3.5. Воздействие добычи и транспортировки нефти и газа на

гидросферу

Природные воды являются одним из объектов постоянного нефтяного загрязнения и наряду с атмосферой и литосферой испытывают техногенное воздействие при разведке и добыче углеводородов. При этом в первую очередь, происходит снижение качества вод в результате загрязнения нефтью, промысловыми стоками, химреагентами, буровыми растворами.

Величина мировых потерь нефтепродуктов составляет по различным оценкам несколько сот миллионов тонн в год, из них около 20 % ежегодно непосредственно и с загрязненными речными водами попадает в Мировой океан. При поступлении углеводородов в природные воды увеличиваются концентрации органических веществ и высокотоксичных продуктов (фенолов, нафтенов). Из-за поверхностных нефтяных пленок одновременно снижается скорость газообмена между водной средой и атмосферой. Растворимость нефти в воде является определяющим свойством в процессе загрязнения гидросферы. Увеличение этого показателя отмечается в следующей последовательности: парафины – нафтены – олефины – ароматические вещества [14].

Наивысшей растворимостью характеризуются более легкие нефтепродукты. Максимальное суммарное содержание растворенных ароматических углеводородов в воде может достигать 1,5 г/л. Одним из распространенных представителей полициклических ароматических углеводородов является бенз(а)пирен, обладающий сильным канцерогенным действием, ПДК которого в воде установлено в 0,05 мг/л.

Присутствие нефти и нефтепродуктов в природных водах, превышающее ПДК, как правило, сокращает или полностью исключает практическое использование последних. В табл. 3.1 приведены сведения по ПДК загрязнителей нефтяного происхождения в различных объектах водопользования.

Поверхностные воды. Поступление нефти в океан приводит к сокращению и ухудшению биологических и рекреационных морских ресурсов. Площадь загрязнения от разлива 1 т нефти при толщине пленки несколько сотых микрометра может составить более 30 км². Интенсивность процессов самоочищения зависит от климатических условий региона, в том числе от радиационного режима, и от свойств самой нефти. Миграция

Таблица 3.1 – Предельно допустимые концентрации

нефтепродуктов в природных водах

Наименование загрязнителя	ПДК, мг/л
	Хозяйственно-питьевые водоемы	Рыбохозяйственные объекты
Нефть и нефтепродукты Нефть высокосернистая Этилен Мазут Бензин топливный в расчете на углерод Керосин в расчете на углерод Нафтеновые кислоты Бензол Масло солярное	0,3 0,1 0,5 0,3 0,1 0,1 0,3 0,5 0,5	0,05 -- -- -- -- -- -- 0,5 0,01

нефти и нефтепродуктов в водной среде осуществляется в пленочной, эмульгированной и растворенной формах, а также в виде нефтяных агрегатов. Донные осадки аккумулируют нефть, однако этот процесс нельзя рассматривать как самоочищение акваторий. В этом случае разложение сорбированных углеводородов происходит значительно медленнее, чем в водной среде. Кроме того, в водотоках на контакте среды и русловых отложений устанавливается динамическое равновесие и осадки могут служить повторным источником загрязнения водоема [15].

Известна прямая связь между температурным режимом и деятельностью микрофлоры, очищающей воду от нефти. Наиболее эффективно процессы самоочищения проходят в районах экваториального шельфа и гораздо медленнее на глубоководных акваториях и в особенности в приполярных морях, где нефть может сохраняться в растворенном состоянии или в виде эмульсии на водной поверхности в течение нескольких десятков лет. Аналогичные закономерности наблюдаются и при поступлении нефти в речную сеть. По некоторым данным [14], в средней климатической зоне самоочищение рек от нефтяного загрязнения происходит на участке длиной 200…300 км, а в условиях Крайнего Севера для этой цели требуется 1500…2000 км. Основными поставщиками нефтяного загрязнения океана служат поверхностные водотоки, протекающие через площади интенсивного хозяйственного освоения и сточные воды промышленных предприятий, расположенные в береговой зоне. Морской флот занимает второе место в статистических данных как источник поступления углеводородов в гидросферу.

