Исследование и предупреждение техногенных загрязнений при бурении нефтегазовых скважин на шельфе Азовского моря (стр. 1 )

На правах рукописи

КОРНЕВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ

ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

НА ШЕЛЬФЕ АЗОВСКОГО МОРЯ

25.00.12 – геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Краснодар - 2010

Работа выполнена в Кубанском государственном университете

на кафедре геофизических методов поисков и разведки

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:	, доктор геолого-минералогических наук, профессор (Кубанский государственный университет); , кандидат геолого-минералогических наук ( «Роснефть-НТЦ»)
Ведущая организация:	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (г. Краснодар)

Защита диссертации состоится 22 октября 2010 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.101.09 в Кубанском государственном университете 49, ауд. 105.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Кубанского государственного университета.

Автореферат разослан «___» ________ 2010 г.

Факс (8

Е-mail: *****@

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Континентальный шельф представляет собой уникальную кладовую ресурсов, высокая концентрация которых обуславливает возникновение различных конфликтов при их освоении. Одним из наиболее ярких конфликтов является техногенное загрязнение этих районов. В последнем десятилетии началось активное освоение ресурсов Азовского шельфа. В начале 2006 года в нефтегазоносной зоне на участке «Чумаковская–1» в Темрюкском районе компания «Приазовнефть» начала разведывательное бурение трех скважин. Еще через год компания приступила к бурению поисково-оценочных скважин на Азовском шельфе на структуре «Новая–1». Разведочное бурение будет вестись на восьми площадках, расположенных на шельфе Азовского моря, и на шести площадках, расположенных на побережье. Больше всего скважин планируется разместить на побережье и в прибрежной акватории Темрюкского района, на участке между поселками Пересыпь и Приазовский — 4 наземных и 5 морских скважин. Еще 3 морские скважины намечено заложить вблизи впадения реки Кубань в Азовское море, рядом с водно-болотными угодьями международного значения «Дельта Кубани», охраняемыми согласно Рамсарской конвенции. Две сухопутные скважины запланировано пробурить на территории водно-болотных угодий в районе мыса Ачуевский. Техногенная деятельность в районе Азовского шельфа привела к возрастанию экологической напряжённости в регионе. Так, 11 ноября 2007 г. в Керченском проливе произошла крупнейшая в регионе экологическая катастрофа: в результате разлома нефтеналивного танкера «Волгонефть-139» произошел разлив более 1500 т мазута из 2-х танков танкера.

Изучением экологической ситуации при освоении морских месторождений занимаются уже длительное время российские и международные институты и коммерческие компании. В США эту проблему изучают Институт экологических исследований и Американский институт нефти, в Европе – Международный институт исследований в области окружающей среды, в России - Институт океанологии РАН, Мурманский Морской Биологический Институт, Российский научный центр экологии моря и др. Исследованиями Азовского моря занимаются Южный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, Институт биологии южных морей АН УССР, Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и др. Однако, несмотря на очевидные успехи в решении ряда задач обеспечения экологической безопасности региона, чрезвычайные ситуации последних лет выявили серьезные недостатки в системе предупреждения и ликвидации техногенных загрязнений в районе Азовского шельфа. Несмотря на проводимые исследования, остаются актуальными задачи по обеспечению экологической безопасности региона, такие как поиск высокоинформативных, экспрессных методов оценки наиболее опасного углеводородного загрязнения акваторий и прибрежных зон и обоснование стратегии берегозащитных мероприятий зоны Азовского шельфа. Указанные задачи требуют дальнейшей комплексной проработки.

Объектом диссертационного исследования явились процессы техногенного загрязнения акватории при бурении нефтегазовых скважин и транспортировке углеводородного сырья на шельфе Азовского моря.

Предметом исследования явилось изучение воздействия различных химических веществ, сопутствующих техногенной деятельности в Азовском море, на экосферу акватории.

Целью работы является оценка техногенного загрязнения различными химическими веществами, а именно высокотоксичными мутагенными и канцерогенными полиароматическими углеводородами, органическими кислотами, тяжёлыми металлами и нафтенами и путей его ликвидации на акватории и в прибрежной зоне Азовского моря. Достижение этой цели будет способствовать обеспечению экологической безопасности акватории и морского побережья при чрезвычайных ситуациях техногенных выбросов различных веществ, связанных с бурением скважин и освоением нефтегазовых месторождений
на шельфе и транспортировкой углеводородного сырья.

