Техногенные опасности систем нефтегазодобычи

Нефтегазодобыча — отрасль техногенной деятельности, охватывающая научные исследования, разведку месторождений нефти и углеводородных газов, бурение разведочных скважин, создание и работу буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа.

Нефть представляет собой жидкофазное вещество, накапливающееся в породах недр земли. Нефть в нефтяном месторождении имеет повышенное давление, которое уменьшается при перемещении ее на поверхность. При снижении давления из нефти выделяется попутный нефтяной газ. Нефтегазовое месторождение имеет в залежи над слоем нефти природный газ и может разрабатываться с их раздельной добычей. Газоконденсатное месторождение кроме газа содержит углеводородный конденсат. Жидкофазный газовый конденсат выделяется из перемещенного на поверхность вещества вследствие понижения давления. Газовое месторождение содержит природный газ без конденсата.

Нефть имеет в элементном составе кроме углерода и водорода серу, азот, кислород, некоторые металлы. Химический состав нефти представляют также количеством парафиновых (алканы), нафтеновых (цикланы), ароматических (арены) и олефиновых (алкены) углеводородов; гетероатомных, серосодержащих, азотосодержащих и кислородосодержащих соединений; а также смол и асфальтенов. Жидкофазная нефть, извлекаемая из недр посредством скважин, выносит на поверхность кроме попутного нефтяного газа твердые частички горных пород и пластовую воду с минеральными солями (хлоридами, сульфатами и др.).

Сырой газовый конденсат, выносимый из скважин в виде капельной жидкости, содержит парафиновые углеводороды от этана (С₂) до до декана (С₂₀), а также ароматические и нафтеновые углеводороды. Стабильный газовый конденсат получают удалением из сырого конденсата относительно легких углеводородов (этана, пропана, бутана).

Природные и попутные нефтяные газы кроме метана и других легких углеводородов парафинового ряда содержат азот, диоксид углерода и могут содержать сероводород и другие соединения серы.

Поиск месторождений нефти и газа проводят геологическими, геофизическими и геохимическими методами. Геологические методы предусматривают сбор данных о геологическом строении тех недр, которые имеют признаки месторождений. Геофизические методы позволяют определить глубинное строение недр и найти предполагаемые нефтяные и газовые залежи. К таким методам относятся сейсморазведка, магнитои электроразведка. Геохимическими методами, дополняющими геофизические, являются газовая, микробиологическая, люминесцентно-битуминологическая и радиоактивная съемки.

Нахождение залежи в недрах обнаруживается посредством бурения разведочных скважин. Разведочная, а также эксплуатационная скважины создаются буровой установкой, основными компонентами которой являются буровая вышка, устройства бурения, спуска и подъема, привода и др.

Буровая вышка представляет собой металлоконструкцию с устройством для подъема и опускания бурильных труб. Высокопрочные бурильные трубы соединяются в бурильную колонну, к нижней части которой крепится долото с зубьями из твердых сплавов. Зубья при вращении долота дробят породу и образуют полость скважины. Долото вращается подземными двигателями или вместе с бурильной колонной, имеющей роторное или верхнее приводное устройство.

Скважины бурят с применением промывного раствора, содержащего тяжелые бентонитовые глины. Буровой раствор охлаждает долото, промывает забойную зону от частиц породы, уравновешивает пластовое давление обнаруженной залежи.

Устье скважины обустраивается обсадной колонной длиной 6—8 м. При проходке первых сотен метров стенки скважины укрепляются обсадной колонной меньшего диаметра и т. д. Последняя обсадная колонна является эксплуатационной. В нее помещается перфоратор, с помощью которого пробиваются стенки и создаются каналы для притока нефти и газа из залежи в скважину. Скважинная арматура, установленная на устье, направляет нефть (газ) в трубопроводы и устройства промысловой подготовки.