Загрязнение морей западного сектора Арктики, несмотря на интенсификацию транспортировки нефтяных углеводородов по их акватории и нарастанию добычи в прибрежной зоне, пока еще не является заметной. Так, загрязненность вод Белого моря нефтепродуктами оценивается как незначительная. Например, по данным за 2010 год [19] среднее содержание нефтяных углеводородов в Двинском заливе не превышало уровень ПДК и колебалось в пределах 0,01-0,03мг/л.

Разведка и добыча нефти на континентальном шельфе также сопровождается техногенным загрязнением Мирового океана. По зарубежным оценкам, поступление нефти в океан из этого источника не превышает 200…300 тыс. т /год. Аварийные разливы наиболее часто происходят при испытаниях скважин, наливе танкеров на терминалах и буровых платформах и транспортировке углеводородного сырья по трубопроводам на береговые сборные пункты.

Для охраны гидросферы от нефтяного загрязнения большое распространение должны получить превентивные природоохранные мероприятия, снижающие или исключающие вероятность аварии при добыче и транспортировке углеводородного сырья. Они связаны с увеличением затрат на строительство судов специального типа, морских стационарных платформ и подводных трубопроводов, но их объем значительно меньше расходов на применение искусственных методов очистки воды и убытков от ухудшения биологических и рекреационных ресурсов Мирового океана и связанных с этим выплатой компенсаций, штрафных санкций, судебных и иных издержек.

Серьезную опасность для гидросферы представляет и нефтеперерабатывающая промышленность из-за сброса больших объемов загрязненных вод.

Подземные воды. Масштабность техногенного воздействия разведки и разработки месторождений углеводородов на подземные воды зависит от геологического строения, гидродинамических и термобарических условий, технологии эксплуатации нефтегазоводоносных комплексов. Влияние техногенных факторов непосредственно сказывается на изменениях физико-химического состава и органолептических свойств грунтовых вод, а с некоторым запозданием во времени – и на качественных характеристиках подземных вод глубоких структурных горизонтов. Как следствие, гидрохимическая и температурная обстановка в водоносных горизонтах, сформированная под воздействием техногенных факторов, оказывает влияние на фильтрационные свойства пород. При фильтрации воды, загрязненной нефтепродуктами, происходит их постоянное накопление во вмещающих породах. Вместе с тем, параллельно накоплению идут процессы разложения органических веществ с учетом реальной физико-химической обстановки в коллекторе.

Случаи нефтяного загрязнения широко распространены во многих промышленно развитых странах. Обычно на этот вид загрязнения приходится 30…40 % общего загрязнения подземных вод и по масштабам негативного воздействия на подземные воды нефть стоит в одном ряду с ведущими химическими загрязнителями – соединениями азота, серы, хлора и фосфора. Из отечественной и зарубежной практики известны примеры, когда подземные водозаборы были выведены из строя на десятки лет в результате загрязнения нефтепродуктами. На отдельных объектах загрязнение практически невозможно ликвидировать с приемлемыми технико-экономическими показателями. Эффективность борьбы с нефтяным загрязнением подземных вод в значительной степени снижается из-за недостаточной изученности механизма их загрязнения нефтепродуктами и слабой разработанности методов его индикации.

Существенное влияние на загрязнение поверхностных и подземных вод оказывают попутные воды, которые извлекаются из продуктивного пласта на поверхность вместе с нефтью или газом. Наряду с высоким содержанием солей в этих водах присутствуют токсичные элементы (бор, литий, бром, стронций и др.) и органические вещества (нафтеновые кислоты, фенолы, эфиры, бензолы и др.). В попутных водах встречаются механические примеси, нефтепродукты, а также утяжелители и химреагенты, которые применяют в процессе бурения скважин.

