Лекція 4 Геоекологічні зміни геологічного природного середовища при розвідці, розробці та експлуатації родовищ нафти і газу

Розвиток сучасної цивілізації неможливий без енергетики, або паливно-енергетичного комплексу та використання різноманітних корисних копалин. Від їх використання залежить темпи науково-технічного прогресу, інтенсифікації виробництва та життєвий рівень людей. Розвиток гірничого комплексу та енергетики є єдиною основою розвитку всього сучасного матеріального виробництва на базі швидкої індустріалізації.

Основним методом одержання енергії на сьогодні стало спалювання нафти, природного газу, горючих сланців, торфу та інших видів мінерального палива.

Постійне нарощування темпів видобутку продуктів для паливно-енергетичного комплексу та рудних і нерудних корисних копалин для металургійної, хімічної, будівельної та інших галузей народного гос­подарства призводить до значного порушення екологічного стану геологічного середовища та утворення в ньому протилежних напрямків розвитку природних процесів.

Найважливішою для людства в цьому комплексі є проблема охо­рони і раціонального використання геологічного середовища, оскільки в ньому містяться основні компоненти твердих, рідких і газоподібних корисних копалин.

Екологічні зміни природного середовища при розробці родовищ нафти і газу. Видобуток нафти і газу на відміну від видобутку переважної більшості інших корисних копалин не пов’язаний з виємкою гірських порід, не призводить до утворення вільних підземних порожнин і суп­роводжується незначною кількістю твердих відходів виробництва. Об’єм винесеного шламу гірських порід при бурінні і твердих частинок скелету нафтогазоносних порід або новоутворених мінеральних солей при експлуатації неможливо порівняти з об’ємами гірських порід, які піднімаються на поверхню і складуються в процесі розробки інших ко­рисних копалин.

Основними видобувними продуктами в нафтовій і газовій про­мисловості є флюїди - нафта, газ, попутна пластова вода, попутний нафтовий газ. При розробці нафтових родовищ в пласти часто закачується велика кількість води. Крім того, в процесах буріння та видобутку нафти і газу використовують різноманітні хімічні елементи, більшість з яких розчинні у воді. Всі вказані речовини - нафта, газ, пластові води, закачані води та хімічні реагенти є головними джерелами техногенних змін гідрогеологічних систем та геологічного середовища. Цілком природно, що найбільш різко ці зміни проявляються в межах самих нафтових і газових родовищ, але досить часто техногенез охоплює значну частину інших площ і навіть весь нафтогазоносний басейн. Зазвичай, техногенним змінам піддаються не тільки ті гідрогеологічні системи, в котрих знаходяться поклади вуглеводнів. Зміни розповсюджуються на все геологічне середовище району родовища, включаючи товщу гірських порід від вибою найглибшої свердловини до земної поверхні, і на саме навколишнє наземне середовище. Техногенез в надрах нафтогазоносних басейнів може призводити до небажаних змін хімічного складу підземних і поверхневих вод, впливати на грунти, рослинний і тваринний світ, змінювати пластові тиски і рівні поверхневих вод, а іноді – на інженерно-геологічні умови місцевості.

Техногенні зміни гідрогеологічних систем в нафтогазоносних ба­сейнах, де проводиться буріння і видобуток нафти і газу, проходять як на земній поверхні, так і в самому масиві гірських порід.

Вплив земної поверхні включає переважно роботи, пов’язані як з господарським освоєнням кожної території, так і специфічні їх види, котрі характерні тільки для нафтових і газових промислів. Із останніх особливої уваги заслуговує будівництво свердловин і експлуатація нафтопромислового господарства.

При будівництві свердловин основними джерелами забруднення є бурові та тампонажні розчини, бурові стічні води і шлам вибурених порід, продукти випробування свердловин. Ступінь забруднення гео­логічного середовища буровими розчинами залежить від кількості та токсичності хімічних реагентів, котрі застосовуються для приготуван­ня промивних рідин, Їх кількість в розчині повинна бути мінімальною або гранично допустимої концентрації.

Відпрацьовані бурові розчини, стічні води і шлам поступають в земляні амбари, які в більшості випадків не мають надійної ізоляції як поверхневих, так і підземних вод. У результаті відбувається розтікання рідин, забруднення природних об’єктів, поверхневих во­дойм і водотоків, інфільтрація забруднювачів у верхні водоносні гори­зонти.

Особливу шкоду геологічному середовищу зпадає продукція при випробуванні свердловин – нафта, газ, конденсат і пластові висо-комінералізовані води. Рідкі вуглеводні і вода накопичуються в значних за розмірами земляних амбарах і акумулюють в собі велику кількість токсичних речовин, які містяться в забруднювачах. У цих випадках ос­новним механізмом проникнення забруднювачів в підземні водоносні горизонти земної кори є інфільтрація.

Найбільші збитки геологічному середовищу завдають аварійні викиди і відкрите фонтанування свердловин, особливо нафтою. Вони супроводжуються пожежами, людськими жертвами, виселенням людей із населених пунктів, втратою свердловин і природних ресурсів, виведен­ням з ладу значних ділянок родючих земель і значними ма­теріальними витратами на їх ліквідацію. При аварійних викидах пластові флюїди поступають в усі про­никні пласти на шляху їх руху. Відбувається їх багатокомпонентне змішування. Забруднюються джерела питної води, в атмосферу викидається велика кількість отруйних газів, утворюються на поверхні землі газові і водяні грифони.

Викинута із свердловини продукція розповсюджується на значну відстань особливо в аерозольному вигляді. Із викинутої суміші на ґрунтовий покрив в значному об’ємі ви­падають солі, нафтопродукти, буровий розчин і хімічні реагенти.

Аварійне фонтанування може продовжуватись від декількох діб до 2-3 років.

Нафта має надзвичайно великі токсичні властивості, а тому її наявність у воді навіть в невеликій кількості ро­бить її непридатною для життя та господарсько-побутового використання. Природне окислення нафти протікає надзвичайно повільно і в аеробних умовах закінчується не раніше, ніж через 100-150 діб. Дуже забруднена нафтою територія практично стає непридатною для рослинного і тваринного світу.

