Глава 6. Мониторинг нефтяного загрязнения и
отходов ПРОИЗВОДСТВА
6.1. Система наблюдения и контроля нефтяного загрязнения
Поисково-разведочные работы на нефть и газ, добыча и их подготовка на промыслах сопровождаются нарушением естественного состояния природной среды и ее загрязнением. Масштабы воздействия зависят от природных условий и особенностей геологического строения, техники и технологии и продолжительности разработки месторождений. Особое место по своему негативному воздействию на ОС занимает загрязнение почв, зоны аэрации и поверхностных вод нефтепродуктами. Загрязнение геологической среды происходит в результате аварийных и технологических утечек, разлива нефтепродуктов на поверхности земли. Значительное количество нефтепродуктов скапливается в зоне аэрации, образует на поверхности грунтовых водоплавающие линзы, частично растворяется в поверхностных водах. Учитывая, что практически в каждом более или менее крупном населенном пункте России имеются нефтебазы, склады ГСМ, АЗС, широкая сеть нефтепродуктопроводов, можно ожидать, что загрязнение ОС нефтепродуктами имеет широкие масштабы, особенно в регионах, в которых располагается значительное количество нефтяных месторождений.
Мониторинг нефтяного загрязнения – это отдельный раздел системы управления качеством ОС, включающий сбор и накопление информации о фактических параметрах основных компонентов ОС и составление прогноза изменения их качества во времени (рис. 6.1). Его можно рассматривать как процедуру по комплексной оценке состояния ОС под воздействием нефтяного загрязнения.
Режимная сеть включает существующие и специальные пробуренные скважины, наблюдательные посты за изменением метеоусловий и гидрогеологических характеристик поверхностных водотоков. При стационарных исследованиях на ключевых участках выполняется контроль состава и форм нахождения ЗВ в воздухе, почве, воде и грунтах. Количественная оценка нефтяного загрязнения проводится при сопоставлении содержания индикаторных компонентов с величиной их фоновых значений и ПДК. Комплексное изучение физико-химической трансформации нефтяных УВ во всех основных компонентах ОС позволяет оконтурить очаг загрязнения, составить прогноз его развития, как по площади, так и по разрезу и предложить мероприятия по его ликвидации.
Мониторинг нефтяного загрязнения
Оценка состояния
Паспортизация и
учет источников загрязнения
Определение границ
пораженности территории
Режим
Прогноз
Управление
Локальный
Региональный
Кратковременный
Долговременный
Контроль
восстановления нарушенных экосистем
Мероприятия по
устранению последствий нефтяного
загрязнения
Рис. 6.1. Схема мониторинга нефтяного загрязнения
Сеть пунктов должна быть динамичной и ежегодно пересматриваться с учетом возникновения или ликвидации отдельных очагов загрязнения и результатов анализа проб. Периодичность отбора проб устанавливается в зависимости от площадных параметров объекта, ландшафтно-климатических условий, сложности геологического строения, а также от характера и интенсивности возможного поступления ЗВ. Частота отбора проб в каждом наблюдательном пункте определяется его местонахождением по отношению к источнику загрязнения. При детальных исследованиях и в условиях аварийного выброса углеводородов интервал между отборами проб может уменьшаться до нескольких часов.
Для осуществления оперативного контроля состояния нефтяного загрязнения ОС в качестве индикаторов могут быть рекомендованы содержания нефтепродуктов и полициклических ароматических углеводородов. Для этих веществ характерна токсичность, устойчивость к разрушению, высокая растворимость и повышенная миграционная активность в различных средах. Кроме того, в зоне производственной деятельности нефтегазодобывающих предприятий, использующих при разработке месторождений химические реагенты, достаточно широко применяются системы контроля состояния пресных водоисточников, почвы и атмосферного воздуха. Контроль изменения физико-химических свойств воды начинается с геологического и гидрогеологического изучения источника. Изучению подлежат как поверхностные, так и глубинные источники.
Обычно в зоне нефтегазодобычи строится поверхностная карта водостоков, совмещенная с коммуникациями по транспорту нефти, газа, воды и их смесей. Наибольшее внимание уделяется трубопроводам, перекачивающим сточные воды. Определяются границы распространения водостока (истока и русла), населенные пункты и источники питьевых вод (колодцы, пруды, родники). Строится карта поверхности, совмещенная с картой расположения коммуникаций, и определяются контрольные пункты наблюдения. Отбор проб и их анализ на токсичность проводится по известным методикам отбора и исследования вод. Затем строятся графики изменения физико-химических свойств пресных вод.
