Тема 9. Охрана почвы и недр от загрязнений нефтегазовых комплексов

ТЕМА 9. ОХРАНА ПОЧВЫ И НЕДР ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НЕФТЕГАЗОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

Под охраной земель понимается система мероприятий, предусматривающих сохранение, улучшение и направленное изменение земельных ресурсов.

В распоряжении человечества находятся земли, общая площадь которых составляет 134 млн км2. Около 10,8% земель распахано и обработано, 22,3% постоянно используется в качестве лугов и пастбищных угодий. По данным ООН, на одного жителя в мире приходится 0,3 га (научно обоснованная норма на одного человека – 0,4 га). В СССР этот показатель был равен 0,8 га. Человечество почти все необходимые для жизни продукты получает из почвы, за исключением продуктов, добываемых в водоёмах.

В современных условиях почва испытывает всё возрастающее антропогенное влияние, в результате которого возможны: процессы эрозии (за счёт эрозии ежегодно теряется 200 кг/га почвенного материала), увеличение уровня загрязнения почвы (только за счёт атмосферных выбросов в почву поступает 3,50 кг/га вредных веществ в год), повышение кислотности почвы.

9.1. Источники загрязнения земли твёрдыми и жидкими отходами производства

Отходы, загрязняющие земли, могут быть подразделены на три категории:

бытовые; сельскохозяйственные; промышленные.

Бытовые отходы занимают большие площади при их складировании. Ежегодно на одного городского жителя приходится по 1 т твёрдых отходов. Масса отходов в нашей стране ежегодно увеличивается на 1-1,5%. По расчётам Академии коммунального хозяйства имени , твёрдые бытовые отходы в целом по стране в 1995 г. составили 213 млн м3, а к 2005 г. их количество возросло до 230 млн м3.

Сельскохозяйственные отходы складываются в основном из отходов комплексов по производству мяса и предприятий по переработке сельско-хозяйственного сырья, а также пестицидов, вводимых в сельскохозяйственный оборот.

Промышленные отходы по признаку источника их образования могут быть разделены на следующие группы:

-        отходы металлургической промышленности и машиностроения;

-        отходы лесной, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной,
полиграфической промышленности;

отходы горной и горно-химической промышленности; отходы нефте - и газоперерабатывающих, нефтехимических, химических производств, нефтяной и газовой промышленности.

К последней группе относятся отработанные нефтепродукты и растворители, нефтяные шламы, активный ил биологических очистных сооружений и осадки сточных вод, активный уголь и другие адсорбенты, кубовые остатки и различные некондиционные продукты.

Объекты НГК являются источниками загрязнения почвы и недр. В процессе разработки нефтегазовых месторождений почва загрязняется нефтью, нефтепродуктами, различными химическими веществами и высокоминерализованными сточными водами. Микроорганизмы, развивающиеся в почве, разлагают органические остатки, включая и нефтепродукты, и способствуют образованию органических кислот, которые вступают в химические реакции с частицами минеральных пород.

Обычно загрязнения нефтью и нефтепродуктами приводят к значительным изменениям физико-химических свойств почв. Так, разрушение слабых почвенных структур и диспергирование почвенных частиц сопровождается снижением водопроницаемости почв. За счёт загрязнения нефтью в почве резко возрастает соотношение между углеродом и азотом, что ухудшает азотный режим почв и нарушает корневое питание растений. Кроме того, нефть, попадая на поверхность земли и впитываясь в грунт, сильно загрязняет почву и подземные воды, в результате чего плодородный слой земли не восстанавливается в течение длительного времени. Почва самоочищается очень медленно при биологическом разложении нефти.

Вредное действие на почву и растительность усиливается наличием в ней высокоминерализованных пластовых вод. Пластовые и сточные воды нефтяных промыслов, содержащие различные вредные вещества (газ, нефть, соли и т. д.), из-за своей токсичности отрицательно действуют на живые организмы и растительность. При разливе высокоминерализованных вод на плодородном слое земли вероятный период восстановления почвы составляет около 20 лет.

В процессе буровых работ почва загрязняется буровым раствором, химическими веществами сточных и промывочных жидкостей, а также шламом. По данным США, при бурении скважины глубиной 3000 м выбрасывается примерно 489 т шлама.