Основные задачи исследований.

1. Анализ состояния изученности техногенного загрязнения района Азовского моря, выбор объектов и направлений исследования по теме диссертации.

2. Изучение токсичного и канцерогенного воздействия различных химических веществ, а именно сопутствующих техногенной деятельности в Азовском море полиароматических углеводородов, органических кислот, тяжёлых металлов и нафтенов.

3. Построение математической модели динамики перемещения нефтяных загрязнений в Азовском море с учётом его природных особенностей и установление основных закономерностей изменения концентрации нефти и нефтеокисляющих микроорганизмов, используемых для микробиологического разложения нефтяных разливов.

4. Оценка эколого-геологических особенностей береговой линии Азовского моря при техногенном загрязнении.

5. Обоснование технологии ликвидации техногенного загрязнения береговой линии, учитывающей особенности рельефа и геоморфологии Азовского моря для различных составов загрязнителей.

Научная новизна.

1. Оценены токсикологические эффекты техногенных работ на Азовском шельфе с точки зрения совместного влияния комплекса химических веществ, сопутствующих освоению ресурсов шельфа, а именно полиароматических углеводородов, органических кислот, тяжёлых металлов и нафтенов, присутствующих в шламах, буровых растворах, пластовых водах и сырой нефти.

2. Впервые установлены основные закономерности динамики техногенного загрязнения в Азовском море с учётом его особенностей. Показательно, что концентрация нефти, как на поверхности, так и на глубине водной среды уменьшается, а количество выпадающей в осадок нефти увеличивается и постепенно стабилизуется. Одновременно, концентрация нефтеокисляющих микроорганизмов сначала растет по экспоненциальному закону, затем стабилизируется, и далее убывает по линейному закону.

3. Построена новая математическая модель динамики перемещения поверхностного нефтяного загрязнения в Азовском море, учитывающая совместно процессы конвективного переноса, диффузии, испарения, растворения, эмульгирования, диспергирования, агрегирования, микробиологического разложения и седиментации. В отличие от существующих моделей конвективно-диффузионного переноса нефтяного загрязнения с учётом процессов деструкции, разработанных различными исследователями (, , Оби Э. О., и др.), в предложенной модели применён новый метод перехода от трёхмерной модели к двухмерной, что позволило исследовать процесс в совместном действии перечисленных факторов и значительно снизить затраты вычислительных мощностей.

4. Проведено районирование береговой зоны Азовского моря по степени экологической чувствительности к углеводородному загрязнению с учётом особенностей рельефа, геоморфологии, вещественного состава комплекса пляжевых осадков и условий их формирования. Составлена матрица рекомендаций по ликвидации загрязнений береговой линии Азовского моря с использованием механических, физических и химико-биологических методов.

Защищаемые положения.

1. Закономерности пространственного распространения и деструкции техногенных загрязнений акватории при бурении скважин на шельфе, учитывающие технологию бурения нефтегазовых скважин, гидрологические и метеорологические условия акватории и геолого-геоморфологические особенности побережья.

2. Математическая модель динамики перемещения нефтяных загрязнений в Азовском море, учитывающая совместно процессы конвективного переноса, диффузии, испарения, растворения, эмульгирования, диспергирования, агрегирования, микробиологического разложения и седиментации, в которой применён новый метод перехода от трёхмерной модели к двухмерной, позволяющий исследовать процессы загрязнения в совместном действии перечисленных факторов.

3. Оценка скорости изменения концентрации углеводородных загрязнений на поверхности акватории, в водной толще и на морском дне, а также изменений в водной среде концентрации нефтеокисляющих бактерий, осуществляющих естественную деструкцию таких загрязнений.

4. Районирование береговой зоны Азовского моря по степени экологической опасности углеводородного загрязнения с учётом особенностей рельефа, геоморфологии и вещественного состава комплекса пляжевых осадков побережья и матрица рекомендаций по ликвидации углеводородных загрязнений береговой линии Азовского моря.

