Закономерности переноса нефти в мерзлых и промерзших породах при их техногенном загрязнении

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Добыча нефти, ее хранение и транспортировка в северных регионах России неизбежно сопровождается углеводородным загрязнением окружающей среды, которое становится все более серьезной экологической проблемой для арктических территорий. Этим определяется интерес к особенностям углеводородного загрязнения криолитозоны, в том числе к распределению загрязнителя в слое сезонного оттаивания, по поверхности и проникновению в глубь мерзлых пород (МП).

Экспериментальный подход к изучению переноса нефтяных компонентов в промерзающих и мерзлых породах актуален в научном и практическом плане. Научная значимость этих исследований состоит в развитии теоретических вопросов взаимодействия, переноса и накопления нефти и нефтяных компонентов в мерзлых и промерзающих породах. В практическом плане работа имеет большое значение для решения экологических и хозяйственно-производственных задач, возникающих при загрязнении почв и пород криолитозоны. Нефтяное загрязнение оказывает негативное воздействие на живые организмы и растительный мир, приводит к изменению температурного режима и свойств мерзлых и промерзающих дисперсных пород. Поэтому оценка и прогноз ореолов распространения нефти в мерзлых и промерзающих породах является необходимой задачей при решении этих проблем. Знание закономерностей и механизмов переноса нефти в МП необходимо так же при их использовании как естественных хранилищ углеводородного сырья.

Несмотря на большую научную и практическую актуальность поставленной задачи, она остается слабоизученной до настоящего времени. Полевые и экспериментальные данные малочисленны и разрознены. Поэтому ЦЕЛЬЮ данной работы явилось изучение основных закономерностей и механизмов переноса нефти в мерзлых и промерзающих породах. В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:

— разработать методику комплексного экспериментального изучения переноса нефти в мерзлых и промерзающих породахs.

— исследовать особенности физико-химического взаимодействия нефти с мерзлыми породами;

— изучить закономерности переноса нефти а) в мерзлых и б) в промерзающих породах в зависимости от различных факторов: состава пород, состава и свойств нефти, а также температурных условий среды (условий промерзания);

— исследовать механизмы переноса нефти в мерзлых и промерзающих породах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

1. Разработана методика экспериментального исследования переноса нефти в мерзлых и промерзающих породах, состоящая из трех методических блоков — изучения а) физико-химического взаимодействия нефти с криогенными средами при отрицательных температурахб) переноса нефти в мерзлых породахв) переноса нефти в промерзающих породах.

2. Получены экспериментальные данные по основному параметру физико-химического взаимодействия нефти с криогенными средами — краевым углам смачивания при отрицательной температуре (-7 °С). Выявлены закономерности растекания нефти по поверхности МП и льда в зависимости от типа поверхности и состава нефти в диапазоне температур от -1,5 до -20 °С.

3. Показано, что нефти различного состава и свойств способны проникать даже в низкотемпературные мерзлые породы (до -20 °С и ниже). Увеличение степени заполнения пор породы льдом значительно снижает интенсивность переноса нефти, однако проницаемы и породы с высокой степенью заполнения пор (до 0,8). Интенсивность переноса нефти снижается с повышением ее вязкости и температуры застывания, особенно при температуре среды, близкой к температуре застывания загрязнителя.

4. Установлено, что при промерзании нефтезагрязненных пород нефтеперенос в основном направлен из промерзающей в талую зону. В породах I линистого состава возможно локальное накопление нефти в мерзлой зоне. С повышением скорости промерзания, а также снижением начального содержания нефти в породе, интенсивность нефтепереноса снижается (до полного затухания).

5. Выявлено, что в мерзлых породах движение нефти определяется в основном капиллярно-поверхностным переносом. При промерзании нефтезагрязненных пород основным механизмом является отжатие нефти кристаллизующейся влагой в талую зону. Накопление нефти в мерзлой зоне обусловлено адвективным механизмом переноса нефти с миграционным потоком влаги.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ связана с тем, что полученные результаты могут быть использованы при исследовании и прогнозировании ореолов рассеяния углеводородного загрязнения на участках добычи и транспорта нефти в криолитозоне. Данные экспериментов могут быть также использованы при проектировании хранилищ нефти и нефтепродуктов в толще МП. Экспериментально полученные значения потоков и коэффициентов переноса нефти в мерзлых породах могут быть входными параметрами при математическом моделировании распространения загрязнителя. Ряд методических положений и часть полученных в работе результатов используются в учебном процессе кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В ходе работы автором была изучена имеющаяся на момент исследований литература по проблеме углеводородного (УВ) загрязнения северных территорий, освоен и предложен целый ряд методов, необходимых для комплексного изучения переноса и накопления нефти в промерзающих и мерзлых породах. Используемые существующие методы были адаптировгны и модернизированы в соответствии с поставленными задачами. При личном участии автора в составе рабочей группы было проведено более 100 определений краевых углов смачивания мерзлых пород и льда нефтью, 20 опытов по распределению нефти по поверхности мерзлых пород и льда, 50 опытов по проникновению вглубь них и более 30 по перераспределению нефти в промерзающих породах. Автором выполнена обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации были апробированы на четырех международных научных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов-1998 — 2001» /Москва/- на научной конференции.

Ломоносовские чтения" /Москва, 1998/- на международной научной конференции «Проблемы криологии Земли» ' Пущино, 1998, 2001/, на двух международных научных конференциях «Оценка и рекультивация загрязненных территорий в ариктическом и холодном климате» /Эдмонтон, Канада, 1999, 2001/, на Второй международной конференции геокриологов России /Москва, 2001/, на 7-ом международном симпозиуме по термальной инженерии и наукам в холодных регионах /Сеул, Корея, 2001 /.

