Формирование природно-техногенных систем нефтегазовых комплексов. 
Комплексный мониторинг и оптимальные технологии минимизации экологического ущерба

Актуальность проблемы. К настоящему времени накоплен определенный опыт в проведении гидрогеологических и экологических исследований крупнейших месторождений севера Западной Сибири, Прикаспия, подземных хранилищ газа, газотранспортных систем, объектов захоронения промстоков, водоснабжения и других. Как правило, это обособленные исследования, не объединенные в единую систему эколого-гидрогеологического мониторинга, вследствие чего недостаточно эффективны. Эффективность может быть достигнута универсализацией и комплексностью наблюдений за состоянием гидросферы.

Эксплуатуция газовых месторождений, ПХГ и др. объектов приводит к эмиссии в атмосферу и гидролитосферу посторонних для природных условий углеводородных и других токсичных компонентов. Техногенная миграция углеводородов в гидролитосфере практически не изучена. Для обоснования защищенности питьевых вод и разработки природоохранных рекомендаций необходимо изучение природно-техногенных систем. Поэтому создание новых технологий экспериментальных исследований, включающих термодинамическое, лабораторное моделирование процессов солеотложения, геомиграции загрязнителей и т. п., является одной из актуальных задач газовой отрасли.

Особо актуальными являются исследования наиболее уязвимых геохимически слабо изученных экоситем территорий газоконденсатных месторождений суб-Арктики, поскольку затраты на природоохранные мероприятия здесь очень высоки. Расположение Астраханского газового комплекса с высоким содержанием сероводорода в газе вблизи водотоков реки Волга — единственного источника водоснабжения в этом регионе, а также необходимость сохранения уникального рыбохозяйственного комплекса юга России требуют постановки и проведения современного мониторинга подземных вод, являющихся переносчиком различных техногенных компонентов к поверхностным водам.

Таким образом, разработка концепции комплексной системы наблюдений за состоянием гидросферы, оценки и прогноза ее изменений под действием техногенных факторов (эколого-гидрогеологический мониторинг) в настоящее время является актуальной крупной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

Цель работы. Обеспечение рационального природопользования на объектах нефтегазовых комплексов на основе комплексных исследований формирования природно-техногенных систем и современных технологий.

Основные задачи работы:

• провести анализ существующих систем гидрогеологического и экологического контроля за разработкой залежей, транспортом и хранением природного газа, захоронением промстоков, водозаборами хозяйственно-питьевого и технического водоснабженияисследовать закономерности формирования природно-техногенных систем в условиях газового производства и разработать концепцию комплексного эколого-гидрогеологического мониторинга на нефтегазовых объектах;

• на основе концепции комплексного мониторинга исследовать фоновое состояние, закономерности формирования, оценить качество природных систем типового месторождения суб-Арктики — Заполярное;

• исследовать источники техногенного воздействия, систематизировать компонентный состав жидких и твердых отходов газового производства с позиций частоты присутствия, концентраций, геохимических свойств, нормативных показателейоценить опасность их воздействия на экосистемы суб-Арктики;

• исследовать масштабы распространения углеводородных (жидких и газообразных) загрязнителей в районах эксплуатации нефтегазовых комплексов и на прилегающих территориях. Изучить их геохимические свойства, трансформации в свете решения проблемы загрязнения гидросферы и его индикации. Для минимизации экологического ущерба рекомендовать технологии оценки и локализации нефтяного загрязнения подземных вод;

• разработать и обобщить технологии количественной оценки техногенных процессов на основе экспериментальных исследований природно-техногенных систем и реализовать их в виде рекомендаций по обоснованию защищенности питьевых вод, рациональному водопользованию, природоохранным мероприятиям в условиях эксплуатации нефтегазовых комплексов.

Достоверность результатов. Основные положения и выводы диссертационной работы Л. М. Фокиной базируются на огромном фактическом материале за период 19 862 005 г. г. Результаты экспериментальных исследований и количественной оценки техногенных процессов подтверждены данными многолетних натурных региональных наблюдений. Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается использованием современных методов химического анализа (плазменной спектрометрии и др.), позволяющих существенно повысить представительность и точность результатов, а также применением новейших методов обработки экспериментальных данных, включающих моделирование процессов геомиграции загрязнителей, их физико-химических трансформаций и др.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

Новая концепция комплексного эколого-гидрогеологического мониторинга на нефтегазовых объектах впервые объединила ранее обособленные системы гидрогеологического и экологического контроля за разработкой залежей, транспортом и хранением природного газа, захоронением промстоков, водозаборами хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения.