Вплив об’єктів нафтової і газової промисловості на гідрологічні системи. Цей вплив пов’язаний з наступними технологічними процесами.

При бурінні частина промивної рідини поступає із стовбура свер­дловини у водоносні горизонти, забруднюючи їх. Поглинання бурових розчинів іноді має катастрофічний характер. Особливо небезпечним є надходження розчинів у горизонти прісних вод, які містяться переважно у верхній частині геологічного розрізу, а тому піддаються тривалому впливу бурових розчинів в процесі буріння свердловин на велику глибину.

При розробці нафтових і газових родовищ основні зміни прохо­дять в самих нафтогазовміщуючих пластах. Частина раніше нафтонасиченого простору заміщується водою або газом, змінюється пластовий тиск і температура флюїдів, перетворюється хімічний склад пластової води і нафти. Особливо інтенсивно ці процеси проходять при закачуванні в пласт води із поверхневих джерел. У цих випадках дуже часто розвивається сірководневе зараження, проходять хімічні реакції з випаданням в осад новоутворених мінеральних солей, а часом, навпаки, посилюються процеси вимивання мінералів із скелету нафтонасичених порід.

Найважливішим фактором впливу на гідрогеологічні системи нафтогазоносних басейнів є зміни пластового тиску, які неминуче супроводжують процеси розробки нафтових і газових родовищ. Всякий відбір пластових флюїдів викликає зниження пластової енергії, яка витрачається на приплив флюїду до свердловини по пласту – колектору, а потім по стовбуру свердловини до устя. Втрата пластової енергії приводить до ви­никнення міжпластових перетоків через дреновані пласти, передчасно­го їх обводнення та втрати значної частини мінеральних ресурсів.

Одним із найбільш небезпечних явищ при розробці нафтових і газових родовищ є загазованість територій. У більшості випадків вона виникає внаслідок порушення правил охорони надр і проявляється, як правило, в межах родовища, а іноді розповсюджується на відстань до декількох кілометрів від нього. Небезпека загазованості полягає в тому, що вуглеводні метанового ряду в певних пропорціях з повітрям утворюють вибухонебезпечні суміші, а окремі вуглеводневі сполуки токсично діють на живі організми і при заміщенні частини кисню в повітрі викликають задушливість.

Так, на території України значна загазованість відмічалась на Бориславському, Битківському, Рудківському та інших родовищах Прикарпаття. На Бориславському родовищі загазованість виникла внаслідок проникнення газу в підвальні приміщення житлових бу­динків із шурфів, колодязів і свердловин, в яких з другої половини XIX ст. видобували нафту та озокерит. В одному із них в 1972 р. виник ви­бух метану. Виясненням причин вибуху встановлено, що в межах ро­довища в приповерхневих відкладах існують газові аномалії з небезпечними концентраціями вуглеводнів. В переважній більшості вони мають невеликі розміри, локальне розповсюдження і різні глиби­ни проявлення.

На Битківському родовищі Прикарпаття загазованість приповер­хневих відкладів встановлено на місці виходу ка денну поверхню тек­тонічного порушення між Битківським і Пасічнянським блоками. На вказаній площі пробурено більше 20 глибоких експлуатаційних сверд­ловин. У деяких із них в процесі буріння в радіусі 500 - 800 м проходи­ло катастрофічне поглинання бурового розчину і викиди з утворенням грифонів. У грудні 1982 р. в с. Пасічна пройшло три послідовних вибухи метану, на щастя без людських жертв.

Ліквідація загазованості території проводиться різними шляхами – використанням частини ліквідованих, контрольних і нагнітальних свердловин та бурінням спеціальних дегазаційних свердловин. Одним із основних заходів, спрямованих проти розвитку процесів загазованості, є дотримання технічних умов буріння свердловин і правил охо­рони надр.

Джерела й агенти забруднення довкілля об’єктами нафтогазового комплексу. Екологічний стан природно-антропогенної геосистеми визначається складною взаємодією її абіотичних, біотичних і соціальних чинників, чи взаємодією підсистем геосфери, біосфери і соціосфери у єдиній системі природно-антропогенного географічного комплексу. Тому, оцінюючи екологічний стан цієї геосистеми, класично виділяють три вищезгадані підсистеми, а саме: геосферу (абіотичні компоненти), що включає літосферу, геофізичні сфери, геоморфосферу, гідросферу, атмосферу та абіотичні складові педосфери; біосферу (біотичні компоненти), до складу якої входять фітосфера, зоосфера та біотичні складові педосфери; соціосферу (люди із продуктами їх життєдіяльності), тобто демосферу і техносферу. Усі перераховані сфери тісно пов’язані між собою певними видами зв’язку та постійно діють і впливають на навколишнє середовище.

Причинами забруднення довкілля нафтогазопромислових районів є як природні, так і техногенні чинники та процеси. До перших, наприклад, слід віднести породи розрізу, вертикальну і горизонтальну міграцію вуглеводневих флюїдів на поверхню з покладів нафтогазових родовищ, мікробіологічне та інші забруднення. Але у більшості випадків природна складова забруднення незначна, а техногенна є переважаючою і визначальною. У межах досліджуваних територій Передкарпаття, зважаючи на складну геологічну будову, де на денну поверхню виходять перем’яті і розбиті серією розривних порушень різновікові комплекси, природна складова забруднення довкілля є значно вищою, ніж у Дніпровсько-Донецькій западині, що має більш спокійну геологічну будову. За результатами досліджень УкрДГРІ породи стрийської, ямненської, манявської, вигодської, бистрицької та менілітових світ Передкарпаття значно різняться за вмістом металів. У породах розрізу в понадкларкових кількостях виявлено свинець, цинк, кобальт, хром. Вміст значної кількості органічної речовини в аргілітах менілітової світи є джерелом підвищеної радіоактивності. Нафтогазоносні товщі на окремих родовищах Передкарпаття виходять на денну поверхню і забруднюють довкілля. Через розривні порушення тектонічно послабленими каналами із глибинних зон надлишкового тиску більш інтенсивно проявляється вертикальна і горизонтальна міграція вуглеводнів, пластових вод. Щодо техногенних чинників, то неякісно ліквідовані, а в більшості випадків закинуті свердловини, шурфи та колодязі на старих нафтових промислах Прикарпаття стають додатковими шляхами вертикальної міграції вуглеводнів, що створюють у поверхневих відкладах вибухо- й пожежонебезпечну ситуації (загазованість м. Борислав).

