Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 1, стр. 87-94
СИСТЕМА ОЦЕНКИ И ОХРАНЫ КОМПОНЕНТОВ ГЕОСРЕДЫ ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗАЛЕЖЕЙ УГЛЕВОДОРОДОВ
К. Л. Чертес 1, *, О. В. Тупицына 1, **, Е. Н. Петренко 1, ***
1 ФГБОУ ВО “Самарский государственный технический университет”. (ФГБОУ ВО “СамГТУ”)
443100 Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Россия
* E-mail: chertes2007@yandex.ru
** E-mail: olgatupicyna@yandex.ru
*** E-mail: SHN.007@mail.ru
Поступила в редакцию 31.10.2022
После доработки 15.11.2022
Принята к публикации 26.11.2022
- EDN: HSKUPL
- DOI: 10.31857/S0869780923010034
Аннотация
В статье рассматриваются результаты исследования техногенных залежей углеводородов в составе природно-техногенных систем. Особенностью указанных объектов является их размещение в геологической среде под площадками действующих и заброшенных предприятий нефтяной отрасли, выступающих источниками поступления нефтепродуктов в геологическую среду. Техногенные залежи углеводородов интерпретируются как сложные, динамические, многокомпонентные системы, подверженные влиянию паводково-меженных явлений на близлежащих поверхностных водных объектах. На основании анализа фондовых данных и результатов полевых обследований указанных объектов предлагается комплексная экологическая система их оценки, включающая в себя группы параметров, такие как геометрическая, технологическая, геоэкологическая, ресурсно-экономическая и инерционно-колебательная. Предлагается к применению схема проведения комплекса работ по исследованию, оценке, моделированию, ликвидации техногенных залежей, учитывающая их дуальную природу: с одной стороны, залежи оказывают негативное воздействие на окружающую среду, с другой – обладают ресурсным потенциалом как вторичный материальный ресурс. Предлагаемая комплексная система оценки позволяет определить текущее состояние техногенной залежи в составе природно-техногенной системы, выбрать и обосновать технологические решения для ее ликвидации и восстановления нарушенных компонентов окружающей среды в зоне ее влияния.
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение экологической устойчивости природно-техногенных систем является важной научно-практической задачей. Примером такой системы является геологическая среда, включающая в себя техногенную залежь углеводородов. Актуальной проблемой выступает создание комплексной системы оценки и охраны компонентов геосреды от техногенных воздействий залежей углеводородов.
Линзы нефтепродуктов формируются в толще пород и на поверхности подземных вод в результате аккумуляции утечек нефтесодержащих жидкостей [4]. Поллютанты трансформируются под влиянием факторов природной среды, мигрируют сквозь геологические элементы и оказывают негативное воздействие на компоненты окружающей среды: почвы, грунты, подземные воды, а также поверхностные воды, являющиеся областями разгрузки [8]. Потенциальными объектами, инициирующими формирование залежей, являются: природные месторождения нефти в процессе их разработки, магистральные трубопроводы, нефтеперерабатывающие заводы, нефтебазы и объекты размещения нефтесодержащих отходов. По состоянию на октябрь 2021 г. на территории России официально действуют 37 нефтеперерабатывающих заводов, более 200 крупных нефтебаз и более 2000 разрабатываемых месторождений [6, 7, 10]. Многие из известных техногенных залежей углеводородов находятся в зоне влияния перечисленных объектов [1–3, 5, 9, 12].
В связи с тем, что на сегодняшний день отсутствует единый подход к исследованию, ликвидации и обращению с природно-техногенными системами, включающими техногенные залежи, для комплексного обращения с указанными объектами требуется создание инструмента оценки и системы выбора технологических решений для их ликвидации.