Впервые обобщены новые авторские и данные предшествующих исследований, позволившие более полно и достоверно оценить фоновое состояние и установить механизмы формирования геохимически слабо изученных природных систем месторождения Заполярное, что расширило представления о Fe-Mn биогеохимической провинции и привело к внедрению нового подхода к нормированию качества водных и почвенных систем, учитывающего региональный фон.

Впервые систематизированы новые авторские данные и сведения других исследователей о распространении жидких и газообразных углеводородов в природно-техногенных системах нефтегазовых районов и прилегающих территорий.

На основе комплексных экспериментальных исследований природно-техногенных систем разработаны технологии — методы и методология количественной оценки и прогнозирования техногенных процессов в условиях газового производства, реализованные в виде рекомендаций по обоснованию защищенности питьевых вод, рациональному водопользованию и природоохранным мероприятиям.

Основные защищаемые положения:

1. Концепция системы комплексного эколого-гидрогеологического мониторинга, созданная на основе анализа связей систем гидрогеологического и экологического контроля на объектах добычи, транспорта и хранения природного газа, позволяет достоверно оценить состояние и прогнозировать трансформации гидросферы под воздействием газового производства, что способствует повышению информативности и оперативности мониторинга.

2. Установлен широкий спектр компонентов геохимического состава природных систем месторождения Заполярное и определены процессы формирования повышенных и низких концентраций более, чем десяти компонентов, связанные с криогенной метаморфизацией, глеегенезом и нефтегазоносностью территории. Установленные характеристики геохимического фона позволяют качественно оценить трансформации природных систем под действием газового производства и предложить рекомендации по рациональному водопользованию и оптимизации природоохранных мер.

3. Установлены приоритетные загрязнители экосистем суб-Арктики на основании систематизации и экологической оценки компонентов жидких и твердых отходов газопромыслов севера Западной Сибири по распространенности, миграционным свойствам, соотношению с природоохранными нормативами. Их использование повысит оперативность и экономическую эффективность мониторинга, а выявленный качественный состав отходов позволит рекомендовать способы утилизации с учетом ландшафтно — климатических условий региона.

4. Установлены количественные показатели концентраций жидких и газообразных углеводородов, возникшие в результате их техногенной миграции в нефтегазовых районах и на прилегающих территориях, на основе сопоставления с фоновыми в глобальном и региональном масштабах. Результаты этой оценки используются в новой технологии сокращения выбросов углеводородов в атмосферу и для разработки метода индикации загрязнения по геохимически инертным формам газа.

5. Разработаны современные методы, методики, способы, подходы экспериментальных исследований многокомпонентных природно-техногенных систем, формируемых под действием газового производства, которые позволяют количественно оценить и дать прогноз гидрогеохимических и геомиграционных техногенных процессов, установить индикаторы загрязнения для нефтегазовых регионов с различной природно-климатической обстановкой. Эти технологии позволяют обосновывать защищенность питьевых вод и разработать региональные рекомендации по рациональному водопользованию и природоохранным мероприятиям.

Практическая ценность работы. Полученные в ходе работы теоретические и экспериментальные результаты, а также данные режимных региональных наблюдений были использованы для оценки воздействия на окружающую среду Астраханского газового комплекса («Гидрогеологическое обоснование природоохранных мероприятий и рационального использования природных ресурсов Астраханского газоконденсатного месторождения и прогноз изменения природной среды», 1995 г.).

Рекомендации по рациональному водопользованию и природоохранные (2002;2005 г. г.), а также концепция, технологии и фактические данные эколого-гидрогеологического мониторинга были использованы для обеспечения качественного водоснабжения и повышения эффективности решения природоохранных задач (контроля за захоронением промстоков и др.) при разработке месторождения Заполярное.

Материалы диссертационных исследований привлекались при разработке проекта ООО «Ямбурггаздобыча» «Технологии вторичного вскрытия газоносного пласта при депрессии и равновесии давлений и защита окружающей среды» (2005 г.).

В целом диссертационная работа положена в основу практического руководства для проведения эколого-гидрогеологического мониторинга на месторождениях Западной Сибири, Прикаспия и других нефтегазовых комплексах. Ряд изложенных в диссертации научных положений вошли в инструктивно-методические рекомендации по проблемам экологии газоконденсатных месторождений и в руководящие документы по гидрогеологическому контролю на специализированных полигонах размещения жидких отходов газового производства.

