4.5. Экологические особенности изменения почвенно-раститель-

ного покрова при разработке месторождений углеводородов

в условиях многолетней мерзлоты

Техногенное воздействие на почвенно-растительный покров при эксплуатации месторождений углеводородов связано со следующими видами работ: подготовкой и планировкой площади для монтажа бурового оборудования объектов сбора и подготовки нефти и газа, прокладкой трубопроводов, линией электропередач, связи и телемеханики, а также выбросами загрязняющих веществ при аварийных ситуациях.

Основные группы техногенных нагрузок и соответствующие им загрязнители почв и грунтов в северных районах добычи нефти и газа приведены в табл. 4.1. Наиболее частыми и значимыми нарушениями и загрязнениями земель на промысловых объектах являются [24]:

- механическое нарушение почвенного покрова;

- изъятие плодородного слоя;

- загрязнение нефтью и высокоминерализованными пластовыми во- дами;

- загрязнение буровыми отходами;

- загрязнение нефтешламами;

- загрязнение сточными водами;

- трансформация почв при пожарах.

В нефтяном загрязнении почв выделяется несколько этапов, обусловленных разной степенью преобразования составляющих нефть углеводородов. Вначале происходят процессы физико-химического разрушения, дегазации и ультрафиолетовой деструкции: рассеивание нефтяных компонентов в почвенно-грунтовом пространстве, смыв и вынос нефти водными потоками и испарение легких фракций. В результате этих процессов в первые месяцы после загрязнения содержание нефти в почвах и грунтах снижается наполовину, после чего самоочищение почв резко замедляется. Оставшаяся нефть подвергается структурным изменениям. Преобладающими становятся тяжелые фракции.

Таблица 4.1 - Основные группы техногенных нагрузок и соответствую-

щие им загрязнители почв и грунтов в районах добычи неф-

ти и газа

Виды работ	Источники и причины воздействия	Возможные группы загрязнителей и их состав
Поисково-разведоч-ные работы и обустройство промысла (подготовительные работы: прокладка дорог, обваловка площадок, бурение скважин, разработка карьеров). Эксплуатация место-рождений (закачива-ние воды для поддер-жания пластового давления, сбор и пер-вичная подготовка продукции на промыслах) Хранение и транспортирование нефти	Источники воздействия: скважи-ны, амбары, циркуляционные системы жидкостей, транспортные магистрали. Причины воздействия: аварийные выбросы пластовой жидкости, низкая герметичность оборудования, плохой цементаж, сброс неочищенных сточных вод, прорывы и переполнение амбаров. Источники воздействия: отстой-ники, добывающие и нагнета-тельные скважины, кустовые насосные станции, внутрипромысловые трубопроводы, факельная система. Причины воздействия: несовместимость состава закачиваемых и пластовых вод, коррозия оборудования, плохая герметичность соединений. Источники воздействия: резер-вуары, трубопроводы, насосные перекачивающие и подогрева-ющие станции. Причины воздействия: коррозия и механические повреждения трубопроводов и резервуаров, неплотности соединений, потери легких фракций при хранении, неочищенные сточные воды.	Промывочные жидкости, буровые шламы, утяжелители, реагенты воздействия на пласт, пластовая жидкость, нефтепродукты, цементы, гипсовые, силикатные, известковые, соляные и другие виды буровых и промывочных растворов и утяжелителей, водно-неф-тяная эмульсия, ингибиторы коррозии, ПАВ и т.д. Сточные воды разной минерализации, нефть (при аварийных выбросах), ПАВ, ингибиторы коррозии, сероводород, соли, механические примеси, продукты неполного сгорания попутных газов. Тепловые воздействия, нефть, азотистые и сернис-тые соединения, одоранты, антикоррозийные ингибиторы, редкие и рассеянные элементы, фенолы и др.

Тяжелые фракции нефти, содержащие смолисто-асфальтеновые компоненты, из-за большой вязкости и плотности, как и твердые парафины, препятствуют процессам влаго- и газообмена в почвах, что приводит к изменению физических свойств почв и грунтов. В тяжелых фракциях в больших количествах содержатся тяжелые металлы и микроэлементы – мышьяк, ванадий, ртуть, свинец, железо и др., присутствие которых в почве оказывает негативное действие на биогеоценозы в целом.