В стоках нефтяных промыслов, как известно, содержатся ЗВ в значительных количествах – нефть, нефтепродукты, конденсат, растворимые соли и токсичные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поэтому нерегулируемый сброс промстоков в водоемы без соответствующей очистки может не только загрязнить почву, но и резко ухудшить качество поверхностных и подземных вод. При этом значительно снижаются запасы чистой воды и, главное, нарушается экологическое равновесие в природной среде. Эти загрязнения могут быть вызваны следующими причинами:

• разливом промысловых сточных и пластовых вод при порывах водоводов и попаданием солей, остатков нефти, нефтепродуктов химреагентов и ПАВ в пресноводные горизонты;

• сбросом сточных вод на поля испарения, что не исключает в отдельных случаях при повреждении изоляции, их фильтрацию в пресноводные горизонты;

• попаданием стоков нефтепромыслов в наземные воды в период дождей и таяния снегов с последующим их проникновением в подповерхностные горизонты;

• перетоком высокоминерализованных вод глубокозалегающих горизонтов в пресноводные пласты из-за негерметичности эксплуатационных колонн;

• попаданием сточных вод в пресноводные горизонты при нарушении герметичности нагнетательных и поглощающих скважин.

В настоящее время для нейтрализации воздействия сточных вод на ОС применяется их естественное упаривание в прудах-испарителях и на полях фильтрации, закачка в глубокие поглощающие горизонты и заводнение продуктивных коллекторов для повышения пластового давления (ППД). Первые два способа используются ограниченно, так как косвенно влияют на загрязнение воздушной среды и подземных вод. Наиболее приемлемым с экологических и экономических позиций является заводнение продуктивных горизонтов. Кроме повышения нефтеотдачи, ППД позволяет уменьшить вероятность изменения пространственного положения или разрушения залежей из-за увеличения градиентов напоров в продуктивных резервуарах. Наряду с этим, решается вопрос оборотного водоснабжения нефтедобывающих предприятий, и сокращаются расходы на бурение поглощающих скважин. В настоящее время свыше 1,5 млрд. м³ пластовых вод откачивается из коллекторов вместе с нефтью. Из них 90 % попутных вод находит применение в системах заводнения, а по отдельным предприятиям этот показатель достигает 95…100 %. Благодаря утилизации этих вод, в оборотном водоснабжении частично компенсируется расход пресных вод для технологических целей при добыче нефти. Использование пластовых или сточных вод позволяет повысить коэффициент вытеснения нефти на 5…8 % по сравнению с применением пресных вод для той же цели. Однако суммарное потребление поверхностных вод при разведке и эксплуатации месторождений углеводородного сырья еще весьма значительно.

Особое внимание следует уделить биологической и химической совместимости закачиваемых вод. Применение пресных вод для заводнения нефтяных коллекторов способствует развитию микробиологических процессов и, как следствие, заражению продуктивных пластов бактериями. Наличие в закачиваемой воде разнообразной микрофлоры создает условия для обогащения пласта новыми микроорганизмами. Скорость формирования микробиологического сообщества в призабойных зонах нагнетательных скважин зависит от физико-химических условий пласта и количества закачиваемой воды, содержащей кислород. В среднем этот период времени исчисляется несколькими месяцами, реже первыми годами от момента начала разработки месторождений с применением ППД.

При заводнении для предупреждения биогенной сульфатредукции необходимо выбирать воду высокой минерализации, не содержащую сульфатвосстанавливающих бактерий. При отсутствии такой воды с начала заводнения следует добавлять бактерицид – формалин, из расчета 50 мг/л.

Требования, предъявляемые к качеству закачиваемой речной воды, постоянно возрастают, и сегодня для их использования в заводнении нефтяных пластов рекомендуется комплекс технологической подготовки. С помощью двухступенчатого фильтрования или последовательных операций, связанных с коагулированием, отстаиванием и фильтрованием, содержание в речной воде твердых механических примесей ограничивается 2…5 мг/л, растворенного кислорода – не более 0,1 мг/л, а коррозионная агрессивность не должна превышать 0,15 мм/год. При подготовке речной и озерной воды должны быть полностью удалены сульфатвосстанавливающие бактерии.

