CC BY
96
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
2013. Вып. 1
УДК 502.51:502.175 (470.51)
О.В. Гагарина, М.Б. Полозов
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В ПРЕДЕЛАХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ СТАДИИ ПАДАЮЩЕЙ ДОБЫЧИ НЕФТИ (НА ПРИМЕРЕ АРХАНГЕЛЬСКОГО НЕФТЯНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ)
Исследуется проблема изменения качества речных вод в пределах нефтяных месторождений. Рассматриваются особенности ионного состава поверхностных вод и его динамики в пределах месторождения стадии падающей добычи. Выявляются компоненты солевого состава природных вод, которые наиболее сильно изменяются в результате техногенной нагрузки на речные бассейны.
Ключевые слова: качество вод, ионный состав, техногенная нагрузка, нефтяное месторождение, нефтедобыча.
Удмуртская Республика более 40 лет является нефтедобывающим регионом. К настоящему времени на ее территории насчитывается 118 месторождений нефти (в том числе Вятский участок Арланского месторождения, Саузбашевское, Золоторевское, Кучуковское месторождения, большая часть которых находится, соответственно, на территориях Республики Башкортостан, Кировской области и Республики Татарстан).
Из 114 месторождений, расположенных только на территории Удмуртской Республики, в разработке находятся 75, подготовлены к промышленному освоению - 30, в разведке - 8, в консервации - 1 [1].
Нефтедобыча как всякое антропогенное воздействие относится к прямым факторам формирования химического состава природных вод. В районах разработки месторождений нефти основными компонентами, загрязняющими природную среду, являются нефть и нефтепродукты, высокоминерализованные пластовые воды, применяемые для обработки буровых растворов химреагенты, синтетические поверхностно-активные вещества, взвешенные вещества. В ближайшие водные объекты эти вещества поступают как с организованным стоком (со сточными водами объектов нефтепромысла), так и с неорганизованным (подземным и поверхностным склоновым) стоком с загрязненной территории нефтепромысла1.
Данное исследование посвящено оценке качества поверхностных вод, попадающих под воздействие техногенных объектов на стадии падающей добычи нефти. Для этой стадии разработки месторождений характерно падение добычи нефти и увеличение добычи пластовой воды. Падение добычи объясняется выработанностью месторождений этой стадии порой до 90%. Эксплуатация данных месторождений характеризуется высокой обводненностью продукции (до 92%) [1], вследствие чего возрастает коррозионная активность транспортируемой водонефтегазовой эмульсии. Строительство сооружений по поддержанию пластового давления, установок по подготовке нефти, очистных сооружений для пластовых вод, прокладка новых трасс нефтепроводов и водоводов повышают техногенную нагрузку на водосборы рек и сами русла рек, что сказывается на загрязненности поверхностных вод.
Для анализа особенностей химического состава природных вод территории нефтяного месторождения, находящегося на стадии падающей добычи нефти, рассматривалось качество воды рек Ка-равайки и Сюрсовайки, чьи русла находятся в пределах старейшего нефтяного месторождения Удмуртии - Архангельского, разрабатывающегося с 1969 г. Месторождение, занимая небольшую площадь (30 км2), характеризуется плотной, компактной сетью нефтяных скважин и инфраструктуры, затрагивающей верховья и срединную часть бассейнов этих рек.
Речные системы Каравайки и Сюрсовайки являются левыми притоками р.Пойвай (бассейн р. Нылги). Истоки этих рек лежат на отметках 180-220 м и приурочены к водоразделу двух речных бассейнов - р. Нылги и принимающей ее речной системы - р. Валы.
Исследуемые водотоки представляют собой верховья гидрографической сети и по классификации Философова-Страллера в пределах контура месторождения имеют II порядок.
1 РД 52.24.354-94 «Методические указания. Организация и функционирование системы специальных наблюде-
ний за состоянием поверхностных вод суши в районах разработки месторождений нефти, газа и газоконденсата». СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. 32 с.
2013. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Согласно ГОСТ 17.1.1.02-772 по размеру и по водности исследуемые водотоки относятся к малым рекам. Соответственно, класс этих водотоков - III, подкласс (отражает условия формирования стока воды и самоочищающие способности) - А. Следовательно, водотоки имеют низкую способность к самоочищению из-за слабой разбавляющей способности.
В соответствии с п. 5.1.2. РД 52.24.354-943 для рек, непосредственно протекающих по территориям месторождений, обязательна сеть наблюдения за качеством вод ниже по течению организованных и неорганизованных сбросов.
