Лекція 5 Захист геологічного середовища у нафтогазовій галузі

Характерною рисою негативної дії нафтогазових підприємств України на навколишнє середовище є відсутність налагодженої системи моніторингу на вуглеводневих родовищах, регіональне забруднення територій через підвищену загазованість атмосферного повітря, недостатня система захисту та екологічного контролю при значній лінійній довжині та розгалуженості мережі трубопроводів, висока енергоємність технологічних процесів, значні обсяги використання води, наявність великої кількості відстійників, накопичувачів та амбарів.

У той же час для нафтогазового комплексу України характерний інтенсивний розвиток автоматизації багатьох технологічних процесів: для прогнозування і запобігання аварійних ситуацій на газопроводах здійснено автоматизований контроль за параметрами екологічної безпеки і розроблена експертна система, для нафтогазопромилових районів, резервуарних парків розроблені автоматизовані системи моніторингу, для забезпечення нормативно-законодавчого обліку та нормування витрат ресурсів створюються комп’ютерно-пошукові системи. Щодо поводження з відходами нафтогазового комплексу, то основна увага приділяється утилізації супутніх вод, відходів буріння, використанню безамбарної технології буріння, зменшенню викидів в атмосферу, забрудненню грунтів, захисту морського середовища від нафтового забруднення з розробкою комплексу заходів щодо вдосконалення очистки нафтовмісних стічних вод, рекультивації забруднених грунтів, використанню сучасних біотехнологій.

Аналіз інформаційних джерел, фактичних даних НАК “Нафтогаз України”, ДК “Укргазвидобування”, ДК “Чорноморнафтогаз”, ВАТ “Укрнафта” та їх структурних одиниць свідчить, що для нафтогазових підприємств України характерний низький рівень утилізації відходів. Такий стан у сфері поводження з відходам викликаний двома основними факторами: економічною недоцільністю через значні капіталовкладення і відсутність правового стимулювання, а також відсутністю повної і достовірної інформації про відходи на окремо взятому підприємстві. Аналіз матеріалів екологічної звітності підприємств нафтогазової галузі показує практичну відсутність єдиного підходу до збору та характеру представлення інформації про відходи: не всі відходи підлягають первинному обліку, немає повної та достовірної інформації про номенклатуру відходів, їх генезис, склад і властивості, один вид відходів на різних підприємствах може мати різну назву і різні коди, немає кореляції між даними різних форм звітності щодо поводження з відходами. Така ситуація не дозволяє одержувати об’єктивні показники екологічного стану в регіонах діяльності нафтогазових підприємств, виявляти основні джерела техногенного забруднення довкілля та проводити кількісну оцінку рівня екологічної безпеки виробництва. Також при оцінюванні якості навколишнього середовища виникає багато проблем, пов’язаних із розбіжністю різних норм, які характеризують стан довкілля. Така ситуація перешкоджає розробці єдиної системи показників контролю за станом довкілля і розробці системи заходів щодо нейтралізації негативних наслідків техногенної діяльності, значно ускладнює процес пошуку оптимальних заходів для зменшення об’ємів відходів і підвищення рівня екологічної безпеки виробництва і впливає на якість прийняття природоохоронних заходів.

На даний час виділяють такі основні екологічні проблеми нафтогазової галузі України в напрямку мінімізації об’ємів відходів: впровадження енергозберігаючих технологій, збільшення глибини переробки вуглеводневої сировини, удосконалення системи очистки вод, зменшення викидів в атмосферу, утилізація відходів або передача їх іншим підприємствам, удосконалення інформаційного забезпечення, створення галузевого кадастру відходів, галузевої системи моніторингу та контролю та єдиного банку даних по джерелах утворення, технологіях знешкодження та переробки відходів, по підприємствах, що займаються переробкою, утилізацією відходів, по нормативно-правовому та методичному забезпеченню поводження з відходами, по питомих показниках та нормативах утворення відходів.

Таким чином, питання розробки методів та засобів мінімізації відходів нафтогазового комплексу є актуальними і потребують невідкладного вирішення.

