Источники загрязнения геологической среды

Принципиально источники воздействия на геологическую среду можно разделить на две большие группы: вызывающие поверхностные изменения геологической среды и эндогенные. Первая группа источников подразделяется на механические, физические, физико-химические, химические и биологические источники:

• • механические воздействия — уплотнения, разуплотнения, аккумуляция и эрозия рельефа;
• • физические воздействия — гидромеханическое, гидродинамическое, термическое, электромагнитное и радиоактивное; они реализуются через появление аккумулятивных и эрозионных форм, изменение напора подземных вод, нагревание, возникновение электрических токов и радиационное загрязнение и др.;
• • физико-химические воздействия — гидратирование, кольматирование, выщелачивание, ионно-обменное воздействие;
• • химические воздействия — загрязнение или закрепление грунтов и их компонентов;
• • биологические — загрязнение грунтов и циркулирующих вод и воздузха.

Большая часть объектов НГК находится в пределах развития многолетнемерзлых пород (ММП). Это создает свою специфику миграции и трансформации загрязнений. Мерзлота рассматривается как своеобразный экран, препятствующий проникновению загрязнтелей на значительные глубины. Однако последними исследованиями экспериментально показана возможность миграции НИ к основанию сезонно-талого слоя за счет процессов криогенной метаморфизации. Проницаемыми для нефти оказались даже породы со степенью заполнения пор льдом до 0,8—0,9, т. е. практически полностью льдонасыщенные. Содержания нефти для таких образцов в основном составляли 5—15 г/кг. С 2001 г. на мысе Болванском в устье р. Печоры обнаруженные концентрации НИ в вечномерзлых супесчаносуглинистых породах (до 0,7 м от кровли мерзлоты и возможно глубже) составили 400—800 мг/кг^[1]. Наличие структурных дефектов в верхних горизонтах ММП (прежде всего микротрещиноватости), являющихся путями проникновения нефтяного загрязнения, обусловлено температурными объемно-градиентными напряжениями, возникающими здесь при существенных температурных колебаниях в течение годового цикла.

Более всего загрязнению подвержаны подземные воды. Процессы загрязнения с поверхности обусловлены фильтрацией бурового раствора и других реагентов. Как правило, эти процессы при бурении не распространяются на значительные расстояния. В самую верхнюю часть до глубины 20—30 м проникновение фильтрата бурового раствора исключено спуском шахтного направления и его цементированием. В водоносные горизонты до глубин 100—150 м фильтрат бурового раствора проникает на расстояние 1,5—2 м от стенок скважины вследствие кратковременности бурения данного интервала и его изоляции кондуктором с затрубной цементацией.

Основные объекты НГК подразделяются по признакам стационарности объектов (постоянные, временные), пространственных параметров объектов (площадные, линейные), теплофизических характеристик (тепловыделяющие, нетепловыделяющие).

Под площадными понимаются объекты, расположенные на одном и более элементарном водосборе (водосборы имеют четко выраженные границы и строго определенное перемещение влаги от периферии к осевым линиям (реке или дрене) и занимают площадь более 500 м². Линейные объекты располагаются на нескольких элементарных водосборах, занимая в каждом из них площадь не менее 500 м². Пространственные параметры характеризуются кратным превышением в вертикальной проекции одного из линейных размеров над другим. Точечные объекты расположены в одном элементарном водосборе и занимают площадь менее 500 м².

Тепловыделяющие — объекты, при строительстве и эксплуатации которых происходит перманентное выделение теплоты, приводящее к активным изменениям теплового баланса грунтов. Нетепловыделяющие — объекты, при строительстве и эксплуатации которых не происходит выделения теплоты, а изменение теплового баланса грунтов носит пассивный характер.