Объектом настоящего исследования является техногенная залежь углеводородов в составе природно-техногенных систем. Изучаемая природно-техногенная система включает в себя природные и техногенные элементы. К техногенным составляющим относятся: собственно залежь углеводородов; предприятие, являющееся источником поступления углеводородов в геосреды; сеть наблюдательных и эксплуатационных скважин. Дополнительно могут рассматриваться водозаборные скважины, сооружения инженерной защиты. Природными элементами являются подземные и поверхностные воды, геологическая среда [11].
Целью исследования являлось создание комплексной системы оценки техногенных залежей углеводородов и системы выбора технологий их ликвидации и снижения негативного воздействия на геологическую среду.
Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:
− анализ существующих методов оценки состояния техногенных залежей углеводородов и мероприятий по восстановлению территорий, подверженных их негативному влиянию;
− разработка комплексной системы оценки техногенной залежи углеводородов как элемента ПТС и объекта негативного воздействия на геологическую среду, обладающего ресурсным потенциалом;
− создание системы выбора методов, технологических решений охраны и восстановления геосреды, нарушенной техногенными залежами.
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
В основе настоящего исследования лежат следующие исходные данные: научные источники, фондовые материалы и открытые данные профильных организаций и министерств, территориального фонда геологической информации, нормативные документы по ведению мониторинга и обращению с техногенными залежами и объектами-аналогами. В качестве ближайших объектов-аналогов рассматривались природные месторождения нефти и месторождения подземных вод [6]. Кроме перечисленного проводились изыскания одной из техногенных залежей углеводородов в Самарской области. Полученные в ходе собственных исследований результаты сопоставлялись с имеющимися в доступе материалами по другим залежам.
В рамках исследования проведен системный анализ результатов собственных и фондовых материалов Территориального фонда геологической информации и других источников для определения как уже имеющихся, так и предлагаемых авторами параметров (например, эффективные радиус и глубина залежи, амплитуда, частота, фаза и период колебаний в системе “залежь–область разгрузки”).
Инструментами оценки техногенных залежей в составе природно-техногенных систем выступили методы статистической обработки с использованием современного программного обеспечения, а также цифрового моделирования в программных комплексах Surfer (Golden Software) и Petrel (Shlumberger). В ходе работ по созданию цифровых моделей техногенной залежи углеводородов была уточнена методическая составляющая, учитывающая различия геологических, гидрогеологических и т.д. условий залегания традиционных месторождений нефти и объекта исследования.
Отбор и анализ проб компонентов окружающей среды (грунты, подземные и поверхностные воды, а также углеводороды залежи) проводили в соответствии с актуальными и утвержденными методиками с использованием современного оборудования.
В составе собственных полевых работ осуществлялось измерение уровней водного и углеводородного слоев в скважинах наблюдательной сети с помощью межфазной рулетки Solinist 122 (CSA) Interfase Meter. Частота измерений составляла от 1 до 3 раз в месяц и учитывала особенности гидрологического режима в поверхностном водном объекте, находящемся в зоне влияния объекта исследования. Все полученные значения сопоставлялись с результатами исследований профильных организаций, ведущих мониторинг на территории исследований.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На основе результатов изысканий одной из залежей России, а также анализа фондовых материалов по более чем 50 подобным объектам, в том числе находящимся за рубежом, были определены значения их состояний, определяющие дальнейшее обращение с ними. Часть из них представлена в табл. 1.
Таблица 1.