Буровое предприятие проводит подготовительные работы к строительству скважины, вышкомонтажные работы, подготовительные работы к бурению, бурение и крепление скважины, испытание скважины на продуктивность и передачу се в эксплуатацию. Морское бурение скважин и добычу нефти и газа ведут с плавучих и стационарных платформ. Буровая платформа представляет собой сложное техническое сооружение массой до 30 000 т с автономным функционированием.

Пластовое давление нефти в начальный период эксплуатации месторождения достаточно для фонтанного метода добычи. После снижения давления переходят на другие методы: нагнетание углеводородного газа в контур нефтяного пласта или в слой нефти (газлифтный метод), подачу в залежь пресной воды (рис. 4.4) и др. К опосредованным методам относятся: гидроразрыв и термическая обработка пласта, обработка забоя скважины растворами поверхностно-активных веществ, кислот и других реагентов. Одним из методов добычи нефти является откачка нефти глубинными насосами.

Добыча газа производится фонтанным методом. Подготовка нефти и газа к транспортировке состоит в следующем: сепарация нефти и газа, обезвоживание и обессоливание нефти, стабилизация нефти, сушка и очистка газа, извлечение из газа относительно тяжелых углеводородов, стабилизация сырого газового конденсата и др.

Нефтегазодобывающее предприятие проводит добычу нефти и газа, сбор и утилизацию попутного газа, комплексную подготовку нефти и газа, хранение нефти, подземный ремонт скважин, надземный ремонт скважин и оборудования, исследование скважин и пластов.

Технетические компоненты техногенных систем нефтегазодобычи являются источниками детерминированных и стохастических техногенных воздействий. К приемникам прямых и косвенных воздействий наряду с другими относятся антропные и биотические организмы окружающей среды.

Рис. 4.4. Схема добычи нефти [10]:

• 1 — продуктивный пласт; 2 — скважинный насос; 3 — подъемные трубы;
• 4 — обсадная колонна; 5 — устье скважины; 6 — замерная установка;
• 7 — кустовое насосное оборудование; 8 — установка предварительного сбора воды; 9 — дожимное насосное оборудование; 10 — отвод газа;
• 11 — трубопровод водопефтяной смеси; 12 — установка подготовки нефти;
• 13 — установка подготовки воды; 14 — водопровод; 15 — нагнетательная скважина; 16 — подача нефти в магистральный трубопровод

Технегическими компонентами техногенных систем нефтегазодобычи, создающими воздействия на антропные и биотические организмы окружающей среды, становятся:

• 1) технические устройства и сооружения, используемые для разведки месторождений нефти и углеводородных газов, бурения разведочных скважин, создания и работы буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа;
• 2) добываемые и перерабатываемые нефть, попутный нефтяной газ, газовый конденсат, природный газ;
• 3) технетические вещества и энергия, применяемые при разведке месторождений, добыче и первичной переработке нефти и газа;
• 4) отходы разведки месторождений, добычи и промысловой переработки нефти и газа.

Антропные и биотические организмы окружающей среды являются приемниками прямых детерминированных техногенных воздействий, которые имеют следующие названия:

• 1) ингаляционное воздействие технетических веществ, поступающих во вдыхаемый воздух:
  • • из устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, в том числе ингаляционное воздействие этиленгликоля, применяемого при промысловой обработке природного газа в целях предотвращения образования кристаллогидратов,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав добываемых и перерабатываемых нефти, попутного нефтяного газа, газового конденсата, природного газа, включая ингаляционное воздействие нефти, пары которой выходят в атмосферу при заполнении резервуаров хранения на промысле и при их «дыхании»,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав отходов разведки месторождений, добычи и промысловой переработки нефти и газа, в частности ингаляционное воздействие аммиака, образующегося вследствие распада гидросульфидов аммония в электродегидраторах при промысловой подготовке нефти;
• 2) акустическое воздействие звуковой энергии устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, в том числе акустическое воздействие звуковой энергии дизельного двигателя буровой установки;
• 3) инфразвуковое воздействие колебательной энергии устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, включая инфразвуковое воздействие колебательной энергии бурильной колонны, передающей вращение от роторного приводного устройства к долоту;
• 4) вибрационное воздействие устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, в частности вибрационное воздействие штанговой скважинной насосной установки при механизированной добыче нефти;
• 5) воздействие электромагнитного неионизирующего излучения устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, в том числе воздействие электромагнитного неионизирующего излучения комплектной трансформаторной подстанции для питания погружных электронасосов при добыче нефти.

