CC BY
65
ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 504.05:553.98(470.46)
И. Р. Абуталиева, В. В. Исакова
ОСВОЕНИЕ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫ1Х МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАК ФАКТОР ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОСИСТЕМ АСТРАХАНСКОГО ПРИКАСПИЯ
На территории Астраханского Прикаспия в 1976 г. было открыто уникальное по запасам и составу флюидов Астраханское газоконденсатное месторождение (АГКМ). Запасы газа на АГКМ оцениваются в 4 трл м3, конденсата - 0,7 млрд т, серы - 920 млн т, гелия - 600 млн м3. По составу газ является высокосернистым, среднее содержание сероводорода - 24,4%, метана -50 %, углекислого газа - 14,2 %, азота - 2,4 %. Освоение данного месторождения оказывало, оказывает и будет оказывать влияние на геосистемы Астраханского Прикаспия.
На состояние геосистем рассматриваемой территории повлияет и освоение ЦентральноАстраханского и Правобережного газоконденсатных месторождений. Провести анализ влияния разработки данных месторождений на геосистемы Астраханского Прикаспия позволит материал по АГКМ.
Ответом на вопрос о степени влияния Астраханского газоконденсатного комплекса (АГК) на геосистемы Астраханского Прикаспия являются результаты сравнения их современного состояния с их состоянием до начала строительства и эксплуатации газохимического комплекса.
Чтобы оценить воздействие АГК на геосистемы, необходимо знать полный состав пластовой смеси. В настоящее время состав сырья изучен сравнительно хорошо (табл.) [1].
Состав добываемого пластового сырья
Компонент Концентрация (мольная) Содержание, г/см3 газа сепарации
CH4 51,66
С2Н6 2,35
СзН8 1,05
/-С4Н10 0,18
Я-С4Н10 0,42
С5+ 3,77 260 (молекул, масса 145 г/моль)
N2 0,45
НЕ 0,02
СО2 13,70
H2S 25,00
H2O 1,30 11
COS 0,05 1,4
CS 0,0003 0,01
RSH 0,05 1,5 (в пересчете на С2Н6$)
В том числе CH4 S 0,007
С2Н6S 0,011
/-C3H8S 0,011
n-CsH8S 0,003
/-C„H10S 0,010
И-ОДю 0,008
Сырьё, проходящее всю технологическую цепь, несёт с собой все указанные компоненты. Часть из них остаётся в продукции, остальная часть попадает в окружающую среду в виде газовых выбросов, сточных вод, отходов. Приоритетными ингредиентами выбросов можно считать диоксид серы, окись углерода, окислы азота, сероводород.
Анализ воздействия объектов АГК на состояние атмосферного воздуха
Основными источниками поступающих в атмосферу вредных и токсичных веществ в инфраструктуре АГК являются дымовые трубы установок получения серы, факелы, трубы котельной, скважины, установки первичной подготовки газа, автотранспорт. Не исключается и естественный выход газов в пределах месторождения.
Немногочисленные исследования состояния атмосферного воздуха в районе АГКМ в период, предшествующий его разработке, показал, что на данной территории существовал повышенный геохимический фон для И28 и 802. Скорее всего, это связано с природными эманациями. Так, в начале 1980 гг. максимальная разовая концентрация (м. р.) по сероводороду достигала 0,02-0,04 мг/м3, а по диоксиду серы - 0,09-0,30 мг/м3, т. е. наблюдалось превышение ПДК (ПДК м. р. И28 - 0,008 мг/м3, ПДК м. р. 802 - 0,5 мг/м3) [2].
После начала разработки АГКМ (1982-1985 гг.) уровень загрязнения воздушного бассейна повысился. Отдельные максимальные разовые концентрации достигали: по Н28 - 0,06-0,08 мг/м3 (7,5-10,0 ПДК м. р.), по 802 - 0,12-0,47 мг/м3 (0,24-0,94 ПДК м. р.). Это было связано с отработкой технологии в пусковой период и первые годы работы комплекса, когда выбросы вредных веществ в атмосферу значительно превысили нормативные [2].