По опыту работ, проведенных в различных регионах России, можно утверждать, что наличие утечек из хранилищ жидкого топлива, довольно распространенное явление. Очень часто утечки происходят из подземных емкостей и трубопроводов, что затрудняет их своевременное обнаружение и приводит к значительным потерям нефтепродуктов и загрязнению подземного пространства. В ряде случаев количество попавших в подземную гидросферу нефтепродуктов измеряется сотнями и тысячами кубических метров. По многим показателям такое загрязнение может оказаться даже опаснее, чем поверхностные разливы нефтепродуктов, которым уделяется значительно больше внимания.
Нефтепродукты слабо подвержены процессам сорбции и разложения в условиях водоносных горизонтов, имеют относительно высокую растворимость в воде и токсичны для человеческого организма при концентрациях в несколько микрограмм на литр. В случае поверхностных разливов значительная часть нефтепродуктов обычно задерживается в верхней части зоны аэрации и не достигает уровня подземных вод. При подземных утечках загрязнение может попасть непосредственно на поверхность грунтового водоносного горизонта. Значительное количество хранилищ углеводородного топлива расположено по берегам рек, и загрязнение может достигнуть поверхностных водотоков не только в растворенном состоянии, но и в виде свободной фазы, что гораздо опаснее.
Уже через 10 минут после разлива одной тонны нефти она распространяется на акватории в радиусе 50 м (толщина слоя до 10 мм) с последующим образованием более тонкой пленки (менее 1 мм) и покрытием акватории площадью от 2,6 до 12 км2. При растекании сырой нефти, она быстро теряет свои летучие и быстрорастворимые компоненты, а оставшиеся более вязкие фракции тормозят процесс растекания. Наиболее устойчивые эмульсии типа «вода в нефти» содержат 30…80 % воды. Такие эмульсии могут существовать свыше 100 дней, а с понижением температуры устойчивость их возрастает. Обратные эмульсии типа «нефть в воде», представляющие собой суспендированные в воде капельки нефти, малоустойчивы из-за действия сил межповерхностного натяжения, которые быстро снимают дисперсность нефти.
Химические превращения нефти на поверхности и в толще воды начинают проявляться не раньше, чем через сутки после попадания в водный объект. Они носят в основном окислительный характер. Конечные продукты окисления (гидроперекиси, фенолы, карбоксильные кислоты, кетоны, альдегиды и др.) обычно имеют повышенную растворимость в воде и обладают высокой токсичностью [12].
Присутствие в воде взвешенных частиц различного состава и происхождения приводит к тому, что часть нефти (10…30%) сорбируется на взвеси и осаждается на дно водоемов. Эти процессы наиболее активно происходят в прибрежной полосе и мелководье, где много взвеси и где водные массы подвержены интенсивному перемешиванию. Одновременно идет процесс биоседиментации, то есть извлечения эмульгированной нефти планктонными фильтраторами и осаждения ее на дно с остатками организмов и их метаболитами. Скорость распада нефти на дне резко снижена, и ее тяжелые фракции могут сохраняться в толще донных осадков в течение многих месяцев, и даже лет.
Нефтяные агрегаты в виде смолисто-мазутных комков и шариков образуются как остатки после испарения и растворения относительно легких фракций нефти, эмульгирования и химической трансформации. Размеры агрегатов колеблются от 1 мм до 10 см (иногда до 50 см). Время существования нефтяных агрегатов – от месяца до года.
Таким образом, нефть в водной среде быстро теряет свои первоначальные свойства, разделяется на группы углеводородов и фракции в разных миграционных формах, состав и химические свойства которых радикально трансформируются. Все это необходимо учитывать при осуществлении мероприятий по ликвидации нефтяного загрязнения на водных объектах.
Для получения объективной картины состояния поверхностных вод на участке нефтегазодобывающего объекта и в зоне его влияния необходимо иметь сеть наблюдательных скважин. Величина затрат на создание и функционирование такой сети (бурение скважин, отбор проб, производство анализов) намного меньше затрат, связанных со штрафами и реализацией защитных мер.