Выбуренная порода не токсична, однако, диспергируясь в среде бурового раствора, её частицы адсорбируют на поверхности токсичные вещества, поскольку содержание химреагентов в шламе достигает 15%. Поэтому сброс отделённого шлама без предварительной обработки, нейтрализации химических реагентов недопустим. Наличие органических реагентов в сточных водах способствует образованию стойких, неотстаивающихся суспензий. Загрязнения почвы нефтью, буровым раствором, химическими веществами сточных и промывочных жидкостей и шламом характерны для многих буровых предприятий и связаны, в большинстве случаев, с хранением бурового раствора в земляных амбарах. В результате некачественного строительства амбаров и разрушения их обваловки паводковыми водами и атмосферными осадками происходят утечка бурового раствора, нефтепродуктов и загрязнение почвы.

При поглощении пластом буровые растворы могут стать основным источником загрязнения недр. При поглощении буровых растворов зона их проникновения в пласт может быть весьма значительной. При этом химические реагенты, находящиеся в промывочной жидкости, могут повысить минерализацию и токсичность пресных питьевых и бальнеологических вод; могут быть носителями микроорганизмов; в некоторых случаях могут вызвать необратимые реакции в пласте.

Объёмы отходов бурения, воздействующих отрицательно на окружающую среду, весьма значительны.

Вследствие несовершенства отдельных технологических процессов и несоответствия их требованиям охраны окружающей среды, химические реагенты вместе с отходами бурения могут попадать в водоёмы и поглощающие скважины, загрязняя подземные пресные воды и почву. Химреагенты, применяемые при бурении скважин, в условиях нарушения правил их хранения и использования могут стать основным источником комплексного загрязнения почвы, водной среды и атмосферы.

Источники загрязнения при бурении можно условно разделить на постоянные и временные.

К постоянным источникам относятся шламовые амбары, из которых происходят фильтрация и утечка жидких отходов. Шламовые амбары для сбора отходов бурения сооружаются с расчётным объёмом отходов 500 или 800 м3 на одну скважину. Совместное хранение всех отходов бурения не даёт возможности утилизировать их, а из-за несовершенства конструкций амбаров и специфических почвенно-ландшафтных условий не обеспечивается надёжная защита окружающей среды.

Амбары зачастую сооружаются в заболоченных участках, в поймах рек. В периоды дождей, таяния снегов и паводков происходят прорывы стенок амбара и отходы растекаются по буровой площадке. Отсутствие гидроизоляционных покрытий из-за больших объёмов и подвижности буровых сточных вод приводит к загрязнению почв, грунтовых, поверхностных и подземных вод фильтратом бурового раствора и сточных вод, а также продуктами испытания скважин.

На буровых не принимается действенных мер по своевременной ликвидации шламовых амбаров и последующей рекультивации кустовых площадок, предусматривающей снятие и сохранение плодородного слоя почвы при подготовке площадки, транспортировку снятого слоя к месту временного хранения и нанесение его на восстанавливаемые земли после окончания буровых работ и ликвидации амбаров.

Таким образом, из-за несовершенства принятой системы сбора и хранения отходов бурения, несвоевременной ликвидации шламовых амбаров амбары являются постоянно действующим фактором загрязнения окружающей среды.

К временным источникам относятся: некачественное цементирование заколонного пространства скважин или другие причины его негерметичности, приводящие к межпластовым перетокам и загрязнению водоносных горизонтов; поглощение бурового раствора в процессе промывки скважин и фильтрация eго водной фазы в проницаемые отложения; попадания жидких отходов бурения в водоносные горизонты из-за плохого качества крепления кондуктора, нарушений обсадных колонн и цементного камня в заколонном пространстве, некачественного цементирования. Объединяют эту группу источников непредсказуемость их проявления и непостоянство состава загрязнений.