Характерной особенностью первого этапа, средняя длительность которого занимает от одного до полутора лет, является подавленность микробиологических процессов. На последующих этапах роль микроорганизмов в деструкции нефтяных углеводородов существенно возрастает. При этом ключевую роль играют псевдомонады и микробактерии. В среднем этот этап занимает 3…4 года. На третьем этапе активной деградации подвергаются полиареаны. В конечном счете, остаются оксикериты и гуминокериты, по поведению в почве аналогичные другим гумусовым образованиям. Кроме того, в болотных почвах в условиях анаэробиоза отмечается трансформация нефтяных углеводородов: некоторые соединения, входящие в состав нефти, замещаются сложными органическими соединениями другой природы. Следствие этого – изменение свойств почв, которое в свою очередь может привести к изменениям в растительном покрове и повлиять на животные сообщества.

Длительность всех этапов разложения нефти в естественных условиях зависит от ее физико-химических свойств, начальных объемов разлива, физико-механических свойств грунтов и температурного режима территории. Оптимальны для разложения нефти температуры +24...30 °С, во всяком случае, они должны быть не ниже +6 °С. Поскольку в условиях Крайнего Севера период с такими температурами крайне непродолжителен, а в иные годы в некоторых районах совсем не отмечается, естественная деградация нефти может длиться десятилетиями. Способность аккумулировать нефть (табл. 4.2) и другие 3В зависит от типа и состава почв, а также степени их увлажненности.

Таблица 4.2 - Предельная нефтеемкость органогенных горизонтов

почв при разных уровнях влажности (по эксперименталь-

ным данным)

Почва	Характеристика горизонта	Влажность субстрата, %	Нефтеемкость, г/кг
Болотные торфяно-перегнойно-глеевые Тундровые поверхностно-глеевые	Хорошо разложившийся осоково-моховый торф Слабо разложившийся сухоторфянистый	25-50 85-100 25-50 85-100	1620 260 335 40

При освоении нефтяных и газовых месторождений в условиях многолетней мерзлоты уничтожение растительного слоя, разрушение и снос наиболее продуктивных горизонтов почвы, которые и так не отличаются большой мощностью, представляют исключительно высокую экологическую опасность. Прежде всего, создаются условия для развития процессов, изменяющих состояние природных ландшафтов. Особую опасность представляет нарушение растительного покрова на участках, сложенных пылевато-суглинистыми грунтами, включающими полигонально-жильные льды. Это может привести, даже, несмотря на достаточно низкую температуру грунтов, к образованию просадочных форм рельефа из-за местного вытаивания льда, т.е. развитию термокарста. Опасны воздействия на речных террасах и полосах стока и движения гусеничной техники.

На площадях разведочных скважин максимальные нарушения охватывают зону диаметром 20…25 м вокруг устья скважины. Напочвенный покров снимается полностью, растительность уничтожается. В зоне, занимающей большую часть территорий вокруг буровой (до 0,02 км²), поверхность грунта нарушается в результате многократных проездов техники. Минимальные нарушения шириной 10…30 м отмечаются в переходной зоне между нарушенной и окружающей естественной территорией, поверхность нарушается разовыми проездами техники.

На поверхности ландшафтов механические техногенные воздействия сопровождаются изменениями почвы и биоты – совокупности видов растений, животных и микроорганизмов, объединённых общей областью распространения. В почве происходит значительная доля процессов превращения вещества и энергии из живого в неживое и наоборот. В общей схеме круговорота химических элементов в биосфере почва является его важнейшим звеном. В формировании почв на Севере особую роль играют три группы почвообразовательных процессов, носящих цикличный характер: гумусообразование, оглеение и криогенез. Болотные почвы, распространённые в северной части Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, представляют переход к торфяникам, в которых образуется не гумус, а торф, состоящий из слабо перегнивших растительных остатков. Под влиянием промышленно-хозяйственной деятельности человека нарушается естественный процесс почвообразования. В зоне деятельности нефтегазовых комплексов (НГК) нарушение целостности почвенного слоя приводит к появлению лишённых растительности участков почвы. При тепловых, механических и статических воздействиях на осваиваемых территориях нарушаются естественные ландшафтные условия.

В результате формируются техногенные ландшафты. С момента начала освоения техногенное формирование ландшафтов занимает от 20 до 40 лет [3]. Характерным становится наличие:

- участков-пятен, полностью лишённых растительности;

- участков овражной эрозии с нарушенной сплошностью растительного покрова;

- участков осыпи, оползней, промоин, солифлюкции при склоновых процессах;

- участков гибели сфагновых мхов и лишайников;

- площадей исчезновения охотничье-промысловых видов животного мира;

- площадей отрицательного воздействия на среду обитания промыслово-охотничьих животных;

- участков подтопления вдоль построенных дорог;

- участков засоления почвы в местах разлива высокоминерализованной воды;

- площадей загрязнения атмосферного воздуха испарениями вредных веществ;

- участков загрязнения разливом нефти, нефтепродуктов;

- участков загрязнения выхлопными газами, дизтопливом и маслами при работе транспортных средств, в том числе тракторной техники и т.д.

