CC BY
121
© И В. Круподеров, 2013
УДК 622.23:550.8
И.В. Круподеров
МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ И ОЦЕНКИ НЕФТЕПРОДУКТОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
Рассмотрены методика выявления и оценки загрязнения нефтепродуктами геологической среды, методы газовой съемки при изучении загрязнения подземных вод зоны аэрации.
Ключевые слова: методика, оценка, загрязнение нефтепродуктами, геологическая среда, подземные воды, зона аэрации.
Общие сведения Под загрязнением нефтепродуктами геологической среды понимается присутствие в грунтах и подземных водах капельно-жидких, адсорбированных, растворенных и га зообразных углеводородов нефтяного ряда (алканов, циклоалканов, ароматических углеводородов, асфальтенов и смол), не обнаруживаемых в естественных условиях, т.е. в условиях, не нарушенных или слабо нарушенных техногенным воздействием.
Под термином «нефтепродукты» подразумевают неполярные и малополярные углеводороды (алифатические, ароматические, ациклические), составляющие главную и наиболее характерную часть нефти и продуктов ее переработки. Из-за сложности систем нефти и нефтепродуктов аналитическое понятие нефтепродуктов при их определении в водах ограничивается суммой углеводородов.
Объекты исследований — загрязненные нефтепродуктами грунты зоны аэрации, первые от поверхности водоносные горизонты, изначально пригодные для хозяйственно-питьевого и коммунально-бытового водопользования, а также для прочих нужд.
Типизируемыми элементами геологической среды, в которых выявляется и картируется загрязнение нефтепродуктами, оцениваются его масштабы и интенсивность, являются:
• почвогрунты зоны аэрации, через которые инфильтруются капельножидкие и водорастворенные нефтепродукты;
• грунтовые воды, отделенные от земной поверхности зоной аэрации и загрязняемые профильтровавшимися через нее капельно-жидкими, эмульгированными и водорастворенными нефтепродуктами;
• межпластовые безнапорные, субнапорные и напорные водоносные горизонты, питаемые загрязненными нефтепродуктами грунтовыми водами.
По интенсивности проявления выделяют два уровня загрязнения: допредельное и запредельное. Загрязнение, при котором содержание одной или совокупности миграционных форм нефтепродуктов в элементах геологической среды выше естественных (фоновых), но ниже установленных нормативов называется допредельным или начальным. Запредельным загрязнением геологической среды является такое, при котором со-
Соотношение коэффициентов фильтрации углеводородов и воды
Фильт Н- Бен- Керо- Керо- Нефть Масла Мазу- Вода
руюшееся Гек- зины сины син легкие мотор- ты прес-
вещество сан авто- (Т-1, топ- сорта ные ная
моб. ТС-1, лив-
Т-2) ный
Расчетное 0,25 0,13— 0,08— 0,06— 0,05— 0,01— 0,007— 0,12
значение К(см/с) 0,17 0,11 0,09 0,08 0,06 0,02
Отношение:
К углеводород/ 2,1 1,1— 0,7— 0,5— 0,4— 0,1— 0,2 —
К воды 1,4 0,9 0,6 0,7 0,5
держание одной или совокупности миграционных форм нефтепродуктов в элементах геологической среды превышает установленные нормативы. Уровень загрязнения почв, грунтов и подземных вод нефтепродуктами определяется относительно соответствующих нормативов: для земель — 1000 мг/кг, воды — 0.1 мг/дм. Фоновая концентрация суммы углеводородных газов в грунтах зоны аэрации на незагрязненных территориях обычно принимается равной 0.001 % об.
2. Основные свойства системы «нефтепродукт — вода»
Процессы миграции и рассеяния нефтепродуктов в подземных условиях определяются свойствами как самих нефтепродуктов, так и параметрами среды. Нефть и ее дистилляты, мигрируя в подземной пористой среде (водонасыщенной и ненасыщенной), контактируя с внут-рипочвенным воздухом, почвой, грунтом и водой, вступают с этими компонентами среды в различные химические, физико-химические, биологические реакции.
Следствием этих процессов является образование пяти основных миграционных форм нефтепродуктов: газообразные; адсорбированные на грунте; свободные жидкие; эмульгированные; растворенные в воде неф-
тепродукты [1]. Наибольшей миграционной способностью обладают газообразные и растворенные в воде нефтепродукты (табл.).
Растекание линзы нефтепродуктов по поверхности грунтовых вод в суглинистом коллекторе происходит очень медленно. Поэтому линза нефтепродуктов, сформировавшаяся на участке разлива топлива, длительное время там сохраняется.