Известно, что около 80 % потерь от коррозии нефтепромыслового оборудования связано с деятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий. Под воздействием этих микроорганизмов происходит окисление водорода металла и осаждение железа в сульфидной форме. Сульфид железа образует гальваническую пару с железом, в которой сульфид железа является катодом, а железо подвергается анодному растворению. Скорость коррозии металла может достигать 6 мм/год [14]. Для защиты оборудования и коммуникаций от коррозии широко используют ингибирование всей добываемой жидкости и закачиваемой в пласт воды.

Для предотвращения солеотложения в продуктивных пластах и для защиты от микробиологической коррозии нефтепромыслового оборудования применяют для ППД природные и сточные растворы, совместимые по химическому составу с подземными водами. Возможно использование химических реагентов-ингибиторов в композиции с полимерами, бактерицидами и другими активными веществами.

При наличии в природной зоне глинистых минералов под влиянием нагнетаемой воды снижается проницаемость пласта и приёмистость скважин. Разбухание интенсивно развивается при контакте с пресными водами и существенно снижается при использовании попутных вод повышенной минерализации. Опытные данные показывают, что разбухание глин не происходит при минерализации закачиваемой воды более 20…30 г/л и содержании ионов кальция и магния более 10 %.

Полная утилизация сточных вод на нефтепромыслах связана с определенными трудностями (строительство дорогостоящих очистных сооружений, насосных станций, напорных водоемов и т. д.) и не везде технологически оправдана и экономически целесообразна. Поэтому часть этих вод на некоторых нефтяных месторождениях закачивается в поглощающие горизонты скважин или сбрасывается на поля испарения. При закачке сточных вод в поглощающие глубокозалегающие горизонты отпадает необходимость в освобождении от токсичных загрязняющих веществ. Подготовка воды при этом сводится к предупреждению закупорки пор пласта механическими примесями и нефтепродуктами. В отечественной и зарубежной практике накоплен опыт захоронения промысловых сточных вод в глубокие поглощающие горизонты. Они должны иметь значительное площадное распространение, высокие емкостные и фильтрационные характеристики, быть приуроченными к зоне застойного или замедленного гидродинамического режима, обладать выдержанными водоупорами, исключающими гидравлическую связь пласта-коллектора с другими водоносными горизонтами. Обязательным условием должны быть совместимость составов пластовых и закачиваемых вод. В противном случае происходит отложение солей в призабойной зоне нагнетательных скважин, что отрицательно сказывается на их приемистости. Участки размещения нагнетательных скважин необходимо располагать за пределами сейсмически активных районов и территорий, с активно развивающимися экзогенными процессами. Если же это из-за обширности таких зон перенос скважин оказывается невозможным, то необходимо применять усиленные конструкции, способные выдерживать значительные деформации горных пород.

Контроль гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов осуществляется с помощью наблюдательных скважин. Однако даже при соблюдении всех мер предосторожности, предъявляемых к системе нагнетания и поглощающему объекту, захоронение сточных вод в подземные горизонты представляет потенциальную опасность для геологической среды.

В результате проведения геолого-экологических исследований установлено локальное загрязнение грунтов и грунтовых вод нефтепродуктами на ряде объектов хранения, переработки, транспортировки нефти и нефтепродуктов на территории Архангельской области (рис. 3.3). Причинами этого являются систематические разливы и аварийные утечки нефтепродуктов из емкостей и трубопроводов на территориях предприятий вышеназванных профилей деятельности.