Самовосстановление и самоочищение естественных ландшафтов в зонах деятельности НГК протекает крайне медленно. Происходит исключение их из пользования на весьма длительный срок. Это объясняется тем, что в условиях Крайнего Севера наземный растительный покров имеет чрезвычайно сложный режим функционирования. Низкие температуры воздуха и грунтовой воды, сильные ветра, небольшая продолжительность тёплого периода, во время которого активизируются биологические процессы, непосредственно влияют на поведение растительности. Всякое нарушение их режима может привести к необратимым процессам. С максимальной скоростью процесс самовосстановления протекает на заболоченных участках в таликовых зонах, медленнее – на минеральном субстрате, а наиболее медленно – на мёрзлых торфяниках.

На устойчивость к техногенным воздействиям в зависимости от интенсивности техногенной нагрузки влияние оказывает степень противостояния действию внешних сил отдельных элементов природных ландшафтов. В табл. 4.3 показан характер устойчивости отдельных участков ландшафтов, его почв, растительности к техногенным воздействиям при освоении месторождений в мерзлотных условиях.

Таблица 4.3 - Характер устойчивости отдельных участков ландшафтов,

его почв, растительности к техногенным воздействиям при

освоении месторождений в мерзлотных условиях [по 3]

Характер устойчивости	Участки, почвы, растительность природных ландшафтов
1	2
Устойчивы к техногенным воздействиям	Горизонтальные поверхности, сложенные торфяниками и заторфованными минеральными грунтами со слабыми изменениями параметров сезонно-талого и сезонно-мёрзлого слоя (СТС – СМС). Полого холмистые и увалистые равнины, сложенные минеральными грунтами. Болотные почвы с высокой буферной ёмкостью и способностью аккумулировать токсичные вещества. Мёрзлые песчаные грунты. Лесотундровая растительность. Болотная растительность.
Слабо устойчивы к техногенным воздействиям	Полого наклонные участки, не имеющие возможности образования на них сосредоточенного стока, сложенные медленно размываемыми породами, со значительными колебаниями отражательной способности, температур и глубин СТС – СМС, развитием сезонных криогенных процессов. Плоские заболоченные равнины, имеющие уклон до 0,5% и сложенные высокольдистым торфом, освоение которых может привести к интенсивному развитию термокарста и пучения. Надпойменные террасы рек, в пределах которых развиты процессы солифлюкции, термоэрозии и оплывания, интенсивность развития которых может возрасти при техногенном воздействии. Кустарники – ива, ерник. Кустарнички – багульник, брусника, голубика. Ландшафты хорошо дренированных водоразделов и надпойменных трасс, а также пойменные ландшафты.
Неустойчивы к техногенным воздействиям	Участки с резкими изменениями отражательной способности параметров СТС – СМС, развитием многолетнего пучения, термокарста, овражной эрозии. Склоны долин и ручьёв с уклоном от 5 до 20%, где развиты процессы солифлюкции и термоэрозии, в результате техногенного воздействия эти процессы способны активизироваться. Поймы рек и ручьёв, затапливаемые паводковыми водами, полосы стока, где в результате освоения возможно формирование бугров и гряд пучения. Водораздельные поверхности с развитыми процессами пучения, термокарста, морозобойного растрескивания. Торфяные болота и озёрные впадины, формирующие бугры и гряды пучения. Долины рек и ручьёв с оползневыми процессами, солифлюкционным течением грунта по склонам. Торфяники с высокой объёмной льдистостью. Тундрово-глеевые почвы. Тундровая растительность с низким содержанием гумуса и низкой буферной ёмкостью. Лишайники, мхи, травянистые растения.

Как следует из данных табл. 4.3, не устойчивы к техногенным воздействиям прибровочные участки; крутые склоны, сложенные сильнольдистыми грунтами; торфяники с мощным слоем торфа и жильными льдами; площадки криогенного пучения; тундрово-глеевые почвы; лишайники; мхи; травянистые растения и т.д.

