CC BY
33
А.Е. Воробьев, проф., д.т.н., О.В. Зеркаль, к.г.-м.н., С.П. Балашова, инж., О.В. Тушев, инж., МГГУ Госкомэкология ВИМС РАЕН
Прогнозная ландшафтно-геохимическая карта нефтяного загрязнения Среднего Приобья*
В настоящее время крупные объекты нефтегазового комплекса (промыслы, магистральные трубопроводы, нефте- и газоперерабатывающие комбинаты, морские терминалы) располагаются практически во всех климатических зонах России: Западной Сибири, Поволжье, Северо-Западном районе, Северном Сахалине и др.
Интенсивное развитие нефтегазового комплекса (только в одной Тюменской области в 19881992 гг. было пробурено 3358 различных скважин) обуславливает рост его влияния на окружающую природную среду. Так, в газовой промышленности России при добыче 640 млрд м3 природного газа в год, вредные выбросы в атмосферу составляют 2138 тыс. т (около 20% общих выбросов Н^, SO2, N02 и др.), а в гидросферу -примерно 21 млн т неочищенных сточных вод. Нефтедобывающая промышленность дает 2,5 млн т атмосферных выбросов (10% от общих), 21 млн м3 загрязненных сточных вод и нарушает приблизительно 12,7 тыс. га земель. Нефтеперерабатывающей промышленностью в атмосферу выбрасывается более 1,5 млн т загрязняющих веществ (3,83 кг на 1 т перерабатываемой нефти), а сброс сточных вод достиг 16,5 млн м3 (из них - 3 млн м3 без очистки).
С выбросами предприятий нефтяной и газовой отрасли в атмосферу поступает значительное количество углеводородов и их производных (48% от суммарного общепромышленного выброса в атмосферу), сероводорода, оксидов серы, углерода (33%) и азота, токсичных и дурнопахнущих газов и пыли (20%). Так, ежегодно в отрасли теряется и нерационально сжигается в факелах около 7,1 млрд м3 нефтяного газа (примерно
20% его извлекаемого объема). Территориально основная часть этих потерь приходится на углеводородные месторождения Западной Сибири, что обуславливает особый интерес к этому региону.
В общем случае, загрязнение биосферы углеводородами определяется их технологическим циклом добычи.
На стадии разведки нефтяных и газовых месторождений техногенное воздействие на биосферу носит преимущественно точечный (скважины) и линейный (канавы, временные дороги) характер, вызывающий локальные (местные) и реже региональные изменения природной среды. Обычно в ходе разведки происходит нарушение от 3 до 10% площади поверхности нефтегазоносных структур. Работы по разведке сопровождаются загрязнением почв, поверхностных и грунтовых вод нефтепродуктами, буровым раствором, шламом, химреагентами, ГСМ и продуктами их сгорания, промышленными и бытовыми отходами, выгоранием почвеннорастительного покрова. Одновременно происходит отрицательное изменение исходного ландшафта -уничтожается растительный покров, а вокруг промышленной и жилой зон образуются транспортные колеи.
При строительстве нефтегазодобывающих комплексов возникают следующие техногенные воздействия:
♦ химические, загрязняющие среду за счет привнесения новых элементов;
♦ шумовые (звуковые) загрязнения;
♦ механические, нарушающие биосферу в следствие применения неэкологических машин, механизмов и технологий строительства;
♦ энергетические, связанные с
привнесением или изъятием из окружающей среды различных видов энергии.
При эксплуатации
месторождений углеводородов происходит извлечение из недр огромных количеств нефти, газа, газоконденсата, проливы нефти, аварийные и эксплуатационные выбросы в атмосферу нефти, газа и твердых компонентов. На этом этапе выделяются промысловые сточные воды, состоящие из пластовых (около 83%), подаваемых в установку подготовки нефти пресных (12%) и ливневых (5%) вод. Такие воды сильно минерализованы, содержат большое количество нефти, механических примесей, диоксиды углерода, гидраты, закиси и окиси железа, значительные концентрации солей. В составе сточных вод могут быть также азот, сероводород, углекислота,
углеводородные газы. Кроме того, в них содержатся, применяемые в процессе обезвоживания и обессо-ливания нефти, различные деэмульгаторы.
На стадии добычи углеводородов изменения природной среды уже принимают региональный характер, т.к. территории нефте- и газопромыслов занимают площади в десятки и сотни квадратных километров, причем большая их часть (в отличие от горнодобывающей промышленности) не изымается из сельскохозяйственного землепользования.
Дополнительное воздействие на биосферу наносят и аварии на магистральных газо- и нефтепроводах. Так, в 1993г прорыв нефтепровода в Новокуйбышевске привел к значительному загрязнению воздуха (более 30 ПДК этилбензолом).
