|
УДК 553.98:550.812.1:502.7 |
Техногенное воздействие на геолого-гидрогеологическую среду при поисково-разведочных работах на нефть и газ
Г.П. ЯКОБСОН (ВНИГНИ)
В последние десятилетия техногенное воздействие на верхнюю часть земной коры резко усиливается, существенно изменяя природную геолого-гидрогеологическую обстановку. Эта проблема затрагивает много вопросов, среди которых важным и актуальным является изучение прогрессирующего нарушения подземной гидросферы осадочного чехла в результате проведения широкомасштабных поисково-разведочных работ на нефть и газ на территории СССР. Задача охраны геолого-гидрогеологической среды состоит в первую очередь в сохранении естественного режима подземных вод зоны активного водообмена, являющихся ценнейшим природным продуктом для человеческой жизнедеятельности.
Действительно, верхние водоносные горизонты отложений земной коры (верхний гидрогеологический этаж), с одной стороны, больше используются в народном хозяйстве, а с другой - наиболее загрязняются вследствие воздействия многочисленных техногенных факторов. При этом загрязнены могут быть как пресные, так и минеральные (безнапорные и напорные) воды.
Загрязнением подземных вод считается ухудшение их естественных свойств, физико-химических и биологических показателей в результате антропогенного воздействия в размерах, превышающих способность среды к самоочищению, что делает эту воду частично или полностью непригодной для использования (Количественную характеристику загрязнения определяют исходя из предельно допустимых концентраций (ПДК) отдельных компонентов.). При этом в пресных подземных водах увеличивается минерализация, повышается содержание ряда компонентов (хлоридов, сульфатов, кальция, железа, ОВ и т. п.), появляются несвойственные им вещества и микроорганизмы, изменяются температура, рН, органолептические свойства и другие показатели качества воды.
При поисково-разведочных работах на нефть и газ выделяются следующие основные факторы загрязнения геологической среды.
1. Бурение различных скважин (структурных, поисковых, разведочных, геофизических, водоснабженческих и др.). При их некачественной проводке, плохой изоляции геологических интервалов разреза, ликвидации нередко отмечается нарушение естественной обстановки в зоне активного водообмена пресных и минеральных вод. Загрязнение происходит при поглощении промывочной жидкости, глинистого раствора, при нефтяных ваннах в случае прихватов бурового снаряда, затрубных межкомплексных перетоках (в том числе нефтяных флюидов), аварийного фонтанирования и пр. Загрязнение возможно и при опробовании и испытании разведочных скважин с применением методов интенсификации притоков, а также при их опытно-промышленной эксплуатации на заключительной стадии разведочных работ.
В случае межпластовых перетоков в верхних водоносных горизонтах образуются аномальные гидродинамические зоны, в которых фиксируется гидравлическое вытеcнение вод данного горизонта загрязнителем (в частности, минерализованной, газонасыщенной минерализованной водой, нефтью) из других водоносных горизонтов.
2. Фильтрация из наземных сооружений вблизи скважин буровых промывочных растворов, промстоков, химреагентов, а также разливы и инфильтрация загрязняющих веществ с поверхности земли и пр.
3. Проведение сейсмических исследований, детализационная скважинная и наземная сейсморазведка с применением буровзрывных работ может значительно ослабить водоупорные отложения, служащие разделами между горизонтами с пресными и минерализованными водами в зоне активного водообмена. По образующимся в результате геофизических работ «окнам» возможно засоление пресных вод, используемых для водоснабжения.
Основные загрязняющие вещества, формирующие техногенные потоки, - нефть и газ, нефтепродукты, газовые смеси, пластовые высокоминерализованные воды, химические реагенты буровых растворов. В состав последних входят добавки, содержащие целый ряд химических веществ, которые могут рассматриваться как загрязнители подземных вод: неорганические соли, в том числе соединения тяжелых металлов, ПАВ, фенолы, нефтепродукты, сивушные масла, органические кислоты, гуматы, нитропроизводные и т. д.