Характеристики наиболее изученных техногенных залежей
| Территориальная принадлежность | Ландшафт-ный тип | Ориентиро-вочные за- пасы, тыс. т | Нэфф, м | Rэфф, км | Источник утечек |
Воз-раст, лет | Преобладающий тип пород коллек-тора и Кф (см/с) | Ключевые компоненты загрязнителя | Область разгрузки |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Среднее Поволжье | Пойменно-склоновый | 1500 ± 200 | ≤80 | 15.0 ± 1.0 | Резервуарный парк, коммуникации | 70 ± 5 | Карбонатные (≤10–5) | Этил. бензин | Два водотока, далее водо- хранилище |
| Среднее Поволжье | Пойменно- террасный | 150 ± 30 | ≤50 | ~3.0 ± 0.5 | – “ – | 80 ± 5 | Карбонатные (≤10–5) | Дизтопливо | Водоток, далее старица |
| Среднее Поволжье | Водораз- дельный | 400 ± 20 | ≤25 | ~5.0 ± 1.0 | Резервуарный парк, коммуникации, оборудование | 75 ± 5 | Глинистые (≤10–6) | Дизтопливо, мазут | Водоток, далее водохранилище |
| Среднее Поволжье | Пойменно-склоновый | 50 ± 10 | ≤25 | ~0.5 ± 0.5 | Резервуарный парк, | 60 ± 5 | Суглинистые (≤10–7) | Хром, фенол | Водохранилище |
| Среднее Поволжье | Водораз- дельный | 100 ± 20 | ≤30 | ~1.0 ± 0.5 | Нефтешламо- накопитель | 50 ± 5 | Суглинистые (≤10–7) | Сера | Два водотока |
| Среднее Поволжье | – “ – | 50 ± 10 | ≤35 | ~1.5 ± 0.5 | Шламовые амбары | 60 ± 5 | Глинистые (≤10–6) | Этил.бензин, сера | Два водотока |
| Краснодарский край | Надпойменно-террасный | 100 ± 10 | ≤10 | ~5.0 ± 0.5 | Резервуарный парк, оборудование | 85 ± 5 | Галечно- песчаные (≥10–3) | Нафта, дизтоп. | Водоток, море |
| Ростовская область | – “ – | 2 ± 0.5 | ≤5 | ~0.5 ± 0.1 | – “ – | 15 ± 5 | Глинисто- песчаные (≥10–4) | Бензин, дизтопливо | Два водотока |
| Московская область | – “ – | 10 ± 2 | ≤15 | ~1.0 ± 0.5 | Резервуарный парк | 65 ± 5 | Песчано- глинистые (≥10–4) | Бензин, дизтопливо, тяжелые металлы | Водоток, далее малое водохранилище |
| Московская об-ласть | – “ – | 15 ± 3 | ≤35 | ~1.0 ± 0.5 | – “ – | 80 ± 5 | Смешанные породы | Авиац.бенз., битум | Водоток |
| Саратовская об-ласть | – “ – | 2000 ± 200 | ≤15 | 10.0 ± 1.0 | Резервуарный парк, накопители | 70 ± 5 | Карбонатно- глинистые (≤10–5) | Бенз., дизтоп., мазут | Водоток, водохранилище |
| Республика Коми | – “ – | 1000 ± 100 | ≤50 | 5.0 ± 1.0 | Резервуарный парк, накопители, коммуникации | 80 ± 5 | Смешанные породы | Бензин, дизтопливо | Ручей в овраге, далее водоток |
| Иркутская область | Пойменно- террасный | 1000 ± 100 | ≤100 | 5.0 ± 1.0 | Резервуарный парк, оборудование | 60 ± 5 | Смешанные породы | Дизтопливо, мазут | Один водоток, водохранилище |
В табл. 2 представлены группы критериев и параметров, предлагаемые для оценки техногенной залежи. Кроме известных показателей, таких как величина имеющихся запасов, геологическое строение, содержание углеводородов в почвах, грунтах, поверхностных и подземных водах, авторами введены понятия эффективный радиус, определяющий зону влияния объекта; эффективная глубина, являющаяся граничным фактором применения технологий. В качестве критерия предлагается количество хранящихся единовременно углеводородов на предприятии-источнике с целью оценки количества ежегодно теряемых углеводородов, пополняющих залежь.
Таблица 2.