Контроль качества подземных вод включает гидрогеологическое изучение разреза до источников пресных вод и определение границ их распространения. Обычно зона распространения пресных вод приурочена к верхней части разреза с зоной активного водообмена. Также строится карта распространения подземных вод, и намечаются контрольные наблюдательные скважины. В случае их отсутствия бурят специальные наблюдательные скважины глубиной от 30 до 100 м. Анализами определяются те же физико-химические характеристики, что и для поверхностных вод. Сопоставляя графики изменения отдельных параметров характеристики вод, определяют место, интенсивность и объемы загрязнения, по результатам которых проводятся организационно-технические мероприятия по ликвидации утечек источников загрязнения.
При обследовании почв следует различать две группы нефтепродуктов: легкого состава (бензин, керосин, дизтопливо, конденсат) и тяжелого состава (мазут, смазочные масла, битумы). Нефтепродукты в почвах находятся в следующих формах:
в пористой среде в парообразном и жидком легко подвижном состоянии;
в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе;
в пористой среде и трещинах в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы, в сорбированном состоянии, связанном на частицах горной породы или почвы;
в поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органо-минеральной массы.
Нефтепродукты, вытекающие из резервуаров или других источников загрязнения, прежде чем достичь уровня грунтовых вод, должны пройти через толщу почво-грунтов зоны аэрации. Нефтепродукты, фильтрующиеся с поверхности земли, попадают в горизонт грунтовых вод. Этот водоносный горизонт залегает первым от поверхности, и он принимает на себя основную нагрузку загрязнения. Из горизонта грунтовых вод загрязнение может поступить в нижележащие водоносные горизонты. Поэтому при характеристике загрязнения поверхностных вод (ПВ) в первую очередь должна быть изучена загрязненность горизонта грунтовых вод.
Опасность нефтяного загрязнения ПВ резко усиливается, вследствие образования значительной по площади и мощности нефтяной линзы, залегающей близко от поверхности земли. Загрязненные грунтовые воды, разгружаясь в близлежащие реки, водохранилища и прибрежную морскую зону, могут вызвать их загрязнение. Поэтому восстановление загрязненной территории должно в первую очередь включать локализацию и ликвидацию линзы нефтепродуктов и очистку почво-грунтов.
В результате миграции нефтяных углеводородов с грунтовыми водами, количество углерода в гумусовом горизонте резко увеличивается, ухудшается свойство почв как питательного субстрата для растений. Гидрофобные составляющие нефтепродуктов затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям последних. На первых стадиях загрязнения это относится, в основном, к липидным и кислым компонентам. На дальнейших этапах за счет углерода нефтепродуктов увеличивается нерастворимый остаток. В почвенном профиле идет изменение окислительно-восстановительных условий, увеличение подвижности гумусовых компонентов и ряда микроэлементов. Основным продуктом анаэробной деградации нефтепродуктов является метан, который, смешиваясь с воздухом (5…16%) образует взрывоопасную смесь.
Локализацию линзы наиболее целесообразно осуществлять путем откачки нефтепродуктов из скважин или извлечения через дренажные траншеи. Главная задача восстановительных мер – снять высокий уровень загрязнения. Дальнейшая очистка грунтов и ПВ может осуществляться за счет природных процессов самоочищения.
В почвах действуют механизмы самоочищения и адаптации. При сильном загрязнении эти механизмы могут быть подавлены. Приемы рекультивации создают условия для самоочищения, интенсифицируют процесс. Торфяники малоустойчивы к загрязнению, но с механическими нарушениями легко справляются без вмешательства человека. Необходимо отходить от принципа разработки ПДК и нормативных документов – «один на всех» и переходить на региональный уровень.
Контроль состояния почвы проводится как визуально, путем осмотра, так и лабораторным методом. Визуально исследуется изменение внешних (видимых) характеристик, таких, как цвет, плотность, наличие растительности. Лабораторный анализ включает отбор проб почвы, измельчение, отмыв в пресной, предварительно исследованной воде, отстой и химический анализ этой воды. Кроме химического анализа, может быть проведен биологический, например, методом сравнительной фитотоксичности химических реагентов.