Растительный покров выполняет исключительно важную роль в сохранении устойчивости ландшафтов:

- защищает многолетнемерзлых грунтов, являясь тепло- и влагорегулятором верхних слоёв почвы;

- уменьшает интенсивность образования ветровой и водной эрозий;

- обогащает почву органикой;

- является средством против образования оврагов, оползней, эрозий;

- является продуцирующим блоком и индикатором экологической обстановки;

- придаёт эстетическую красоту природным ландшафтам.

При наличии снежного покрова растительность в меньшей степени подвергается токсическому воздействию. Причиной относительно низкой поражаемости растений зимой является прекращение вегетации в этот период.

При воздействии токсических веществ на растительность в период её вегетации процент гибели значительно возрастает. Процесс загрязнения почвенно-растительного покрова определяется проницаемостью грунта, его составом, положением зеркала грунтовых вод и временем воздействия. Заболачивание (избыточное накопление влаги в почвенно-растительном слое) и подтопление (образование зеркала воды) ведёт к гибели или смене растительного покрова. Загрязнители действуют на растительные организмы как биохимические агенты, нарушающие структуру клеток, физиологические процессы и метаболизм растений, а через них – ростовые и морфологические проявления, продолжительность жизни, размножение и возобновление. Влияние нефти на растения обусловлено как её непосредственным токсическим воздействием, так и трансформацией почв. Поступая в клетки и сосуды растений, нефть вызывает токсические эффекты. Они проявляются в быстром повреждении, разрушении, а затем и отмирании всех живых тканей растений. Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, подавляет рост их наземных и подземных частей, задерживает прорастание семян. Загрязнение тундровых сообществ нефтепродуктами даже при концентрации 2 мг/л вызывает гибель большой части растений и подрывает их самовосстановительный потенциал. Особенно чувствительны к воздействию нефти растения самого низкого яруса – мхи и лишайники. Они погибают практически полностью при контакте с нефтью. Низкий кустарник более устойчив к нефтяному загрязнению.

На самой поверхности почвы высокомолекулярные продукты деградации нефти образуют довольно устойчивые к разложению корочки, затрудняющие дыхание почвы. При многократных разливах тяжёлой нефти происходит образование прочных твёрдых покровов. При просачивании нефти сверху её смолисто-асфальтовые компоненты сорбируются, в основном, в верхнем органогенном горизонте, иногда прочно цементируя его, в результате растения засыхают. Период самовосстановления растительности после загрязнения нефтью для северных условий составляет от 10 до 15 лет. Конечным результатом этого процесса – нефтяного загрязнения земной поверхности, является формирование почвенных ареалов с побочными для зональных условий чертами, зональные типы почв замещаются техногенными, усиливается контрастность почвенного покрова.

По масштабу и интенсивности воздействия наряду с нефтью стоят пластовые воды, опасно загрязняющие почву, вызывающие гибель растений. Обладая высокой агрессивностью, высокой минерализацией и высокой активностью, пластовые воды ведут к хлоридно-натриевому засолению, специфическому техногенному осолонцеванию. Изменяются физико-химические свойства почв, вследствие трансформации почвенного поглощающего комплекса из состава почвенных растворов. Трансформируется строение гумусового профиля – существенно увеличивается содержание органического углерода, изменяется групповой состав гумуса. При техногенном осолонцевании усиливаются восстановительные процессы, изменяются миграционная активность, формы миграции и уровни концентрации элементов, что приводит к накоплению (или выносу) отдельных элементов в почве. Процесс самоочищения идет значительно медленнее вследствие устойчивости загрязнения, его внедрения в более глубокие почвенные горизонты, связанного с лучшей фильтрацией, и большего площадного распространения [14]. Количество водорастворимых солей в почве при воздействии на нее пластовыми водами достигает и часто значительно превышает типичные для растений концентрации, что выражается в гибели и отсутствии растении на этих участках или, при меньшей концентрации загрязняющих веществ, смене растительных ассоциаций в последующие годы.

Загрязнение пластовыми водами, как правило, обусловлено аварийными разливами при порывах водоводов системы поддержания пластового давления. Там, где ППД осуществляется закачкой газа, загрязнение почв сточными водами наблюдается только при аварийных разливах обводненных нефтей.

Промывочные жидкости и химические реагенты, попадая в почву, разрушают её структуру, уничтожают растительный покров. Вместе с жидкой фазой промывочной жидкости химические реагенты могут проникать в грунтовые воды.