Природоохоронні заходи під час видобування нафти. Процес видобування нафти є одним із найбільш екологічно шкідливих, одним із основних потенційних джерел забруднення довкілля. На його частку припадає 8-10% загального негативного впливу на природу: порушується поверхневий покрив, забруднюється грунт, надра, атмосфера і вода внаслідок витікання нафти, газових факелів, зли­вання пластової води, витікання бурового розчину. Локальні забруднення грунту пов’язані найчастіше із розливанням нафти в разі пошкодження трубопро­водів і через негерметичність обладнання. Забруднення великих територій може бути внаслідок відкритого фонтанування нафти. На 1 свердловину потрібно 0,5... 1 га землі, а з усіма об’єк­тами до 2...3 га. Практично більша площа території родовища вилучається із використання для інших цілей. Експлуатація свердловин і транспортування нафти та нафтопродуктів неминуче супроводжуються витіканнями (2...3% початкового видобутку).

Розлита нафта проникає на глибину до 1 м у піщаний грунт і на 0,5...0,6 м у суглинок, насичуючи їх до 10...15 л/м . Тоді погір­шується структура грунту, порушується кореневе живлення рослин, фунт стає неродючим на період до 12...15 років навіть за най­активнішої рекультивації. У тундрі він перетворюється в болото. Під час морського видобування сьогодні втрачається нафти до 200...300 тис.т/рік, а 1 т нафти розтікається на площі 30 км². На пізній стадії розробки разом з 1 т нафти видобувається до 10...20 м /т пластової мінералізованої води. 25...30% води поки що надходить у поглинальні водяні пласти або в ріки і моря. Основна частина забруднювачів атмосфери - випаровування нафти і нафтового газу із свердловин, трубопроводів і резервуарів. Це потребує активних і рішучих екологозахисних дій.

При безвідходному процесі видобування нафти: нафта і нафтовий газ повністю надходять споживачам, а пластова вода нагнітається назад у поклад для витіснення нафти. Ступінь безвідходності процесу визначається рівнем оснащеності необхідним обладнанням, географічними умовами за прагнення отримати найбільший прибуток. Так, нафтовий газ на морських і територіально віддалених родовищах, особливо з малими запасами, інколи ще спалюють у факелах, хоч спалювання є прямою втратою ресурсів вуглеводнів і забруднює атмосферу. Пластова вода викорис­товується для витіснення нафти, чим досягається також охорона водойм, флори і фауни, джерел питної води. Разом з тим пластова вода часто містить багато цінних компонентів (солей металів), їх доцільно було б відділяти від води перед нагнітанням у пласт. Законодавство про надра передбачає обов’язок користувача надр забезпечити охорону усіх об’єктів навколишнього природного середовища.

Охорона довкілля і надр – це система заходів щодо запобігання і усунення забруднень атмосфери, води і земель, тобто природного середовища. Дня її вирішення потрібно:

• у процесі буріння свердловин надійно ізолювати один від одного продуктивні і непродуктивні пласти, забезпечити герметичність обсадних колон свердловин, запобігти можливому відкритому фонтануванню свердловин і обвалам порід;

• під час проектування і здійснення геологорозвідувальних робіт створити умови для вилучення найбільшої кількості вуглеводнів із покладу, отримання інших, не менш важливих корисних копалин (сірки, йоду, брому, гелію і т.п.), не допускати вибіркового відбирання нафти із найпродуктивніших ділянок, що призводить до зниження рівня кондиційності залишених запасів;

- у процесі освоєння, експлуатації і ремонту свердловин вжити заходів для запобігання відкритого фонтанування, проривів нафти і газу в інші пласти, передчасного обводнення свердловин, нанесення шкоди іншим продуктивним пластам;

- ліквідувати аварійні свердловини, в яких ремонтні роботи виявились безрезультатними, і свердловини, які розкрили нафтові пласти, але підлягають ліквідації за технічними причинами, попередньо узгодивши з гірничим технаглядом і виконавши надійну ізоляцію нафтових пластів від інших проникних пластів;

