях последствия для природной среды от техногенной деятельности будут и более тяжелыми. Следовательно, и место мониторинга также будет более значимым по сравнению с менее уязвимыми регионами.

В дополнение к предыдущему изданию, подготовленного одним из авторов [6], в настоящем пособии дополнительно приведены краткие сведения о рассматриваемых компонентах природной среды ЕСР, новые материалы из литературных источников, изданных в последние годы, а также материалы лекционных курсов, читаемых авторами студентам Института нефти и газа САФУ им. М.В. Ломоносова.

Глава 1. Экологические проблемы при освоении

нефтегазовых МЕСТОРОЖДЕНИЙ

1.1. Источники техногенного загрязнения окружающей среды

Нефтяная промышленность по уровню отрицательного воздействия на ОС занимает одно из первых мест среди всех отраслей промышленности. Добыча, транспортировка и хранение нефти и газа относятся к видам хозяйственной деятельности, представляющими собой повышенную опасность для населения и природной среды. Добыча нефтяных углеводородов на новых месторождениях и интенсификация разработки старых месторождений обусловливает пропорциональное возрастание объемов загрязняющих веществ (ЗВ). Их содержание и количественный состав определяются физико-химическими свойствами извлекаемых флюида и газа, технологией разработки залежей, системой сбора и транспортировки. Нефтяные углеводороды обладают высокими токсическими и канцерогенными свойствами, что при попадании их в воздух, почву и в воду ведет к ухудшению качества среды обитания человека, растений и животных, влияет на их физиологическое состояние и самочувствие, угрожает здоровью и самой жизни.

Особую опасность представляют техногенные катастрофы – аварийные разливы нефти и пожары, выбросы газа, случающиеся как на самих месторождениях, так и во время транспортных операций. Главным образом аварии возникают по причинам неудовлетворительного качества и ошибок при проведении изыскательских и проектных работ, нарушении правил эксплуатации оборудования и техники, низким качеством строительно-монтажных работ, дефектами материала, коррозии металла, а также вследствие стихийных природных явлений.

Низкое качество изысканий приводит к ошибкам при расчете нагрузок характеристик природной среды на здания и сооружения, а также их обратного влияния на природные компоненты. Так, ошибки в определении экстремальных скоростей ветра и течений могут привести к частичному или полному обрушению конструкций. Пропущенные в ходе геологических съемок вкрапления льдистых пород станут причиной образования и развития термокарста и термоабразии. К таким же последствиям приведут ошибки при расчете тепловых потоков от технических и жилых объектов, отклонения от регламента строительства временных дорог.

Человеческий фактор все еще дает основной вклад в статистике аварий, причем не только в нефтегазовой отрасли. Недостаточная квалификация персонала, низкая производственная дисциплина, усталость – основные причины ошибок, ведущих к авариям.

Низкое качество строительства в последние годы постепенно уходит в прошлое. Новые технологии строительства, более совершенные инструменты, диагностика и контроль качества на каждом этапе работ благоприятно сказываются на качестве строительства в целом. Но отдельных недостатков, например, при сварке и крепеже сборных конструкций избежать все еще не удается. Отсюда и предпосылки к аварийным ситуациям.

То же можно сказать и об используемых материалах. В последние годы индустрия стройматериалов развивается стремительными темпами. В больших количествах появляются все новые и новые вещества и изделия из полимеров, керамики, композитных материалов. Растет их качество и срок службы. Тем не менее, скрытые дефекты при их производстве все еще встречаются и не всегда могут быть выявлены в процессе строительства.

Большая часть сооружений и трубопроводов строится из металла. Металл широко используется и в строительстве зданий, из него же создаются машины, суда, различная аппаратура. Главный враг металла – коррозия, с которой пытаются бороться уже не одно столетие. Но до победы еще далеко, хотя несомненные успехи имеются.

Особое место в аварийности занимают стихийные природные явления. Если с предыдущими причинами аварий можно бороться, постепенно снижая их проявления, то стихии эффективно противостоять человек еще не научился. Дело здесь в том, что стихийные явления, такие как ураганы, наводнения, землетрясения, намного превосходят техногенную энергию, и ее очень тяжело противодействовать. Защитительные сооружения обходятся очень дорого, и их не всегда строят, поскольку при таких затратах производство нередко становится нерентабельным (но это отнюдь не служит оправданием для их отсутствия или половинчатых решений – лучше тогда вообще ничего не начинать). Однако необходимо отметить изменчивость климата, вызывающую рост экстремальных явлений, которые наука еще не способна уверенно прогнозировать.