В данном случае речные бассейны подвержены неорганизованному рассредоточенному воздействию, контроль и учет которого несколько затруднен. В качестве диффузных источников загрязнения для рек выступают площадки добывающих и поглощающих скважин, кустовая насосная станция (далее КНС), установка подготовки нефти (далее УПН), места порывов на технологических трубопроводах.
Анализируя техногенную нагрузку от данных объектов, можно отметить, что для рассматриваемых рек она неодинакова. Плотность нефтяных скважин для бассейна р. Каравайки составляет 1,1 скв/км2, тогда как для бассейна р.Сюрсовайки почти в два раза выше - 2,1 скв/км2. Кроме более высокой нагрузки со стороны нефтяных скважин, этот речной бассейн еще характеризуется наличием таких объектов потенциального экологического риска, свойственных месторождениям данной стадии, как КНС и УПН.
При этом способность к биохимическому самоочищению водосбора р. Сюрсовайки гораздо ниже, так как его залесенность составляет всего 12%, в сравнении с водосбором р. Каравайки, где залесенные участки занимают уже около 40% территории бассейна реки.
Материалы и методика исследований
В основу этой работы положены данные гидрохимического мониторинга поверхностных вод Архангельского нефтяного месторождения. Исследования на реках проводились с 2000-2001 гг. по октябрь 2011 г. Гидрохимический мониторинг затрагивал основные важные гидрологические циклы: зимнюю межень, весеннее половодье и летне-осеннюю межень. Частота отбора проб воды составила 4 пробы в год.
В целом за исследуемый период анализировалось от 32 до 36 значений показателей химического состава поверхностных вод. По фактическим значениям рассчитывались упрощенные статистические параметры: среднее арифметическое ^ср), экстремальные значения - максимальное и минимальное ^макс и Sмин), среднеквадратическое отклонение ^), коэффициент вариации (Сvs).
Для оценки временной изменчивости основных составляющих ионного стока был использован метод М.П. Максимовой, когда критерием оценки антропогенной составляющей компонентов солевого состава может служить их соотношение. При оценке антропогенной составляющей при этом в качестве репера используется концентрация гидрокарбонатных ионов [2; 3]. В речных водах концентрация гидрокарбонатных ионов прежде всего определяется подвижным гидрокарбонатно-кальциевым равновесием. Несмотря на некоторое поступление в реки гидрокарбонатных ионов в результате воздействия антропогенного фактора, количество гидрокарбонатов в воде фактически не возрастает из-за низкой растворимости карбоната кальция. Для лучшей показательности изменения содержания составляющей хлоридов, сульфатов, ионов натрия в ионном составе природных вод был построен полиномиальный тренд по динамике отношений НС03"/СГ, НС03"^042", НС03Т№+. Кроме того, для подтверждения тенденций изменения соотношения рассматриваемых ионов были построены графики изменения фактического содержания в природных водах рассматриваемых ионов.
Результаты и их обсуждение
1. По ионному составу речные воды относятся к водам гидрокарбонатным магниевокальциевым и гидрокарбонатным натриево-кальциевым. Такой ионный состав в целом типичен для
2
ГОСТ 17.1.1.02-77. Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов. М.: Госстандарт СССР, 1978, 1988. 13 с.
РД 52.24.354-94 «Методические указания. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием поверхностных вод суши в районах разработки месторождений нефти, газа и газоконденсата». СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. 32 с.
малых рек данного участка бассейна Камы. Однако обращает на себя внимание повышенное содержание в водах малых рек месторождения ионов натрия.
2. Наиболее варьируемым показателем качества поверхностных вод за исследуемый период явилось опять-таки содержание ионов натрия. Этот показатель качества воды имеет наибольший (в долях от единицы) коэффициент вариации - 0,630-0,764 (табл.), что свидетельствует о влиянии кроме природных факторов на формирование этого показателя еще и антропогенных факторов, среди которых может быть и нефтедобыча. В этом контексте стоит отметить, что соединения ионов с низким потенциалом (такие как № ) обладают большой миграционной способностью в водной среде. Это, несомненно, сказывается на подвижности этого иона в пределах территории нефтедобычи.
Далее, по значению коэффициента вариации следует концентрация в водах рек хлоридов и сульфатов. Содержание данных минеральных солей в поверхностных водах месторождения, которые имеют практически равные показатели вариации, также подвергалось значительным колебаниям в течение рассматриваемого времени. Что касается хлоридов, то можно констатировать, что, как и ионы натрия, ионы хлора обладают низким ионным потенциалом (С1-), соответственно и хорошей миграционной способностью, которая усиливается в районах добывающих предприятий. Чего не скажешь о сульфатах ^042"), не отличающихся высокой подвижностью в водной среде. Аналогичные со значениями коэффициента вариации хлоридов значения коэффициента вариации сульфатов в этом случае могут свидетельствовать о значительной антропогенной составляющей в стоке сульфатов.