Практическая значимость и реализация результатов.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научных исследованиях широкого спектра задач экологии. Оценка воздействия техногенных работ на Азовском шельфе с точки зрения совместного влияния комплекса химических веществ при освоении ресурсов шельфа может быть использована для уточнения экологического ущерба. Разработанную математическую модель можно использовать для прогнозирования поведения нефти в море при решении задач по предупреждению и ликвидации реальных аварийных разливов нефтепродуктов в Азовском море при проведении буровых работ, транспортировке углеводородов, оценке текущего и остаточного техногенного загрязнения акваторий.

Районирование береговой линии по степени чувствительности к нефтяному загрязнению с учётом особенностей рельефа, геоморфологии, вещественного состава комплекса пляжевых осадков Азовского моря и условий их формирования найдёт своё применение при построении интерактивных карт чувствительности побережья на базе геоинформационных систем. Предложенная матрица рекомендаций по ликвидации загрязнений может быть использована при решении оперативных задач по борьбе с загрязнением, а также при разработке федеральными и региональными органами и заинтересованными организациями планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов углеводородов.

Фактический материал. В основу работы положены результаты исследований автора за период с 2003 по 2006 гг. в Кубанском государственном технологическом университете и за период с 2006 по 2009 гг. в Кубанском государственном университете. В работе использованы данные полевых наблюдений, проведённых автором на побережье Азовского моря в 2009 году. Проанализированы и обобщены геолого-экологические материалы фондов КубГУ, ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», АЗНИИРХ, НИПИморнефть», в том числе особенности гидрологической и экобиологической характеристики, рельефа, геоморфологии, вещественного состава отложений береговой зоны акватории Азовского моря. Проработаны также данные из научных источников, указанных в библиографии диссертации.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на конференциях и научно-технических советах: VI Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (г. Анапа, 2009 г.); IX объединённой научной конференции студентов и аспирантов факультета компьютерных технологий и прикладной математики КубГУ «Прикладная математика XXI века» (2009 г.); XXXI и XXXII студенческих научных конференциях в КубГТУ (2004, 2005 гг.); научно-технических советах ООО «Кубаньгазпром» (2006 – 2008 гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований изложены в 10 печатных работах.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения общим объёмом 144 листа, включая 6 таблиц, 20 рисунков и список литературы из 141 наименований.

Автор выражает глубокую признательность за научное руководство и помощь на всех этапах выполнения работы д. т.н. профессору , д. ф.-м. н. , к. т.н. , а также благодарит за поддержку специалистов ООО «Кубаньгазпром» и

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность и научная новизна диссертационной работы, практическая ценность выбранного направления исследований.

Глава 1. Подходы к изучению загрязнения морей. Состояние изученности вопросов экологической безопасности Азовского моря.

В первом разделе приводится обзор международных разработок в области борьбы с загрязнением морей. Проблемой изучения загрязнения водной среды при освоении морских месторождений занимаются многие международные и российские компании, институты и учёные. За рубежом глубокие исследования проводят Океанографическое отделение Техасского университета, Американский институт нефти (American Petroleum mstitute) и др. В России - Институт океанологии РАН, Российский научный центр экологии моря, МГУ, ЮФУ, КубГУ и др. Крупные нефтяные компании также занимаются исследованиями проблемы загрязнения океана. Ими выполнялось моделирование загрязнения районов морской нефтедобычи в Мексиканском заливе, в Центральной и Южной Америке, в Северо-Западной Европе, на Ближнем и Среднем Востоке, в Каспийском море, на шельфах о. Сахалин.

Изучением особенностей техногенных загрязнений акваторий занимались многие исследователи. Проблемами изменения биологических популяций - , ; вопросами движения нефтяного слика на поверхности моря - , , Нельсон-Смита А., I. Fay, C. Gerlach, D. Mackay, моделированием динамики и деструкции нефтяного слика - , Гвоздев Р. М., Дембицкий С. И., , Lehr W. J., Brunet M., Huda M. K.; трёхмерным моделированием - Binliang Lin, Falconer R. A., McGuirk J. J., Rodi W., G. S. Reddy. На Российском континентальном шельфе наиболее полно изучено загрязнение Охотского моря. Здесь исследования проводились , , Сапожниковым В. В. и др. Проведённый анализ позволил соискателю выявить основные объекты угрозы экологии шельфов, а именно: подводные трубопроводы, добычные комплексы, портовые сооружения, приёмные и отгрузочные терминалы, танкерный флот. Во время проведения разведочных и эксплуатационных буровых работ, а также в ходе извлечения и первичной обработки нефти с каждой стационарной платформы в море сбрасываются различные отходы, основными из которых являются буровые растворы, шламы, пластовые воды и сырая нефть.