В первые годы эксплуатации первой очереди АГК выбросы вредных веществ в атмосферу составили: в 1987 г. - 250 000 т/год, в 1988 г. - 362 000 т/год, что значительно превышало проектные составляющие - 100 267 т/год [2].
Снижение валовых выбросов в 1989-1990 гг. было достигнуто за счет уменьшения объемов переработки, а с 1991 г. по настоящее время - за счет введения автоматизированного режима работы установок Клауса и более полного использования установок доочистки газов «Сульфрен».
По используемой технологии конверсия сероводорода должна достигать 99,6 %, а остаток должен дожигаться до диоксида серы.
С 1989 по 2006 г. содержание сероводорода в приземном слое воздушного бассейна менялось в интервале от 0,006 до 0,001 мг/м3 (0,75-0,12 ПДК м. р.), а уровень диоксида серы с 1992 по 2006 г. менялся от 0,0068 до 0,004 мг/м3 (0,13-0,08 ПДК (среднесуточная)).
Таким образом, состояние приземного слоя атмосферного воздуха в районе АГК улучшилось по сравнению с начальным периодом работы комплекса, что связано с работой в экологически щадящем режиме в последние годы работы АГК. Этот режим заключается в том, что установки получения серы эксплуатировались на 30-70 %.
С 1991 г. по настоящее время значительно снижены объемы валовых выбросов вредных веществ в атмосферу при одновременном увеличении выработки серы. Это явилось результатом мероприятий по повышению надежности работы оборудования на объектах АГК и некоторых метеорологических изменений.
С 1990 по 1994 г. наблюдалось увеличение среднегодовой скорости ветра (от 4,0 до 6,4 м/с), что создавало хорошие условия для рассеяния загрязняющих веществ. В последнее время на исследуемой территории преобладают ветры со скоростью 2-5 м/с (3 балла - слабый ветер по шкале Бофорта). Слабый ветер, штиль способствуют застою воздуха и, следовательно, накоплению вредных примесей вблизи источников.
Наибольшая техногенная нагрузка от газовых выбросов источников АГК приходится на западную и северо-западную часть рассматриваемой территории, т. к. в последнее десятилетие наблюдается увеличение повторяемости ветров юго-восточного направления [3].
При восточном, юго-восточном ветре чаще всего образуются приземные и приподнятые инверсии, что способствует накоплению вредных примесей в приземном слое атмосферы. При юговосточном направлении ветра возможен перенос загрязняющих веществ из Казахстана (район Тенгиза), где идёт добыча углеводородного сырья с высоким содержанием И28 [3].
Перенос загрязняющих веществ на территорию Астраханского Прикаспия от Тенгизского месторождения нефти и газа подтверждают расчеты средних концентраций загрязняющих веществ. По данным станции фонового мониторинга Дамчик, они оказываются повышенными при сильных юго-восточных, восточных ветрах [3].
Осадки являются важным фактором, влияющим на содержание в воздухе взвешенных и газообразных загрязняющих веществ. Скорость вымывания примесей осадками зависит от их количества, интенсивности и продолжительности выпадения. Среднегодовое количество осадков на исследуемой территории составило 178 мм. В теплое время года выпадает около 65 % годового количества осадков в виде ливневого дождя большой интенсивности, что, в свою очередь, способствует очищению атмосферы от вредных примесей. В осенние и зимние месяцы выпадают обложные осадки небольшой интенсивности, относительно продолжительные по времени. Выпадение осадков приводит к ускорению процесса вымывания загрязнителей из атмосферы в почву.
Анализ воздействия объектов АГК на состояние почвенного покрова
Источниками загрязнения и механического нарушения почвенного покрова при освоении АГКМ являются буровые установки, скважины, шламонакопители, строительная техника, транспорт.