При контакте нефтепродуктов, адсорбированных на грунтах и сосредоточенных в линзе, с грунтовыми водами и просачивающимися атмосферными осадками происходит выщелачивание водорастворимых нефтепродуктов. Водорастворимые углеводороды мигрируют с потоком подземных вод, что создает угрозу под земным источникам хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Газообразные углеводороды в загрязненной нефтепродуктами пористой среде образуются за счет процессов испарения, диффузии и деструкции линзы нефтепродуктов.
Интенсивность взаимодействия подземной гидросферы с углеводородными смесями определяются физико-химическими свойствами пород, подземных вод и нефтепродуктов.
3. Методика выявления и оценки нефтепродуктового загрязнения
а) линза нефтепродуктов в грунтах б) нефтепродукты, адсорбированные
(содержание в грунте, г/кг)
Рис. 1. Карта загрязнения геологической среды адсорбированными в грунте нефтепродуктами. На примере крупной нефтебазы в Калужской области
Методика исследований опирается на выявление в геологической среде очагов (локализаций) всех форм неф-тепродуктового загрязнения и реализуется посредством проведения газовой, почвенно-грунтовой, специализированной гидрохимической съемок, полевых и лабораторных газохрома-тографических и люминесцентно-битуминологических исследований, а также других сопутствующих видов работ (рис. 1).
Методика проведения газовой съемки при изучении загрязнения подземных вод.
Вследствие процессов испарения и диффузии с поверхности грунтовых вод над загрязненными грунтовыми водами может образоваться в зоне аэрации газовое облако из наиболее летучих загрязняющих компонентов. Особенно интенсивно газовое облако
образуется над поверхностью грунтовых вод, загрязненных нефтепродуктами. Наличие газового облака обусловливает применение газовой съемки [2, 3]. Наряду с исследованием чисто газовой фазы над поверхностью грунтов целесообразно изучение содержания газа в загрязненных грунтовых водах.
Таким образом, при изучении загрязнения подземных вод, в особенности нефтяного загрязнения, весьма полезным может оказаться проведение газовой съемки, которая позволяет повысить информативность исследований и удешевить их.
Данное физическое явление может быть использовано для исследования загрязнения путем проведения газовой съемки, как по неводонасыщен-ной части разреза горных пород, так и водонасыщенной.
Задачи газовой съемки нефтяного загрязнения.
По аэрируемой зоне:
• идентификация источников загрязнения нефтью и нефтепродуктами;
• оконтуривание линз нефти и нефтепродуктов, приуроченных к первому от поверхности водоносному горизонту или зоне аэрации;
• установление распространения линз нефти и нефтепродуктов по поверхности водоносного горизонта;
• приближенная оценка масштабов нефтяного загрязнения.
По водонасышенной части:
• определение площади области загрязнения водорастворимыми углеводородами нефтяного происхождения;
• установление наличия линз нефти и нефтепродуктов на динамическом уровне эксплуатационных на воду скважин.
При проведении съемочных работ основными информативными газами служат: парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан); непредельные и циклические углеводороды (этилен, пропилен, бу-тилены, ацетилен, аллилен, циклобу-тан, циклопропан и др.); углекислый газ, водород, кислород. Последний следует использовать в качестве индикатора герметичности отбора пробы подпочвенного воздуха.
3.1. Газовая съемка в зоне аэрации
Основными методическими вопросами проведения съемки являются: расположение и количество точек отбора проб в плане и разрезе, глубинность проведения съемки; метод отбора и анализа проб подпочвенного воздуха.
Период проведения съемочных работ делится на два этапа: предварительный и основной (съемочный). На первом этапе должны быть изучены основные условия
района (строение зоны аэрации, ее литологический состав, глубина залегания уровня). Затем, зная примерные параметры загрязняющего вещества и пористой среды, необходимо рассчитать время формирования газового облака в ненасыщенных породах. Заканчиваться этот этап должен составлением схематической карты пунктов отбора проб подпочвенного воздуха.
Бурение скважин для отбора проб подпочвенного воздуха наиболее производительно осуществлять с помощью мотобура Д-10М. Основные параметры бурения: максимальная глубина — 15 м, диаметр бурового инструмента — 76 мм. Бурение возможно шнековое и колонковое.
Скважина для проведения газовой съемки бурится шнеком без обсадки. Поинтервальный отбор проб предусматривает поинтервальное бурение. Отбор пробы подпочвенного воздуха проводится сразу после окончания бурения.
