Экологические проблемы очистки акваторий при бурении и эксплуатации нефтяных скважин в Арктике

Гипотезы, идеи, дискуссия

УДК 502.55.622

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ АКВАТОРИЙ ПРИ БУРЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН В АРКТИКЕ

1 2 В.И. Зайцев , А.В. Карпиков

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены аварийные случаи разливов нефти на континентальном шельфе северных районов России. Приведены различные методы, которые применяются для очищения ледовых полей от разливов нефти и нефтепродуктов. Указывается, что основную роль при ликвидации аварийных ситуаций играет сплочённость ледового покрова. Предлагается для окончательной очистки водных и ледовых поверхностей применять специально обработанные опилки. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: парафин; лед; акватория; опилки; сорбент.

ENVIRONMENTAL PROBLEMS OF CLEANING UP WATER AREAS UNDER DRILLING AND OPERATION OF OIL WELLS IN THE ARCTIC

V.I. Zaitsev, A.V. Karpikov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article deals with the accidental oil spills on the continental shelf of the northern regions of Russia. It describes various methods used for removing oil spills and oil products from ice fields. Ice concentration is shown to be the most important factor under the elimination of emergency situation. Sawdust subjected to special treatment is proposed to be used for final cleaning of water and ice surfaces.

5 sources.

Key words: paraffin; ice; water area; sawdust; sorbent.

Важная проблема освоения недр континентального шельфа и морей - это экологические последствия. Сохранение экологического равновесия морской и геологической сред в районах проведения работ и на путях транспортировки нефтепродуктов должно стать главной, если не основной целью деятельности по освоению морских акваторий. Добыча нефти и газа на шельфе Арктики относится к среде хозяйственной деятельности с высокой степенью экологической опасности вследствие содержания в нефти канцерогенов, мутагенов и дру-

гих токсикантов.

Как подчеркивают специалисты, по показателям токсичности и объемам применения в хозяйстве нефть является одним из наиболее значимых факторов экологической опасности для биоты, особенно в Арктике, по причине особой уязвимости природы к техногенному и антропогенному загрязнению. Экологическая система Арктики является исключительно уязвимым районом. Это связано с недостатком естественного освещения, сильными ветрами, низкими температурами, дрейфом льда. К тому

Зайцев Виталий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел./факс: (3952) 405278.

ZaitsevVitaly, Candidate of Technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel. / fax: (3952) 405278.

2Карпиков Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел./факс: (3952) 405659.

Karpikov Alexander, Candidate of Technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel. / fax: (3952) 405659.

же, северные регионы континентального шельфа характеризуются низким уровнем интенсивности естественной биологической очистки, что в случае аварийных разливов нефти может привести к длительному загрязнению морской воды, донных отложений и атмосферы.

Планируемое Российской Федерацией в XXI веке увеличение объемов добычи нефти и газа в акваториях приведет к возрастанию техногенной нагрузки на природу Севера. Необходимо совершенствование методов быстрой ликвидации последствий загрязнения [2].

В настоящее время 6-7 т нефти из каждых 10 т, добываемых в акваториях, перевозится потребителям морским транспортом. Тем не менее, доля аварий и разлива нефти в море не так уж велика. В 3-4 раза больше нефти поступает в акватории морей в результате промывки трюмов танкеров и выброса загрязненной воды. Суда танкерного флота каждый год сливают в море вместе с балластными и моечными водами 0,5-1,6 млн т нефти [4]. От нефтяных загрязнений страдают обширные участки побережий. Что же касается континентального шельфа Арктики, то наличие припайного льда, в ряде случаев, может предотвращать выброс разлитой нефти на берег и тем самым снижать ущерб фауне и флоре северного побережья.

При попадании на морскую поверхность 1 т нефти растекается в пятно площадью до 30 км при толщине пленки в несколько сотых микрометров. При этом, примерно только 25% нефтяного пятна испаряется в тече-ние10-ти дней. Такая пленка, помимо прямого токсического воздействия на фауну и флору ареала моря, на границе раздела море - атмосфера оказывает побочное действие. При этом нарушается энерго-, массо-, газообмен между атмосферой и морем, меняются физико-химические характеристики вод. На

дне акваторий тяжелые фракции нефти образуют устойчивый к окислению слой на поверхности ила, в котором гибнут живые организмы. При содержании нефти 0,2 мг/л вода приобретает запах керосина, который не устраняется даже при хлорировании и фильтровании воды. Рыба под воздействием даже ничтожных концентраций нефтепродуктов приобретает стойкий керосиновый запах и не может быть скормлена даже скоту.

