Глава 3. Нефтедобывающая промышленность
Л.И. Бондалетова
Промышленная экология
Учебное пособие / Том. политехн. ун-т. — Томск, 2002. — 168 с.
Глава 3. Нефтедобывающая промышленность
3.7. Загрязнение почвы нефтью
Локальные загрязнения почвы связаны чаще всего с разливами нефти и нефтепродуктов при повреждении трубопроводов и их утечках через неплотности в оборудовании.
Загрязнение больших площадей возможно при фонтанировании нефти.
Нефть, попадая в почву, опускается вертикально вниз под влиянием гравитационных сил и распространяется вширь под действием поверхностных и капиллярных сил. Скорость продвижения нефти зависит от ее свойств, грунта и соотношения нефти, воздуха и воды в многофазной движущейся системе. Первостепенное значение при этом имеют тип нефти, ее количество, характер нефтяного загрязнения. Чем меньше доля нефти в такой системе, тем труднее ее фильтрация (миграция) в грунте. В ходе этих процессов насыщенность грунта нефтью (при отсутствии новых поступлений) непрерывно снижается. При содержании в грунте 10-12 % (уровень остаточного насыщения) нефть становится неподвижной.
Движение прекращается также при достижении нефтью уровня грунтовых вод. Нефть начинает перемещаться в направлении уклона поверхности грунтовых вод. Для предотвращения миграции разлитой нефти бурят серию скважин и извлекают загрязненные грунтовые воды. В некоторых случаях на пути движения грунтовых вод ставится водонепроницаемый барьер (резиновые гидроизолирующие мембраны). Нефть, скопившаяся около барьера, удаляется при помощи специального оборудования.
Проявление капиллярных сил хорошо прослеживается при значительной проницаемости и пористости грунта. Пески и гравийные грунты, например, благоприятны для миграции нефти; глины и илы неблагоприятны.
В горных породах нефть движется в основном по трещинам.
Выживаемость растений в загрязненных нефтью почвах зависит от глубины проникновения корней. Нефтяное загрязнение разрушает структуру почвы, изменяет ее физико-химические свойства: резко снижается водопроницаемость, увеличивается соотношение между углеродом и азотом (за счет углерода нефти), что приводит к ухудшению азотного режима, нарушению корневого питания растений.
Первоначальное относительно слабое загрязнение почвы нефтью снижает количество микроорганизмов. Восстановление численности микроорганизмов наблюдается через 6 мес. В это время компоненты нефти используются микроорганизмами в качестве продуктов питания. Однако интенсивный рост микроорганизмов обедняет почву соединениями азота и фосфора и в дальнейшем может сыграть роль лимитирующего фактора, если учесть, что в почвах, загрязненных нефтью, с самого начала отмечается дефицит азота. Загрязнение почвы нефтью может оказать пагубное влияние на человека через пищевые цепи.
Ухудшение гидрогеологического режима территории, нарушение структуры и состава почвы выдвигают необходимость своевременной рекультивации (восстановления) нарушенных земель и вовлечения их в хозяйственный оборот.
При разведке, добыче, сборе, подготовке и транспорте нефти и газа занимается огромная территория под многочисленные нефтепромысловые объекты: скважины, технологические емкости, резервуары, линии электропередачи, очистные сооружения, компрессоры, нефтесборные пункты, установки подготовки нефти и газа, насосные станции, нефтеперекачивающие станции. По этой причине на балансе нефтяной промышленности земли больше, чем у других добывающих министерств.
Для рекультивации земель созданы специальные механизированные колонны с необходимой техникой и инвентарем. На предприятиях отрасли предусматривается увеличение коэффициента застройки нефтепромысловых территорий, использование однотрубных систем сбора и транспорта нефти, газа и пластовой воды, группирование скважин в кусты и использование наклонно-направленного бурения, прокладка нефтепромысловых трубопроводов и коммуникаций одинакового назначения параллельно в одной траншее.
Для предотвращения загрязнения почв при проектировании объектов нефтепромыслов предусматривается:
— полная герметизация систем сбора, сепарации и подготовки нефти и газа;
— автоматическое отключение скважин отсекателями при прорыве выкидной линии;
— покрытие изоляцией усиленного типа магистральных нефтепроводов со 100 %-ным просвечиванием стыков на переходах через искусственные и естественные преграды;
— использование бессточных систем канализации промышленно-ливневых и фекальных стоков;
— полное использование пластовых и промысловых сточных вод для закачки в продуктивные пласты и поддержания пластового давления;
— внутреннее противокоррозионное покрытие трубопроводов, перекачивающих пластовую воду.