Эндогенные воздействия. Скопление нефти и газа с современных позиций — это сложная открытая динамическая система, охватывающая нижнее и верхнее полупространства земной коры. Вскрытие этой системы даже одной скважиной является провоцирующим моментом, не говоря уже о масштабном извлечении нефти. При бурении скважин происходит несколько технологических «ударов»¹: репрессия при вскрытии продуктивного пласта с превышением пластового давления в 4—5 МПа и депрессия при освоении скважин до 10 МПа. Техногенное воздействие не только изменяет естественный режим залежей, но и порождает новое несбалансированное состояние газотранспортной системы (ГТС) или ее отдельных частей (рис. 11.2)^[2][3].

Рис. 11.2. Принципиальная схема формирования чрезвычайных геодинамических ситуаций и их промышленных и экологических последствий при разработке месторождений углеводородов согласно Концепции «Геодинамическая безопасность освоения углеводородного.

потенциала недр России".

Поверхностные инженерно-геологические изменения. Эколого-геологическая оценка территорий и организация мониторинга геологической среды с учетом многостороннего и сложного характера объектов добычи нефти невозможны без анализа техногенных воздействий, их типизации и классифицирования. При оценках по степени влияния различных факторов на геологическаю среду некоторыми специалистами выделяются экстремальные, ущербообразующие их категории. К первым относятся землетрясения, селевые потоки, тектонические разломы и др.; ко вторым — оползни, подтопления, просадки, набухания грунтов, заболачивания, засоления, затопления, плоскостной смыв, эрозия, эоловые процессы. Для каждой из этих групп вводятся рейтинговые коэффициенты, по сочетанию которых оценивается геодинамическая уязвимость территории — от слабой до высокой.

К общим показателям техногенных воздействий относят геометрические размеры зон влияния источника (площадь, ширину, высоту, длину зоны влияния, объем и др.). Частными показателями являются специфические параметры, характерные только для данного вида воздействия. Иногда характер и интенсивность какого-либо вида воздействий оценивают в долях ПДК или по отношению к фону.

Подземные ядерные взрывы (ПЯВ). С экологической точки зрения каждый ПЯВ, вне зависимости от целей его проведения, представляет значительную опасность для природной среды, так как он формирует первичный источник радиоактивного «загрязнения» недр. Такой источник необходимо рассматривать как неконтролируемое захоронение радиоактивных отходов, подвергающихся постоянному воздействию естественных и техногенных процессов, протекающих в недрах. Особенно контрастными такие проявления могут быть при разработке нефтяных и газовых месторождений и при эксплуатации подземных емкостей. В этих случаях радиоактивные отходы и непрореагировавшее горючее вместе с пластовой водой и У В могут выноситься на поверхность. Кроме этого, происходит загрязнение промыслового оборудования, трубопроводов и территорий объектов нефтегазодобычи.

Как показали исследования, образовавшиеся в результате ПЯВ полости (независимо от литологии горных пород, в которых проводился подрыв) являются проницаемыми и связаны разветвленной системой искусственной трещиноватости. Эта система объединяет полости ядерного взрыва с продуктивными и водонасыщенными горизонтами.

Воздействие объектов добычи нефти на криолитозону. Геокриологические исследования являются неотъемлемой частью оценочных работ на месторождениях, расположенных в пределах развития ММП. Геокриологическая обстановка является ведущим фактором эволюции экосистем в условиях Крайнего Севера и определяет течение природных процессов, реакцию ландшафтов на техногенные воздействия. Многолетнемерзлые породы являются динамичным и неустойчивым компонентом геологической среды, от состояния которого зависит нормальная работа предприятий всех уровней — от скважин до вспомогательных объектов.

При ведении хозяйственной деятельности в условиях криолитозоны (освоение месторождений нефти и газа, сооружение и эксплуатация трубопроводов и других объектов) техногенные факторы преобразования криолитозоны подразделяют на две большие группы:

• • косвенные, вызывающие изменение условий тепловлагообмена на контакте «грунт — атмосфера»;
• • прямые, связанные с тепловым воздействием на мерзлые основания.