Наносимый авариями ущерб может измеряться сотнями миллионов, а то и миллиардами долларов. Поэтому вся деятельность по освоению нефтяных и газовых ресурсов территорий требует к себе повышенного внимания со стороны проектных организаций, производителей работ, , эксплуатирующих служб, надзорных и контролирующих органов.

Все технологические процессы, связанные с разработкой и добычей нефти и газа в определенных условиях могут нарушить естественную экологическую обстановку. Нефть и газ, нефтепродукты, нефтяной и буровой шламы, сточные воды, содержащие различные химические соединения, способны опасно воздействовать на воздух, воду, почву, растительный, животный мир и человека. Они в больших количествах проникают в воздух, на земную поверхность, в водоемы и в другие природные объекты. Происходит это в следующих случаях:

• при бурении и аварийном фонтанировании разведочных нефтяных и газовых скважин;

• при аварии транспортных средств;

• при разрывах водопроводов, нефте-, газо- и продуктопроводов;

• при нарушении герметичности колонн в скважинах и технологического оборудования;

• при сбросе неочищенных промысловых сточных вод в поверхностные водоемы и на грунт;

• при пожарах на месторождениях и объектах транспортной инфраструктуры.

В процессе бурения, добычи, подготовки, транспортировки и хранения нефти и газа загрязнение ОС происходит из-за утечек углеводородов через неплотности во фланцевых соединениях (сальниках, задвижках), разрывов трубопроводов, отбора проб, опорожнения сепараторов и отстойников. Основная часть нефти и сточных вод на территории промысла накапливается и поступает в водоемы из устья скважин и прискважинных площадок.

Разлив нефти происходит и при спуске сточной воды из резервуаров, при неполной очистке резервуаров от грязи и парафина и переливе нефти через верх резервуара. Тогда возникает опасность попадания этих ЗВ на земную поверхность, загрязняя сточные воды. Наиболее типичные утечки нефти из резервуаров обусловлены коррозией их днища под действием воды. Постоянный автоматический контроль содержимого в резервуаре позволяет своевременно обнаруживать даже небольшие утечки нефти и нефтепродуктов и устранять их.

Большую опасность для ОС представляют трубопроводы. Строительство трубопроводов, особенно в северных районах, оказывает влияние на микроклимат тундры и лесотундры. Под их воздействием нарушается теплофизическое равновесие, растепляются вечномерзлые грунты, происходит гибель чувствительного к механическому и другому воздействиям растительного покрова заполярной тундры. Утечки нефти, газа, конденсата, пластовой воды и других загрязнителей на участках трубопроводов, расположенных под судоходными трассами морей и рек, нередко обнаруживают через 12 ч и более после начала их проявления. Опасные утечки ЗВ остаются иногда незамеченными в течение длительного времени и наносят большой ущерб.

Наиболее тяжелым и опасным по последствиям является загрязнение подземных и наземных пресных вод и почв. К основным их загрязнителям относятся нефть, буровой и нефтяной шламы и сточные воды. Образующийся при бурении скважин буровой шлам может содержать до 7,5 % нефти и до 15% органических химических реагентов, применяемых в буровых растворах [14]. Определенный объем шлама накапливается нередко и при подготовке нефти. В этом случае, шламы, в зависимости от технологии бурения и состава горных пород, могут содержать до 80…85 % нефти, до 50 % механических примесей, до 67 % минеральных солей и 4 % поверхностно-активных веществ (ПАВ). Все эти токсичные, вредные вещества весьма опасны для ОС и всех ее обитателей.

Особую опасность представляют разливы нефти в результате аварий на нефтегазосборных коллекторах и технологических установках, ликвидация которых нередко затягивается и выполняется некачественно. Из-за отсутствия системы канализации на некоторых компрессорно-насосных станциях (КНС) и дожимных насосных станциях (ДНС) промысловые стоки сбрасывают в близлежащие водоемы или болота, загрязняют их и грунтовые воды. На бурящихся кустовых скважинах могут разрушаться обваловки земляных амбаров – мест для сбора отработанного бурового раствора и шлама, с последующим их попаданием в водоемы.