Группы критериев и параметров для оценки техногенной залежи
| Характеристика | Усл. обозн. | Ед. изм. | Значения (диапазон) | Примечание | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Геометрическая группа | ||||||||
| Эффективный радиус | Rз | км | <1 | >1 | Расстояние от источника утечек до наиболее удаленной точки, в которой обнаружено загрязнение | |||
| Эффективная глубина | Нз | м | <10 | >10 | Определяет способ реабилитации загрязненной геосреды | |||
| Эффективная толщина | Δ | м | <10 | >10 | Расстояние от зеркала залежи до поверхности регионального водоупора | |||
| Технологическая группа | ||||||||
| Тип области разгрузки подземных вод | – | – | – | Определяет выбор технологии геоинженерной защиты | ||||
| Соотношение свободных и защемленных н/п | Nсв/защ | – | <1 | >1 | Определяет необходимость применения технологий структурно-фазового перераспределения | |||
| Соотношение концентраций н/п в жидкой и твердой фазах | Nж/тв | – | <1 | >1 | ||||
| Геоэкологическая группа | ||||||||
| Степень опасности геосреды | Z | – | 10 | 100 | 1000 | 10 000 | Определяет токсичность жидкого флюида и степень загрязненности грунтов | |
| Категория защищенности подземных вод | Узпв | – | 1–6 | Определяет необходимость экранирования фрагментов геосреды от загрязнения “сверху” и “снизу” | ||||
| Концентрация нефтепродуктов в компонентах ОС | Сн/п | ПДК | <ПДК | >ПДК | Определяет соответствие компонентов геосреды региональным нормативам или ПДК | |||
| Коэффициент фильтрации | kф | см/с | <10–5; >10–5 | Определяет тип коллектора по фильтруемости загрязнений | ||||
| Площадь нарушенной территории | S | км2 | <1; >1 | Определяет площадь воздействия на сопряженные компоненты ОС | ||||
| Ресурсно-экономическая группа | ||||||||
| Количество и категория утвержденных запасов | Vз | млн т | 1 | 5 | 30 | 300 | 1000 | Определяет величину месторождения и его потенциал дальнейшей разработки |
| Дебит залежи | Qз | т/сут | 1 | 2 | Определяет производительность сооружений по откачке вторичного ресурса и его подготовке | |||
| Среднее количество хранящихся единовременно УВ | Vхран | тыс. м3 | 2 | 10 | 20 | 100 | Определяет потенциал пополнения залежи сверху за счет потерь углеводородов в местах хранения | |
| Ресурсный потенциал | RP= Зп + С + Упр + Ээп–Зпер–Зтрансп | Определяет экономическую целесообразность добычи углеводородов и обращения с ним как с ресурсом | ||||||
| Инерционно-колебательная группа | ||||||||
| Амплитуда | А | м | <2.5 | >2.5 | Определяется зарегулированностью регионального водохранилища (водотока I рода) | |||
| Период | Т | год | 0.25 | 0.5 | 1 | Определяется местными паводково-меженными условиями и согласуется с количеством паводков на ближайшем поверхностном водном объекте | ||
| Частота | ƒ | 1/год | 4 | 2 | 1 | |||
| Задержка | Δt | сут | 15; 30; 60 | Позволяет оценить величину отклика уровней воды на подъем воды в водохранилище | ||||
| Фаза | φ = 2πΔt/T | – | 0.26; 0.52; 1.03; 2.06; 4.12 | Значения предложены на основании анализа картографического и фондового материала по группам рассмотренных объектов, а также данных инженерных изысканий; определяется местными паводково-меженными условиями | ||||
Актуальной проблемой является не только создание комплексной системы оценки техногенных залежей углеводородов, но и обращение с ними: ликвидация самой залежи и восстановление нарушенной геологической среды. В рамках проведенных исследований и анализа фондовых материалов, авторами предлагается схема последовательных этапов оценки, прогнозирования и управления состоянием природно-техногенных систем, вмещающих техногенную залежь (рис. 1). Представленная схема исследований была апробирована при обследовании одной из техногенных залежей Самарской области и показала себя удовлетворительно.