Попадающие на поверхность земли нефтепродукты фильтруются вертикально через толщу грунтов зоны аэрации и достигают уровня грунтовых вод, где происходит их накопление и растекание по водоносному горизонту. На поверхности грунтовых вод формируется как бы «плавающая» на этих водах линза смеси нефтепродуктов, т.е. линза однофазных (без примеси воды) жидких нефтепродуктов. Линза нефтепродуктов является ядром и главной частью области нефтепродуктового загрязнения водной среды. В зоне аэрации над линзой образуется газовая оболочка. По законам диффузии в зоне аэрации над поверхностью линзы формируется поле концентраций углеводородных газов.

Неудовлетворительное экологическое состояние абсолютного большинства объектов хранения нефти и нефтепродуктов на предприятиях, а также в воинских частях, рост природоохранных требований и штрафных санкций за загрязнение ОС – все это в совокупности потребовало разработки первоочередных природоохранных мероприятий, которыми предусматривается выполнение на объектах нефтепродуктохранения следующих работ:

• обнаружение и картографирование загрязненных зон в почвах, грунтах, исследование поверхностных вод и донных осадков, определение ореола загрязнения подземных вод;

Рис. 3.3. Очаги загрязнения подземных вод нефтепродуктами

• разработка и выполнение планов по рекультивации территорий имеющих углеводородное загрязнение выше предельно допустимых норм;

• организация системы производственного контроля (мониторинга) за техническим состоянием объектов, загрязнением почв, грунтов, подземных и поверхностных вод в процессе эксплуатации.

Проведенные исследования показали высокую степень загрязнения грунтов и грунтовых вод в пределах рассматриваемых объектов. Содержание нефтепродуктов в грунтах до глубины 2,5…3,0 м в пределах исследованных площадей превышает ПДК для селитебных зон, нередко оно достигает экстремальных значений – более 100 ПДК. На поверхности грунтовых вод имеются "линзы" жидких нефтепродуктов мощностью 5…10 мм с общей площадью данного вида углеводородного загрязнения до 600 кв. м.

Нефтепродукты, сорбированные в грунтах и залегающие в виде "линз" на зеркале грунтовых вод, являются источником загрязнения подземных вод. Линзы нефтепродуктов представляют собой смесь легких углеводородов (керосин, бензин) с тяжелыми (масла, битумы), а также с продуктами их окисления. В общем объеме линзы легкие углеводороды составляют до 95%. Они находятся в различных фазовых состояниях, и в условиях хорошо развитой орографической сети и отсутствия региональных водоупоров наносят природной среде значительный ущерб. Содержание нефтепродуктов в грунтах на территории складов ГСМ имеет экстремальные значения и составляет от 15…20 г/кг породы в интервале глубин 0…0,5 м и до 80… 100 г/кг породы в интервале сезонного колебания уровня грунтовых вод (0,5…1,5 м). На глубинах более 1,5…2,0 м содержание нефтепродуктов в грунтах резко снижается.

Для улучшения экологической ситуации на территории складов ГСМ и сопредельных площадях необходимо проведение большого комплекса природоохранных мероприятий, из которых первоочередными являются:

• устранение причин, вызывающих углеводородное загрязнение территории (вывод из эксплуатации неисправных резервуаров, устранение неисправностей в технологических линиях транспортировки ГСМ, усиление контроля за процессами погрузки-разгрузки и перекачки нефтепродуктов и др.);

• локализация существующих очагов нефтяного загрязнения путем проходки сплошных траншей поперек основных направлений движения нефтепродуктов; глубина траншей должна быть ниже сезонного снижения уровня грунтовых вод;

• извлечение жидкой, наиболее подвижной части нефтепродуктов, которая концентрируется в виде «линз» на зеркале грунтовых вод; извлечение производится методом откачки из неглубоких шурфов, канав и траншей с использованием вакуумных и поверхностных центробежных насосов.