Загрязнение почв может происходить и с воздуха. В атмосферный воздух выбрасываются углеводороды (суммарно), сероводород, оксиды углерода и азота, диоксид серы, которые под влиянием приземных инверсий попадают в почвенный воздух. Из атмосферы в почву вредные вещества попадают в виде грубодисперсных фракций, а также вымываются дождём и осаждаются снегом. При значительном выпадении из атмосферы соединений, содержащих серу, отмечается резкое подкисление почвы. При сильно загрязнённом воздухе гибнут мхи и лишайники. Свинцовая пыль, оседая на поверхность почв, адсорбируется органическим веществом, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы почвенного профиля в небольших количествах.

Почва представляет собой сложную и долго образующуюся природную систему, поэтому и период восстановления почвенного покрова в условиях Арктики и Субарктики длится многие годы. Немногим меньше будет и период восстановления таежных почв. Следовательно, независимо от площади повреждения почвенного покрова воздействие на него будет, как правило, долговременным [24]. С сожалением вынуждены констатировать, что современная наука еще не выработала эффективные агротехнологии восстановления почв. Очистка грунта от нефтяного и химического загрязнений при проведении технической рекультивации не дает 100 %-го эффекта, да и возможна не для всех реагентов. Механическое восстановление уничтоженного почвенного покрова путем укладки дерна требует изъятия такого же его количества в другом месте.

Отчуждение земельных участков под сооружения носит "точечный" характер, и занимаемая различными строениями площадь на нефте- и газопромыслах не превышает нескольких сотен квадратных метров, следовательно, и воздействие будет локальным.

Движение транспортных средств вне дорог после введения запрета на такое передвижение, как показывает практика, носит эпизодический характер и не затрагивает большие территории. Вызываемые в этом случае нарушения почв будут локальными. Временные дороги с твердым покрытием обычно строятся на период обустройства месторождения и не являются протяженными, поэтому пространственный масштаб воздействия также будет локальным или, в крайнем случае – местным. Трубопроводы влияют на почвы только в случае недостаточной термоизоляции. Если имеет место утечка тепла, особенно для нефтепроводов, проложенных непосредственно на земной поверхности, начинаются экзогенные процессы, способные уничтожить почвенный покров. Такая ситуация невозможна вдоль всей трассы трубопровода: отдав определенное количество тепла, нефть уже не оказывает растепляющего воздействия на грунт, поэтому воздействие будет иметь место на локальных участках. Однако если в результате тепловой деформации грунтов произойдет нарушение герметичности, а то и разрыв труб, разлившаяся нефть может охватить участки поверхности протяженностью десятки и даже сотни метров (при сильных уклонах рельефа). Это воздействие местного масштаба. Пораженные тяжелыми нефтями почвы вследствие медленного метаболизма асфальтосмол в естественных условиях восстанавливаются в течение десятков лет.

Попадание в почву используемых в производстве химических веществ обычно происходит вследствие неосторожного обращения с ними, а также нарушений правил хранения. Площадь пораженных участков при этом – несколько квадратных метров, и если не принять оперативные меры для их удаления, эти участки почвы могут оказаться безвозвратно потерянными.

В целом воздействие на почвы хоть и носит долговременный характер, но локализовано на небольших участках. Но есть одно исключение, связанное с воздействие не одиночных источников, а с влиянием разработки нефтяных и газовых месторождений на больших территориях. Извлечение нефти и газа приводит к образованию пустот, что в свою очередь, ведет к оседанию вышележащих горных пород под действием силы тяжести. Закачка в эти горизонты флюида, в том числе и для поддержания пластового давления и при утилизации технических вод, не решает проблемы, поскольку нельзя добиться синхронизации всех операций, компенсирующих изменение естественного состояния геологической среды. Так, в Западной Сибири разработка нефтегазовых месторождений, ведущаяся в течение десятков лет, по оценкам некоторых специалистов [2] привела к общему опусканию Западно-Сибирской низменности на всей ее территории до 1.5 м.

Масштаб такого воздействия оценивается однозначно как глобальный и долговременный. Последствия его оценить крайне сложно. Если рассматривать данный пример, низкий и равнинный рельеф северной части Западной Сибири в условиях избыточного увлажнения и наличия крупных рек благоприятствует дальнейшему заболачиванию территории, образованию новых озер, рек и затопляемости больших территорий во время паводков. С другой стороны, изменение тепло- и влагопотоков между сушей и атмосферой оказывает влияние на погоду и климат, количественные оценки изменения которых предстоит еще получить.