Апробация основных результатов работы осуществлена на секциях Ученого совета ООО «ВНИИГАЗ» по экологии и геологии (2002;2005) — всесоюзных научных конференциях Санкт-Петербургского университета (1991), МГРИ (Москва, 1992) — совещаниях по промышленной экологии (Астрахань, 1993) — на Ломоносовских чтениях МГУ (Москва, 1995) — а также на международных конгрессах и выставках по экологической гидрогеологии стран Балтийского моря (С.-Петербург, 1993), по гидролого-гидрогеологическим проблемам охраны окружающей среды (Вашингтон, 1993), по управлению отходами и природоохранным технологиям (Москва, ВэйстТэк-2007), «Вода: Экология и технология» (Москва, ECVATECH — 2002, 2004, 2006), «Экоэффективность-2005» (Москва, 2005) — международных конференциях «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья», «Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии» и «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности» (Москва, ИПНГ РАН, 2004, 2005, 2007), «Нефть, газ Арктики» и др. (Москва, РГУ НГ им. И. М. Губкина, 2006, 2007), «Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири» (Тюмень, 2006), «Сотрудничество для решения проблемы отходов» (Харьков, 2007), «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007) — научно-практическом семинаре «Информационные технологии при разработке месторождений» (Нефтеюганск, ОАО «НК «РОСНЕФТЬ», ОАО «ЮГАНСКНЕФТЕГАЗ», 2006), научно-практической Южнороссийской конференции «Проблемы бассейнового и геолого-гидродинамического моделирования» (Волгоград, ООО «Лукойл-ВолгоградНИПИморнефть», 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе 2 методических руководства, 3 научных обзора и 11 статей, опубликованных в научных журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 разделов, заключения, списка литературы из 117 наименований, изложена на 302 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 96 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным результатом выполненной работы является решение актуальной научной и важной народохозяйственной проблемы обеспечения системы наблюдений за состоянием гидросферы, оценки и прогноза ее изменений, обоснования защищенности в условиях эксплуатации нефтегазовых комплексов, которое базируется на современных технологиях.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Проведен анализ обособленных до настоящего времени систем гидрогеологического и экологического контроля за разработкой залежей, транспортом и хранением природного газа, захоронением промстоков, объектами водоснабжения.

Разработана и внедрена на месторождениях Прикаспия и севера Западной Сибири концепция и структура системы комплексного эколого-гидрогеологического мониторинга на нефтегазовых объектах.

2. Исследовано фоновое состояние и формирование химического состава природных систем месторождения Заполярное. Территория является природной комплексной по целому ряду компонентов биогеохимической провинцией с повышенными относительно фоновых для сходных ландшафтно-климатических условий концентрациями биогенных, органических веществ и микроэлементов в: воздухе (Fe, Мп, Al, Zn, Сг, Ti, V, As) и осадках атмосферы (Мп, Zn, Си, РЬ) — поверхностных (Ni, Си, Мп, Fe, Сг, Zn, Ва, Sr) и подземных водах (Ва, Sr, В) — породах (Zr, Ва, Мп, Sr, Сг, В, V, Zn, Ni, La) и почвах (Ti, Fe, Hg, V, Cr, Sr, Ni, B, Zn, Cu, Cd), что расширяет представления о Fe-Mn биогеохимической провинции.

По геохимическим свойствам основные элементы природных экосистем преимущественно средней (Si, Мп, Ва, Rb, Ni, Си, Li) и слабой (Al, Fe, Ti, Zr) подвижности в воде (Кв О. п-п и О. Оп соответственно), которая, особенно для тяжелых металлов и кремния, в слабокислых восстановительных с повышенными концентрациями органических веществ условиях природных вод существенно изменяется и приводит к их накоплению. В целом состав природных вод указывает на формирование в обедненных карбонатами кальция, магния песчано-глинистых аллювиальных отложениях, при существенной роли морских отложений, криогенной метаморфизации, глеегенеза и нефтегазоносности территории.