Аналіз матеріалів газометричної зйомки в Бориславі показав, що у приповерхневій зоні шляхами міграції є природні тріщини в породах, закинуті шурфи, колодязі, а також експлуатаційні та ліквідовані нафтогазові свердловини. Тут виявлено 210 зон із високою (більше 1 %) і 135 зон із вибухонебезпечною (понад 3–6 %) концентрацією вуглеводнів на площі 356,2 тис. м². Джерелом загазованості гірничих виробок є більш глибокі вуглеводневі скупчення, шляхами проникнення газу – тектонічні порушення та нафтогазові свердловини.

Порівнюючи природні характеристики Західного та Східного нафтогазовидобувних регіонів слід відзначити певну різницю в умовах і можливості формування та накопичення нафтохімічного забруднення довкілля. Так, на підприємствах ВАТ „Укрнафта” Західного регіону, розташованих у передгірській та гірській місцевостях, зі значними ухилами поверхні ґрунтових вод і неглибоким їх заляганням, загалом відсутні умови накопичення нафтопродуктів у геологічному середовищі. Нафтопродукти, що потрапили у приповерхневі шари, легко проникають через алювіальні відклади, вимиваються із ґрунтів і виносяться з атмосферними опадами та рухливими ґрунтовими водами. Частина нафтопродуктів, що сорбуються ґрунтами зони аерації в наближених до поверхні умовах і добре вентилюються, більше схильні до випаровування й біодеструкції. Загальний обсяг втрачених у результаті системних природних втрат нафтопродуктів, що могли накопичитися в геологічному середовищі, в районі розташування об’єктів ВАТ „Укрнафта” у Західному регіоні становить приблизно 16–25 % від загальних втрат за останні 40 років, тобто в межах 60–100 тис. т.

Для підприємств Східного регіону характерна інша картина: незначні перепади висот поверхні землі та рівнів ґрунтових вод, наявність потужної зони аерації (до 20 м), складеної слабопроникними породами (леси, суглинки, глини), що сприяє накопиченню нафтопродуктів у ґрунтах зони аерації в районі розташування виробничих об’єктів. Загальний обсяг втрачених нафтопродуктів у результаті системних природних втрат, що міг накопичитися в геологічному середовищі на об’єктах ВАТ „Укрнафта” у Східному регіоні, сягає до 25–45 % від загальних втрат, тобто 650–850 тис. т.

Забруднення довкілля відбувається на всіх стадіях технологічних процесів виробничої діяльності НГК: розвідки, буріння, видобування, транспортування, зберігання, переробляння нафти і газу. Це проявляється як на самих родовищах, так і в районах пунктів збору нафти і газу, по трасах трубопроводів, на території підприємств переробки нафти, використання і реалізації нафтопродуктів, у процесі створення та експлуатації підземних сховищ газу тощо. Джерелами забруднення довкілля в НГК є бурові верстати, експлуатаційні та нагнітальні свердловини, викидні лінії, колектори, трубопроводи, установки попередньої переробки нафти та газу, підземні сховища газу, шламонакопичувачі, автотракторна техніка та ін.

Об’єкти нафтогазової галузі впливають на ґрунтовий та рослинний покрив, рельєф і його зміни, підземну та поверхневу гідросферу, клімат і атмосферні процеси, забруднюють їх, порушують природну рівновагу, руйнують ландшафти та погіршують естетичне сприйняття навколишнього середовища.

Родовища нафти і газу належать до нестійких геосистем, що в природних умовах можуть мати тенденцію до порушення під впливом різних чинників. Однак природні процеси зазвичай проходять геологічно довгий час і не призводять до екологічно важких наслідків. У процесі розкриття родовищ вуглеводнів свердловинами та під час їх експлуатації характер взаємодії покладів із іншими компонентами геологічного середовища різко порушується і супроводжується сукупністю процесів, що негативно впливають на самі поклади нафти і газу, надра в цілому і природні ландшафти.

Від численних нафтогазовидобувних свердловин через системи нафтозбірних колекторів, насосних станцій і устаткувань підготування нафти, що утворюють систему видобутку, нафта по магістральних трубопроводах надходить на нафтопереробні заводи. Продукти переробки нафти через систему продуктопроводів надходять на склади нафтобаз різноманітних категорій і АЗС, що покривають усю територію України. Всі ці об’єкти є джерелами систематичних втрат нафтопродуктів, причому не тільки випадкових, що утворюються у результаті аварійних ситуацій, а й частково за рахунок технологічного процесу, втрати під час якого неминучі, тому закладаються в норми (0,1–2 % вантажообігу). В цілому по Україні втрати нафти і нафтопродуктів становлять понад 0,5 млн. т на рік. Причому аналіз втрат нафтопродуктів на окремих нафтогазовидобувних підприємствах свідчить, що у результаті аварійних ситуацій обсяг втрат не перевищує 0,05 % від річного видобутку, або 5–7 % від системних нормативних втрат під час технологічних операцій.

Геологорозвідувальні роботи, будівництво під’їзних шляхів, проведення робіт із „нульового циклу”, монтаж бурового обладнання, буріння й освоєння свердловин, видобування, транспортування, зберігання нафти і газу створюють значне навантаження на довкілля. Період пошуку, розвідки, будівництва й облаштування об’єктів НГК, як правило, набагато коротший, ніж термін експлуатації. Але техногенна дія в цьому періоді характеризується набагато більшою інтенсивністю і носить інший характер. Нанесена шкода довкіллю зумовлена тут в основному фізико-механічним впливом на ґрунти, флору, фауну, дестабілізацією гідрогеологічної обстановки, активізацією ерозійних процесів та ін. Забруднення геологічного середовища відбувається у результаті господарської діяльності НГК за рахунок наступних факторів: механічна дія на ґрунти та їх забруднення, фільтрація бурових і тампонажних розчинів, зміна мінерального складу гірських порід, міжпластові перетоки, зміна хімізму підземних вод, утворення техногенних відкладів, зміна фільтраційно-ємнісних параметрів та ін.