- регулярно досліджувати видобувні і нагнітальні свердловини на герметичність обсадних колон і стан затрубного цементного кільця; експлуатацію свердловин здійснювати відповідно до заданого технологічного режиму, забезпечити збереження скелету порід і не допускати конусоутворення газу та води, передчасного розвитку режиму розчиненого газу;

- експлуатацію свердловин здійснювати за герметичного обладнання гирла, що запобігає безконтрольному відбиранню, нагнітанню, викиданню, відкритому фонтануванню, витіканню нафти, води і газу;

- регулярно здійснювати візуальний огляд стану присвердловинних майданчиків для виявлення витікань нафти, води, появи грифонів і т.д.; припинити експлуатацію свердловин за наявності грифонів, витікань нафти і води, негайно виконувати ремонтні роботи;

• створити мережу опорних контрольних пунктів (свердловин) для регулярних спостережень за хімічним складом і тиском (рівнем) підземних вод верхніх горизонтів, за складом і забрудненістю ґрунтових і поверхневих вод;

• здійснювати контроль загазованості території родовища, особливо такого, яке залягає неглибоко;

• обробляти води, що нагнітаються в поклад, бактерицидами і анти­ септиками для придушення сульфатвідновлювальних бактерій, які спричиняють сірководневе зараження нафти і пластової води;

- прокладати промислові трубопроводи і комунікації в одному коридорі (траншеї), створювати внутрішнє протикорозійне покриття трубопроводів, через які подаються мінералізовані і стічні води на кущові насосні станції;

- використовувати лише герметизовану систему збирання і підготовки продукції свердловин, безстічні системи каналізації усіх видів нафтопромислових стоків, повне використання пластових вод і зливних стоків для заводнення пластів;

- здійснити герметизацію очисного обладнання, збирання зливних, забруднених нафтою в ході ремонту свердловин та інших стоків у спеціальні каналізаційні колодязі (для вивезення їх на очисні споруди нафтозбірних пунктів), безамбарну систему збирання стоків у ході ремонту свердловин;

- для каналізації і запобігання переміщенню розлитої нафти своєчасно обваловувати групове вимірювальне обладнання, кущові насосні станції, збірні пункти і т.д.;

- створювати санітарно-захисні зони та виконувати заходи щодо захисту населених пунктів у випадку можливої аварії на свердловинах, на нафто- і газопроводах;

- через велику розосередженість нафтопромислових об’єктів скорочувати, за можливістю, розміри земельних відводів для промислових споруд (наприклад, групувати свердловини в кущі і використовувати похилоспрямоване буріння);

- проводити рекультивацію (відновлення) земель, зайнятих присвердловинними майданчиками і під’їзними дорогами після ліквідації свердловин, а також на ділянках тимчасового користування, наприклад, для спорудження трубопроводу (родючий грунт знімають, складають і після виконання технологічних робіт знову повертають на попереднє місце);

- застосовувати системи аварійного захисту, відключення нафтопромислових об’єктів (свердловин, трубопроводів і т.д.) у випадку виникнення аварій.

Захист геологічного середовища при транспортування нафти і газу. Збереження геологічного середовища під час господарської діяльності є однією з головних проблем сучасності. Особливого значення вона набуває при будівництві крупних лінійних об’єктів, які призводять до значного порушення геологічного середовища на значних територіях. До таких складних об’єктів, що інтенсивно порушують навколишнє середовище, належать магістральні нафтогазопроводи великого діаметру.

У процесі проведення науково-практичних досліджень в межах лінійних магістральних газопроводів одержано комплекс статистичних даних, що дозволив розробити схему та обгрунтувати раціональний вид і обсяг робіт із забезпечення безаварійної роботи магістральних газопроводів уже на стадії проектування. Досягається це шляхом цілеспрямованого і науково обгрунтованого вивчення стану геологічного середовища, виявлення наявних та можливих у перспективі геологічних ускладнень, доопрацюванням проекту з метою обходу ускладнених геологічних ділянок. Одержані результати лягли в основу розробки методики проведення раціонального комплексу геологічних досліджень на стадії проектування з метою збереження навколишнього середовища та нанесення йому найменшої шкоди при будівництві та експлуатації об’єктів такого типу.