После завершения отработки месторождений нефти и газа воз-
*Исследование проведено по гранту РФФИ 96-15-97109
никают следующие ландшафтные нарушения:
♦ образование на устьях скважин кратеров, заполненных минерализованной водой;
♦ уничтожение растительности;
♦ появление промоин на склонах;
♦ покрытие прилегающих территорий коркой песчано-глинистой смеси.
Таким образом, на нефтяном промысле загрязняющие биосферу техногенные потоки формируют извлекаемая из недр эксплуатационными скважинами пластовая жидкость (состоящая из сырой нефти, газа и нефтяных вод); газ "газовых шапок" нефтяных залежей; законтурные воды нефтяных пластов; нефть, газ и сточные воды, полученные в результате сепарации пластовой жидкости и первичной подготовки сырья; подземные воды, используемые для поддержания пластового давления в нефтяных пластах; буровые растворы, применяемые для смазки и промывки стволов скважин; химические реагенты, используемые для обработки скважин с целью увеличения нефтеотдачи, различные присадки, ингибиторы коррозии и осаждения солей, нефтепродукты и т.д.
Основной механизм распространения нефтесодержащих техногенных потоков - гравитационный (движение по поверхности в сторону уклона местности, просачивание в почвенные горизонты и рыхлые отложения). При чем наибольшей миграционной способностью обладает соленая вода буровых жидкостей и водонефтяная эмульсия.
Специфическими компонентами нефтей, выбрасываемыми в атмосферу, являются предельные углеводороды метанового гомологического ряда (метан, этан, пропан, бутан, пентан). Их
концентрации часто превышают предельно допустимые (причем в атмосферу поступает до 45% углеводородов). Очень опасными для атмосферы являются токсичные сернистые соединения.
Газовые потоки формируются из природного газа, ушедшего в воздух в результате утечек, а также продуктов его сгорания при сжигании. Судьба газовых потоков сильно зависит от состояния атмосферы: отсутствие интенсивного перемешивания приводит к осаждению на поверхности растений, почв и водоемов вместе с аэрозолями многих компонентов.
На газовых и газоконденсатных месторождениях извлекаемые газ и конденсат содержат воду и твердые частицы механических примесей. На ряде газоконденсатных месторождений (Оренбургское, Астраханское и др.) газы также загрязнены большим количеством сероводорода и СО2 (до 25% по объему). При их освоении в атмосферу попадают углекислый газ, окись углерода, метан, летучие органические углеродистые соединения, окислы азота и галогены. Зачастую имеют место выбросы сернистого ангидрида и сероводорода. Атмосферный воздух вблизи факелов загрязняется оксидами серы, азота, моноокисью углерода, метаном, микрочастицами и другими побочными продуктами горения. Среди продуктов неполного сгорания тяжелых углеводородов образуются полицикли-ческие ароматические углеводороды, в частности бензопирен.
Воздействие нефте- и газодобывающих комплексов на окружающую среду зависит не только от стадии освоения месторождений и свойств углеводородов, но и от природно-ландшафтных и климатических условий, обуславливающих поведение загрязнителей.
Например, свойства нефти определяют характер ее фракциро-вания в почвах: по плотности, вязкости, активности взаимодействия с почвенной массой и т.д. Почвы при этом играют роль хроматографической колонки, в которой обеспечивается расслоение потока на нефтяные компоненты (задерживающиеся в верхних почвенных горизонтах) и минерализованные воды (проникающие в нижние горизонты). С течением времени та-
кая дифференциация увеличивается, т.к. при движении нефти по почвенному разрезу вниз происходит сорбция ее асфальтовосмолистых компонентов. В результате в нижних горизонтах почвенного профиля уменьшается как количество, так и молекулярный вес нефтяных компонентов. Кроме этого, при гравитационнокапиллярном движении по почвенному профилю происходит постепенная сорбция высокомолекулярных, в первую очередь, смолистых, компонентов нефти. В результате наблюдается постепенное снижение молекулярной массы битуминозных веществ, т.е. происходит облегчение их состава.
Таким образом, вертикальное продвижение нефти по почвенному профилю создает хроматографический эффект, приводящий к дифференциации состава нефти: в верхнем гумусовом горизонте сорбируются высокомолекулярные компоненты, содержащие много смолисто-асфальтеновых веществ и циклических соединений, а в нижние горизонты проникают в основном низкомолекулярные соединения, имеющие более высокую растворимость в воде и значительную диффузионную способность.
Характер распределения нефтяных компонентов в почвах зависит и от морфологических, структурных, вещественных и генетических особенностей конкретного почвенного профиля, его положения в системе геохимических сопряжений ландшафтных фаций, а также времени, прошедшего с момента загрязнения.