 

 

Рис. 1. Методика исследований по теме диссертации

Во втором разделе главы соискателем проанализирован фактический материал по изучению техногенного загрязнения Азовского моря. Первые крупномасштабные экологические наблюдения здесь были развёрнуты в 1960-х годах. Государственный океанографический институт совместно с региональными подразделениями Гидрометслужбы, АН СССР, Минводхоза, Минэнерго начали исследования закономерностей современных антропогенных воздействий на режим морей и устьевых областей рек. В дальнейшем исследованиями Азовского моря занимались с российской стороны Южный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, Южный научный центр РАН, компания «Приазовнефть», НПП «Южморгеоэко», НПП «НИПИокеангеофизика», ФГУП "Южгеология", , ОАО «Роснефть». С украинской стороны - ОАО «Черноморнефтегаз», Ванко Энерджи (США) и др.

Изучением геологического строения региона занимались , Зенкович В. П., , Медведев характеристику исследовали , , . Исследованиями экологического состояния акваторий занимались , , геоэкологические исследования проводили , , Прудникова (Сорокина) исследования среды и биоты Азовского бассейна и Керченского пролива выполняли Г, Матишов  значительный объём знаний по экологическому состоянию Азовского моря. Но несмотря на высокую степень изученности причин и последствий техногенного загрязнения Азовского моря, некоторые вопросы исследованы недостаточно, в частности вопросы создания информативных моделей динамики таких загрязнений, адаптированных к гидрологическим и метеорологическим условиям Азовского моря. В заключительном разделе соискателем детализируются цели и задачи диссертационной работы. Обосновываются приёмы и методика научных исследований и оценивается место решений в системе безопасности техногенных работ на Азовском шельфе (рис. 1). В работе для оценки проблем экологической безопасности акватории были реализованы методы математического моделирования, как одни из наиболее эффективных способов изучения поведения многофакторных систем. Для обоснования технологии устранения углеводородного загрязнения побережья проведено эколого-геологическое исследование береговой линии Азовского моря, экологическое районирование берега с учётом особенностей рельефа, геоморфологии и вещественного состава комплекса пляжевых осадков Азовского моря.

Глава 2. Геологическая характеристика шельфа и нефтегазовой инфра-структуры Азовского моря как источника загрязнения

В первом разделе главы приводится геологическая характеристика региона по данным , , и др. Азовское море - эпиконтинентальный морской бассейн, северная часть которого принадлежит Восточно-Европейской древней платформе, а южная — Скифской молодой платформе. Шовная зона пролегает по склону Азовского вала, приближенного к северному побережью Азовского моря. К северу от Азовского вала расположен мелкий Северо-Азовский прогиб, заполненный отложениями эоцена - нижнего миоцена (в т. ч. майкопскими глинами) и более молодыми отложениями общей мощность около 1 км (рис.2). К югу от Азовского вала - глубокий Индоло-Кубанский прогиб, являющийся передовым для восточных структур горного Крыма и западных структур Большого Кавказа. Заполнен главным образом майкопскими глинами (св. 4,5 км). Рельеф дна моря имеет незначительный уклон к центру, грунт сложен песком, ракушечником и илом.

Рис.2. Схематический геологический профиль через акваторию Азовского моря

(по данным ).

По данным ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», прогнозные ресурсы нефти и газа в южной российской части Азовского моря, при коэффициенте аккумуляции Какн(г) =1% составляют 71,5 млн. т усл. т; из них нефть-60 млн. т усл. т, газ –11.5 млн. т усл. т. Эти запасы углеводородов связываются с двумя зонами – Прибрежной и Ачуевской. Выявленные структуры позволяют предполагать коммерческие открытия месторождений углеводородного сырья, а значит и увеличение техногенной нагрузки на регион.