Такий комплекс досліджень складається з трьох основних етапів. На першому, підготовчому етапі аналізується наявний картографічний матеріал, що відображає геологічну, геоморфологічну будову та тектонічні особливості вздовж проектного напрямку прокладання. Проводиться дешифрування аерофотознімків з метою вияснення ступеня розвитку деструктивних геологічних процесів. Такий комплексний аналіз дозволяє виділити найбільш несприятливі для будівництва ділянки, або такі, що можуть в перспективі втратити необхідні несучі властивості. Другий етап складається з аеровізуальних досліджень вздовж траси прокладання трубопроводу та картування специфічних елементів рельєфу для вияснення реальної ландшафтно-морфоструктурної ситуації та відбраковки небажаних для будівництва ділянок. Одночасно бажано виконати повторне аерофотографування, що дозволить виявити динаміку та напрямок розвитку деструктивних процесів. На основі вияснення цих тенденцій можна дати обгрунтований прогноз подальшого розвитку геоекологічної ситуації на весь час функціонування об’єкту. Третій етап складається з геолого-геоморфологічного обстеження траси трубопроводу та розробки або обгрунтування рекомендацій з обходу несприятливих ділянок. Особлива увага при цьому приділяється ослабленим в геологічному відношенні ділянкам, що можуть перетворитись в нестабільні з активним розвитком ерозії, зсувів та інших геологічних процесів під час експлуатації трубопроводу або навіть під час виконання будівельних робіт. Виконання рекомендацій розробленого комплексу досліджень трас нафтогазопроводів та інших лінійних об’єктів на стадії проектування дозволяє значно підвищити ефективність та рентабельність будівництва, забезпечити стабільну довготривалу роботу об’єкта, попередити розвиток і виникнення небажаних геологічних явищ. У свою чергу, це дозволяє максимально зберегти природне середовище, у тому числі сільськогосподарські угіддя, лісові масиви, водні ресурси, рекреаційні зони та інше від незворотнього руйнування та необгрунтованого знищення.

Захист геологічного середовища при зберіганні нафти і газу. Виробничі об’єкти транспортування і зберігання нафти, нафтопродуктів, природного газу вносять значну частку в забруднення атмосферного повітря. Основна частина забруднювачів при нормальному режимі роботи поступає в атмосферу у вигляді пари газу з резервуарів і технологічних апаратів та при зливо-наливних операціях. Питомий внесок у забруднення товарно-сировинних парків, наприклад, складає близько 50% загального об’єму. Особливо великі втрати при випаровуванні нафти і легкозаймистих нафтопродуктів при зберіганні їх у резервуарах. У якості забруднювача в даному випадку виступають складні суміші великої кількості індивідуальних вуглеводневих компонентів. При цьому на початковій стадії випаровуються найбільш легкі фракції. Рідка фаза при цьому поступово обважнюється.

У нормальному стані резервуар представляє собою герметичну ємність і процеси випаровування в ній, які підкоряються законам переходу рідкої фази у газоподібну в закритій ємності. Вільний простір в такій ємності поступово насичується парами рідини, що зберігається. Випаровування – це тривалий процес і тому рівноважний стан досягається не відразу, а поступово.

При випаровуванні рідини у відкритій ємності пара безперервно і повністю відводяться від її поверхні в навколишнє середовище. Процес протікає в цьому випадку з постійною і максимальною швидкістю. У закритому резервуарі таке випаровування відбувається тільки в початковий момент. У подальшому процес сповільнюється, поступово наближаючись до нуля.

Швидкість випаровування визначається кількістю рідини, що випаровується в одиницю часу, і залежить від ряду чинників, основні з яких пружність пари, фракційний склад і температурні зміни. Велике значення мають також площа випаровування, товщина шару рідини, коефіцієнт дифузії парів в повітрі.

При зберіганні рідин, що легко випаровуються, в резервуарах розрізняють два види втрат: від так званих малих і від великих “видихів”. Ці викиди доповнюються втратами від “зворотного видиху” і від вентиляції газового простору резервуарів.