До начала освоения АГКМ барханные развеваемые пески возникали около кошар. За 50 лет геологоразведочных и эксплуатационных работ барханные массивы возникли около скважин, вдоль многочисленных грунтовых дорог, проложенных к буровым.
Максимальное воздействие на почвенный покров рассматриваемой территории было при создании объектов АГК и при пуске первой очереди (1987-1989 гг.).
Почвы исследуемой территории испытывают воздействие таких общих факторов, как сухое и влажное осаждение токсичных компонентов, входящих в состав газовых выбросов, сточных вод, а также химических реагентов, применяемых в бурении.
В зоне влияния сточных вод АГК территория заболочена, и в их пробах содержание хлорид-иона намного выше - от 532,5 до 798,7 мг/кг. На остальной же части исследуемой территории содержание этого компонента весной варьирует в пределах 35,5-76,0 мг/кг сухой почвы, а осенью - 88,7-177,5 мг/кг [2].
Под воздействием сточных вод грунтовые воды выходят на поверхность. Высокая инсоляция летом способствует большому испарению и капиллярному подтягиванию грунтовых вод вместе с растворенными в них солями.
Известно, что с повышением уровня грунтовых вод пустынные почвы трансформируются в заболоченные, а при залегании грунтовых вод выше 50-70 см происходит их засоление.
Заболачивание оказывает влияние и на содержание сульфат-иона, которое увеличивается в 2-3 раза.
Нефтяное загрязнение почв территории АГК вне прямого разлива нефтепродуктов характеризуется как очень слабое - менее 0,01 г/100 г почвы. В местах, удаленных от буровых, нефтепродукты в пробах вообще отсутствуют. Значительное нефтяное загрязнение обнаружено в шламовых амбарах и на строящихся скважинах - в количествах, не превышающих 0,17 г/100 г почвы.
Таким образом, основными загрязнителями почв рассматриваемой территории являются нефтепродукты, хлориды и сульфаты. Заболачивание и засоление в связи со сбросом больших объемов воды (24 000 м3/сут) на ограниченную территорию (700 га) приводит в настоящее время к изменению природного ландшафта, свойственного данной климатической зоне.
Анализ воздействия объектов АГК на состояние поверхностных и подземных вод
Технологическая схема деятельности АГК обусловливает повышенные расходы водных ресурсов. Основной водный объект - р. Волга и ее рукава (рук.) Бузан и Ахтуба, а также протоки (пр.) Берекет и Кигач составляют единую гидросеть, окаймляющую территорию АГК с южной и западной сторон. На берегах данных водотоков располагаются стационарные водозаборные сооружения.
Начиная с 1986 г. проводятся регулярные гидрохимические и гидробиологические наблюдения за состоянием вод нижней части Волго-Ахтубинской поймы, особенно той её части, которая сопряжена с территорией АГК и вследствие этого попадает в зону возможного техногенного влияния со стороны этого комплекса.
Воды исследуемой гидросети вобрали в себя весь спектр поллютантов, которые обнаружены в границах огромного Волжского речного бассейна. Качество вод транзитного стока является фоном, относительно которого и фиксируются все возможные факторы воздействия АГК.
Технологическая схема деятельности АГК исключает прямое воздействие на водотоки в связи с отсутствием сброса сточных вод непосредственно в них.
Один из важнейших показателей качества вод - рН воды. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах, и от нее зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов.
Рассматриваемые водотоки района АГК имеют слабощелочную реакцию поверхностных вод. За период с 1999 по 2005 г. среднегодовые значения рН составили: Сср = 8,22; Стт = 7,66; Стах = 8,61. Фоновые значения рН (рук. Бузан, исток) совпадают с его средними значениями по годам на всех водотоках района АГК [2].
Незначительное превышение (на 0,5—1,0 единиц рН) наблюдается в летнее время в малопроточных водотоках (рук. Ахтуба и пр. Берекет), в которых отмечается активная зарастаемостъ их русел водной растительностью.