Загрязнение воздушного бассейна связано с выделением СО2, H2S в местах подготовки нефти, сжигания газа или шлама в факелах. При этом, кроме воздушного бассейна, могут загрязняться почва и водоемы. При выпадении осадков (дождь, снег) СО2, H2S могут образовывать кислоты, находящиеся в капельно-взвешенном и жидком состоянии, которые могут конденсироваться на поверхности и образовывать скопления. Поэтому для своевременной разработки, осуществления текущих организационно-технических мероприятий по предупреждению загрязнения воздушного бассейна и поверхности почвы и водоемов необходимо учитывать и вести наблюдения за изменением ветра, выпадением осадков. Отобранные пробы воздуха, как правило, исследуются путем хроматографического анализа. Применяются и экспресс-методы, основанные на использовании индикаторных материалов, при введении которых в пробу изменяется ее цвет (окраска).
С позиции экологической безопасности более предпочтительны способы сбора разлитой нефти путем ограничения ее распространения и применения специальных нефтесборщиков, сепарационных установок и другой подобной техники. Для удаления нефтяных загрязнений применяются также различные природные и искусственные сорбенты.
Недостатки минеральных сорбентов – их разовое применение, сравнительно пониженная сорбционная емкость и сложность утилизации нефти. В качестве сорбента применяется и модифицированный торф. Суть – в замене минеральных подвижных ионов на органические. Модифицирование проводят методом ионного обмена в водной среде. Степень очистки нефти таким торфом составляет 90 %. Торф, модифицированный органическими катионами, обладает плавучестью, не утрачивает сорбционной активности и не окрашивает воду при длительном контакте с ней.
Преимущество искусственных сорбентов по сравнению с природными заключается в возможности их повторного использования после регенерации. Гранулированные сорбенты более эффективны, чем матерчатые и применяются для удаления нефтяного загрязнения на больших площадях.
Химические вещества, используемые при ликвидации нефтяных разливов, по своему назначению делятся на несколько групп: 1) эмульгаторы для создания нефтяных эмульсий с целью рассеяния нефти и ускорения ее разложения; 2) деэмульгаторы – для разрушения устойчивых эмульсий типа «вода в нефти»; 3) отвердители – для придания нефти твердой и желеобразной консистенции и ее последующего механического удаления; 4) моющие средства для смывания нефтяных пленок, пятен и покрытий с пляжевых и береговых участков; 5) осаждающие химические агенты – для затопления нефти на дно в исключительных случаях; 6) препараты для поджигания нефти на поверхности моря в особых ситуациях; 7) препараты для гелеобразования (последние позволяют проводить утилизацию локализованной нефти для дальнейшей переработки).
Лидирующее положение в арсенале химических средств и методов занимают диспергирующие агенты (диспергенты), которые представляют собой смесь растворителей и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Благодаря особенностям химической структуры и способности понижать поверхностное натяжение на границе раздела нефти с водой, ПАВ стабилизируют нефтяные капли в воде и таким образом эмульгируют и рассеивают нефть.
К числу главных причин и факторов, снижающих эффективность применения химических средств и методов ликвидации нефтяных разливов, относятся:
Невозможность быстрого применения необходимых химических препаратов из-за погодных условий, отдаленности места разлива от мест складирования и т.д.
Образование обширных нефтяных пленок и устойчивых водонефтяных эмульсий с повышенной вязкостью.
Трудность распыления диспергентов над поверхностью нефтяных разливов в оптимальных количествах и соотношениях.
Отсутствие либо незначительность диспергирующего эффекта в случае разлива тяжелых нефтей.
Зависимость эффективности применения диспергентов от состава и свойств разлитой нефти и параметров среды (температуры, турбулентности и т.д.).
Токсичность для водных организмов.
В процессе прогнозирования влияния нефтегазодобывающих комплексов на ОС обычно рассматривают штатную и аварийную ситуации, поскольку в зависимости от этого принципиально отличаются последствия загрязнения природных комплексов. Под штатным (нормальным) функционированием системы понимается такое ее функционирование, когда коэффициент вариации не превышает 10% регламента или когда экстремальные отклонения могут изменить параметры системы не более чем на 1,5 среднеквадратических отклонений. Аварийной считается ситуация, когда имеет место 2…3 среднеквадратических отклонений от нормы.