3. Установлено, что микрокомпоненты по концентрациям в природных водах образуют группы, мг/дм3: Fe, Si — десятки в подземных водах, единицы — в поверхностных, десятые — в осадкахМп — единицы в подземных, десятые — в поверхностных водах и осадкахAI, I, Br, Zn, Sr, Ва, Ni — десятые в подземных и поверхностных водах, сотые-тысячные — в осадкахСг — сотые в подземных и поверхностных водах, тысячные — в осадкахHg — менее тысячных в воде.

Характер распределения содержания в установленных для вод группах по большинству элементов сохраняется (г/т) в почве и породах по легкоподвижным (AI, Si, Fe, Вг, Srдесятки, Мп — единицы, Li — десятые) и слабоподвижным формам (А — тысячи, Si, Ni, Мп, Fe — сотни, Сг — десятки-единицы), валовому содержанию (Si, AI, Fe — десятки тысячTi — тысячиZr, Sr, Ва, Мп — сотниСг, V, Zn — сотни в почвах, десятки в породахRb, La, Li, Ga, Cu, NiдесяткиBr, Co, As, U — единицыHg — десятые) — а также в растительности (AIсотниFe, Si, Ni, Сгдесятки) и (нг/м3) воздухе атмосферы (AIтысячиSi, Fe, Ni, Zn, Сг — сотниTi, Cu, Pb, Sn, Mn, V, Ва — десяткиВ, Ag, Cd — единицы).

Распределение биогенных и органических соединений в природных водах и породах следующее: аммония, фосфора, Сорг — единицы мг/дм3 в воде, десятки — сотни г/т в породахнафтенов — единицы мг/дм3 в подземных водах, десятые — в поверхностныхфенолов — тысячные в воде.

4. С позиций рационального водопользования на Заполярном НГКМ установлено несоответствие оптимальному уровню в природных водах фоновых значений минерализации, рН, концентраций Са, Мд и фторапревышение — по концентрациям нафтенов и фенолов. Сверхнормативные концентрации аммония, фосфора и большинства микрокомпонентов в природных водах, почве и растительности могут вызвать эндемические заболевания у коренного населения и работников газопромыслов, что указывает на необходимость установления региональных норм качества.

5. Выполнен комплексный анализ компонентного состава жидких, твердых отходов газового производства и бытовых на Заполярном и др. месторождениях севера Западной Сибири. Установлены: — существенная изменчивость состава отходов газового производства и бытовых — поликомпонентных систем, включающих помимо макрокомпонентов и биогенных соединений значительное число органических веществ и микроэлементов- - значительная опасность исходя из концентраций микроэлементов и органических соединений отходов производства и бытовых для водных экосистем и биогеоценозов с фоновыми концентрациями ряда компонентов изначально превышающими нормативы водопользования- - слабое влияние на макросостав природных приповерхностных вод маломинерализованных хозяйственно-бытовых стоков и возможность улучшения их качества под действием производственных стоков.

С позиций минимизации экологического ущерба утилизацию жидких отходов газового производства и бытовых рекомендовано проводить путем закачки в пласт-коллектор. Захоронение бытовых стоков более безопасно, поскольку их очистка технологическими приемами, используемыми на КОС в условиях Средней полосы, в районах суб-Арктики не достаточно эффективна.

6. Установлены общность и постоянство макрокомпонентного состава вод сеноманского комплекса на месторождениях севера Западной Сибири, менее выраженные для вод неокомских отложенийа также микрокомпонентный состав пластовых и конденсационных вод для отдельных месторождений и исследуемого региона.

7. Исследовано нефтепродуктовое загрязнение гидросферы в нефтегазовых районах и на прилегающих территориях. Нефтепродукты являются довольно распространенным загрязнителем природных сред на территориях газопромыслов (Западной Сибири, Прикаспия и др.), России в целом и прилегающих морских акваторий. Технологии газового производства приводят к формированию от десятков — сотен до тысяч мг/дм3 концентраций нефтепродуктов в жидких и твердых отходах. В результате утечек и высокой миграционной способности жидких углеводородов в природных водах территорий формируются повышенные (до десятых и единиц мг/дм3) относительно фоновых, преимущественно следовых, и часто ПДК питьевого (1−10 ПДК и >) и рыбохозяйственного ГОСТа (3−5 до > 20 ПДК) концентрации нефтепродуктов, многие из которых токсичны, особенно канцерогенные ароматические соединения. В почвах наблюдаются превышения ПДК (в 1−8 раз) по содержанию ПАУ.