Горнотехническая рекультивация земель на объектах нефтяной промышленности выполняется в строгом соответствии с утвержденными проектами на строительство конкретного объекта (трубопровода, установки по подготовке нефти и т. д.). Стоимость рекультивации включена в сводную смету строительства.
В проекте рекультивации земель по трассе трубопровода определены границы нарушенных земель; ширина зоны рекультивации в пределах полосы отвода; толщина снимаемого плодородного слоя почвы по каждому участку; место расположения отвала для временного хранения снятого плодородного слоя почвы; способы снятия, транспортирования и нанесения плодородного слоя почвы; объемы и методы погрузки, разгрузки и вывоза лишнего минерального грунта в указанном месте; методы уплотнения разрыхленного минерального грунта и плодородного слоя почвы после засыпки трубопровода.
Плодородный слой почвы снимается и перемещается в отвал бульдозерами при толщине слоя более 20 см. Обычно плодородный слой снимают на ширину траншеи поверху (+0,5 м в обе стороны). Затем минеральный грунт вынимают экскаватором и складывают вдоль траншеи. На уложенный трубопровод сначала засыпают минеральный грунт, затем равномерно плодородный слой, который после усадки прокатывают трактором на гусеничном ходу.
На участках, выделенных для размещения буровых установок, все работы по рекультивации выполняются в соответствии с планом-графиком, согласованным с графиком движения буровых станков. На проведение работ по каждой скважине составляют проектную документацию.
Вначале на участках снимают плодородный слой земли и складируют в буртах обычно в пределах участка. Для предотвращения воздушной и водной эрозии поверхность буртов засевают многолетними травами. Для хранения почвы выбирают возвышенные участки, на которых не застаиваются поверхностные и не выступают грунтовые воды. При рекультивации промплощадок буровых установок сначала засыпают нижний слой почвы, а потом верхний. Толщина создаваемого плодородного слоя должна быть не менее 50-70 см. Далее площадки разравниваются, выполняется вспашка и боронование участка с внесением органических удобрений.
Основная и наиболее трудоемкая задача по рекультивации земель, освобожденных от буровых установок, ‑ удаление остатков выбуренной породы, буровых растворов, сточных вод и др. В процессе бурения отходы обычно хранят в земляных амбарах с земляной обваловкой. Глубина амбаров обычно 4-5 м, вместимость ‑ около 3000 м 3 (три амбара на разведочных и два ‑ на эксплуатационных площадях). Амбары соединяют гравийными фильтрами или дренажными трубами. Вокруг площадки буровой сооружают кольцевую бетонированную канаву со стоками в амбар и устраивают дренажные канавы для отвода дождевых вод.
Остатки буровых растворов в земляных амбарах не высыхают в течение нескольких лет. Это означает, что засыпка амбаров как способ рекультивации земель в данном случае неприемлема. Было изучено несколько способов удаления опасных буровых стоков: естественное испарение, термическая и химическая обработка, закачка в поглощающие пласты, «выдавливание» в узкие траншеи, вывоз на поля испарения.
Высокая эффективность была отмечена у двух последних способов.
«Выдавливание» в узкие траншеи содержимого амбаров используют довольно широко. Метод заключается в следующем: вплотную к земляному амбару роют несколько траншей глубиной до 5 м, а затем перемычки между траншеями и амбаром разрушают, после заполнения траншей стоками их засыпают землей. Густой осадок, который не вытекает в траншеи, остается в земляном амбаре. После подсыхания его засыпают землей. После засыпки земля амбаров в течение нескольких лет не затвердевает, и этот участок практически не пригоден для сельскохозяйственного использования. Естественно, что «выдавливание» содержимого амбара в траншеи можно применять в тех районах, где это допускают геологические условия.
Вывоз на поля испарения предполагает создание специально облицованных или бетонированных амбаров вместимостью 15-20 тыс. м 3 . В течение двух лет сточные воды отстаиваются в них. После отстоя очищенную воду откачивают и используют на различные технологические нужды, а амбар засыпают землей. Этот способ экономически целесообразно использовать в том случае, когда расстояние до полей испарения не превышает 30 км. При этом на поля испарения вывозят лишь жидкую часть отходов, а оставшуюся грязь выдавливают в узкие траншеи.
Попытки использовать другие из перечисленных способов удаления стоков из земляных амбаров оказались безуспешными.