Сезонный характер колебаний значений водородного показателя объясняется естественным ходом внутриводоемных процессов, а связь с объектами АГК отсутствует. Многолетние наблюдения этот факт подтверждают.
Одним из приоритетных показателей загрязнения вод под влиянием серосодержащих выбросов АГК является динамика пространственно-временного изменения содержания сульфатов.
Пик содержания сульфат-ионов по трём водотокам: рук. Бузан - 67,7; рук. Ахтуба -61,5 и пр. Берекет - 64,7 мг/дм3 приходился на 2003 г. (66,1 мг/дм3) [2], объясняется половодьем и, соответственно, значительными объёмами плоскостного смыва. Уровень среднегодового содержания сульфат-ионов продолжает оставаться довольно низким во всех водотоках района АГК и полностью соответствует транзитному стоку.
По наличию в водных объектах азотсодержащих соединений можно судить о характере загрязнения водоёма.
В природных водах азот присутствует в виде ионов МН+, N0^ и КО3-, которые последовательно могут трансформироваться друг в друга.
По данным наблюдений с 1999 по 2005 г., концентрация КН4+ в водах рукавов Бузан, Ах-туба и пр. Берекет в целом изменялась от 0,072 до 0,48 мг/дм3 (ПДК = 0,5 мг/дм3). Присутствие в поверхностных водах ионов КО2- хорошо согласуется как с процессами минерализации органики, так и с процессами нитрификации. При отсутствии дефицита кислорода под действием бактерий нитриты окисляются до нитратов. Максимум нитритов наблюдается в конце лета, когда интенсивно идёт распад органического вещества [2].
Нитратный ион (КО3) - это конечный продукт сложного процесса минерализации азотсодержащих веществ. На протяжении всех лет наблюдений концентрация нитратов не превышала норм ПДК - 9,1 мг/дм3. Среднемноголетнее содержание нитратного иона с 1999 до 2005 г. равно
0,150 мг/дм3, а распределение по годам строго согласуется с аналогичным распределением в фоновом створе [2].
Среди многих экологических проблем в последние годы одну из ведущих позиций занял глобальный процесс загрязнения поверхностных вод нефтяными углеводородами, которые относятся к числу наиболее распространенных и опасных токсичных веществ.
Концентрация нефтепродуктов в донных отложениях исследуемого водного участка Вол-го-Ахтубинской поймы района АГК колебалась от 80 до 380 мг/кг сухого вещества [2] (по степени содержания углеводородов в донных отложениях свыше 900 мг/кг воду считают загрязнённой; от 100 до 400 мг/кг - среднезагрязнённой; менее 100 мг/кг - относительно чистой).
В целом, по результатам определения содержания нефтепродуктов в донных отложениях, поверхностные воды на исследуемой территории характеризуются как среднезагрязненные.
Гидрохимический анализ поверхностных водотоков, окаймляющих территорию АГКМ, показал, что до начала строительства АГК и в настоящее время показатели примерно одинаковые, т. е. АГК не оказывает влияния на данные водотоки, т. к. не осуществляет прямой сброс сточных вод в водные объекты.
Сточные воды, пройдя очистку на КОС-2, подаются в емкость сезонного регулирования (ЕСР) для естественного отстоя и осветления. Эти осветленные воды из ЕСР перекачиваются насосами к дождевальным установкам типа «Фрегат» на земледельческих полях орошения. Сточные воды, не поддающиеся очистке, закачиваются на полигоне закачки промышленных стоков газоперерабатывающего завода в глубокий горизонт.
Утилизация загрязнённых сточных вод АГК производится в подземные хранилища, расположенные в 10-12 км к западу от Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ). Жидкие токсичные отходы закачиваются в пласт с помощью пяти скважин. Подземное хранилище находится на глубине около 2 000 м в триасово-нижнемеловых отложениях обширной межкупольной мульды размерами 9 х 5 км. Площадь подземного хранилища около 0,14 км2.