Концентрация отдельных компонентов в буровых растворах во много раз превышает ПДК. Так, содержание фенолов нередко выше ПДК на два - четыре порядка, хлоридов часто - в десятки раз, Сr6+ - на три порядка, нефтепродуктов - более чем на порядок. Характерны величины такого суммарного показателя, определяющего общую загрязненность, как биохимическое потребление кислорода. В буровых растворах они превышают нормативные в 400-500 раз. Расход химических реагентов - потенциальных загрязнителей при проведении буровых работ на нефть и газ весьма внушителен. Для бурения и крепления скважин расход технической воды часто предусматривается 40 м3/сут, а при испытании одного объекта 20 м3/сут. Одновременный слив глинистого раствора после окончания бурения скважины составляет примерно 250 м3. Для приготовления буровых растворов используют около 25 наименований химреагентов и материалов помимо нефти и нефтепродуктов. При этом число химических добавок постоянно увеличивается за счет новых, предлагаемых для повышения эффективности бурения. Все это свидетельствует о том, что буровые растворы являются весьма опасными, долговременными химическими загрязнителями пресных подземных вод и поверхностных водоемов.
Таким образом, можно выделить следующие типы загрязнения подземных вод: химическое, углеводородное и тепловое. Первое проявляется в увеличении общей минерализации вод против фоновой, в росте концентрации отдельных макро- и микрокомпонентов, в появлении несвойственных им минеральных и органических соединений. Углеводородное (нефтяное) загрязнение, являющееся разновидностью химического, оказывает существенное негативное воздействие на геолого-гидрогеологическую среду вследствие высокой токсичности и миграционной способности отдельных компонентов нефти. Тепловое загрязнение выражается в увеличении против фоновой температуры подземных вод.
Случаи нарушения естественного режима, химического и углеводородного загрязнения пресных вод зоны активного водообмена осадочного чехла в районах разведочных площадей на нефть и газ на территории европейской части СССР, Средней Азии и других регионов многочисленны. Так, в восточных областях европейской части СССР (Пермская и Кировская области. Удмуртская и Башкирская АССР и другие районы) широко распространены терригенно-карбонатные породы верхней перми, содержащие в верхней части разреза (до 60-100 м) пресные воды, а в нижней солоноватые и соленые. Последние, имея избыточное давление, часто переливают через устья структурно-поисковых и разведочных скважин (из-за некачественной технологии проходки скважин и изоляции горизонтов), загрязняя питьевые пресные воды верхнего гидрогеологического этажа земной коры.
На территории Днепровско-Донецкого НГБ также выявлено несколько сот самоизливающихся и около 5000 заброшенных скважин (не ликвидированных по технологическим нормам). В десятках скважин, ежегодно проводимых для водоснабжения буровых бригад, часто отсутствует затрубная цементация. Все это создает предпосылки для значительного нарушения естественной обстановки в зоне активного водообмена. Действительно, признаки загрязнения пресных питьевых вод широко фиксируются на поисково-разведочных площадях в районах ДДВ
В зависимости от концентрации загрязнителя и размеров загрязненных площадей выделяются следующие стадии загрязнения: 1) начальное загрязнение, когда концентрация загрязнителя в воде превышает фоновую, но не достигает величины ПДК; 2) опасное загрязнение - концентрация загрязнителя достигла ПДК и выше, а площадь загрязнения участков подземных вод составляет около 0,02-0,5 км2. Такое загрязнение весьма опасно, если участки даже менее 0,02 км2 расположены в густонаселенных районах, вблизи действующих или проектируемых водозаборов; 3) чрезвычайно опасное загрязнение, когда содержание загрязнителей в подземных водах значительно превышает ПДК, а в случае высокотоксичных загрязнителей достигает ПДК, площадь таких участков 0.5-1 км2 и более.
Первые две стадии отмечаются гидрогеологами в литературе (без указания размеров площадей), третья пока не выделяется. Выделение ее считаем целесообразным, так как при ее обнаружении необходимо принимать самые срочные меры (подобное ЧП создает значительные трудности для жизнедеятельности человека, выполнения промышленно-хозяйственных задач).
Подразделение загрязнения на стадии имеет значение для своевременного принятия мер по ликвидации источников загрязнения. Если нарушенный естественный режим подземных вод на первых двух стадиях при известных усилиях поддается более успешному и сравнительно быстрому восстановлению, то ликвидация последствий третьей стадии загрязнения нуждается в проведении более трудоемких и продолжительных мероприятий.
К числу опасных, значительных по масштабам загрязнений пресных и минеральных вод относится «скрытое» загрязнение геолого-гидрогеологической среды вследствие межпластовых перетоков из глубоких горизонтов минерализованных и высокоминерализованных вод (рассолов). Оно может длиться многие годы после некачественной проходки или ликвидации скважин. При этом идет активный процесс развития ореола загрязнения геолого-гидрогеологической среды, размеры которого определяются дебитом и составом флюида скважины-загрязнителя, параметрами естественного загрязняемого резервуара, его вод и пр. Формирующийся ореол может иметь значительные размеры. При дебите скважины-загрязнителя 80-100 м3/сут с минерализацией раствора 100-200 г/л длина загрязненного потока, по расчетным данным Ф.П. Самсонова, за 8-10 лет примерно достигает 5000 м, площадь потока - до 0,4-0,5 км2. При аварийных обстановках зона загрязнения за несколько лет может охватить площадь до 2 км2 и более.