В процессах бурения скважин наибольший вклад в загрязнение окружающей среды вносят буровые сточные воды (БСВ). Вследствие их высокой подвижности и аккумулирующей способности БСВ являются и самыми опасными отходами бурения, способными загрязнять обширные зоны гидро - и литосферы. Попадание в них химических реагентов, являющихся основными загрязнителями, происходит в тех местах, где производятся технологические операции с этими компонентами и возможны их потери. К таким источникам относятся: узел приготовления бурового раствора, блок хранения и приготовления химических реагентов, блок ёмкостей для запаса бурового раствора.

Большой ущерб растительному покрову и поверхностному слою почвы наносится при перетаскивании тракторами буровых вышек на новые точки. Так, в районах вечной мерзлоты при производстве этих работ на всём пути передвижения тракторов остаётся широкая полоса земли, на которой отсутствует какая-либо растительность. Протаивание мёрзлых грунтов на полосе приводит к образованию болот, а вымывание оттаявшей почвы – к образованию провалов и оврагов.

Считается, что 60-80% разрушений растительного покрова почвы на Севере связаны с передвижением мобильных машин и строительством дорог и проездов с использованием традиционных строительно-дорожных машин.

Выполненная по материалам космофотосъёмки через 7-10 лет после освоения инвентаризация техногенных нарушений на площадях газовых месторождений Медвежье и Уренгойское показала, что до 25% всей площади занимают гари; около 3% – нарушенные земли вдоль трасс линейных сооружений; 1% – вокруг скважин и пунктов переработки газа.

Восстановление разрушенных природных комплексов в северных районах в большинстве случаев происходит медленно. Так, на севере Западной Сибири только на 30% площади осваиваемого района нарушенные ландшафты восстанавливаются в течение 5-10 лет, на 40% – 50-100 лет, а на 30% площади, в связи с развитием криогенных процессов, ландшафты разрушаются необратимо. Первоначально нарушенные площади могут значительно возрасти в результате развития или активизации неблагоприятных криогенных процессов. Так, на трассах газопроводов Тюменского севера, по данным повторных крупномасштабных исследований и инженерно-геологических съёмок, нарушенная зона шириной 40-50 м вокруг линейных сооружений за 5-7 лет увеличилась до 150-300 м.

9.2. Нормирование вредных веществ в почве и санитарный контроль

Санитарное состояние почвы оценивается по следующим параметрам: санитарно-физико-химическим, санитарно-энтомологическим, сани-тарно-гельминтологическим, санитарно-бактериологическим, вирусологическим.

Загрязнённость почвы органическими веществами, в частности углеводородами нефти и газа, оценивается первым параметром. Степень загрязнённости почвы органическими веществами оценивается обычно по комплексному показателю – санитарному числу, представляющему собой отношение количества почвенного белкового азота к количеству органического азота. Показатели загрязнённости почвы по санитарному числу в соответствии с разработками Института общей и коммунальной гигиены им. приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Показатели загрязнённости почвы по санитарному числу

Характеристика почвы	Санитарное число
Чистая	0,98-1,0
Слабо загрязнённая	0,85-0,98
Загрязнённая	0,70-0,30
Сильно загрязнённая	Меньше 0,30

В настоящее время отработаны методики проведения исследований по гигиеническому нормированию в почве, которые исходят из установления таких концентраций веществ, чтобы при попадании их в контактирующие среды содержание этих веществ не превышало ПДК для водоёма и воздуха, а содержание их в выращиваемых культурах не превышало бы допустимые количества. Рекомендованные методики включают три основных направления исследований. Первое направление определяет максимально допустимую концентрацию вещества в почве с точки зрения его токсикологического действия на человека, эта концентрация должна гарантировать полную безопасность. Второе направление устанавливает органолептические свойства растений, выращиваемых на данной почве, а также воды и атмосферного воздуха. Третье направление изучает характер и интенсивность действия вещества на процессы самоочищения, протекающие в почве.

Из найденных пороговых концентраций выбирают наименьшую, которая и принимается как предельно допустимая. Исследования по разработке ПДК проводят в лабораторных условиях с модельными почвами и растениями, полученные результаты уточняют в полевом эксперименте или в натурных условиях. К настоящему времени установлены ПДК для ряда загрязнителей почвы.