Подземные ёмкости под хранилище создаются с помощью процессов выщелачивания. Для этого используются слабоминерализованные сточные воды (солёность 6,5 г/л), которые образуются на химводоподготовке производственно-отопительной котельной завода. Рассол, образующийся после выщелачивания и имеющий высокую степень минерализации (около 290 г/л), сбрасывается в соляные бессточные озёра Айдык и Карасор, расположенные в 20-26 км к северу. Их размеры - 620 х 100 и 450 х 400 м соответственно.
Сброс в озера привел к увеличению степени минерализации грунтовых вод вокруг озёр в радиусе 200 м. Отмечено также повышенное содержание фтора (до 3 ПДК) в ореолах более двух километров.
В период работы АГК на территории его объектов и прилегающих участках произошло уменьшение глубины залегания грунтовых вод. Максимальный подъём уровня (на 4-5 м) произошёл в центральной части АГПЗ (преимущественно в 1987 г.). С 1990 г. по настоящее время режим уровня подземных вод близок к устойчивому. Известно, что с повышением уровня грунтовых вод пустынные почвы трансформируются в заболоченные. Концентрация сульфатов на участках объектов АГК и прилегающих площадях понизилась на 3,0 г/л и более. Это произошло в результате смешения подземных вод со слабоминерализованными стоками.
Анализ воздействия объектов АГК на состояние массива горных пород
Степень воздействия определяется количеством, глубиной скважин и возможными осложнениями при падении пластового давления.
В результате падения давления в пластах возможно оседание земной поверхности, которое сопровождается затоплением территории морскими, озёрными, речными водами, образованием новых и активизацией древних разрывных нарушений, разрушением эксплуатационных скважин, автомобильных и железных дорог, магистральных газопроводов и других трубопроводов, мостов, зданий и сооружений.
Практически на всех крупных, длительно эксплуатировавшихся месторождениях углеводородов наблюдались подобные явления.
Это возможно в дальнейшем и при разработке АГКМ. При понижении пластового давления упругие деформации пород-коллекторов могут перейти в необратимые. Происходит уплотнение пород-коллекторов и перекрывающих их пород. Это снижает продуктивность скважин, а при определённых условиях приводит к оседанию земной поверхности над месторождением, что нередко сопровождается техногенными сейсмическими процессами.
Результатом значительного оседания поверхности земли может явиться затопление территории, т. к. паводковый уровень воды в р. Ахтуба (-20 м) всего на 3 метра ниже планировочной отметки территории завода (-17 м). Это особенно актуально в связи с колебаниями уровня Каспия. Кроме того, оседание неизбежно приведет к подъёму уровня грунтовых вод и подтоплению территории, которые будут особенно интенсивными в связи с высоким удельным водопотреб-лением на сооружениях завода. Подтопление территории минерализованными агрессивными водами, в свою очередь, вызовет засоление грунтов и коррозию бетонных и металлических конструкций, что также может стать причиной аварийных ситуаций. Для оценки вероятности возможных оседаний земной поверхности территории АГКМ и связанных с ними других опасных геологических процессов на территории месторождения проведены гидрогеологические и геодезические исследования.
Анализ гидрогеологических материалов показал, что в результате эксплуатации АГКМ и отбора газоконденсата в продуктивном горизонте образовались две зоны с минимальным пластовым давлением - 45 МПа. Первая зона располагается в районе скважин 8-Э, 52; вторая -в районе скважин 74, 75, 84, согласно структурной карте, по поверхности кунгурских отложений. Зоны минимальных давлений располагаются под склонами соляных структур [4].