Основную опасность представляют разливы нефти в процессе эксплуатации в результате изношенности труб, а также при аварийных разрывах. Крупные аварии на нефтепроводах, танкерах и нефтехранилищах приводят к попаданию в природную среду десятков, а то и сотен тысяч тонн загрязняющих веществ. Под угрозой загрязнения окажутся огромные площади. Наиболее ощутимыми будут потери для животного мира. На пересеченном рельефе нефть локализуется на относительно небольших участках, но, проникая глубоко в почву и грунт способна оставаться в них десятилетиями. Очевидна потребность в системах прогноза, моделирующих различные сценарии развития ситуации в условиях повышенной уязвимости северных экосистем.
При освоении месторождений нефти и газа, в рамках производственного экологического мониторинга, необходимо обеспечить проведение рационального комплекса работ по контролю техногенного загрязнения почв и грунтов, который позволит изучить динамику техногенного воздействия на почвенно-ландшафтные условия, растительный покров, гидрогеологический и геокриологический режим и т.д.
Примером эффективной разработки нефтяных месторождений является освоение Ардалинского комплекса нефтяных месторождений. С момента ввода в эксплуатацию Ардалинского месторождения в 1994 году на его территории проводятся регулярные наблюдения (мониторинг) за всеми компонентами природной среды. Мониторинг организован и проводится по согласованной с контролирующими органами НАО программе, в которой обоснованы необходимые виды наблюдений, определены периодичность и места отбора проб, установлен порядок проведения работ, анализа проб и материалов наблюдений и подготовки отчетных материалов. За прошедшие годы накопились ряды наблюдений, анализ которых позволяет получить представление о характере воздействия нефтяного месторождения на ОС.
По данным мониторинга в целом объем валовых выбросов ЗВ в атмосферу находится в пределах установленных норм. Процент очистки хозяйственно-бытовых стоков по основным ингредиентам биогенного происхождения лежит в пределах (88,0…98,0 %), что является достаточно высокой величиной, учитывая короткий период цикла очистки стоков (1 сутки) и высокие концентрации ингредиентов на входе.
С целью оценки техногенного воздействия Ардалинского комплекса на поверхностные воды и донные отложения водных объектов проводится отбор проб на нескольких контрольных и фоновых участках. Характеризуя в целом состояние поверхностных вод и донных отложений в исследуемом районе Большеземельской тундры, необходимо отметить отсутствие признаков, говорящих о наличии каких-либо изменений, вызванных деятельностью нефтедобывающего комплекса в данном районе. Так, в течение 1995-2010 г.г. содержание общих химических компонентов оставалось на уровне, характерном для региона в целом. Состояние поверхностных вод на Ардалинском комплексе по содержанию нефтяных углеводородов (рис. 6.2) находится в пределах фоновых значений кроме отдельных случаев превышения ПДК (0,05 мг/дм3).
Содержание нефтяных углеводородов в почвах в пределах месторождения в большинстве случаев превышает фоновый уровень, хотя по российским нормам, не относятся к нефтезагрязненным территориям. Можно отметить некоторую тенденцию по снижению уровня загрязнения нефтяными углеводородами с момента начала мониторинговых исследований. Следует также указать, что сложный характер в распределении нефтяных углеводородов в почвах практически на всех участках может быть связан не только с дополнительным загрязнением, а иметь остаточный характер, и в ходе протекания геохимических процессов происходит перераспределение (выравнивание) углеводородов в почвах в пределах ландшафта.
В целом состояние почв и грунтов находится в удовлетворительном состоянии. Существующее загрязнение укладывается в допустимые значе- ния и, вероятно, по большинству параметров является остаточным. В то же время, отмечается незначительный привнос тяжелых металлов в почвы, зафиксированный на некоторых точках наблюдения, вдоль трассы трубопровода, связанный, в первую очередь, с интенсивным движением транспортных средств по дороге «Харьяга - Пижма» и зимнику, а также некоторых площадок.
По комплексу исследуемых параметров состояние грунтовых (надмерзлотных) вод Ардалинского комплекса, к настоящему моменту находится в пределах фоновых значений и может служить подтверждением «экологичности» производственных работ, проводимых на объектах нефтепромысла, расположенных в пределах месторождения. Отмечается уменьшение их содержания в донных отложениях в течение периода наблюдений. Минимизации отрицательного воздействия на ОС здесь достигается за счёт выполнения нормативов природопользования, строгой производственной и трудовой дисциплины, проведения мониторинга природной среды, а также внедрением в практику природосберегающих технологий.