Метод естественного испарения хотя бы части жидких отходов, заполняющих шламовый амбар, прост и доступен, но малоприемлем из-за чрезмерной длительности. Он может быть рекомендован лишь для предварительной осушки амбаров.
Термическая обработка стоков (выжигание содержимого земляных амбаров с помощью специальных установок) пока экономически невыгодна. Производительность этого метода недостаточно высока (испаряется 8-10 м 3 /ч), а расход топлива большой.
Закачка в поглощающие горизонты ‑ один из надежных методов снижения загрязнения окружающей среды отходами бурения. Особенно рационально его использование при кустовом бурении, когда на одной площадке расположено много скважин и существует списанная скважина, пригодная для закачки отходов. Отходы можно закачивать в глубокие поглощающие горизонты, надежно изолированные от поверхности и пресноводных горизонтов. Глубина захоронения отходов ‑ не менее 800 м. Закачка жидких отходов предусматривает специальную систему их сбора и накопления, которая представляет собой двухсекционные котлованы. В первой секции (шламовом амбаре) оседает значительная часть механических примесей. Затем жидкие отходы перетекают во вторую секцию (накопительный амбар), из которой закачиваются в поглощающие пласты. Несмотря на надежность и экономическую целесообразность, этот метод используют в крайне ограниченных масштабах.
После удаления стоков рекультивируемый участок очищают от строительного мусора и металлических предметов, перепахивают на глубину, при которой после покрытия плодородным грунтом толщина очищенного слоя составляла бы не менее 0,7 м. Затем участок по акту передают землепользователю.
Источник
§ 2. Борьба с загрязнением почв нефтепродуктами
Серьезной экологической проблемой России в целом и ее городов в частности является загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами; она особенно остра в таких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др.
Аварийные разливы нефтепродуктов, как правило, происходят при нарушениях технологических режимов на этапах хранения, транспортировки, эксплуатации топлива и правил обращения с нефтепродуктами, при физическом износе оборудования, стихийных бедствиях и прочих.
МЧС России в зависимости от объема и площади разлива нефти и нефтепродуктов на местности, во внутренних пресноводных водоемах выделяет чрезвычайные ситуации (ЧС) следующих категорий (Военная экология, 2005 г.): локального значения — разлив от нижнего уровня разлива нефти и нефтепродуктов (определяются специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области охраны окружающей среды) до 100 т нефти и нефтепродуктов на территории объекта; муниципального значения — разлив от 100 до 500 т нефти и нефтепродуктов в пределах административной границы муниципального образования (города) либо разлив до 100 т нефти и нефтепродуктов, выходящий за пределы территории объекта; территориального значения — разлив от 500 до 1000 т нефти и нефтепродуктов в пределах административной границы субъекта Российской Федерации либо разлив от 100 до 500 т нефти и нефтепродуктов, выходящий за пределы границы муниципального образования; регионального значения — разлив от 1000 до 5000 т нефти и нефтепродуктов либо разлив от 500 до 1000 т нефти и нефтепродуктов, выходящий за пределы административной границы субъекта РФ; федерального значения — разлив свыше 5000 т нефти и нефтепродуктов либо разлив нефти и нефтепродуктов вне зависимости от объема, выходящий за пределы государственной границы Российской Федерации, а также разлив нефти и нефтепродуктов, поступающий с территорий сопредельных государств (трансграничного значения).
Вполне естественно, что в первую очередь после аварийного разлива нефтепродукта следует ограничить его распространение по поверхности земли, чтобы не допустить попадания в водоемы, а также испарения нефтепродукта, следствием которого может стать его воспламенение; фильтрации нефтепродукта в более глубокие почвенные и грунтовые слои земли; растекания нефтепродукта в направлении наиболее удобного для этого ландшафта.
Механические методы (обваловка загрязненного участка, об- несение его какими-либо заграждающими средствами, например, бревнами, хворостом, трубами и т. п.) способствуют ограничению растекания нефтепродуктов в направлении пониженных участков ландшафта, препятствуя тем самым увеличению площади загрязнения.
Использование физико-химических методов позволяет: 1) экранировать поверхность испарения разлитого нефтепродукта, что предотвращает его испарение и загорание; 2) превратить разлитый нефтепродукт в гелеобразное или твердое состояние, исключающее его текучесть; 3) обрабатывать почву с целью защиты от нефтепродукта. Для указанных целей разработаны рецептуры гелеобразных пен на основе поливинилового спирта с добавками хлорида железа и ускорителя гелеобразования — оксида цинка ZnO. Широко применяются отечественные пенообразователи «Форэтол» и «Универсальный», а также фторсодержащие пенообразователи типа «Легкая вода» (США). Они эффективно препятствуют испарению разлитого нефтепродукта.