Антропные и биотические организмы окружающей среды становятся приемниками косвенных детерминированных техногенных воздействий, которые имеют следующие наименования:

• 1) кожно-резорбтивное воздействие технетических веществ, поступающих в воду:
  • • из устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, включая кожно-резорбтивное воздействие смеси соляной кислоты с метанолом, попадающей в воду при кислотном гидравлическом разрыве пласта для повышения нефтеотдачи,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав добываемых и перерабатываемых нефти и газа, в частности кожно-резорбтивное воздействие нефти, попадающей в воду при глубоко проникающих и массированных гидравлических разрывах пласта для повышения нефтеотдачи,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав отходов разведки месторождений, добычи и промысловой переработки нефти и газа, в том числе кожно-резорбтивное воздействие сточных вод, образующихся при термохимической установке обезвоживания нефти;
• 2) пищеварительно-резорбтивное воздействие технетических веществ, поступающих:
  • • из устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, включая пищеварительно-резорбтивное воздействие сепарола, применяемого в качестве деэмульгатора при обезвоживании нефти,
  • • материалов и массивов веществ, входящих в состав добываемых и перерабатываемых нефти и газа, в частности пищеварительно-резорбтивное воздействие сероуглерода, содержащегося в сыром газовом конденсате,

• • материалов и массивов веществ, входящих в состав отходов разведки месторождений, добычи и промысловой переработки нефти и газа, в том числе иищеварительно-резорбтивное воздействие буровых шламов;
• 3) тепловое воздействие массива воздуха, изменяющего температуру вследствие потерь энергии из устройств и сооружений, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, включая тепловое воздействие массива воздуха, повышающего температуру вследствие сбросного сжигания попутного газа на факельных установках.

Антропные и биотические организмы окружающей среды могут оказаться приемниками стохастических техногенных воздействий, которые имеют следующие названия:

• 1) электрическое воздействие переменного тока, доставляемого на буровое или добывающее предприятие, вследствие происшествий на кабельных и воздушных линиях электропередачи, в частности включая электрическое воздействие переменного тока, передаваемого на нефтегазодобывающее предприятие посредством воздушной линии класса напряжения 35 кВ, в результате прямого электрического прикосновения;
• 2) взрывное воздействие оборудования под давлением, применяемого при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, включая взрывное воздействие электрогидратора для обессоливания и обезвоживания нефти вследствие взрывной разгерметизации;
• 3) пожарное воздействие вследствие горения:
  • • технетических веществ и материалов, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, в частности пожарное воздействие вследствие горения метанола, применяемого при промысловой обработке природного газа в целях предотвращения образования кристаллогидратов,
  • • добываемых и перерабатываемых нефти, попутного нефтяного газа, газового конденсата, природного газа, включая пожарное воздействие вследствие горения нефти в резервуарах хранения на промысле,
  • • технетических веществ, входящих в состав отходов разведки месторождений, добычи и промысловой переработки нефти и газа, в том числе пожарное воздействие вследствие горения сероводорода и аммиака, образующихся вследствие распада гидросульфидов аммония в электродегидраторах при промысловой подготовке нефти;
• 4) взрывное воздействие вследствие дефлаграции и детонации:
  • • технетических веществ и материалов, используемых при разведке месторождений нефти и углеводородных газов, бурении разведочных скважин, создании и работе буровых предприятий и добывающих предприятий, которые эксплуатируют скважины и проводят промысловую подготовку нефти и газа, включая взрывное воздействие вследствие дефлаграции природного газа, применяемого для двигателей буровой установки,
  • • технетических веществ, входящих в состав добываемых и перерабатываемых нефти, попутного нефтяного газа, газового конденсата, природного газа, в частности взрывное воздействие вследствие дефлаграции отходящих углеводородных газов при термохимическом обезвоживании нефти,
  • • технетических веществ, входящих в состав отходов разведки месторождений, добычи и промысловой переработки нефти и газа, в том числе взрывное воздействие вследствие дефлаграции сбросного попутного газа, сжигаемого на факельных установках.