Однако эти методы достаточно неудобны, а порой и невозможны при газовой съемке в породах зоны аэрации.
Наиболее целесообразно при проведении газовой съемки в зоне аэрации использовать метод разряжения в опробуемом интервале скважины. Он заключается в том, что часть скважины перекрывается от атмосферного воздуха и из интервала откачивается воздух. Приток подпочвенного воздуха в этот интервал происходит за счет разности давлений в скважине и поровом пространстве участков породы, соседствующих со стволом вакууми-руемого интервала скважины. Поступивший в опробуемый интервал подпочвенный воздух с помощью специального зонда и приспособле-
Рис. 2. Карта загрязнения геологической среды газообразными углеводородами. На примере крупной нефтебазы в Калужской области
ний перекачивается в пробоотборник. Опыт применения этого метода показал, что он дает хорошие результаты, прост и достаточно экспрессивен [1,2—4].
Результаты проведения газовой съемки представляются в виде карт (профилей), колонок изменения содержания углеводородных газов в плане и разрезе. На эти же материалы наносятся данные заверочного бурения.
По совокупности всех материалов выделяются участки существования линз нефтепродуктов на поверхности водоносного горизонта или в зоне аэрации и оцениваются масштабы загрязнения (рис. 2).
3.2. Газовая съемка по водонасы-шеннойзоне
Газовая съемка по водонасыщен-ной зоне проводится по всем имеющимся в пределах предполагаемой
области загрязнения скважинам, вскрывающим какие-либо водоносные горизонты.
На подготовительном этапе необходимо установить количество и конструкцию скважин, расположение их по площади съемки, какой водоносный горизонт они вскрывают, глубину установки фильтров и назначение скважин.
На основе этих материалов, а также с учетом геолого-гидрогеологического строения намечаются основные погоризонтные профили съемки. Помимо этого, в связи с различной методикой отбора проб, все скважины делят на две группы: эксплуатационные на воду и остальные.
Во всех скважинах, отнесенных к разряду остальных, отбор проб производят в два этапа. Для определения наличия слоя нефтепро-
дуктов в скважине вначале отбирают пробу с уровня подземных вод. Для этого используются пробоотборники открытого типа (пробоотборник Симонова, желонки и др.). Пробу для определения газового состава подземных вод отбирают лишь после предварительной прокачки скважины герметичным пробоотборником.
Проведение газовой съемки по эксплуатационным на воду скважинам позволяет решить следующие вопросы: какова концентрация растворенных в воде углеводородных газов, какие газы мигрируют вместе с водой и имеется ли на динамическом уровне воды в скважине слой нефтепродуктов (в чистом или эмульгированном виде).
Методика отбора проб воды для последующей дегазации и анализа отделенной смеси газов подробно приведена в методических пособиях [4]. Отметим лишь, что, если эксплуатационная скважина оборудована оголовком с краном, то проба отбирается из крана. Для этого один конец вакуумного шланга одевается на кран, а второй опускается до дна бутылки, после троекратной смены объема воды шланг из бутылки медленно вынимается и бутылка закрывается глухой пробкой таким образом, чтобы в ней не было пузырька воздуха. Транспортное положение бутылки с пробой — пробкой вниз. В том случае, если по техническим причинам пробу из крана невозможно отобрать, то ее отбор производится с помощью герметичных пробоотборников.
Отбор пробы внутрискважинно-го воздуха производится только по скважинам, оборудованным оголовками, так как при их наличии невозможно визуально убедиться,
имеется или нет в скважине слой нефтепродуктов.
Непосредственно отбор осуществляется следующим образом. Если скважина работает, то ее за 2—3 ч до отбора пробы останавливают. Перед пуском скважины на имеющийся на оголовке кран одевают вакуумный шланг, второй конец шланга присоединяют к бутылке, предварительно заполненной насыщенным раствором хлористого натрия. Затем эту бутылку пробкой вниз (конструкция пробки такая же, как и при газовой съемке по зоне аэрации) опускают в сосуд, также наполненный раствором хлористого натрия. После проверки герметичности всех соединений запускают насос скважины. В первый момент после запуска из крана на оголовке идет не вода, а водовоз-душная смесь, именно она и перекачивается в бутылку. После того, как из бутылки на 90—95 % выдавится раствор поваренной соли, отбор прекращают. Транспортное положение пробы — пробкой вниз.