Для условий криолитозопы последствия нарушений имеют свои особенности. Большое значение имеют такие характеристики, как состав и льдистость подстилающих почвогрунтов, их принадлежность к тому или иному типу мезорельефа, экспозиция по отношению к сторонам света, температурные вариации в отдельные промежутки времени и др. Оценочные исследования выявили, что минимальные нарушения поверхностных условий приурочены к плоским и дренируемым водораздельным поверхностям, сложенным слабольдистыми песчаными грунтами морского генезиса.

Данный вид отложений характеризуется минимальной толщиной сезонного талого слоя, незначительными понижениями среднегодовой температуры грунтов, реже — развитием процессов дефляции с образованием эоловых форм пораженности рельефа.

Аналогичные нарушения на слабодренируемых участках, сложенных сильнольдистыми дисперсными отложениями, сопровождаются термопросадками, а на участках развития пластово-жильных льдов могут привести к активизации термокарстовых явлений.

Изменение условий осадконакопления является одним из наиболее значимых факторов воздействия на тепловой баланс ММП, который определяет динамику вариаций мощности слоя сезонного оттаивания и температуру мерзлой толщи на уровне нулевых годовых амплитуд и другие параметры мерзлотных процессов. Наибольшее изменение условий осадконакопления при обустройстве месторождений тяготеет к техногенным отрицательным формам — выемкам грунтов, карьерам, оврагам и др., а также наблюдается в пределах застраиваемых территорий. Данные по месторождению Медвежьему свидетельствуют о том, что при увеличении в естественных условиях (до 0,5 м) толщины снежного покрова происходит повышение среднегодовой температуры грунтов на 0,8—1°С, а при мощности снега более 1 м такое увеличение приводит к повышению температуры основания на 0,2—0,4°С^[4].

Изменения режима поверхностного и грунтового стока определяет характер протекания различных экзогенных явлений, таких как подтопление территорий, активизация склоновых процессов, формирование техногенных хасыреев (типичное для равнинной Якутии и Тюменской области геологическое образование) и др. В развитии подтопления особенно велика роль промышленных отсыпок. В их теле образуется мерзлое ядро, играющее роль техногенного барража, препятствующего фильтрации поверхностных вод. Возведение крупных линейных сооружений, особенно в пределах низких пойм, приводит к образованию крупных техногенных водоемов, под которыми начинается интенсивное образование таликовых зон. Скорость и мощность этих зон зависит от глубин и размеров водоема, а также от состава и криогенного строения пород.

Реакция окружающей среды на вмешательство проявляется через разрушение земляных отсыпок площадок и автодорог в виде эрозионного расчленения и развития процессов суффозии.

Наиболее крупное исследование, позволяющее провести анализ теплового воздействия геотехнических систем добычи газа, проведено на месторождении Медвежье. Результаты исследований по инженерно-геокриологическому мониторингу промплощадок месторождения, а также ряд других наблюдений позволяют сделать следующие выводы относительно взаимодействия инженерных сооружений с ММП.

Деформации зданий, сооружений и трубопроводов являются неравномерными по их протяженности и разнонаправленными на различных участках, что свидетельствует о дискретном характере взаимодействия сооружений с геологической средой в криолитозоне. Поэтому сооружение, его фундамент и грунты следует рассматривать как единую геолого-техническую систему, имеющую сложный характер взаимодействия элементов.

К основным видам взаимодействия элементов таких систем следует отнести:

• • прямое тепловое воздействие инженерного сооружения на грунты основания;
• • опосредованное тепловое воздействие инженерного сооружения и его фундамента на грунты основания;
• • механическое воздействие грунтов основания на фундамент инженерного сооружения.

Часто встречающимся видом деформации фундаментов является выпучивание, вызванное воздействием касательных сил морозного пучения, возникающих в слое сезонного промерзания-оттаивания. Размер сезонного перемещения свай — от первых мм до 150 мм. Накапливающиеся деформации за период эксплуатации достигают 200—300 мм, а в отдельных случаях — до 1 м. Всего деформациям подвержено более 20% наблюдаемых свай, а около 12% имеют деформации, превышающие допустимые значения, что приводит к недопустимости дальнейшей эксплуатации данных объектов месторождения.