Характерним прикладом негативного впливу на екологічну обстановку є випадки втрати контролю за станом надр. Це відкриті викиди нафти, газу і пластової води у процесі розкриття продуктивних пластів свердловинами, під час капітального ремонту свердловин, у разі порушення герметичності запірної арматури, трубопроводів та несанкціонованого відбору нафтопродуктів. Такі ситуації виникають на різних стадіях розробки родовищ і їх можна віднести до епізодичних, але наслідки для надр і екологічної обстановки можуть бути важкими. До розряду постійно діючих чинників можна віднести розробку нафтових і газових родовищ та пов’язане із цим забруднення поверхневих і ґрунтових вод як рідкими вуглеводнями, так і супутніми пластовими водами з високою мінералізацією. Не менш важким техногенним навантаженням на довкілля є підвищення загазованості атмосфери та ґрунтів, утворення газових грифонів у процесі експлуатації газових родовищ і газосховищ.

Порушення гідродинамічної рівноваги в надрах внаслідок відбору рідини і газу у великих кількостях іноді безповоротно супроводжується розкриттям тріщин, підйомом до поверхні природного газу, нафти, високомінералізованих розчинів, що насичують четвертинні відклади. Газ не тільки забруднює повітря, але й може стати причиною вибухів, що призводять до людських жертв. Під час нагнітання вод для підтримання пластового тиску можуть виникнути зрушення пластів, що на поверхні сприймаються як техногенні землетруси. Забруднюють довкілля і наземні споруди: накопичувачі промислових стічних вод, нафтосховища, нафтозбірні пункти, нафтогазопроводи. Основними забруднювачами, що формують техногенні потоки від джерел забруднення є нафтопродукти, газові суміші, пластові високомінералізовані води, хімічні реагенти, інгібітори корозії та ін.

Зміна хімізму підземних вод та утворення техногенних відкладів відбувається у процесі нагнітання технологічних вод для підтримання пластового тиску. При цьому відбувається забруднення порового простору техногенними відкладами навколо перфорованої пристовбурної частини свердловини. Крім цього, відбувається зміна хімічного складу підземних вод та їх міжпластові перетоки. Такі процеси можуть відбуватися лише під час буріння свердловини, коли в необсадженому стовбурі тиски підземних вод двох та більше пластів не рівні за своїм абсолютним значенням або перевищують робочий тиск бурового розчину. Запобігти цьому може обсадження стовбура свердловини обсадними колонами та цементаж їх заколонного простору. Під час експлуатації такі процеси виникають украй рідко і лише за наявності порушення герметичності цементного каменя у разі гідророзриву пластів.

Під час розробки покладів нафти і газу головними джерелами забруднення геологічного середовища є свердловини. Як правило, забруднення виникають у результаті неякісного проведення останніх, а пізніше – їх ліквідації внаслідок відсутності ізоляції окремих інтервалів розрізу, затрубних перетоків, а також випробовування і дослідження свердловин із застосуванням методів інтенсифікації припливів тощо. Екологічно небезпечні ситуації у процесі видобування нафти і газу умовно можна розділити на технологічні й аварійні. Слід зауважити, що так звані технологічні забруднення не є обов’язковими, а виникають внаслідок порушення технічних і технологічних вимог до якості робіт, прогнозування форс-мажорних ситуацій і запобігання їх наслідків.

Деякі екологічні проблеми пов’язані з будівництвом і експлуатацією газосховищ, в якості яких переважно використовуються вироблені газові родовища з існуючими газовими свердловинами та системою комунікацій. Головними складовими техногенного впливу під час їх спорудження та експлуатації є суттєві зміни гідрогеодинамічного і гідрогеофільтраційного режимів глибинних горизонтів геологічного середовища. Це пов’язано з можливістю проявів екологічного ризику внаслідок порушення шарів і виникнення додаткових деформацій та розвитком локальних землетрусів. На зміни в екологічній системі приповерхневих шарів і поверхні Землі впливають ПСГ, що є „дихаючими камерами”, і залежно від режиму роботи (нагнітання-відбір) призводять до порушення екологічної рівноваги. Як показали дослідно-методичні розробки на прикладі Богородчанського й Угерського ПСГ, порушення щільності гірських порід зумовлює підвищення концентрації метану та інших гомологів газу в ґрунтах, підземних водах, повітрі над зонами тектонічних порушень, а також біля ліквідованих і експлуатаційних свердловин.

Враховуючи той факт, що технологічні процеси нафтогазового виробництва спричиняють значні навантаження на довкілля, то питання зменшення негативного впливу НГК як забруднювача та виявлення джерел забруднення набувають особливої актуальності. У процесі господарської діяльності НГК виділяють наступні основні агенти техногенного впливу на довкілля (рис. 4.1).

Нафта і нафтопродукти. Нафта і продукти її переробки після видобутку та протягом усього процесу їх використання на поверхні землі є активними чинниками забруднення довкілля. Низькі значення гранично допустимих концентрацій (ГДК) і незначна розчинність більшості нафтопродуктів роблять їх одними з найпоширеніших забруднювачів довкілля на великих площах протягом десятків, а то й сотень років.

Рис. 4.1 – Класифікація техногенних агентів забруднення довкілля

об’єктами нафтогазового комплексу

Нафта і нафтопродукти потрапляють у навколишнє середовище природним і штучним шляхами. Забруднення нафтопродуктами найбільш небезпечне, оскільки має довгостроковий характер; у підземних водах поширюється на значну територію; впливає на імунну систему людини; у разі знезаражування може утворювати дуже токсичні сполуки.