Анализ содержания углеводородных газов проводят газохрома-тографическим методом. Полученные данные сводят в погоризонтные карты (профили) изоконцентраций суммы или индивидуальных углеводородных газов, соотношения концентраций непредельных и предельных углеводородов. На картах или профилях полезно также выделить зоны распространения тяжелых углеводородных газов (пропана, бутана, пентана, гексана, их изомеров). Присутствие этих газов, в связи с их более слабой миграционной способностью по сравнению с метаном, этаном свидетельствует о соседстве со скважиной источников загрязнения, а также о том, что
а) линза нефтепродуктов б) водорастворенные углеводороды
(на поверхности грунтовых вод) (концентрация нефтепродуктов в грунтовых
водах, мг/л)
Рис. 3. Карта загрязнения геологической среды водорастворенными углеводоро■ дами. На примере крупной нефтебазы в Калужской области
источник загрязнения находится в области питания скважины.
По результатам, сведенным в картографический материал, с учетом гидродинамических построений выделяются аномальные участки содержания растворенных в воде углеводородных газов для каждого водоносного горизонта. В первом приближении эти участки можно считать областью загрязнения подземных вод растворимыми углеводородами. Кроме этого, на основе сопоставления состава углеводородами. Кроме этого, на основе сопоставления состава углеводородных газов по хроматограммам (по наличию каких-либо маркирующих углеводородных компонентов) судят о взаимосвязи загрязненных водоносных горизонтов между собой и с различными источниками загрязнения. По аномально высокому содержанию углеводородных газов во
внутрискважинном воздухе идентифицируют расположение линз нерастворимых углеводородов (рис. 3).
4. Борьба с нефтепродуктовым загрязнением геологической среды
Разработка и реализация мероприятий по предотвращению, ослаблению или ликвидации нефте-продуктового загрязнения геологической среды (включая программу мониторинга) возможна лишь на основе познания механизма процессов загрязнения: изучения закономерностей переноса загрязняющих веществ в подземной пористой среде и их физико-химических особенностей. Вместе с тем, механизм загрязнения геологической среды нефтью и нефтепродуктами остается в числе наименее изученных. Это объясняется сложностью и специфичностью протекания процессов загрязнения нефтепродуктами геологической среды и ее самоочищения.
Ликвидация нефтепродуктового загрязнения грунтов и подземных вод является трудноосуществимой, долговременной и дорогостоящей задачей. Поэтому на всех объектах, являющихся потенциальными источниками нефтепродуктового загрязнения геологической среды, должен проводиться обязательный непрерывный контроль степени загрязненности грунтов и подземных вод (мониторинг состояния геологической среды).
Программа мониторинговых исследований и выбор природоохран-
1. Гольдберг Б.М. Газада С. Гидрологические основы охраны подземных вод 1. Гольдберг В.М. Газада С. Гидрологические основы охраны подземных вод. — М.; Недра 1984 год.
2. ГОСТ 26098-84 «Нефтепродукты. Термины и определения».
3. Федеральный Закон Российской Фе-
ных мероприятий в каждом конкретном случае определяются по тому, каким объектам окружающей среды создается угроза вследствие загрязнения недр нефтепродуктами. Проведение картировочных работ с целью оценки масштабов нефтепродуктового загрязнения геологической среды и обоснование мероприятий по борьбе с неф-тепродуктовым загрязнением должно выполняться высококвалифицированными специалистами-гидрогеологами.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
дерации «О внесении изменений и дополнений в Закон «О плате за землю» — Москва, 9 августа 1994 года, № 22-Ф3.
4. Методическое руководство по оцен ке загрязнения земель. Казань. Экологический фонд РТ, 1996 год. М.; Недра 1984 год.ЕИЭ
ГОРНЫЙ
Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 2. Сборник научно-технических работ
' "Ч' ч Г П Н, - LM
2013
горных инженеров СУЭК
2013 г. 368 с.
ISBN: 0236-1493 UDK: 622
В сборник вошли статьи по проблемам совершенствования производства, повышения уровня безопасности и производительности труда на угольных разрезах и шахтах, эксплуатации техники и оборудования, применения программно-технологических комплексов, дегазации угольнык пластов, аэрогазопылединамических процессов на горнодобывающих предприятиях. Для специалистов горнодобывающих отраслей.
сворник
г ü I1 И Ы ■ LH н и Е Р г„ Ii СтЭ h
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Круподеров И.В. - аспирант,
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
A
ГОРНАЯ КНИГА -