Во втором разделе главы проводится анализ загрязняющих при освоении ресурсов континентального шельфа веществ. Как было показано в главе 1, основные из них - буровые растворы, шламы, пластовые воды и сырая нефть. Химические реагенты буровых растворов с водной дисперсионной средой можно классифицировать следующим образом. Это реагенты-стабилизаторы, реагенты, связывающие ионы кальция, поставляющие ионы кальция, структурообразователи, регуляторы щелочности, эмульгаторы, пеногасители, реагенты, придающие глинистым растворам термостойкость, поверхностно-активные вещества и смазочные добавки.

Далее соискателем исследуются токсичные эффекты наиболее распространённых химических веществ, входящих в буровые растворы. Из всего многообразия рассматренных химических реагентов наибольшую опасность представляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), в качестве которых обычно используют сульфанол, дисолван, стеарокс и различные оксиэтилированные спирты. Сульфанол в концентрациях 0,025 мг\л приводит к полной гибели личинок приморского гребешка, а 3,3 мг\л – смертельная доза для серого ежа. К высоко токсичным веществам относится и дисолван. Его концентрация 0,3 мг\л вызывает гибель 50% особей сеголеток форели, а 100 мг\л – полностью подавляет оплодотворение икры вьюна. Фосфоксит-7, относящийся к группе фосфоросодержащих ПАВ и использующийся в качестве ингибитора коррозии, в концентрациях 0,1 мг\л вызывает ослизнение жабр, точечные кровоизлияния и отек печени у молоди трески, а 1 мг\л является смертельной дозой для этого вида.

Проведённый анализ позволил выделить изменения на экосистемном уровне, происходящие под влиянием буровых растворов:

―  уменьшение продолжительности жизни в большинстве популяций;

―  полное исчезновение некоторых видов;

―  аномальные вспышки численности отдельных форм;

―  смена доминирующих и субдоминирующих видов.

Затем соискателем анализируются токсичные эффекты бурового шлама и пластовых вод. В воде шламы дифференцируются на крупные тяжелые частицы, быстро оседающие на дно, и мелкие (0,01 мм) фракции, которые неделями могут парить в толще воды, увеличивая ее мутность. Пластовые воды зачастую содержат остаточные количества нефти, загрязнены природными низкомолекулярными углеводородами, неорганическими солями и взвешенными веществами. Как правило, нефтяные сепараторы отделяют преимущественно взвешенную и диспергированную нефть, тогда как водорастворимые фракции нефти в концентрациях от 20 до 50 мг\л и выше остаются и попадают в морскую воду со сбросами. Также пластовые воды содержат ряд высокотоксичных, канцерогенных и мутагенных полиароматических углеводородов, образующихся из низкомолекулярных соединений.

Таким образом, анализ токсичности буровых отходов позволил выявить и классифицировать их влияние на экосистему морей.

1. Изменение условий существования экосистемы: повышение мутности воды; заиливание дна; нарушение температурного режима вод; изменение физикохимических параметров воды – РН, солености, электропроводности; окисляемости.

2. Загрязнение воды и грунтов токсичными веществами, а именно: сброс в море в составе буровых растворов сложного набора высокотоксичных реагентов с широким спектром влияния; хроническое загрязнение тяжелыми металлами (ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, цинк и др.); поступление в воду нефти и ее фракций, низкомолекулярных углеводородов, высокотоксичных, мутагенных и канцерогенных полиароматических углеводородов и органических кислот; образование радиоактивного осадка радионуклидами, поступающими с пластовыми водами.

3. Угроза жизнедеятельности организмов: гибель особей; появление патологических признаков и гистологических нарушений в организме рыб и беспозвоночных; накопление нефтяных углеводородов в органах и тканях растений и животных; ухудшение состояния и выживаемости рыб, аномально высокое распространение уродств на эмбриональных и личиночных стадиях развития ряда массовых видов; уменьшение продолжительности жизни; снижение репродуктивного потенциала; подавление физиологических процессов рыб и беспозвоночных.

4. Разрушение структуры экосистемы: полное исчезновение некоторых видов; смена доминирующих; сокращение биомассы планктона; нарушение продукционно-деструкционных процессов; локализация легких фракций буровых отходов на границе "вода-воздух", вызывающая летальные и сублетальные поражения на эмбриональных стадиях развития рыб и беспозвоночных. Быстро оседающие тяжелые фракции оказывают такое же воздействие на донные организмы.