Нафтохімічне забруднення геологічного середовища є однією з найбільш розповсюджених екологічних проблем НГК. Локальні забруднення проявляються у вигляді скупчень нафтопродуктів у місцях утворення природних приповерхневих пасток, якими можуть слугувати зони тектонічних порушень, ділянки з низькою фільтрацією флюїдів і природним гідроупором. Характерною особливістю забруднень локального типу є відносна стабільність розташування забруднених ділянок у часі та просторі. Їм властива незначна сезонна міграція, зумовлена зміною рівня ґрунтових вод. Динамічні забруднення пов’язані з потраплянням нафтопродуктів у зони дії підземних водних потоків. У цьому випадку міграція забруднювачів може відбуватися на значні відстані. За напрямком міграції утворюється серія локальних забруднень і не виключена можливість потрапляння нафтопродуктів у нижні водоносні горизонти. Даний тип забруднення є найбільш небезпечним із екологічної точки зору та найскладнішим щодо його виявлення і ліквідації.

Щороку у світі видобувають понад 4 млрд. т сирої нафти, з якої приблизно 50 млн. т втрачається під час добування, транспортування та переробляння. У води Світового океану потрапляє за рік 12–15 млн. т нафти, кожна тонна якої вкриває плівкою 12 км² поверхні океану. За підрахунками вчених, нині до 20 % поверхні Світового океану вже вкрито плівкою нафти чи нафтопродуктів. Втрати нафти, газу і газоконденсату на родовищах зустрічаються досить часто. Значної шкоди довкіллю в цілому і компонентам гідросфери зокрема завдають технологічні аварії на видобувних свердловинах і трубопроводах, що супроводжуються викидами нафти та інших вуглеводнів. Найчастіше нафта виливається на ґрунти і, мігруючи в горизонтальному і вертикальному напрямках, потрапляє в поверхневі водойми, у води першого від поверхні водоносного горизонту. Вуглеводневі суміші можуть потрапляти і в більш глибокі водоносні горизонти, в першу чергу, внаслідок порушення герметичності обсадних колон і перетоків по затрубному простору свердловин.

Вплив нафти на природні екосистеми неоднозначний, токсичний ефект вуглеводневих і не вуглеводневих її компонентів може бути нейтралізований внаслідок їх взаємодії з компонентами води та субстрату як на поверхні, так і у водоносних горизонтах. Різноманітність і мінливість зовнішніх факторів та стану екосистем, що накладаються на багатокомпонентність і мінливість складу нафти, створюють у кожному конкретному випадку унікальні ефекти, які досить важко прогнозувати.

Найбільш небезпечними є ароматичні вуглеводні (бензол, толуол, ксилол та ін.), що навіть за малих концентрацій завдають значної шкоди довкіллю. Вони дуже важко руйнуються, хоча і піддаються бактеріальному окисленню. Не менш токсичні метанові вуглеводні легких фракцій. Вони краще розчиняються у воді, легко проникають у клітини організмів через мембрани. Але їх дія внаслідок високої леткості, як правило, не буває довготривалою.

Негативна дія нафти не обмежується лише безпосередньою токсичністю її компонентів. Не менш небезпечним є вплив на водні екосистеми, пов’язаний зі здатністю нафти покривати найтоншою плівкою значні акваторії. Це порушує обмін енергією, теплом, вологою та газами між гідросферою й атмосферою. Найбільш помітні трансформації відбуваються в окисновідновному режимі вод. Порушення кисневого забезпечення у водній масі під плівкою може стати причиною погіршення якості води та деградації біоти.

Пластові води. Нафта, газ і газоконденсат видобуваються на поверхню з надр у складі сумішей з пластовими водами, що в більшості випадків мають підвищену мінералізацію, тобто є або солоними водами (мінералізація від 10 до 50 г/дм³), або солянками (мінералізація понад 100 г/дм³). Проблема забруднення довкілля пластовими водами особливо загострюється на родовищах, де застосовується система підтримки пластового тиску (ППД), на полігонах захоронення супутньопромислових вод і на родовищах, що знаходяться на кінцевій стадії розробки. Для всіх цих об’єктів характерна наявність сітки водогонів, нагнітальних свердловин, насосних станцій, установок підготовки води та інших споруд, відбуваються постійні, періодичні або випадкові втрати пластових вод і нафтопродуктів. Масштаби та інтенсивність впливу високомінералізованих вод на стан природних екосистем часто бувають більшими, ніж вплив нафти. Так, наприклад, супутні пластові води із продуктивних горизонтів пермі та карбону в ДДЗ є хлоридними натрієво-кальцієвими солянками з мінералізацією 120–275 г/дм³ та високими концентраціями (перевищення ГДК для питних вод у сотні й тисячі разів) таких рухомих і токсичних елементів, як бром, стронцій, літій та ін. Окрім цього, вони містять значну кількість нафтопродуктів. Тому навіть незначні втрати пластових вод призводять до значних змін у складі прісних підземних вод верхнього гідрогеологічного поверху. Аналіз мікрокомпонентного складу пластових вод названого регіону вказує на пряму залежність глибини залягання та концентрації таких елементів, як стронцій, літій, рубідій, бор і бром.

Із макрокомпонентів найбільшу небезпеку представляють хлорид-іон і натрій. Концентрація Cl‾, що є ідеальним мігрантом і компонентом пластових вод та практично не сорбується, перевищує ГДК у 370–470 разів. Натрій також надзвичайно рухливий у зоні активного водообміну, його вміст у водах перевищує ГДК у 170–240 разів.

Радіоекологічний моніторинг на території об’єктів ВАТ “Укрнафта” вперше було виконано в 1995–1996 рр. Північно-Східним науковим центром НАН України. За даними цих досліджень встановлено наявність забруднення промислового обладнання природними радіонуклідами на всіх нафтогазовидобувних підприємствах ВАТ “Укрнафта”.