ОБСУЖДЕНИЕ
Изученные в рамках исследования залежи отличаются по фильтрационным характеристикам пород геосреды-коллектора, качественному составу углеводородов, включая содержание ряда тяжелых металлов, геоморфологическому типу и гидрогеологическим условиям. Предлагаемые в табл. 2 группы критериев и параметров, а именно: геометрическая, технологическая, геоэкологическая, ресурсно-экономическая и инерционно-колебательная, позволяют в комплексе оценить состояние техногенной залежи углеводородов в составе природно-техногенной системы и определить граничные условия для выбора технологических решений.
Геометрическая группа определяет конфигурацию залежи и позволяет выявить ограничения к применению механических методов удаления загрязненного грунта, биологических методов. Сведения о контуре объекта исследования позволяют определить объемы работ по устройству дренажных систем и сооружений инженерной защиты прилегающих ненарушенных территорий с использованием стен в грунте, экранов.
Технологическая группа позволяет выбрать тип технологии с учетом жизненного цикла техногенной залежи. Так, присутствие углеводородов преимущественно в свободном состоянии допускает применение простых в обслуживании и эксплуатации гидродинамических методов извлечения нефтесодержащих эмульсий.
Определение типа области разгрузки в составе параметров технологической группы является неотъемлемой частью предлагаемой системы оценки, так как именно паводково-меженный режим поверхностных водных объектов служит причиной перемещения токсикантов и определяет поведение ПТС-залежи как динамической системы. Выявление приоритетных направлений движения залежи позволяет определить места размещения сооружений инженерной защиты, ограничивающих дальнейший трансфер загрязнений в ненарушенные фрагменты.
Геоэкологическая группа оценивает техногенную залежь углеводородов как источник существующего или перспективного ущерба окружающей среде и позволяет определить способности природных компонентов к самовосстановлению.
Параметры и критерии ресурсно-экономической группы отражают ресурсный потенциал залежи углеводородов как источника вторичных материальных ресурсов, а также экономическую целесообразность организации добычи нефтепродуктов из нее.
На основании полученных статистических данных об уровнях подземных вод и флотирующего на его поверхности слоя углеводородов, было выявлено, что поведение залежи определяется инерционными свойствами как колебательной системы. Описание техногенной залежи значениями инерционно-колебательной группы позволяет предложить рациональные режимы и места добычи углеводородного сырья с учетом гидрологического режима объекта разгрузки подземных вод.
Таким образом, предлагаемая комплексная система оценки позволяет не только численно описать состояние залежи, но и определить рациональные методы локализации и ликвидации залежи углеводородов и последующего восстановления нарушенной геосреды.
Одним из результатов апробации комплексной системы оценки является выделение ресурсного и восстановительного этапов обращения с техногенными залежами в зависимости от качественного состава углеводородов, величины их запасов, формы залегания и совокупности условий геосреды. Ресурсный этап подразумевает извлечение свободных углеводородов, представляющих ресурсную ценность. Восстановительный этап представляет собой очистку или доочистку грунтов от нефтепродуктов до санитарных требований и региональных нормативов, а также локализацию загрязняющих веществ при необходимости, т.е. техногенная залежь углеводородов рассматривается как объект негативного воздействия на окружающую среду.
Представленная на рис. 1 схема этапов оценки, прогнозирования и управления состоянием природно-техногенной, вмещающей техногенную залежь была использована в ходе обследования одной из залежей Самарской области. Она позволила провести комплексные мониторинговые исследования, получить достаточное количество данных для создания цифровых моделей и статистической обработки, а также разработать комплексную систему оценки, применимую для подобных объектов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана и успешно апробирована система критериально-параметрической оценки состояния техногенных залежей углеводородов как элемента природно-техногенной системы на примере объектов в России и за рубежом.
2. Предлагаемая комплексная система оценки позволила определить граничные условия возможных методов обращения с залежами углеводородов, а также место и режим реализации этих методов.