Большую опасность для окружающей среды представляют массированные выбросы: газонефтяные, нефтяные, конденсата. Возникновение таких фонтанов является наиболее тяжелой аварией, часто перерастающей в стихийное бедствие, требующее значительных материальных затрат и времени. Недавняя (2011г.) авария в Мексиканском заливе на платформе ВР тому пример.

Основными отходами в процессе бурения являются буровой шлам и отработанные горюче-смазочные материалы (ГСМ). В отечественной практике часть отработанных ГСМ используют при обработке бурового раствора как профилактическую добавку. Другую часть регенерируют.

Сбросы в море бурового шлама оказывают отрицательное воздействие на морскую среду: вокруг морских платформ под толщей шлама в донных осадках сформировались анаэробные условия, где макрофауна отсутствует. А вблизи платформ выявлен повышенный уровень содержания углеводородов, которые являются остатками дизельного топлива - составляющей буровых растворов.

За рубежом шлам от органических соединений очищают методом экструзии. В России считают, что метод термообработки наиболее целесообразен и технически доступен. Сущность его заключается в том, что органические вещества полностью сгорают при высокой температуре. Получен-

ный обожженный буровой шлам незначительно влияет на гидрохимический состав морской воды.

В Арктике суровые погодные условия увеличивают возможности возникновения больших аварий с разливом нефти. Причем, сбор нефти при разливах в ледовых условиях намного сложней, чем на открытой воде. Каждый из многочисленных вариантов аварий с выбросом нефти требует индивидуального метода при проведении ее локализации и ликвидации. Такими вариантами являются разливы нефти: 1) на поверхность льда и снега; 2) на открытой воде между плавающими льдинами; 3) в каналы за судами; 4) подо льдом.

Для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов в условиях битого льда для обеспечения свободной водной поверхности используют суда-экраны.

При локализации и ликвидации разлива нефти в гаванях портов при большой сплоченности битого льда рекомендуется использовать плавучие краны, оборудованные грейферами для сбора нефти и загрязненного льда в металлические баржи. Куски зама-зученного льда и ледяная шуга грузятся в танк, где с помощью системы подогрева груза танка производится рас-топление льда. Через некоторое время происходит расслоение воды и нефтепродукта, после чего вода из танка выкачивается. Оставшаяся нефть утилизируется на берегу [1].

При попадании нефти под лед площадь пятна разлива определяется оконтуриванием лунками, при тонком льде толщиной менее одного метра площадь пятна определяется изменением окраски льда на просвет. По краю пятна предлагается вырубать небольшой канал шириной один метр. Если есть небольшое течение, то нефть попадает в эту прорезь и всплывает на поверхность воды. Сборщиками нефти ее собирают. Принцип сбора нефти

при этом применяется разный: адгезионный, пороговый, центробежный и др. Некоторые из способов, например, физико-химический способ, отрицательно действуют на бентос. Если течения нет, его создают большим количеством стволов пожарных шлангов под значительным давлением. При увеличенном скоплении углеводородного сырья (УВС) подо льдом ледовый покров вскрывают и УВС собирают традиционными методами.

При разливе нефти на лед необходимо быстро локализовать место разлива. Для этого возводят снежные барьеры, политые водой для обеспечения непроницаемости. Или, наоборот, пилами-ледорезами выпиливают

траншеи глубиной и шириной до 1 -го метра и затем нефтесборщиками выкачивают оттуда разлившуюся нефть.

В условиях сплошного льда и при застывании нефти замазученный снежный покров собирают механосборщиками. При трудностях сбора замазученного покрова со льда используют диспергирование и сжигание нефти на месте. Для этого распыляются диспергенты в виде порошков, суспензии и др. На эффективность применения диспергентов в ледовых условиях влияют в основном следующие факторы: тип диспергента, сорт нефти, соленость воды, температура и волнение моря. Диспергенты показывают высокую эффективность в соленой воде до 3,5% и низкую при солености 0,5% [1] . Это важный аспект, так как в арктических условиях соленость поверхностной воды может измениться, например, в течение периода таяния льда. С повышением сплоченности льда улучшаются условия смешивания диспергентов и нефти. Полученная эмульсия рассеивается в толще воды.