Для всех производственных объектов нефтяной и газовой промышленности остается актуальной проблема полной утилизации пластовых вод. Обусловлено это тем, что во многих случаях пластовые воды весьма агрессивны, вызывают интенсивную коррозию промыслового оборудования и сооружений, нарушают герметичность колонн в скважинах. В результате этого происходят утечки сточных вод при их сборе, подготовке и закачке, а также засолонение почвы и грунтовых источников питьевых вод, гибель растительности.

Возрастающее в мире потребление нефти, нефтепродуктов и газа обусловило в последние годы значительный рост танкерного флота и газовозов, а соответственно, возросла вероятность морских катастроф и выбросов в реки, моря и океаны больших количеств нефти, нефтепродуктов, других нефтяных углеводородов и сбросовых вод.

Загрязнение ОС возможно также при добыче и промысловой обработке газа. Вредные жидкие отходы в данном случае представлены дренажными водами, содержащими значительное количество метанола, поступающего от установки регенерации.

Мощным источником опасных загрязнителей воздушного бассейна в нефтегазовой промышленности продолжают оставаться продукты сгорания нефти, конденсата, природного и нефтяного газа в факелах.

Огромное количество ЗВ, выбрасываемых в воздух, водоемы и на почву в процессе использования нефти, газа, продуктов их переработки, обусловлено малым к.п.д. современных двигателей внутреннего сгорания, несовершенством энергетических и других технологических установок. Большой объем загрязнений поступает в воздух в процессе очистки нефти от серы и сернистых соединений, при сжигании попутных газов, обессоливании и обезвоживании нефти, сепарации газа, стабилизации конденсата и т.д.

В целом, начиная с этапа проведения геологоразведочных и изыскательских работ, затем при эксплуатации месторождений и транспортировке нефти, все компоненты ОС в районах нефтедобычи испытывают интенсивную техногенную нагрузку (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Негативное воздействие на окружающую среду при освоении нефтяных месторождений

Производственно- технологические стадии	Природные объекты
	Земная поверхность	Водная среда	Атмосферный воздух
1	2	3	4
Поиски и разведка	Нарушение и загрязнение почвенного и растительного покрова. Отчуждение земли под строительство буровых установок и размещение временных поселков. Активизации экзогенных геологических процессов. Снижение биопродуктивности экосистем	Загрязнение поверхностных и подземных вод промывочной жидкостью, засоление поверхностных водоемов загрязнение при самоизливе рассолов, вскрытых структурнопоисковыми и разведочными сква-жинами	Аварийные выбросы нефти и газа в процессе бурения и освоения скважин. Газопылевое загрязнение при строительстве дорог и промышленных площадок
Добыча	Изъятие земель из сельскохозяйствен-ного оборота под нефтепромысловые объекты	Нарушение изолированности водоносных горизонтов из-за перетоков	Загрязнение углеводородами, сероводородом, оксидами серы и азота при эксплуатации сква-жин. Выделение отработанных газов транспортными средствами и двигателями буровых установок
Первичная подготовка и транспортировка	Отвод земель под складирование отходов. Нарушение экологической обстановки при строительстве и эксплуатации магистральных нефтепроводов	Утечка нефтепродуктов и химреагентов из резервуаров и дозирующих установок. Загрязнение поверхностных и подземных вод ГСМ, бытовыми и техническими отходами	Распыление и разлив нефти и нефтепродук­тов. Потери при испа­рении легких фракций нефти во время хране­ния в резервуарах и производстве сливо-наливных операций

Факторами, способствующими улучшению условий природопользования при разведке и освоении залежей углеводородов, являются увеличение числа разведочных и эксплуатационных скважин в каждом кусте, концентрация промысловых объектов на одной площади и размещение транспортных коммуникаций в ограниченном по площади линейном сооружении, повышение единичной мощности перекачивающих агрегатов, автоматизация процессов добычи и транспортировки нефти. Первоочередной задачей в области охраны природы на предприятиях нефтяной и газовой промышленности является всемерное и последовательное снижение выбросов вредных веществ в основные элементы биосферы и доведение их до установленных норм.