Необходимо добавить, что по мере разработки месторождения увеличиваются процессы искусственной интенсификации притоков флюидов при обработке призабойной зоны (солянокислотная отработка, гидроразрыв пластов и др.). Такие процессы, кроме положительных действий, приводят к образованию каверн в призабойной зоне эксплуатационных скважин и ослаблению прочностных свойств породы. В последнее время отмечается тенденция к увеличению глубины проникновения растворителей коллекторов. Широкое применение растворителей может привести к ослаблению скелета породы в локальных зонах.
Таким образом, наличие зон минимальных давлений на склонах соляных структур, а также ослабление скелета коллекторов могут активизировать дальнейшее развитие разрывных нарушений и формирование новых. В результате изменится напряжённое состояние в пластах, что спровоцирует оседание поверхности земли или вызовет техногенное землетрясение.
Анализ результатов геодезических наблюдений за осадкой отдельных сооружений первой очереди завода показал, что осадка сооружений неравномерна и в большинстве своем незначительна: 1-2 мм (1986-1987 гг.), 1-4 мм (1987-1988 гг.), 1-5 мм (1988-1989 гг.). Исследования последующих лет показали стабилизацию, а незначительные отклонения в начальный период, в пределах допустимого, связаны, очевидно, с осадкой объектов [4].
Таким образом, полученные результаты указывают на то, что максимальное механическое воздействие на геосистему приходится на начальный период освоения АГКМ, а повышение ПДК загрязняющих веществ наблюдается при пусконаладочных работах в 1989-1991 гг. [5].
На основе анализа влияния освоения АГКМ можно провести анализ влияния разработки аналогичных месторождений и рассчитать тенденции изменения геосистем Астраханского При-каспия в процессе освоения других газоконденсатных месторождений на данной территории. Если в ходе освоения Центрально-Астраханского и Правобережного газоконденсатных месторождений будет решаться весь комплекс природоохранных задач, то степень воздействия на геосистему Астраханского Прикаспия будет минимальной. Так, при внедрении новых, экологически безопасных технологий на АГК наблюдается снижение концентрации загрязняющих веществ в компонентах геосистемы. Но степень воздействия на недра Астраханского Прикаспия возрастает вследствие увеличения количества скважин и их глубины, а также с увеличением объема добычи. В связи с предстоящей крупномасштабной деятельностью требуется система оптимального экологического контроля (мониторинга) за состоянием недр.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Твердохлебов И. И., Серебряков О. И. Современные техногенные воздействия на геологическую среду // Разведка и освоение нефтяных и газоконденсатных месторождений / АстраханьНИПИгаз. - Астрахань, 2001. - С. 188-191.
2. Гольчикова Н. Н. Оценка состояния природной среды Северо-Западного Прикаспия: моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005. - 148 с.
3. Геоэкологическая характеристика Астраханской области / Б. И. Кочуров, Н. И. Воронин, Н. Н. Гольчикова и др. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 92 с.
4. Гольчикова Н. Н. Геоэкологический анализ территорий освоения месторождений углеводородного сырья Северо-Западного Прикаспия: учеб. пособие. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2008. - 176 с.
5. Андрианов В. А. Геоэкологические аспекты деятельности Астраханского газового комплекса. - Астрахань: АГМА, 2002. - 245 с.
Статья поступила в редакцию 1.11.2010
DEVELOPMENT OF GAS-CONDENSATE DEPOSITS AS A CHANGE AGENT OF ASTRAKHAN PRICASPIAN GEOSYSTEMS
I. R. Abutalieva, V. V. Isakova
Some data on the influence of the objects of the Astrakhan gas-condensate complex on geosystems condition (atmospheric air, soil cover, surface and ground water, a range of rocks) on the territory of the Astrakhan Pricaspian, are shown in the paper. It is supposed that the gathered information will enable to: analyze the influence of the development of the similar fields (Central-Astrakhan and Coastal) on the environment; calculate change trends of geosystems of the investigated territory during the development of these deposits; and minimize the rate of the influence of the objects of the called fields on Astrakhan Pricaspian geosystems.
Key words: Astrakhan Pricaspian, geosystem, subsurface, condensate, gas.