Способ сжигания нефти зависит от сплоченности льда. При сплоченности до 3-х баллов, если пятна нефти имеют толщину более 2-3 мм, возмож-

но сжигание на месте. При большой сплоченности льда замазученный снег собирают механическим способом (грейдерами), сооружают конусообразные кучи и с помощью дизельного топлива поджигают. При этом, ледяные барьеры будут предотвращать растекание нефти вместе с талой водой.

В ряде случаев для быстрой локализации и устранения разливов на льду и подо льдом требуются мощные суда, обладающие большой автономностью. За рубежом это буксиры ледового класса №пип§, которые используются при разработке и эксплуатации месторождений на шельфе Аляски.

Необходимо отметить, что лед локализует пятно разлива нефти при сплоченности его более 3-х баллов. Нефть задерживается в неровностях нижней поверхности ледового поля. А при 8-9-ти баллах даже значительные разливы распространяются лишь на несколько сот метров от места сброса

[4 ].

В основном ликвидация аварийных разливов нефти при наличии льда производится механическим способом и самоочищением. Механический способ эффективен при сплоченности льда 3-7 баллов, при малой сплоченности он нерезультативен. В случае большой сплоченности битого льда продвигать нефтесборные комплексы затруднительно. Интенсивность процессов самоочищения морской среды от нефти и нефтепродуктов зависит от климатических условий и в северных условиях занимает много времени. Такая длительная нагрузка на арктическом шельфе российских морей, где окружающая среда особенно уязвима, недопустима.

Частично испаряясь, часть нефти растворяется, образуя устойчивые водные эмульсии. Тонкая пленка нефти изолирует воду от кислорода воздуха, при этом аэрация водной поверхности резко уменьшается.

Основные технические средства локализации нефтяного загрязнения -боновые заграждения (БЗ). Около 150 их видов выпускается отечественными и зарубежными фирмами. Они применяются при наличии чистой воды или с небольшим количеством плавучего льда. БЗ не только отгораживают загрязненную площадь, но и предотвращают попадание мелкобитого льда в район разлива нефти. Особенности применения БЗ на море:

-при концентрации льда свыше 30% боны практически бесполезны, так как могут задержать только небольшие куски льда;

-при скорости ветра более 35км/ч (10 м/с) боны могут быть повреждены льдом;

-главной характеристикой БЗ является прочность и их устойчивость на волне [1].

При температуре окружающей среды ниже -30 °С для локализации и направления нефти к месту сбора предпочтительнее применять жесткие БЗ из листового материала (пластик, сталь), опускаемого на глубину не менее 0,5 ^ 0,7м. Стационарные БЗ рекомендуется применять вокруг нефтяных объектов: буровых и промысловых сооружений, хранилищ и др.

Использование метода фильтрования для очистки воды от нефти позволяет удалять все примеси за исключением коллоидных фракций . Лучшие результаты достигаются при фильтрации через пористые материалы. Активированные угли обеспечивают высокую степень очистки: до 7мг/л. Однако этот метод имеет большой недостаток: очень дорог, поэтому применяется редко и только для удаления остаточных частей нефти.

Перспективен биохимический метод очистки воды от нефти, основанный на способности некоторых микроорганизмов извлекать из воды органические вещества различного ге-

незиса и использовать их в качестве питательного субстракта.

В северных же районах при температуре ниже +10°С биологическая очистка вообще не применима. В последние годы для борьбы с загрязнением моря нефтью значительное распространение получают методы, основанные на свойствах некоторых материалов поглощать нефть из воды и поверхности льда. Этими методами достигается потопление нефти с помощью погружаемых адсорбентов и коагуляторов. Адсорбенты и нефть образуют тяжелые хлопья смеси порошка с нефтью, которые и оседают на дно акваторий. При этом нефтепродукты погружаются в илистые отложения, что может привести со временем к всплытию нефти. Такие адсорбенты не получили широкого применения (тальк, мел).

Однако наиболее эффективным методом очистки от нефти является применение нефтепоглощающих сорбентов, обладающих свойством гид-рофобности. Они могут плавать по поверхности воды как в свободном состоянии, так и в насыщенном нефтью состоянии.