Загущение нефтепродукта может быть достигнуто путем применения связывающих материалов, как правило, сорбентов. Разработан состав, который позволяет отвердить разлитые нефтепродукты. В нем содержится 50 % и более активированного угля,
10 % оксида магния или органофильной глины, 50 % гидрофобного полимера с молекулярной массой 5000-30 000 (например, полиакриловой кислоты), 10 % оксида алюминия или кремния,
5 % силиката магния.
Сбор разлившегося на почве нефтепродукта осуществляются механическими и физико-химическими методами.
Механические методы предусматривают использование специального оборудования для сбора нефтепродукта с почвы в исходном ^жидком) состоянии. Это, например, отечественные установки вакуумного типа, работающие по принципу пылесоса.
В частности, вакуумные установки «ВАУ-1» и «ВАУ-2» имеют производительность 2 и 4 м3 соответственно.
Наиболее распространенным (из-за доступности) среди физико-химических методов является сорбционный, предусматривающий использование сорбирующих материалов — опилок, торфа, песка и др. Нефтепродукт при этом собирается в связанном сорбентом виде. Указанные сорбенты эффективны при относительно небольших разливах нефти и нефтепродуктов. При значительных аварийных разливах используют обычную землеройную технику, с помощью которой создают нефте-почвенную смесь; ее в дальнейшем перевозят автотранспортом на полигоны временного хранения.
Методы снижения остаточной концентрации нефтепродукта в почве до экологически приемлемого (в частности, исключающего его попадание в грунтовые воды) уровня подразделяют на физико-химические и биологические.
К физико-химическим методам относятся термический, хи-
мический, экстракционный методы, а также дренирование почвы.
Термические методы основаны на сжигании загрязненной почвы, либо предварительно удаленной с места разлива нефтепродукта, либо на месте. Одной из применяемых схем является сжигание почвы во вращающейся печи с камерой дожигания, системой утилизации тепла и многоступенчатой очисткой топочных газов. Средне загрязненная почва сжигается при температуре 700-800 °С, а сильно загрязненная — в печи «кипящего» слоя, работающей на углеводородном топливе, при 900 °С. Такие установки успешно применяют в странах Западной Европы. В Голландии используют установку, включающую вращающуюся печь, а в Канаде очищают загрязненный гравий путем обжига его в печи с «кипящим» слоем материала. Это позволяет полностью удалить нефтепродукт с гравия при экологически приемлемом химическом составе отходящих газов.
Метод сжигания обеспечивает высокую интенсивность процесса, эффективное выгорание нефтепродуктов при любых уровнях загрязнения ими почвы. В то же время следует отметить и серьезные его недостатки: 1) метод требует развертывания специального оборудования, больших энергозатрат; 2) большие капитальные затраты на строительство печи и многоступенчатой системы очистки топочных газов, так как сжигание сопровождается интенсивным образованием микрочастиц; 3) большое количество захораниваемых шламов, связанных с необратимостью изменений почвы при сжигании; 4) значительно увеличиваются сроки естественного восстановления почвы; 5) происходит образование канцерогенных веществ при высокотемпературных процессах.
Химический метод основан на превращении токсичных углеводородов нефтепродуктов в относительно нетоксичные соединения либо на отверждении токсичных веществ в виде твердого вещества или геля. В России, например, разработан препарат «Эконафт», который включает в свой состав негашеную известь СаО, способную при гашении увеличивать удельную поверхность в 15-30 раз. Образуется вяжущая масса, активно поглощающая углеводороды нефти. В результате образуется сухое, стойкое при хранении порошкообразное вещество. В США применяют пероксид водорода Н202 для обработки загрязненных нефтепродуктами почв, грунтов и гравия.
Экстракционный метод, обладающий высокой эффективностью, основан на извлечении нефтяных углеводородов из почвы с помощью специально подобранных избирательных экстрагентов (растворителей). В качестве экстрагентов применяются легкие фракции нефтепродуктов, горячая вода, перегретый водяной пар, моющие средства и т. д. Основными этапами экстракционного метода являются: 1) гомогенизация и измельчение загрязненной почвы; 2) смешивание почвы с экстрагентом при определенных условиях; 3) сушка суспензии, выводимой из экстракционной системы. Процессы осуществляются на специальных установках (очистных комплексах), собранных, как правило, по модульному принципу.