Радіоактивне забруднення місцевості на нафтопромислах зумовлено, насамперед, підняттям на поверхню в процесі видобутку нафти солей радію і торію. Джерелом радіоактивного забруднення є уранобітумні скупчення у відкладах розрізу, а також збагачені радієм глибинні хлоркальцієві солянки. Радіоактивні аномалії у Передкарпатській НГО спостерігаються на родовищах підприємств „Бориславнафтогаз”, „Долинанафтогаз” і „Надвірнанафтогаз”. Максимальні значення потужності експозиційної дози (ПЕД), до 500–600 мкР/год, характерні для Орів-Уличнянського та Гвіздецького родовищ. У Дніпровсько-Донецькій НГО найвищі аномалії відмічено в НГВУ „Охтирканафтогаз”, аномальний радіаційний фон ґрунтів становить 50–120 мкР/год, а нафтовидобувного обладнання (насосно-компресорних труб, глибинних насосів та ін.) інколи сягає 6000 мкР/год. Природа виявлених радіаційних аномалій пов’язана із супутніми пластовими водами. Піднімаючись на поверхню, супутні води (кислі, з низькими значеннями рН середовища) надходять в окислювальне середовище денної поверхні й утворюють на поверхні нафтового обладнання мінеральні сполуки, збагачені природними радіонуклідами. Радіонукліди відкладаються у різних мінеральних формах: барит, кальцит, гіпс, окисли заліза, хлориди.

Вибурена порода. Дослідженнями встановлено, що основним чинником антропогенного впливу на довкілля у процесі спорудження свердловин є технологічне забруднення відходами буріння. Так, обстеження ділянок розвідувальних площ ДДЗ показало, що відходи просочуються в ґрунти і поширюються по радіусу на десятки, а іноді на сотні метрів від бурового майданчика. Це може призвести до забруднення поверхневих і ґрунтових вод, зниження біогенності ґрунту та зменшення активності гідролітичних і окисно-відновних ферментів у грунтах.

Вибурена порода за своїм складом переважно нетоксична, але, диспергуючись у середовищі бурового розчину, її частинки адсорбують на своїй поверхні токсичні речовини та можуть негативно вплинути на рослинний і тваринний світ, ґрунтові води.

Промивні рідини. Одними з основних потенційних забруднювачів під час спорудження свердловин є промивні рідини. У процесі буріння використовують наступні типи промивних рідин: розчини на водній основі, розчини на нафтовій основі, спеціальні розчини й агенти для промивання свердловин, обважненні бурові розчини та рідини для перфорації свердловин. Забруднююча здатність промивних рідин залежить від кількості і токсикологічної характеристики хімічних реагентів, що застосовуються для обробки бурових розчинів, та складу гірських порід. Безперечно, під час буріння свердловин та цементування обсадних колон частина робочих розчинів фільтрується у пристовбурну зону. Величина проникнення фільтратів залежить як від геологічних параметрів пласта (пористість, проникність, літолого-петрографічні особливості гірських порід тощо), так і від технологічних параметрів буріння (тиск, хімічний склад бурових і тампонажних розчинів, швидкість буріння, швидкість спуско-піднімальних операцій тощо). У разі надходження технологічних рідин у пристовбурну частину пласта колектора різко змінюються фільтраційно-ємнісні параметри у зв’язку із закупоркою порового простору. У свою чергу, наявність у порах стороннього флюїду зумовлює зміни хімізму гірських порід із утворенням так званих техногенних бар’єрних відкладів, але об’єми цих змін дуже малі порівняно з об’ємами самих родовищ.

Бурові стічні та промислові води. Значний вплив на довкілля мають бурові стічні та промислові води. Основою стічних вод у промислових умовах є супутні пластові води, що видобуваються разом із нафтою, газом і газоконденсатом, та води, що беруть участь у технологічних процесах. До цих рідин додаються води з відходів технологічних процесів, дощові і талі води. Суміш цих вод зазнає забруднення вибуреною породою, буровим розчином, хімреагентами, інгібіторами, паливно-мастильними матеріалами, пластовими флюїдами та ін. Для заводнення нафтових покладів використовують води відкритих природних водойм, пластові та стічні води промислових підприємств. Останнім часом до води, що нагнітається, додають різні реагенти для покращення вилучення залишкової нафти. Проте у продукції від цього значно зростає вміст води та з’являються різноманітні сполуки, що входили до складу води, яка нагніталася у пласт. Води, що нагнітаються, часто значно відрізняються від пластових вод за хімічним складом і фізико-хімічними властивостями. Проведення процесу заводнення без дотримання вимог до якості води спричиняє забруднення привибійної зони нагнітальних свердловин, утворення піщаних корків, відкладення солей, розвитку різноманітних організмів тощо. У процесі утилізації стічних вод виникає цілий ряд проблем. Найбільш трудомістким є очищення стічних вод від нафти та механічних домішок перед їх закачуванням у підземні поглинаючі горизонти. Захоронення пов’язано з виникненням інтенсивної корозії та ерозії на стінках експлуатаційних (технічних) колон, насосно-компресорних трубах, водопроводах і обладнанні, що бере участь у процесі нагнітання води.

Матеріали та хімреагенти. Матеріали – це основні або допоміжні речовини, що застосовуються у процесі виробництва. У приготуванні й обробленні бурових розчинів використовують глини, крейду, сидерит, барит, гематит, доломіт та iн. Вони складають тверду фазу бурових розчинів. Окрім того, до матеріалів належать вода (електроліти, розсоли, пластова вода), а також нафта, дизельне пальне, мастила та ін., що складають чи доповнюють суцільну рідку фазу (дисперсійне середовище) або внутрішню рідку фазу (дисперсну фазу) у бурових розчинах на водній та вуглеводневій основі.

Реагенти – технічний термін, яким позначають вихідні речовини, що беруть участь у хімічних реакціях (процесах). У бурінні хімічні реагенти застосовують із метою надання буровим розчинам необхідних фізико-хімічних властивостей (для зміни густини, в’язкості, міцності структури, зниження показника фільтрації та iн.). У комплексі фізико-хімічної дії на полідисперсну систему, якою є буровий розчин, оброблення хімічними реагентами неорганічного й органічного складу часто проводять із одночасним розбавленням або концентруванням, механічною активацією, перемішуванням, термічною обробкою чи без неї. Забруднююча здатність хімічних реагентів залежить від їх токсикологічної характеристики та кількості, яку містять промивні рідини.