В третьем разделе главы рассматриваются химические и физико-химические трансформации нефти в воде, токсичное воздействие нефтепродуктов на экосистему. Загрязнение нефтепродуктами влияет на среду обитания и может привести к невозможности выживания в субстрате. Присутствие углеводородов различной молекулярной массы в количестве менее % может химически изолировать субстрат от всех видов. В районах, где нефть часто попадает в воду, например на морском нефтяном месторождении «Мейн-Пасс» в Мексиканском заливе, заметными становятся и изменения видового состава морского сообщества.

Проведённый анализ позволил сделать следующие выводы.

1. Максимальную угрозу экосистеме представляют углеводороды;

2. Воздействие нефти, как и воздействие буровых отходов, на экосистему морей сводится к изменению условий существования, загрязнению воды и грунтов токсичными веществами, угрозе жизнедеятельности организмов, разрушению структуры экосистемы.

В следующем разделе приводятся результаты анализа техногенной деятельности в районе Азовского моря. Указывается, что до недавнего времени активные работы по добыче здесь не велись. Однако в 2003 году компаниями Роснефть и ЛУКОЙЛ была принята долгосрочная программа освоения участка Азовского шельфа, предусматривающая бурение трех поисковых скважин. Затем соискателем рассматриваются перспективные для освоения зоны, приводится перечень планируемых скважин, анализируется внедряемая инфраструктура, а также приводится обзор платформы «Сиваш», с которой предполагается осуществлять морское бурение. Далее исследуется технология бурения на шельфе. В условиях Азовского моря планируется использование стационарной буровой на сваях или самоподъёмной платформы с выдвижными опорами-ногами, опирающимися на грунт. Морские буровые платформы такого типа пригодны для эксплуатации при глубине примерно до 100 м. Конструктивно возможны два варианта обустройства платформ. По первому варианту предусматривается применение легкой платформы или больших буев, связанных трубопроводом со скважиной на дне моря. Платформа служит также для размещения энергетической установки, питающей насосные агрегаты. Добытая нефть поступает на баржи, пришвартованные у пункта передачи нефти. Нефть отвозится либо на баржах с помощью буксиров-толкачей, либо на обычных танкерах. Во втором варианте предполагается использовать лежащие на дне моря нефтяные резервуары. Эти резервуары одновременно явятся фундаментом для расположенных над поверхностью моря электростанции и пункта передачи нефти. Нефть от морского нефтехранилища доставляется с помощью подводного нефтепровода.

В заключительном разделе осуществляется анализ последних экологических катастроф в бассейне. Активная техногенная деятельность приводит к возрастанию экологической напряжённости. Одна из самых крупных за последние годы чрезвычайных ситуаций произошла 11 ноября 2007 г. в Керченском проливе. В результате разлома нефтеналивного танкера «Волгонефть-139» произошел разлив более 1500 т мазута из 2-х танков танкера. Проведенный анализ позволил установить, что вероятность аварийных ситуаций с разливами нефти в Азовском море определяется также следующими особенностями акватории: относительно небольшой средней длиной маршрутов перевозок (менее 1000 км при средней мировой дальности более 4,5 тыс. км); большим числом грузовых операций — погрузка на челночный танкер, перевалка, выгрузка в порту назначения.

Были выявлены и серьезные недостатки в системе ликвидации и предупреждения аварийных разливов нефтепродуктов в районе Азовского шельфа, а именно:

- отсутствие алгоритма выполнения мероприятий по сохранению фауны и флоры при ликвидации ЧС, связанных с разливом нефтепродуктов;

- отсутствие методики оценки загрязнения морского дна с использованием современных технологий, таких как дистанционное зондирование из космоса;

- отсутствие адаптированных для условий Азовского моря моделей деструкции нефтепродуктов.