Упрощенная оценка качества поверхностных вод территории Архангельского
нефтяного месторождения
Показатель качества воды Единицы размерности Статистические параметры
Яср S ^макс S ^мин С«
Жесткость ммоль/дм3 5,966- 6,177 6,917- 7,914 3,668- 4,676 0,492- 0,911 0,083- 0,147
Минерализация мг/дм3 479,127- 532,761 559,183- 598,331 401,712- 455,023 38,100- 41,035 0,077- 0,079
Г идрокарбонаты мг/дм3 288,126- 364,580 314,085- 411,373 228,863- 313,135 23,500- 26,860 0,074- 0,082
Хлориды мг/дм3 16,287- 53,238 26,363- 66,912 3,780- 39,764 7,363- 9,199 0,173- 0,452
Сульфаты мг/дм3 19,313- 20,158 25,000- 37,716 7,203- 13,243 3,722- 8,883 0,193- 0,441
Кальций мг/дм3 92,729- 98,697 104,315- 116,423 61,639- 73,041 8,151- 12,853 0,088- 0,130
Магний мг/дм3 15,221- 16,256 18,612- 23,636 2,956- 14,492 1,222- 5,867 0,075- 0,385
Натрий мг/дм3 17,996- 18,663 38,785- 45,658 2,112- 2,806 11,753- 13,749 0,630- 0,764
Нефтепродукты мг/дм3 Большинство значений менее 0,05
3. Менее всего в водах рек месторождения варьировалось содержание гидрокарбонатных ионов и ионов кальция (табл.). Несмотря на то что техногенные поставки этих ингредиентов солевого состава также имеются, концентрация их в природных водах прежде всего определяется подвижным гидрокар-бонатно-кальциевым равновесием и ограничивается низкой растворимостью карбоната кальция [2].
4. Анализ результатов изменчивости ионного состава речных вод показал наибольшую выраженность полиномиальных трендов только для вод одной речной системы - р. Сюрсовайки. Как было замечено выше, бассейн этой реки характеризуется более высокой техногенной нагрузкой в сравнении с бассейном р. Каравайки и большей «оголенностью» водосбора (низкий показатель залесенно-сти), что делает поверхностный смыв с водосбора этой реки более активным фактором формирования качества воды.
На второй рассматриваемой речной системе - р. Каравайке - отчетливого тренда динамики показателей ионного состава не наблюдается. Так, коэффициент детерминации ^2) тренда изменения НС03"/СГ для р. Каравайки составил всего 0,25, тогда как для р. Сюрсовайки - 0,84 (рис. 1).
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
5. Рассмотрим чуть подробнее ионный состав вод р. Сюрсовайки. Как видно из рис. 1, с хорошей представительностью на р. Сюрсовайке фиксируется рост НС03-/С1-. Практически за весь рассматриваемый период происходит снижение хлоридной составляющей в ионном стоке.
Рис. 1. Динамика НС03"/СГ для вод р. Сюрсовайки (пруд в с. Красное)
Снижение хлоридной составляющей ионного состава неплохо коррелирует с общей тенденцией снижения фактического содержания в водах р. Сюрсовайки иона хлора (рис. 2) в целом за исследуемый период.
время отбора проб воды
Рис. 2. Динамика содержания хлоридов в водах р. Сюрсовайки (пруд в с.Красное)
Меньшая выраженность тренда за период наблюдения была характерна для динамики НС03" ^042" и содержания сульфатов. Такая же слабая выраженность тренда характерна для динамики НС03" /№+ в водах этой реки, что подтверждается отсутствием тенденции в динамике фактического содержания ионов №+. Это связано с высокой изменчивостью фактического содержания этих ионов в речных водах территории месторождения, о чем свидетельствует значение коэффициента вариации (табл.).
6. Общим показателем содержания минеральных солей в воде, несомненно, является минерализация воды. Речные воды исследуемой территории характеризуются средней и повышенной минерализацией (табл.). Последняя градация минерализации не является типичной для речных вод данного участка бассейна Камы в естественных условиях. Общей тенденции в динамике минерализации воды обеих рек зафиксировано не было. Незначительный рост минерализации воды свойственен водам р. Каравайки, тогда как для р. Сюрсовайки подобная тенденция не выражена (повышение минерализации воды отмечено только в последние два года исследования).
Выводы
1. Качество различных речных вод территории нефтяного месторождения, находящегося на стадии падающей добычи нефти, близко по значениям содержания основных ионов. Таким образом, на локальном уровне - в пределах верховья одного речного бассейна - фиксируется схожий ионный состав вод малых рек, даже в условиях различной по интенсивности техногенной нагрузки на водосборы этих рек.