За призначенням хімічні реагенти i матеріали поділяють на дві великі групи: реагенти i матеріали загального призначення та реагенти спеціального призначення. Для надання буровому розчину спеціальних властивостей (інгібуючих, змащувальних, емульгуючих та ін.) або для усунення недоліків i підвищення ефективності реагентів загального призначення (усунення піноутворення, термічної i ферментативної нестійкості, агресивного впливу полівалентних іонів, сірководню та ін.) використовують неорганічні електроліти, ароматичні аміни, аміноспирти, алкілфеноли, силоксани, солі високомолекулярних органічних сполук, оксиетильовані органічні сполуки, вищі жирні спирти, вищі жирні кислоти, полімери, співполімери та ін. За хімічною природою реагенти поділяють на неорганічні (основи, кислоти, солі) й органічні (низькомолекулярні та високомолекулярні полімерні речовини з різним функціональним призначенням).

Соляно-кислотні обробки пластів з точки зору екології завдають певних збитків геологічному середовищу. З одного боку, кислотні розчини збільшують об’єм порового простору за рахунок розчинення мінерального кістяка гірських порід. Це збільшує дебіт пластового флюїду та підвищує коефіцієнт нафтовіддачі. А з іншого боку, протікає процес порушення геологічного середовища зі зміною його мінерально-літологічних параметрів.

Тампонажні розчини. Тампонажні розчини – це розчини води, цементу та різних специфічних добавок (прискорювачі, сповільнювачі, обважнювачі, облегшувачі та ін.), що використовуються для кріплення свердловин, встановлення технологічних і ліквідаційних мостів та ін. Більшість відомих мінеральних в’яжучих речовин може бути використана як базовий тампонажний матеріал. До найважливіших із них можна віднести портландцемент, металургійні шлаки, кальцієво-силікатні в’яжучі речовини гідротермального затвердіння, магнезійні в’яжучі речовини, глиноземистий і гіпсоглиноземистий цементи, гіпсові в’яжучі речовини, в’яжучі речовини на основі водорозчинних силікатів, органічні й органо-мінеральні складові на основі полімерів. Портландцемент містить штучні мінерали, більшість із яких у природі не зустрічається, а деякі зустрічаються зрідка. Тампонажні розчини залежно від пластових тисків, колекторських властивостей порід, в’язкості, питомої ваги можуть проникати на значні глибини у пласти і забруднювати надра. Найбільш чутливим до впливу тампонажних розчинів є мальок лосося, який гине через 29–35 год., за концентрації цементу 30 г/л а також донні безхребетні, для яких небезпечною є концентрація 3,2–3,6 г/л. Забруднююча здатність тампонажних розчинів в основному залежить від токсикологічної характеристики портландцементу та спеціальних добавок.

Побутові відходи. За підрахунками вчених, на одного жителя планети припадає 150–600 кг побутових відходів на рік. Побутові відходи – це відходи від прибирання виробничих і побутових приміщень, території підприємств, спрацьована техніка, прилади, папір, скло, харчові відходи та відходи життєдіяльності людей. Їхня кількість та склад залежать від багатьох чинників і можуть значно відрізнятися навіть на сусідніх суміжних підприємствах. Найбільшу частку становлять тверді побутові відходи та господарсько-побутові стоки. Побутові стічні води містять органічні речовини, сполуки нітрогену і фосфору, поверхнево-активні речовини. Ступінь забруднення стічних вод оцінюють в еквівалентах побутових стоків (ЕПС). Один ЕПС дорівнює кількості органічної речовини-забрудника, що виробляється однією людиною за добу. Стоки впливають на ґрунти, поверхневі та ґрунтові води.

Залишки будівництва. Відомо, що в процесі виробництва створюється товарна продукція. Однак за розрахунками спеціалістів в окремих галузях лише 5–10 % сировини, яку використаної у виробництві, переходить у кінцеву товарну продукцію, а решта потрапляє у відходи. Під виробничими відходами розуміють рештки сировини, матеріалів, напівфабрикатів, що утворилися у процесі виробництва, будівництва, реконструкції та ремонту виробничих будівель, споруд, обладнання і втратили повністю або частково вихідні споживчі властивості. Вони складаються в основному з металобрухту чорних і кольорових металів, деревини, пластмаси, гумовотехнічних виробів, будівельного сміття, бутобетону та ін.

Отже, аналіз фактичних геологічних, геофізичних та геохімічних матеріалів підтверджує, що на території нафтогазовидобувних регіонів має місце природне і техногенне забруднення довкілля. При цьому переважаючим є техногенний фактор.

Основними джерелами забруднення довкілля є самі об’єкти НГК, а найбільш агресивні техногенні агенти – це нафта та нафтопродукти, пластові води, відходи буріння і хімреагенти. Всі об’єкти НГК є джерелами систематичних втрат нафтопродуктів, причому не тільки випадкових, що виникають у разі аварійних ситуацій, а й таких, що передбачаються у зв’язку з недосконалістю технологічних процесів. Останні закладаються в норми і значно перевищують втрати, зумовлені аварійними ситуаціями.

Шкідливі викиди основних технологічних процесів нафтогазової галузі. До найбільш поширених забруднювачів атмосфери при видобутку, підготовці, транспортуванні і переробці нафти і газу, а також при їх згорянні відносяться сірчистий ангідрид, сірководень, оксиди азоту, вуглеводні і механічні суспензії.

Основні шкідливі викиди цих речовин при видобутку нафти і газу відбуваються при аварійному фонтануванні та випробуванні свердловин, випаровуваннях з мірників і резервуарів, розривах трубопроводів, очищенні технологічних ємностей, на установках комплексної підготовки і очисних спорудах.