Распространение нефтяного загрязнения, т. е. процессов миграции и рассеяния нефтепродуктов в пластовых условиях, определяется физико-химическими свойствами нефтепродуктов и параметрами водоносных комплексов.
В водоносном горизонте нефть и нефтепродукты могут находиться в виде однофазного жидкого слоя, истинного раствора, тонкодисперсных эмульсий или сорбироваться породой. С продвижением «нефтяного тела», образованного нефтью в жидкой фазе, в водоносном пласте образуется зона остаточного нефтяного насыщения, которая по объему значительно превышает первоначальное «нефтяное тело».
По данным ряда исследователей, усредненные величины растворимости нефти составляют до 30-50 мг/л, бензина - до 50-500 мг/л. При насыщении воды нефтепродуктами содержание их превышает ПДК на несколько порядков. Опасность нефтяного загрязнения для качества подземных вод увеличивается вследствие весьма ограниченных возможностей их самоочищения. Водонасыщенная порода практически не сорбирует нефтяные вещества из водных растворов. Поэтому даже относительно небольшие количества нефти могут служить источником загрязнения существенных масштабов и сохраняться длительное время.
Частый вид загрязнения - фильтрация нефти и нефтепродуктов с поверхности земли. При этом загрязняются прежде всего грунтовые воды. Нефть проникает в почвенный слой и зону аэрации, перемещаясь под действием силы тяжести. Встречаясь с зеркалом подземных вод, она активно растекается по горизонтам. Распространяясь по поверхности грунтовых вод, растворенные нефтепродукты загрязняют большие по площади участки. Так, при фильтрации всего 1 м3 разлитой нефти, площадь участка с нефтяным загрязнением поверхностного слоя грунтовых вод составит более 5 тыс. м2, а время существования его - сотни лет (Д.Ш. Новосельцева). При большем объеме инфильтрованной нефти или нефтепродуктов, естественно, будут большие масштабы загрязнения. К сожалению, в практике разведочных работ (а «чистота» их нередко оставляет желать лучшего) это встречается довольно часто.
Для определения масштабов и характера возможных нарушений геолого-гидрогеологической среды на разведуемой территории необходимо до начала работ (при их проектировании) проинтерпретировать имеющиеся материалы по гидродинамике и гидрохимии площади, в первую очередь провести гидрогеологическое изучение зоны активного водообмена. При этом особое внимание следует обратить на состав вод скважин водоснабжения (в том числе для скважин глубокого бурения), колодцев, родников, прудов-отстойников, земляных амбаров. Периодическая гидрохимическая съемка (1-2 раза в год) зоны активного водообмена (грунтовых вод) эффективно выявит нарушения в естественном ионно-солевом и микрокомпонентном составе вод, площади с повышенными концентрациями нефтепродуктов (по отношению к величинам ПДК), т. е. техногенные гидрогеологические аномалии. С целью их скорейшего обнаружения на стадии планирования этих работ необходимо особо учесть гидрогеологические данные о ненарушенном режиме подземных вод района, в том числе по существующим и проектируемым здесь водозаборам, ирригации и пр. При этом следует использовать отдельные данные и сводки государственной гидрогеологической съемки масштаба 1:200 000 и более крупные. Необходимо также на разведочных площадях пробурить несколько режимных наблюдательных скважин. Желательно для обоснования мероприятий по охране геолого-гидрогеологической среды на этих площадях пользоваться схемами-картами ее природной защищенности.
Таким образом, при поисково-разведочных работах на нефть и газ существенной составной частью должны быть гидрогеологические исследования, проводимые с целью максимального предотвращения нарушения геолого-гидрогеологической среды. Основные итоговые положения их должны быть обязательной частью отчетов по подсчету запасов нефти и газа, утверждаемых в ГКЗ СССР.
Сохранение естественного гидрогеологического режима верхних этажей геологического разреза земной коры при проведении поисково-разведочных работ на нефть и газ имеет важное значение для рационального использования ресурсов подземных вод в народном хозяйстве страны.