Выполненные геоэкологические исследования охватывают только приповерхностную часть разреза, что не позволяет сделать вывод о распространении нефтяного загрязнения в нижележащие водоносные горизонты и оценить общие масштабы загрязнения природной среды. Тем не менее, полученные в результате выполненных работ фактические материалы о границах распространения, глубинах залегания основных очагов углеводородного загрязнения, фазовом состоянии и концентрациях загрязняющих веществ, позволяют сделать достаточно достоверный расчет количества жидких нефтепродуктов, подлежащих извлечению, и объема грунтов, подлежащих очистке при проведении рекультивационных (механических, химических, биологических и т.д.) работ.

Таким образом, основными отрицательными последствиями антропогенного воздействия на гидрогеологические условия являются загрязнение и истощение подземных вод, представляющие собой взаимосвязанные процессы. Загрязнение подземных вод сокращает запасы пресных подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, способствуя истощения запасов подземных вод. С другой стороны, интенсивное снижение уровней подземных вод в процессе их эксплуатации приводит к внедрению в месторождения пресных подземных вод загрязненных или природных некондиционных вод.

Уровень воздействия на водную среду в обычном режиме эксплуатации нефтегазодобывающих объектов, как правило, носит кратковременный и локальный характер. Наибольший ущерб водным объектам наносится в случае аварийных разливов нефти. Площадь поражения и соответственно объем загрязненных вод будут, прежде всего, зависеть от вязкости нефти, скоростей течения и ветра и поэтому иметь широкий диапазон значений. Даже небольшие аварии с утечкой нефти и нефтепродуктов объемом несколько кубических метров способны поразить всю площадь не только средних по размеру, но и некоторых крупных озер, т.е. достигать местного и долговременного масштабов воздействия [24]. При утечках нефти в объеме десятки-сотни тонн и загрязнении рек УВ масштаб воздействия может носить региональный и долговременный характер. При крупных авариях на основных водотоках и в акваториях морей существует высокая вероятность крупномасштабного долговременного загрязнения ОС, затрагивающего весь регион. Последствия таких разливов для всей экосистемы могут иметь катастрофический характер.

Вопрос о влиянии газов на ОС изучен значительно хуже, чем воздействие нефти и ее составляющих. Газы, формирующие состав природных вод, отличаются высокой растворимостью (табл. 3.2).

Обращает на себя внимание высокая растворимость в воде метана – основного природного газа, и сероводорода. Большие объемы этих газов в водных объектах могут приводить к заморам рыб вследствие вытеснения кислорода и деградации экосистем. Однако, это предположение нуждается в серьезной экспериментальной проверке.

Таблица 3.2. Растворимость некоторых газов в воде при температуре 0 ºС и парциальном давлении газа 101,3·10³ Па, % [20]

№	Газ	Растворимость
1	Кислород (О2)	49,2
2	Азот (N2)	23,6
3	Аргон (Ar)	57,8
4	Гелий (He)	9,7
5	Водород (H2)	21,5
6	Оксид углерода (CO2)	17,1
7	Метан (CH4)	55,6
8	Сероводород (H2S)	46,3

Что касается собственно поведения метана, то здесь большую роль играет температура среды. При низких температурах метан переходит в твердую фазу, образуя газогидраты, особенно в условиях высокого давления, которое увеличивается на 1 атмосферу при увеличении глубины на каждые 9.8 м. Чем это опасно, показала недавняя авария на платформе Deepwater Horizon в Мексиканском заливе, случившаяся в апреле 2010 года, когда сотни тысяч тонн нефти попало в водную толщу и на морское побережье США. В процессе ликвидационных работ на дне было построено специальное сооружение, которое по замыслу ее создателей должно было перекрыть скважину, предотвратив тем самим поступление нефти. Однако не было учтено, или, по крайней мере, недооценено, что из скважины выходит также и попутный газ, который на таких глубинах – 1500 м, и в условиях довольно низких температур легко превращается в газогидрат, что и было в действительности. Как результат – образование пробки в устье, что повлекло за собой взрыв, разрушивший аварийное сооружение. Пришлось принимать другое инженерное решение, но много времени было упущено, а объем загрязнения значительно увеличился.