Втрати від малих “видихів” виникають при нерухомому зберіганні рідких вуглеводнів. Зумовлені вони добовою зміною температури. За денного часу при нагріванні резервуару і верхнього шару нафтопродуктів кількість пари та тиск в герметичній ємності збільшуються. Коли тиск перевищує розрахунковий, запобіжний клапан випускає частину надлишкової пари в атмосферу.

За нічного, більш холодного часу спостерігається протилежний процес: часткова концентрація пари знижує тиск в газовому просторі резервуару, утворюючи вакуум, і створює умови для надходження в резервуар зовнішнього повітря.

Аналогічні явища відбуваються при зміні барометричного тиску.

Втрати від великих “видихів” відбуваються при наповненні резервуару нафтою і витісненні з нього пароповітряної суміші. Тиск суміші, що стискається, виявляється більшим від розрахункового тиску дихальних клапанів і вони викидають частину суміші в атмосферу – відбувається “видих”. Ці втрати називають також втратами від витіснення пари наливною рідиною.

Втрати від зворотного “видиху” відбуваються при насиченні газового простору резервуарів. При відкачуванні нафти в резервуар надходить атмосферне повітря, що збільшує об’єм пароповітряної суміші. Через певний проміжок часу надлишок суміші виходить назовні, тобто відбувається додатковий зворотний “видих”. Об’єм втрат від зворотного “видиху” становить 7–12% (у середньому 10%) від великих “видихів”.

Втрати від вентиляції виникають у результаті недостатньої герметичності резервуарів.

Для розрахунку втрат всіх видів потрібно знати температурний режим резервуару, температури газового простору поверхневого шару нафтопродукту та їх зміну залежно від дії зовнішнього повітря і сонячної радіації.

Фактичні втрати нафтопродуктів з резервуарів визначають безпосереднім виміром. При цьому об’єм пароповітряної суміші, що виходить з резервуару заміряють газовими лічильниками, а об’ємну концентрацію шкідливих речовин в ній – газоаналізаторами.

При експлуатації резервуарів особливе значення надається герметизації газового простору резервуарів.

Всі операції наливання і зливу нафтопродуктів виконують при максимальній герметичності робочої зони резервуару. Намагаються гранично скоротити кількість внутрішньопаркових перекачувань і всі ємності за можливістю використовувати з максимальним заповненням. Ці обставини значно зменшують втрати при великому і малому “видиху”.

До спеціальних технологічних засобів зниження втрат при зберіганні нафти і нафтопродуктів відносять: застосування резервуарів із зменшеним об’ємом газового простору; зберігання нафтопродуктів під підвищеним тиском; застосування газовирівнювальних систем і установок уловлювання пари нафти і нафтопродуктів; використання відбивно-теплового захисту резервуарів від сонячної радіації для зменшення діапазону зміни температури газового простору.

При зберіганні легкозаймистих нафтопродуктів під підвищеним тиском в резервуарах повністю виключаються втрати від малих “видихів”, а втрати від великих “видихів” скорочуються на 50–60%.

Негативну теплову дію сонячної радіації різко обмежують відповідним забарвленням зовнішніх і внутрішніх поверхонь резервуарів, екранами–відбивачами, зрошуванням дахів резервуарів та ін. Одночасне забарвлення внутрішньої і зовнішньої поверхонь резервуару знижує втрати від випаровування на 50–60% у порівнянні з незабарвленим резервуаром.

Одним з перспективних напрямів зниження втрат нафтопродуктів, що легко випаровуються, є використання заглиблених і підземних резервуарів. При такому способі зберігання практично виключається втрата нафтопродуктів від малих “видихів”, оскільки резервуари знаходяться поза опромінюванням.

Усі вищеперераховані заходи застосовуються не тільки для зменшення втрат нафтопродуктів, а, головним чином, для попередження забруднення геологічного середовища.

Питання для самоперевірки:

1 Із чим найчастіше пов’язані локальні забруднення грунту?

2 На яку глибину у піщаний грунт або суглинок проникає розлита нафта?

3 Як протікає процес випаровування при випаровуванні рідини у відкритій ємності?

4 Перспективні напрями зниження втрат нафтопродуктів.

5 Раціональний комплекс геологічних досліджень на стадії проектування магістральних трубопроводів.