По степени опасности вещества, загрязняющие почву, подразделяют на три класса: I – вещества высоко опасные; 2 – вещества умеренно опасные; 3 – вещества мало опасные. Класс опасности определяют не менее чем по трём показателям в соответствии с ГОСТ 17.Ч. 1.02-83 «Охрана природы, почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».

9.3. Охрана почвы от загрязнений при бурении. Рациональное использование земель

Природоохранные мероприятия при бурении нефтяных скважин, осуществляемые в настоящее время, подразделяются на организационные, включающие весь комплекс работ, связанных с нормативным обеспечением выполнения всех технологических операций предотвращения загрязнений окружающей среды, и инженерные, призванные совершенствовать технологические процессы бурения при использования более совершенных технических средств.

Кроме того, для снижения загрязнений окружающей среды отходами бурения, содержащими химические реагенты, проводятся следующие мероприятия:

- снижение объёмов наработки буровых растворов путём совершенствования их рецептур, в частности широкое использование недиспергирующихся  полимерных  буровых  растворов  с  низким  содержанием твёрдой фазы, существенно снижающих диспергирование выбуренной породы и, следовательно, объёмы наработки;

разработка безвредных рецептур буровых растворов, активно биодеградируемых, нетоксичных или слаботоксичных химреагентов, используемых для обработки буровых растворов, замена химических реагентов, обладающих высокой токсичностью, нетоксичными и безвредными химреагентами, что существенно снижает загрязняющее воздействие отходов бурения на окружающую среду; разработка методик оценки загрязняющих свойств отходов бурения; совершенствование системы сбора и хранения отходов бурения: разработка циркуляционной системы, обеспечивающей полный и раздельный сбор всех видов отходов, их переработку для экологически безвредного захоронения на буровой или в специальных местах захоронения, а также для утилизации; создание условий хранения в амбарах, исключающих возможность попадания загрязняющих веществ в гидро - и литосферу даже в экстремальных условиях; разработка технологии и материалов для гидро - и термоизоляции амбаров для хранения отходов бурения; утилизация отработанных буровых растворов путём многократного их использования; закачка отходов бурения в поглощающие горизонты; мероприятия по своевременной ликвидации амбаров и рекультивации территории буровой; разработка эффективных методов, техники и технологии утилизации и обезвреживания отходов бурения, предусматривающих разработку и реализацию физико-химических методов очистки буровых сточных вод и других отходов бурения, загрязнённых химическими реагентами, с учётом природно-климатических условий региона и принятой системы водо-обеспечения буровой; разработка и внедрение микробиологической очистки почв от загрязнений нефтью и нефтепродуктами.

Следует отметить, что все перечисленные мероприятия разрабатываются и внедряются недостаточно интенсивно, а сложившаяся в целом система природоохранных мероприятий в стране не обеспечивает в достаточной степени снижения загрязнения окружающей среды при бурении скважин.

Так, объём повторного использования отработанных буровых растворов в нашей стране пока незначителен. В связи с жёсткими требованиями к объектам подземного захоронения этот метод также не получил широкого распространения.

В настоящее время применяются следующие методы ликвидации и обезвреживания отходов бурения, содержащих химические реагенты: естественное испарение; термическая и химическая обработка; закачка в поглощающие горизонты; «выдавливание» в узкие траншеи; вывоз на поля испарения.

Способ естественного испарения хотя бы части жидких отходов, заполняющих шламовый амбар, прост и доступен, но малоприемлем из-за чрезмерной длительности. Он может быть рекомендован лишь для предварительной осушки амбаров.

Термическая обработка стоков (выжигание содержимого земляных амбаров с помощью специальных установок) является пока экономически невыгодной, производительность этого метода недостаточно высока (8-10 м3/ч) при большом расходе топлива.