Указанные воздействия становятся опасными, если их уровни превышают предельно допустимые.

Платформа сверхглубокого бурения Deepwater Horizon, спущенная на воду в 2001 г., начала применяться для разработки нефтяного месторождения в Мексиканском заливе с февраля 2010 г. С нес под водой на глубине 1500 м была пробурена скважина, через которую на поверхность поступала нефть.

Легкие углеводороды из скважины вследствие негерметичности через систему вентиляции 20 апреля 2010 г. наполнили пространство буровой платформы. Произошел взрыв. Устройство, которое должно было перекрыть скважину, нс сработало.

Последовавший за взрывом пожар длился 36 ч, погибли 13 человек. Платформа 22 апреля затонула. Для предотвращения вытекания нефти начались работы по установке стального купола, который должен был накрыть поврежденную платформу и прекратить разлив. Вытекание нефти полностью остановили 4 августа после закачки в поврежденную скважину бурового раствора и цемента. Для полной герметизации скважины пробурили две разгрузочные скважины, в которые также закачали цемент, закрывший скважину 19 сентября 2010 г.

В период ликвидации последствий взрыва в воду ежесуточно попадало порядка 5000 баррелей нефти, по другим данным в воду попадало до 100 000 баррелей в сутки. К концу апреля нефтяное пятно достигло устья реки Миссисипи, а в июле 2010 г. нефть была обнаружена на пляжах штага Техас. Подводный нефтяной шлейф растянулся на 35 км в длину на глубине более чем 1000 м. В воды Мексиканского залива из поврежденной скважины за 152 дня вылилось около 7 млн баррелей нефти. Площадь нефтяного пятна составила 80 тыс. км².

Акватория Мексиканского залива была частично закрыта для рыбного промысла. Несколько сотен миль побережья оказались загрязненными. Были найдены мертвыми 650 морских черепах, 120 дельфинов, более 6500 птиц и большое количество других млекопитающих. Вследствие разлива нефти увеличилась смертность дельфинов и китов. Тропические коралловые рифы, расположенные в Мексиканском заливе, оказались в угнетенном состоянии. Нефть также попала в воды прибрежных заповедников и болот.

Сведения Российского статистического ежегодника (2014 г.) [9] о производстве нефти и газа приведены в табл. 4.18.

Сведения статистического сборника «Охрана окружающей среды в России» [7] относительно топливно-энергетических полезных ископаемых представлены в следующих таблицах.

Добыча нефти и газа

Количество отходов, выбросы и сброс загрязняющих веществ при добыче топливно-энергетических полезных ископаемых показаны в табл. 4.19.

Таблца 4.19

Образование отходов, выбросы и сброс загрязняющих веществ по годам

Выбросы наиболее распространенных загрязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных источников при добыче топливноэнергетических полезных ископаемых в 2013 г., представлены в табл. 4.20.

Таблица 4.20

Выбросы наиболее распространенных загрязняющих веществ, тыс. т

Сброс основных загрязняющих веществ со сточными водами в водные объекты РФ при добыче топливно-энергетических полезных ископаемых за 2013 г. указан в табл. 4.21.

Таблица 4.21

Сброс основных загрязняющих веществ со сточными водами

Уровни техногенных воздействий систем нефтегазодобычи на окружающую среду коррелируются с приведенными количествами продукции и отходов.