Дренирование почвы заключается в ее промывке на месте с помощью дренажных систем; по сути это разновидность экстракционного метода. Дренаж используют и в борьбе с подтоплением отдельных зданий и даже городов.
Относительно широко распространены в природе микроорганизмы, способные разлагать углеводородные соединения нефти с получением экологически нейтральных веществ: С02, Н20, и др. Это свойство указанных микроорганизмов и положено в основу биологических методов борьбы с нефтяным загрязнением почв.
Имеется два направления в решении указанной проблемы: 1) повышение активности естественной микрофлоры почв путем создания для аборигенных микроорганизмов оптимальных условий жизнедеятельности; 2) интродукция (внедрение) в загрязненную почву специально подобранных активных разрушителей нефтепродуктов, так называемых деструкторов.
Первое направление реализуется следующими агротехническими приемами: распашкой загрязненных территорий, чем создаются оптимальный газовоздушный и тепловой режим в почве, увеличение численности микроорганизмов-деструкторов и их активности, повышение энергии биохимических процессов; аэробной биокоррекцией загрязненных почв, что достигается нагнетанием кислорода на требуемую глубину (в этом случае можно отказаться от распашки); обеспечением загрязненных почв биогенными элементами — азотом, фосфором, калием. Установлено, что особенно увеличивается скорость биохимического окисления углеводородов нефти при внесении нитратов и фосфатов; повышением температуры загрязненной почвы до 20—40 °С, при этих условиях резко ускоряется разложение нефтепродуктов. Поэтому рекомендуется покрывать загрязненный участок темной полиэтиленовой пленкой; поддержанием почвы во влажном состоянии, что усиливает активность микроорганизмов-деструкторов; поддержанием оптимальной (близкой к нейтральной) кислотности почвенного раствора. Поэтому для создания оптимального pH кислые почвы известкуют мелом СаС03, а щелочные — обрабатывают слабыми растворами серной кислоты (0,5-1,0 %) или гипсом CaS04-2H20.
Высокоэффективным приемом обезвреживания почв от нефтепродуктов является посев в нефтезагрязненную почву определенных растений, например люцерны и других трав. Своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима почвы, обогащают ее азотом и биологически активными соединениями. Этот метод разложения вредных веществ в почве называется фитодетоксикацией.
В настоящее время в экономически развитых странах, где проблема нефтезагрязнений стоит остро, большое внимание уделяется интродукции как наиболее эффективному методу в сочетании с относительно невысокой стоимостью и экономичностью.
За последние годы ученым удалось создать фонд экологически полезных микроорганизмов, предназначенных для производства биопрепаратов с последующим их использованием в целях очистки почв от нефтезагрязнений. Все это’позволило организовать целую отрасль экологической биотехнологии, основанной на выделении и селекции высокоактивных нефтеокисляющих микроорганизмов, изучении их свойств, разработке технологий производства и последующем применении биопрепаратов для борьбы с нефтяным загрязнением почв, водоемов, грунтов и т. д. Более того, отобраны и скомбинированы в биопрепараты наиболее активные штаммы микроорганизмов — «специалисты» в области деструкции нефти, мазута, дизельного топлива.
В результате выполненных обширных исследований в России разработано большое число препаратов — биодеструкторов нефтепродуктов (Военная экология, 2005 г.): «Бациспецин», «Дево- ройл», «Экойл», «Путидойл», «Нафтокс», «Центрин» и др.
Специалистами шведского агентства оборонных исследований найден способ интенсификации естественных процессов биологической деструкции нефтяных загрязнений путем внесения в почву конского навоза с небольшим количеством сахарного песка. В США разработан стимулятор деятельности местного биоценоза (биопрепарат «UNI-REM»), который облегчает доступность углеводородных молекул нефти для большого числа природных микроорганизмов и расширяет тем самым номенклатуру деструкторов этого загрязнения.
При очистке почвы от нефтепродуктов биопрепараты применяют в комплексе с вышеуказанными агротехническими мероприятиями, облегчающими условия «работы» микроорганизмов.
В последнее время используют такой прием, как привлечение земляных червей, ускоряющих процесс восстановления почвенного плодородия. С этой целью используют «компостные дрожжи» — настои различных трав: валерианы, ромашки, крапивы, одуванчика.
Источник