2. Ионный состав поверхностных вод в пределах рассматриваемого нефтяного месторождения в целом оказался типичен для рассматриваемого участка бассейна р. Камы.
3. Превышений санитарно-гигиенических нормативов для водных объектов рыбохозяйственного назначения по содержанию нефтепродуктов, минеральных солей и основных ионов не зафиксировано.
4. Заметнее всего за рассматриваемый временной период в водах рек варьировалось содержание ионов натрия. Это может объясняться как внештатными ситуациями - изливы пластовых вод на поверхность водосбора, так и поступлением данного иона в воды рек с грунтовым стоком, где повышенное содержание ионов натрия связано с высокой обводненностью месторождения на рассматриваемой стадии добычи нефти.
5. Анализ изменчивости ингредиентов солевого состава поверхностных вод показал некоторый рост техногенной составляющей сульфатов и натрия в водах обеих рек. Естественно, это не является положительным процессом для водных экосистем. Однако поскольку эта тенденция фиксируется только в последние три года за рассматриваемый период, говорить о ее временной устойчивости пока рано. За весь временной ряд коэффициент детерминации ^2) для полиномиальных трендов по динамике данных ингредиентов на обеих реках не превышал 0,5.
6. Снижение хлоридной составляющей (НС03"/СГ) в ионном составе воды рек оказалось наиболее характерно для реки с более высокой техногенной нагрузкой в пределах своего бассейна -р. Сюрсовайки. Коэффициент детерминации для полиномиального тренда НС03"/СГ приближен к единице и составляет 0,84. Подобная отчетливая тенденция выявлена также и для фактической концентрации хлоридов в водах р. Сюрсовайки ^2 для тренда снижения содержания ионов хлора составил 0,75). Таким образом, можно говорить о выраженной благоприятной тенденции за рассматриваемое время содержания хлоридов в водах этой реки.
В случае с другой исследуемой речной системой - р. Каравайкой, чей бассейн отличает более низкая техногенная нагрузка и больший показатель залесенности, о явной выраженности вышеуказанных полиномиальных трендов в целом за временной отрезок говорить не стоит ^2, соответственно, 0,25 и 0,36).
Это дает нам возможность предполагать, что выраженность тенденции содержания в поверхностных водах хлоридов оказывается тесно связанной как с величиной техногенной нагрузки в пределах бассейна реки (и, естественно, с изменением этой нагрузки), так и с характеристиками подстилающей поверхности водосбора.
7. Обобщенный показатель содержания минеральных солей для вод рассматриваемых рек не имеет схожей изменчивости. Общая тенденция в динамике показателей качества воды отмечается только по содержанию в речных водах отдельных ионов. Как упоминалось выше, для обеих рек характерно некоторое увеличение фактического содержания в воде сульфатов и ионов натрия, проявившееся на этих реках практически в один временной период. Это подтверждает, что частные показатели качества воды, более простые по своему формированию, отчетливее и быстрее отражают специфику и характер техногенной нагрузки на данной стадии разработки нефтяного месторождения.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
* * *
1. О состоянии и охране окружающей среды Удмуртской Республики в 2011 г. : государственный доклад. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. 246 с.
2. Максимова М.П. Антропогенные изменения ионного стока крупных рек Советского Союза // Водные ресурсы. 1991. №5. С. 65-69.
3. Максимова М.П. Критерии оценки антропогенной составляющей содержания тяжелых металлов в речном стоке // Водные ресурсы. 1993. Т. 20, №2. С. 270-273.
Поступила в редакцию 12.11.12
O. V. Gagarina, M.B. Polozov
Research of quality of the surface water within the field of the stage of falling oil production (by giving an example of the Arkhangelsk oil field of Udmurt Republic)
The present article is devoted to the problem of quality change of river waters within oil fields. Features of ionic structure of surface water and its dynamics within a field of a stage of falling production are considered. Components of salt composition of natural waters which most strongly undergo a change due to a technogenic river-pool loading come to light.
Keywords: quality of waters, ionic structure, technogenic loading, oil field, oil production.
Г агарина Ольга Вячеславовна, Gagarina O.V.,
кандидат географических наук, доцент candidate of geography, associate professor
E-mail: olgagagarina@mail.ru E-mail: olgagagarina@mail.ru
Полозов Михаил Брониславович, Polozov M.B., candidate of biology
кандидат биологических наук E-mail: michael999@inbox.ru
E-mail: michael999@inbox.ru TT, 0 ,
Udmurt State University
ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Russia, Izhevsk, Universitetskaya st., 1/4
426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, і (корп. 4)