Показано, что решение природоохранных задач связано с исследованием самоочищающей способности водоемов. Для минимизации экологического ущерба рекомендованы технологии локализации нефтяного загрязнения подземных вод.

8. Проведен анализ сведений о фоновом распространении и техногенной эмиссии углеводородных газов в атмосфере и гидросфере. Установлено, что углеводороды составляют основной объем выбросов при эксплуатации нефтегазовых комплексов. В геохимическом отношении они представлены метаном и его предельными и непредельными гомологами, слабо реакционно-способными в природных условиях. Водорастворенные газы продуктивных пластов на месторождениях севера Западной Сибири и Прикаспия преимущественно метановые. Углеводородный состав выбросов на.

Заполярном месторождении соответствует фоновому составу атмосферы, различаясь по концентрациям и соотношениям отдельных компонентов. Ее значимыми загрязнителями могут стать пропилен > м-ксилол > этан > 2-пропанол > метан, концентрации которых в выбросах в 2−9 раз превышают фоновые, но не опасны относительно гигиенических нормативов. С позиций загрязнения водных экосистем углеводороды, вследствие их низкой растворимости, возможной деградации посредством биохимического окисления менее значимы.

9. Для изучения многокомпонентных систем «сток-порода», «сток — пластовая вода» и др. рекомендованы: комплексный подход к исследованиям, позволяющий конкретизировать процессы, неоднозначно определяемые с позиций одного из методов исследований и количественно их оцениватьдля диагностики процессов — эталонные системы, а для аналитических определений — метод плазменной спектрометрии с комбинированной системой определенияспособ оценки концентраций загрязнителей, поступающих в подземную воду, на основе данных о степени протекания процессов в зоне аэрации и пр.- для ряда компонентов и систем — геомиграционные параметры, что позволит существенно расширить рамки моделирования геомиграции.

10. Установлено, что на Астраханском ГКМ, где зона аэрации сложена песчаными разностями, защищающими подземные и поверхностные воды от загрязнения являются процессы, протекающие в зоне аэрации (осаждения, сорбционные, окисления и осаждения) и подземных водах техногенной области (смешение), приводящие в комплексе к снижению концентраций загрязнителей в подземной воде на 40−90%. Оценены емкостные свойства пород по отношению к основным загрязнителям.

11. Рекомендован рациональный метод количественной оценки процессов солеотложения, сорбции и выщелачивания в сравнении с лабораторными исследованиями, особенно в термобарических условиях, близких пластовымтермодинамическое моделирование. Отложение кальцита из пластовых вод в порах пласта-коллектора на уровне ГВК в разном количестве прогнозируется для всех объектов, в большей степени — для Астраханского ГКМ, где фиксируется на всех этапах разработки месторождения (в пласте, скважинах и пр.). Углеводороды на процесс солеотложения практически не влияют.

Установлено перераспределение комплексных форм и концентраций компонентов в пластовых водах при переходе к поверхностным условиям. Формы нахождения компонентов в условиях высокой температуры и давления пласта — преимущественно простые кислоты и соли, на поверхности — ионные. В поверхностных условиях снижаются (в 2 — 4 раза на Астраханском ГКМ) концентрации гидрокарбоната, кальция и сульфат з ионов. Минерализация воды при этом уменьшается на 10 и более г/дм. Влияние углеводородов на состав пластовой воды проявляется в образовании свободной углекислоты, повышении концентраций бикарбонатных ионов и комплексов.

12. С позиций рационального водопользования на Астраханском ГКМ установлено снижение ущерба, вызываемого повышением концентраций микрокомпонентов в реках, вследствие уменьшения поверхностного смыва с сельскохозяйственных угодий в период работы ГХК. Влияние загрязненных подземных вод на концентрации рассматриваемых компонентов реках в периоды паводка и в среднемноголетнем масштабе отсутствует.

Повышение концентраций загрязнителей в речных водах до ПДК по данным натурных режимных наблюдений и прогнозного моделирования с учетом физико-химических трансформаций загрязнителей и полученных экспериментально геомиграционных параметров даже в случае аварийных сбросов промстоков нереально. Ущерб от функционирования ГХК может проявиться через сотни лет, которые требуются, чтобы загрязненные подземные воды достигли речных долин.

С позиций минимизации экологического ущерба утилизацию разбавленных слабоминерализованных стоков и дренажных вод на пустынных территориях Астраханского ГКМ и др. рекомендовано проводить посредством орошения.