Закачка стоков из земляных амбаров буровой в поглощающие горизонты является одним из надёжных методов снижения загрязнения окружающей среды отходами бурения и особенно рациональным представляется для кустового бурения, т. е. в тех районах, где на одной площади расположено много скважин. Для этой цели пригодны лишь пустоты, образовавшиеся миллионы лет назад. Согласно «Положению о порядке использования и охране подземных вод», закачку отходов можно производить в глубокие поглощающие горизонты, надёжно изолированные от поверхности и пресноводных горизонтов. Глубина захоронения отходов должна составлять не менее 800 м. Закачка жидких отходов предусматривает специальную систему их сбора и накопления, которая представляет собой двухсекционные котлованы. В первой секции – шламовом амбаре оседает значительная часть механических примесей, а затем жидкие отходы перетекают во вторую секцию – накопительный амбар, из которого закачиваются в поглощающие пласты. Несмотря на надёжность и экономическую целесообразность, этот метод используется в крайне ограниченных масштабах.

«Выдавливание» содержимого амбаров используется довольно широко и состоит в том, что вплотную к земляному амбару роют несколько траншей глубиной до 5 м, а затем перемычки между траншеями и амбаром разрушают и после заполнения траншей стоками их засыпают землёй. Густой осадок, который не вытекает в траншеи, остаётся в земляном амбаре и после подсыхания засыпается землёй. Сложной проблемой является рекультивация шламовых амбаров. В связи с тиксотропностью отходов бурения земляные амбары после их засыпки в течение нескольких лет не затвердевают, и этот участок земли практически непригоден для сельско-хозяйственного использования.

При другом практически используемом способе удаления отходов бурения стоки вывозятся на поля испарения, которые представляют собой специально облицованные или бетонированные амбары 15-20 тыс. м3. В течение двух лет сточные воды отстаиваются в них, очищенная после отстоя вода откачивается и потребляется на различные технологические нужды, а амбар засыпается землёй. Затем рекультивируемый участок очищают и перепахивают на такую глубину, чтобы после покрытия плодородным грунтом толщина очищенного слоя составляла 0,7 м. Этот способ экономически целесообразно использовать в том случае, когда расстояние до полей испарения не превышает 30 км. При этом на поля испарения вывозят лишь жидкую часть отходов, а оставшуюся грязь выдавливают в узкие траншеи.

Перспективным направлением утилизации отработанных буровых растворов является приготовление на их основе отверждённых смесей, которые можно использовать для крепления и изоляции зон поглощения. В качестве отверждающего компонента используют синтетические смолы, цемент, гипс и др. Зарубежные фирмы вводят специальные активирующие добавки, значительно ускоряющие сроки отверждения отходов.

Современные способы обезвреживания отходов бурения ориентированы на безамбарную технологию ведения буровых работ. Фирма США «Бероид» выпустила установки «Эвейро-флок» и «Энвейро-фикс» для обезвоживания и утилизации отходов бурения. Установки являются полностью автономными и смонтированы на автоприцепах. После окончания буровых работ установки ставят около амбаров, и начинается процесс утилизации. Отходы закачивают насосом в специальную ёмкость-мешалку, обрабатывают коагулянтом и флокулянтом, после чего подвергают центрифугированию с целью отделения жидкой фазы от твёрдой. Жидкую фазу дополнительно пропускают через угольные фильтры и очищенную воду используют повторно. Твёрдую фазу обрабатывают обезвреживающими реагентами, смешивают с минеральными добавками (вулканическим туфом), после чего подвергают захоронению на месте или вывозят в специально отведённые участки. Одним из наиболее доступных и легко осуществимых методов утилизации отходов бурения является отверждение и захоронение их непосредственно на территории буровой. В качестве отвердителей используются вяжущие вещества минерального и органического происхождения: цемент, фосфогипс, жидкое стекло, синтетические смолы и др.

Реализация идеи безамбарного бурения началась в Тюмени в 1991 году, когда английская фирма «Стримпайл» первой стала поставлять оборудование для безамбарного бурения (блоки флокуляционной очистки раствора). В г. Усинске (Республика Коми) фирма «Стримлайн» создала совместное предприятие «Экоарктика» с целью внедрения безамбарного бурения.

В настоящее время эти системы эксплуатируются в буровых организациях. С 1993 года эта технология реализована на месторождениях объединения «Коминефть».

В последние годы нефтегазодобывающими предприятиями внедряются различные технологические решения, направленные на утилизацию отходов бурения. Однако, в настоящее время универсального способа обезвреживания и утилизации буровых отходов, отвечающего всем требованиям, не существует.