ПУБЛИКАЦИИ. За время работы по данной теме автором совместно с сотрудниками лаборатории и научным руководителем было опубликовано 14 научных статей, в том числе две в международных научных журналах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа объемом страниц текста содержит рисунков, таблиц и состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы, который включает наименований. Общий объем работы, включая таблицы и рисунки, составляет страниц.

В основу работы положены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором в период обучения в очной аспирантуре кафедры геокриологии геологического факультета МГУ в 1998;2001 годах под руководством к.г.-м.н., доцента Е. М. Чувилина, которому автор выражает свою глубокую и искреннюю благодарность. Автор глубоко признателен зав. кафедры геокриологии профессору Э. Д. Ершову, по инициативе которого были поставлены эти исследования. Также большое спасибо всем сотрудникам, аспирантам и студентам кафедры, участвовавшим в проведении экспериментальной программы — к. г-м.н. Н. С. Налетовой, Е. В. Козловой, Н. Г. Волкову, Е. А. Типикиной и др. Автор искренне благодарит д. г-м.н. Ю. Д. Зыкова, д. г-м.н. В. Г. Чеверева, к.гн. К. А. Кондратьеву за полезные советы и внимание.

Особая моя благодарность к. г-м.н. Е. В. Соболевой и сотрудникам кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых Геологического факультета МГУ, к.т.н. Н. С. Челинцеву и Е. Д. Гейнцу — сотрудникам кафедры хранения и транспорта нефти РГУ им. Губкина и Арне Инстанесу из Норвежского геотехнического института за содействие и помощь в проведении экспериментальной программы.

выводы.

Полученные автором результаты экспериментального исследования нефтяного загрязнения мерзлых и промерзающих пород, отражающие научную новизну, теоретическую и практическую значимость работы сводятся к следующему.

1.Разработана комплексная методика экспериментального исследования нефтепереноса в мерзлых и промерзающих породах, позволяющая получить качественные закономерности и количественные параметры нефтепереноса, состоящая из трех методических блоков — а) изучения физико-химического взаимодействия нефти с криогенными средами при отрицательных температурахб) исследования переноса нефти в мерзлых породахв) исследования переноса нефти в промерзающих породах.

2. Выявлены закономерности растекания нефти по поверхности мерзлых пород в зависимости от типа поверхности, состава нефти и температурных условий. а) в области отрицательных температур -1,5 и -7 °С растекаемость нефти снижается в ряду поверхностей песок — глина — лед, а также с повышением температуры застывания нефтизастывшие в условиях опыта нефти растекаются за счет в^{деления} из их объема отдельных наиболее подвижных фракцийб) растекаемость нефти снижается при понижении температуры среды, и при -20 °С не превышает для исследуемых нефтей 100% - влияние минеральной поверхности и состава нефти в этих условиях проявляется слабо.

3.Выявлены основные закономерности переноса нефти в мерзлых породах: а) увеличение степени заполнения пор льдом МП, а также наличие шлировых криогенных текстур, приводит к снижению (на порядок и более) интенсивности переноса нефтиб) увеличение дисперсности в ряду песок-супесь-глина приводит к повышению интенсивности переноса нефти при низких отрицательных температурахв условиях высоких отрицательных температур (-1,5 °С) наблюдается обратная зависимостьв) начальное засоление породы приводит к снижению нефтепереносаг) проникновение нефти в мерзлые породы фиксируется до -20°С и нижев песке с понижением температуры среды (от -1,5 до -20 °С) наблюдается закономерное снижение накопления нефтив тонкодисперсных породах, при низких отрицательных температурах (-7 °С), возможно аномально высокое накопление нефти, связанное с образованием микротрещин в грунтег) наибольшей подвижностью отличаются легкие нефти с низкими отрицательными температурами застывания и низкой вязкостьюотдельные нефтяные компоненты могут проникать в МП даже при температурах среды ниже температуры застывания нефти.

4. Установлены основные закономерности переноса нефти в промерзающих породах: а) при промерзании имеют место два направления движения нефтиотжатие в немерзлую зону и накопление в мерзлой зоне промерзающей породыпервое, основное, направление характерно для песчаных пород, и тонкодисперсных пород в условиях неинтенсивного влагопереноса в мерзлую зонув тонкодисперсных породах возможно локальное накопление нефти в мерзлой зонеб) с увеличением скорости промерзания отжатие нефти снижается, практически до полного подавления при скорости промерзания 2 см/часв) уменьшение начального содержания нефти в промерзающей породе до 1% приводит к прекращению отжатия нефти в талую зонуг) наибольшей подвижностью в промерзающих грунтах характеризуются легкие нефти с низкой температурой застывания, однако, даже застывшая в области фазовых переходов нефть перераспределяется в результате разделения ее на компоненты с различной степенью подвижности.

5. Предложены основные механизмы переноса нефти в мерзлых и промерзающих породахв МП преобладают капиллярный перенос и поверхностная диффузия нефти и отдельных ее компонентовперенос по пленкам незамерзшей воды растворимых соединений нефти малоэффективен. В промерзающих породах нефть, в основном, вытесняется кристаллизующейся влагой в талую зону образцав тонкодисперсных породах возможен адвективный перенос нефти с миграционным потоком влаги в мерзлую зону.