Выполненный анализ позволил охарактеризовать район Азовского шельфа с точки зрения экологической уязвимости, выделить и рассмотреть отдельные элементы инфраструктуры, несущие основной риск возникновения чрезвычайных ситуаций. Прежде всего, техногенная нагрузка связана с увеличивающейся транспортной активностью по перевозке нефтеналивных грузов и с освоением месторождений Азовского шельфа. В последнем случае угрозу представляют буровые растворы, шламы, пластовые воды и нефть, которые могут привести к значительным проблемам жизнедеятельности организмов бассейна. На основании проведенного анализа автором сделан вывод, что углеводороды представляют наибольшую угрозу экосистеме при освоении ресурсов Азовского моря. Для её исследования целесообразно провести математическое моделирование, так как физическое моделирование или промысловые испытания имеют ряд ограничений и слишком дорогостоящи. Математическое моделирование позволит изучить динамику и выявить основные закономерности углеводородного загрязнения.

Глава 3. Математическое моделирование процесса перемещения

и деструкции нефтяных загрязнений в Азовском море

В этой главе предлагается математическая модель исследования загрязнений акватории нефтепродуктами с учетом особенностей Азовского моря, а также процессов деструкции нефтяного загрязнения, включая испарение, естественную и искусственную биодеструкцию и другие методы борьбы с нефтяными загрязнениями. Проводится численный анализ предложенной математической модели, представлены полученные результаты.

В первом разделе главы отмечается ряд особенностей Азовского моря, оказывающихся существенными при исследовании загрязнения моря нефтяными углеводородами:

1)  Малые размеры акватории. Загрязнение, в какой бы части моря оно не произошло, достаточно быстро может достичь берега, большей частью представляющего собой песчаные пляжи, имеющие большую рекреационную ценность.

2)  Мелководность, из-за которой даже при небольшом ветре развивается значительное волнение, практически полностью перемешивающее воды моря и насыщающее их кислородом. С другой стороны, при полном штиле, который иногда случается летом на море при высокой температуре, возникает мор и массовая гибель рыб и микроорганизмов из-за отсутствия кислорода.

3)  Высокая биологическая продуктивность моря, обладающего уникальным сочетанием условий для развития и размножения мальков ценных пород рыбы. Как известно, именно они в первую очередь погибают от нефтяного загрязнения моря.

4)  Наличие большого количества взвесей, выносимых в море реками Дон и Кубань.

При математическом моделировании загрязнения Азовского моря углеводородами, в соответствии с этими особенностями, необходимо учесть, что нефть существует в водной среде в виде следующих агрегатных состояний: поверхностных пленок (сликов); растворимых форм и эмульсий типа «нефть в воде» и «вода в нефти», образование которых существенно зависит от ветровых и волновых условий; мазутно-нефтяные образования, сорбированные на взвесях нефтяные фракции.

Во втором разделе соискателем производится обоснование предложенной математической модели. Показана целесообразность перехода от трёхмерной модели загрязнения акватории к двухмерной. Двухмерная математическая модель динамики нефтяного загрязнения Азовского моря учитывает процессы, наиболее существенных для условий внутреннего водоёма: конвективный перенос, диффузия, испарение, микробиологическое разложение и седиментацию. Растворение, эмульгирование и диспергирование учитываются косвенно.

Рис.3. К выводу двухмерной модели трехмерного загрязнения

Выберем произвольный малый прямоугольный столб воды (рис. 3) с объемом , с площадью основания (на дне и на поверхности воды) и высотой . Толщина слика достаточно мала (1 мм-0,1 мм) по сравнению с . Введем двухмерную систему координат на поверхности моря, причем - координаты центра верхнего основания прямоугольного столба воды. Обозначим через поверхностную концентрацию загрязнения в момент времени как отношение массы нефти, содержащейся в выделенной части слика к площади . Вычислим массу всей нефти в прямоугольном столбе воды моря, за исключением массы нефти в слике, осажденной и осаждающейся на дно нефти, и через обозначим отношение этой массы к площади . Таким образом, представляет собой усредненную суммарную поверхностную концентрацию растворимых и эмульсионных форм нефти в глубине водной среды, соотнесенную к точке поверхности моря. Далее оценивается объемная концентрация нефти в момент t в произвольной точке , где – глубина, если известны и . Объемная концентрация будет кусочно-постоянной функцией глубины, в соответствии со схемой перехода рис. 3, имеющей постоянные значения для слика, около дна и в остальном пространстве. Нужно выделить соответствующий прямоугольный параллелепипед с площадью основания и с объемом , соответствующую концентрацию нефти, а именно или , умножить на и поделить на .