3. На основании комплексной оценки состояния существующих техногенных залежей углеводородов выделены ресурсный и восстановительный этапы обращения с ними. Данные этапы учитывают качественный состав углеводородов, величину запасов и совокупность параметров геологической среды, их вмещающей.
4. Предложена и апробирована схема основных этапов оценки, прогнозирования и управления состоянием природно-техногенных систем, вмещающих техногенную залежь. Схема включает в себя этап обследования методами инженерных изысканий, оценку с использованием методов лабораторного и статистического анализа, трехмерного моделирования, стадию разработки и апробации технологии в лабораторных и промышленных условиях, а также этап управления состоянием природно-техногенной системой с учетом всех предыдущих стадий.
Список литературы
Ахмадова Х.Х., Махмудова Л.Ш., Мусаева М.А. Грозненские техногенные залежи углеводородов: история, добыча, переработка, экологические проблемы // В мире научных открытий. 2013. № 1.1 (37). С. 258–283.
Бабенко В.Д., Солодовников Ю.С., Карагодин Г.В. и др. Опыт создания и эксплуатации систем инженерной защиты подземных вод от загрязнения жидкими нефтепродуктами на промплощадках действующих предприятий нефтехимического комплекса // Сб. “Захист довкiлля вiд антропогенного навантаження”. Харьков-Кременчуг, 1999. Вып. 1 (3). С. 95–100.
Богданович А.М. Опыт локализации и ликвидации нефтяного загрязнения на одном из предприятий нефтекомплекса // Разведка и охрана недр. 2005. № 11. С. 57–59.
Быков Д., Чертес К., Петренко Е., Тупицына О., Пыстин В., Подъячев А. Санация недр территории нефтеперерабатывающих заводов // Экология и промышленность России. 2019. № 23 (3). С. 9–13.
Галинуров И.Р. Оценка техногенных потоков углеводородов в поймах рек в зоне влияния нефтехимических предприятий (на примере Республики Башкортостан): автореф. дис. … канд. тех. наук. Уфа, 2012. 24 с.: ил.
Карта нефтебаз ООО “Газпромнефть-Региональные продажи” [Электронный ресурс]. URL: https://client.gpn-trade.ru/neftmap/ (дата обращения 15.10.2022)
Каталог объектов учета ГБЗ с данными сводного государственного реестра участков недр и лицензий и ГКМ. Российский Федеральный геологический фонд [Электронный ресурс]. URL: https://rfgf.ru/bal/a/index.php (дата обращения 31.10.2022)
Мазлова Е.А., Анурина Ю.А. Проблемы загрязнения подземных вод на ОАО “Московский НПЗ” и пути их решения // Известия РАЕН. Технологии нефти и газа. 2011. № 2. С. 43–49.
Островский Ю.В., Заборцев Г.М., Черноок В.А., Крестинин А.А. Комплексная рекультивация территории Павельцевской нефтебазы // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 6. 210–219.
Реестр проектируемых, строящихся и введенных в эксплуатацию нефтеперерабатывающих заводов в Российской Федерации. URL: https://minenergo.gov.ru/opendata/7705847529-reestrnpz) (дата обращения 11.10.2022)
Чертес К.Л., Штеренберг А.М., Петренко Е.Н. Оценка состояния и подходы к восстановлению геосреды нарушенной в результате строительно-хозяйственной деятельности // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14 (9). С. 1140–1157.
Meng X.S., Wu M.M., Chen H.H., Yue X., Tao S.Y. Vertical Pollution Characteristics and Sources of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in a Heterogeneous Unsaturated Zone Under a Coking Plant // Huan Jing Ke Xue. 2020, Jan 8. V. 41 (1). P. 377–384. Chinese. https://doi.org/10.13227/j.hjkx.201903142.PMID: 31854940
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология
Пн.-пт.: 10.00-19.00