Сірчистий газ, вуглеводні, сірководень – основні забруднювачі атмосфери при розробці нафтових родовищ, що містять сірководень. Великий об’єм їх виділяється з відкритих поверхонь очисних споруд: піскоуловлювачів, нафтоуловлювачів, ставків додаткового відстоювання, фільтрів (табл. 4.1).

У пароподібному стані великий об’єм нафти і конденсату виділяється в атмосферу через нещільність обладнання і арматури. Встановлено, наприклад, що при нормальній роботі один насос протягом 1 год виділяє до 1 кг газів і парів, а один компресор – до 3 кг.

Джерелами сірчистого ангідриду, оксидів вуглецю, сажі є факельні системи, на які подаються шкідливі газопароподібні речовини з технологічних установок, комунікацій і запобіжних пристроїв для спалювання при неможливості їхнього використання в якості палива в спеціальних печах або котельних установках.

Забруднення атмосфери сірчистим ангідридом в основному відбувається при спалюванні високосірчистих нафтопродуктів.

При трансформації в атмосфері сірчистий газ перетворюється на сульфати і сірчисту кислоту. Реакція переходу в сульфати особливо швидко протікає у присутності аміаку. Із зростанням вологості повітря зростає кількість сірчаної кислоти.

Викиди сірководню складають близько 3 млн. т/год і визначаються в основному процесами деструктивної переробки нафти і очищення природного газу. Шкідливий вплив на людину сірководень надає при концентрації – 0,008 мг/м³. У зоні викидів вміст його значно вище вказаної концентрації.

Викиди в атмосферу оксидів азоту складають більше 55 млн. т/год. При спалюванні палива оксиди азоту утворюються як за рахунок азоту, що міститься в самому паливі, так і при реакції атмосферного азоту з киснем повітря. Частка оксидів азоту, що утворюються при згорянні палива, в загальному об’ємі цього забруднювача складає 98%.

За різними оцінками, в атмосферу поступають від 20 до 100 млн. т вуглеводнів при випаровуванні нафти і нафтопродуктів. В їхньому складі виділяють три класи: насичені (парафінові); нафтенові та ароматичні. Близько 10–50 млн. т вуглеводнів викидається автомобільним транспортом. Максимальні концентрації вуглеводнів над сушею досягають 10^–4, а над океаном – 10^–5 г/м³.

У результаті неповного згоряння палива в атмосферу поступають поліциклічно–ароматичні вуглеводні. Вони досить стійкі, здатні нагромаджуватися в навколишньому середовищі і викликати різні види онкологічних захворювань. Індикаторною речовиною на присутність всієї групи поліциклічних вуглеводнів є бенз(а)пирен. Особливо багато бенз(а)пирену міститься в атмосфері міст. Хоча присутність його виявляється практично повсюдно.

Основними джерелами аерозолів є спалювання палива, викиди газонафтовидобувних і перероблюючих підприємств, зберігання, вантаження і транспортування твердої сірки і т.д. При хімічних перетвореннях сірчистого, вуглекислого газів і оксидів азоту в атмосфері утворюються вторинні аерозолі.

Розподіл аерозолів по розмірах залежить від ряду чинників. Частинки радіусом менш 5·10^–3 мкм осідають на крупних порошинках. Дуже крупні частинки з радіусом >20 мкм під дією сил тяжіння швидко випадають. Концентрація дисперсної фази аерозолів в промислових районах коливається в межах 0,1–1 мг/м³, в сільській місцевості складає звичайно 10^–2 мг/м³; над океанами – 5·10^–4 мг/м³. Спостерігається стійке зростання концентрації аерозолів в атмосферному повітрі.

Навіть нетоксичний пил негативно впливає на здоров’я людей. Запорошеність повітря на виробництві і в населених пунктах нормується. Гранично допустимі середньодобові концентрації пилу в повітрі становить 0,1, а разові – 0,5 мг/м³.

Нафтова, газова і нафтопереробна промисловості є джерелами специфічних забруднювачів атмосфери: вуглеводнів, що виділяються в основному при зберіганні і транспортуванні нафти і нафтопродуктів; оксиду вуглецю та інших шкідливих речовин, що утворюються при спалюванні газів у факелах; газів регенерації, що виходять з установок каталітичного крекінгу.

Джерелами газовиділення на об’єктах нафтогазової промисловості є свердловини, газопроводи, апарати, факели, запобіжні клапани, ємності, аварійні викиди. Джерела поділяються на три групи: перша об’єднує фонові постійні витоки природного газу; друга – технічно неминучі епізодичні витоки; третя – технологічно неминучі постійні викиди.

Викиди шкідливих речовин поділяються на організовані і неорганізовані. До перших відносяться викиди, які відводяться від місць виділення і уловлюються за допомогою спеціальних установок. До других – виникаючі за рахунок негерметичності технологічного обладнання, резервуарів і т.п.

Інвентаризації підлягають обидва види викидів.

Таким чином, процеси видобутку нафти і газу надзвичайно силь­но впливають не тільки на геологічне середовище, але й на все навко­лишнє природне середовище. Особливо сильно техногенні процеси при цьому проявляються у випадку значної тріщинуватості порід, коли ще до початку розробки родовищ на окремих ділянках проявляють­ся нафтові і газові виходи, грязьовий вулканізм, кірові поля, озокерит­ні жили тощо.

Ненадійні флюїдоупори в переважній більшості також починають проявлятися в процесі розробки родовищ після створення деякого градієнта тиску між пластами. Негерметичні стовбури свердловин слугують основними каналами зв’язку між пластами, в результаті чого створюються штучні шляхи для міжпластових перетоків і утворення зон загазованості та нафтогазових грифонів.

Питання для самоперевірки:

1 Де проходять техногенні зміни гідрогеологічних систем в нафтогазоносних басейнах, де проводиться буріння та видобуток нафти і газу?

2 Тривалість природного окислення нафти в аеробних умовах.

3 Де проходять основні зміни при розробці нафтових і газових родовищ?

4 Через що потрапляють нафти і конденсати в атмосферу у пароподібному стані?