Значительные деформации фундаментов сооружений с увеличением как амплитуд деформаций, так и числа мест их проявлений начинаются повсеместно на 5—8-й годы эксплуатации.

Характерным видом деформаций является осадка сооружений, вызванная просадочными явлениями грунтов оснований при оттаивании. Осадкам подвергаются как фундаменты, попадающие в пределы ореолов оттаивания, которые формируются вокруг подземных трубопроводов либо скважин, так и сами трубопроводы различного назначения. Размеры осадок фундаментов и сооружений изменяются от первых см до 1,5—2 м.

Причиной осадки фундаментов также является низкая несущая способность пластичномерзлых грунтов, а в некоторых случаях и талых, за счет воздействия динамических нагрузок от вибрирующих агрегатов.

Эксплуатация кустов нефтеи газодобывающих скважин с положительной температурой продукции сопровождается возникновением цилиндрических ореолов оттаивания, формированием приустьевой воронки и повышением температуры грунтов на значительное расстояние от ствола скважины. Максимальная зона теплового влияния, несмотря на теплоизоляционные мероприятия при сооружении скважины и ее эксплуатацию в течение 25 лет, может достигать 50 м. Протаивание льдистых грунтов в верхней части разреза приводит к обвалам грунта, искривлению лифтовых колонн и деформации труб, их смятию при обратном промерзании, что может спровоцировать различного рода аварийные ситуации.

Эксплуатация подземных трубопроводов с положительной температурой транспортируемой продукции приводит к образованию таликовых зон различных размеров (чаще от 1—2 до 5—6 м). Это сопровождается проседанием поверхности, локальным термокарстом, термоэрозией вдоль грубы, что нередко приводит к всплытию трубопроводов на дневную поверхность. Транспортировка охлажденной продукции (газа с температурой от -2 до -7°С) приводит к поднятию верхней границы ММП и затруднению водообмена, что грозит активизацией термоэрозиии и онолзней-снлывов.

Механические нагрузки на массив ММП подразделяются на статичные и динамические и производятся практически всеми объектами добычи нефти и газа, возведенными на фундаментах. Реакция ММП на этот вид воздействия проявляется в виде длительной деформации или ползучести. В целом такие нагрузки оказывают незначительное влияние на геокриологическую обстановку на стационарных объектах. В большей степени механические нагрузки с неблагоприятными эффектами характерны для начальных периодов освоения месторождений (движение транспорта, перетаскивание буровых установок и др.).

Химическое загрязнение ММП также имеет наибольшие масштабы при бурении и аварийных разливах нефти и ГСМ. Загрязняются прежде всего почвы, а также подстилающие породы и воды сезонно-талого слоя. При длительном характере загрязнения загрязнители проникают в межмерзлотные воды.

• [1] См.: Чувилин Е. М.} Микляева Е. С. Полевой эксперимент по оценке нефтяного загрязнения верхних горизонтов многолетнемерзлых пород // Криосфера Земли. 2005. Т. IX. № 2.С. 60−66.
• [2] См.: Запивалов Н. П. Флюидодинамический экомониторинг в процессе разведки и разработки нефтегазовых месторождений: материалы Междунар. науч. конф. «Геоэкологияи современная геодинамика нефтегазоносных регионов». М.: ИРЦ Газпром, 2001. С. 79—91.
• [3] См.: Концепция «Геодинамическая безопасность освоения углеводородного потенциаланедр России». М.: Изд-во ИГиРГИ, 2000.
• [4] См.: Грива Г. И. Воздействие объектов газовой отрасли на криолитозону // ПТС. Сер. Проблемы экологии в газовой промышленности. М.: ИРЦ Газпром, 1999. № 1. С. 14—29.