После откачки нефти из ям-накопителей, сборов БЗ и т.п. на поверхность с оставшейся тонкой пленкой наносится сорбент. Он применяется в качестве тонкой очистки воды. После пропитания нефтью сорбент собирают и вывозят на специальные пункты для утилизации. При необходимости операцию повторяют.

Органическими сорбентами чаще служит вторичное сырье: отходы хлопка, картон, сено, торф, мох, оболочки семян подсолнуха. Из года в год растет в них потребность. В Японии, например, производят и экспортируют сорбенты, изготовленные из обработанных специальным составом отходов рисовых зерен (шелухи). Применяемые искусственные (синтезирован-

ные) пористые материалы: полимеры, селикагель и др. - очень дороги.

Рынок нефтяных сорбентов в России достаточно молод, официальная статистика по их производству отсутствует. С учетом импорта потребление нефтяных сорбентов в России составляет приблизительно 6 - 7,5 тыс. т в год. Это только часть нефтяных сорбентов, которая относится к товарному обороту. Многие крупные компании сами производят необходимый им сорбент.

Опилки в качестве отходов при деревообработке так же могут быть использованы в качестве сорбента поглощения. Но они имеют малую сорб-ционную емкость и обладают низкой насыпной плотностью (0,01 г/см3).

Предлагается повысить гидро-фобность древесных опилок парафинами из шламов. Нефтешламы и древесные опилки имеются в большом количестве в виде промышленных отходов. Первые - при бурении и эксплуатации скважин, вторые при деревообработке на лесопилках. Известно что гидрофобизация древесных материалов повышается при их обработке парафинами из-за активирования пор межклеточного пространства опилок [5]. Задача заключается в том, чтобы получать мелкие опилки и дешёвый парафин в достаточном количестве. Опилки малых фракций можно получать резкой только сухого дерева при небольших подачах фрез (пил). А парафины легко выделить из нефтешла-мов путем небольшого нагрева. Нефтеемкость полученного сорбента зависит от породы дерева. Самая большая нефтеемкость полученного сорбента у осины 6-10 г/г, немного хуже у сосны и клена 5 - 8 г/г [3].

Наилучшим нефтешламом для выделения парафина является шлам, полученный при добыче тяжелой вязкой нефти. В нем преимущественно находятся парафины с содержанием углеродных атомов С25 и выше.

В больших количествах дешёвое сырье позволит решить проблему недорогих и эффективных гидрофобных сорбентов для тонкой очистки от нефти и нефтепродуктов. К тому же некоторое количество нефти может быть возвращено путем отжима нефтепоглощающего сорбента ( до 20 отжимов).

Применение опилок в качестве сорбента поможет решить проблему их утилизации. В большинстве случаев на крупных лесообрабатывающих предприятиях их вывозят в какой-нибудь котлован и поджигают, что отрицательно сказывается на населении прилегающих районов. После очищения нефтешламов от парафинов, полученный твердый остаток можно использовать как строительный материал, например, для отсыпки дорог.

В целом можно сделать вывод, что влияние окружающей среды на производство работ по разработке нефтегазовых месторождений на шельфе и на море требует применения специальных технологических решений и соблюдения повышенных мер безопасности при освоении арктических месторождений.

Определяющим фактором при выборе оборудования для ликвидации разлива нефти в Арктике является

сплоченность ледового покрова. В зависимости от нее выбираются и тактика реагирования и методы локализации разлива.

Библиографический список

1. Большой справочник нефтегазодобычи. Standard handbook of petroleum natural gas engineering; пер. сангл. / под ред. У. Лайонза, Г. Плизга, науч. ред. В.Н. Ивановский. Кн. 1: Бурение и заканчивание скважин. СПб.: Профессия, 2000. 628 с.

2. Борисов Р.В. Морские буровые установки. СПб.: Судостроение, 2003. Ч. 1. 534 с.

3. Зайцев В.И. Экологические аспекты бурения скважин на шельфе Арктики // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. С.232-237.

4. Справочник бурового мастера: учебно-практ. пособие в 2 т. / под общей ред. В.П. Овчинникова и др. М.: Инфра-Инженерия, 2006. Т.2. 608 с.

5. Техника и технология локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов: справочник / под ред. И.А. Мерициди. СПб.: НПО «Профессионал», 2005, 2007. 914 с.

Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета Л.А. Филиппова