Согласно такого ландшафтногеохимического подхода, территорию Среднего Приобья (рис. 1) следует отнести к группе таежнолесных ландшафтно-геохимических районов, объединящих области, лежащие вне наличия многолетней мерзлоты. Широкое распространение болот на низменных равнинах обуславливает аккумуляцию нефтепродуктов на восстановительных (сероводородных) барьерах. Для геохимических ланд-
шафтов, принадлежащих к этой группе, характерны относительно
медленная минерализация нефтепродуктов в почвах и в водоемах, их осаждение и накопление на се-диментационных барьерах. Достаточное атмосферное увлажнение, промывной режим в дренированных почвах обуславливают выщелачивание водорастворимых органических и минеральных загрязняющих веществ и их дальнейшую миграцию с грунтовыми и поверхностными водами, разбавление и рассеивание. В этих условиях возможно временное засоление и заболачивание почв.
По поведению углеводородов в геохимических ландшафтах Среднего Приобья можно выделить два основных типа почв.
1. Почвы с промывным водным режимом. В песчаных подзолах лесотаежной области Запад-
ной Сибири в трансэлювиальных ландшафтах нефть относительно
равномерно мигрирует с нисходящими потоками до горизонта грунтовых вод. В вертикальном распределении нефти в профиле почвы имеются четкие максимумы, связанных с сорбционными барьерами: горизонты Аь А2 и В. В транссупераквальном ландшафте максимум нефтяного загрязнения наблюдается только в горизонте А0 и Аь
2. Почвы с водозастойным режимом. Торфяно-глеевые болотные почвы лесотундровой и лесной областей Западной Сибири в трансэлювиальных и суперак-вальных ландшафтах сорбируют основную массу нефти в торфяном горизонте Ат. При малой мощности торфяного слоя нефть проникает в горизонт С, вплоть до уровня грунтовых вод. Нефть, попав-
шая в нижний глеевый горизонт G, предохраняется в нем от разрушения и образует внутрипоч-венные потоки. Легкие углеводороды, как правило, высокотоксичны и трудно усваиваются микроорганизмами, поэтому долго сохраняются в анаэробной обстановке в нижних частях почвенного профиля. В болотных и пойменных почвах трансаккумулятивных ландшафтов происходит максимальное накопление нефтяных компонентов.
В ландшафтах Среднего При-обья зафиксировано проникновение нефти на глубину от 10 см до 2 м и ниже. Определенной защитой от проникновения основной массы нефти в самые нижние части почвенного профиля и в горизонты грунтовых вод в суглинистых почвах являются сорбционные барьеры, возникающие в органогенных горизонтах и верхней части горизонта В. Каналы миграции часто заканчиваются в иллювиальной части почвенного профиля, в котором создается горизонт повышенной битуминозности.
В иллювиально-гумусовых подзолах Среднего Приобья, развитых на аллювиальных песках, нефть фронтально проникает в глубь почвенного профиля до уровня грунтовых вод. Здесь отмечено два максимума накопления нефти: верхний гумусовый и иллювиальный В1 горизонт. В автономных ландшафтно-геохимических позициях происходит интенсивное вымывание нефти водяными потоками и ее вторичное накопление в трансаккумулятивных ландшафтах. Такое накопление может быть значительным, превышающим фон на 5-6 порядков.
В супераквальных позициях в поймах рек, где развиты пере-гнойно-глееватые почвы, общий характер накопления нефти тот же, что и в подзолах: максимумы накопления приходятся на гумусовые горизонты и иллювиальные горизонты. Но большая часть нефти концентрируется в верхних (до 12 см) горизонтах - черном рыхлом, представляющим собой опад,
перемешенный с мелкоземом А0, и темно-сером с сизым оттенком, влажном, рыхлом, тяжелосуглинистом. Содержание нефти на пути потоков, несмотря на вымывание в периоды паводков, может достигать десятков процентов.
Торфяные болотные почвы (верховые и низинные) обладают большой сорбционной емкостью. Поэтому в них практически вся нефть впитывается торфом, а если ее количество превышает сорбционный объем почвы, то может происходить поверхностный сток нефти вместе с водой.
22
Миграция нефти в болотных иловато-глеевых почвах при отсутствии торфа дает максимум накопления нефти в глеевом горизонте G1 на глубине 40-60 см.
В трансэлювиальных ландшафтах в дерново-подзолистых почвах при кратковременных потоках нефти на пологом склоне явное загрязнение почв нефтяными битуминои-дами происходит до глубины 30 см (горизонт А1), далее в горизонте А2 (44 см) оно значительно снижается. В самих нижних горизонтах профиля (ВС) на глубине 200-250 см содержание битуминоидов вновь
значительно увеличивается. На крутой части склонов нефтяное загрязнение прослеживается только на глубину до 12 см.
Таким образом, ранжирование территорий на геохимические ландшафты (однородные по условию поведения химических элементов области) позволяет осуществить прогноз развития экологической ситуации в зоне влияния газо- и нефтепромыслов и других предприятий.
© А.Е. Воробьев, О.В. Зеркаль, С.П. Балашова, О.В. Тушев
ГИАБ
