Экологические аспекты при строительстве нефтяных и газовых скважин


ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Монография




















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2021

УДК 502/504 + 622.276 + 622.24
ББК 20.18
    Э40

Авторы:
О. В. Савенок, В. Г. Григулецкий, Д. В. Рахматуллин,
А. Н. Сухоносова, Н. В. Рюмина, Л. В. Поварова, Г. В. Кусов
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» Бекетов Сергей Борисович;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой нефтегазовых техники и технологий ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова», академик РАЕН Третьяк Александр Яковлевич



Э40       Экологические аспекты при строительстве нефтяных и газовых
      скважин : монография / [О. В. Савенок и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 652 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0637-6

      Освещены вопросы экологии нефтяной и газовой промышленности. Даны основные понятия об окружающей среде, её физических компонентах и структуре. Приведены принципы оценки экологической устойчивости природной среды к техногенному воздействию процессов нефтегазодобычи. Рассмотрены правовые и организационные аспекты охраны окружающей среды в нефтегазодобывающей промышленности. Сформулированы основные принципы и задачи инженерной экологии. Рассмотрены основные закономерности и особенности очистки, утилизации и обезвреживания отходов, а также применяемая техника и технология.
      Для научных и инженерно-технических работников нефтегазодобывающей промышленности. Может быть полезно студентам нефтегазовых вузов и факультетов.

УДК 502/504 + 622.276 + 622.24
                                           ББК 20.18



ISBN 978-5-9729-0637-6

      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ


ААС - атомно-абсорбционная спектрометрия
БПК - биохимическое потребление кислорода
БПР - блок приготовления растворов
БСВ - буровые сточные воды
БШ - буровой шлам
ВВ - взвешенные вещества
ВМС - высокомолекулярное соединение
ВНИИКРнефть - Всесоюзный научно-исследовательский институт по креплению скважин и буровым растворам
ВНИИСПТнефть - Всероссийский научно-исследовательский институт по сбору, подготовке и транспорту нефти и нефтепродуктов
ВПК - биохимическое потребление кислорода (вода)
ГАУ - гранулированный активный уголь
ГРС - газораспределительная станция
ГЖХ - газожидкостная хроматография
ГСМ - горюче-смазочные материалы
ДК - доза коагулянта
ДСФ - двойной суперфосфат
ДФП - дренажная фильтрующая площадка
ДЭС - двойной электрический слой
КВИО - коэффициент возможности ингаляционного отравления
КК - камера концентрирования
КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза
КО - камера обессоливания
КС - компрессорная станция
КССБ - конденсированная сульфит-спиртовая барда
КУ - коэффициент утилизации
ЛБВ - логический блок выбора
ЛПУ - линейное производственное управление
ЛЭП - линия электропередачи
МП - малоопасные предприятия
МУН - методы увеличения нефтеотдачи
НГДУ - нефтегазодобывающее управление
НП - нефтепродукты
НТФ - нитрилотриметилфосфоновая кислота
НЦ - напрягающий цемент
ОБР - отработанный буровой раствор
ОГР - отверждающий глинистый раствор
ООП - особо опасные предприятия
ООС - охрана окружающей среды
ООУ - общий органический углерод
ОП - опасные предприятия

3

ОЭДФ - оксиэтилидендифосфоновая кислота
оэц - оксиэтилцеллюлоза
ПАА - полиакриламид
ПАВ - поверхностно-активные вещества
ПВХ - поливинилхлорид
ПДВ - предельно допустимые выбросы
пдк - предельно допустимая концентрация
пдн - предельно допустимая нагрузка
пдс - предельно допустимые сбросы
ПДУ - предельно допустимый уровень
ПЛ - перемешиватель лопастной
ПМАУ - порошкообразный модифицированный активный уголь
ПО - прокалённый остаток
ПОМ - природоохранное мероприятие
ППД - поддержание пластового давления
ППК - почвенный поглощающий комплекс
ППК - природно-промышленный комплекс
ППС - природно-промышленная система
ППУ - пенополиуретан
ПЭ - полиэтилен
РИС - радиационный индекс сухости
СевНИИГиМ - Северный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации
СО - сухой остаток
СПАВ - синтетические поверхностно-активные вещества
СППЖ - среднестатистическая продолжительность предстоящей жизни
ССБ - сульфит-спиртовая барда
СУОС - система управления окружающей средой
СЭС - социально-экономическая система
СЭУ - система экологического управления
ТПК - территориально-промышленный комплекс
тэц - теплоэлектроцентраль
УБР - управление буровых работ
УЩР - углещелочной реагент
ФХЛС - феррохромлигносульфонат
ХПК - химическое потребление кислорода
ХТС - химико-технологическая система
ЦА - цементировочный агрегат
ЦНИПР - цех научно-исследовательских и промышленных работ
ЦПКБ - центральное проектно-конструкторское бюро
ЦС - циркуляционная система
ЭМС - электромагнитная совместимость

4

СОДЕРЖАНИЕ


Введение...........................................................7

Глава 1.
Технобиогеохимия окружающей природной среды ......................9
  1.1. Объекты и компоненты окружающей природной среды ................................................9
  1.2. Основные понятия и законы экологии ...................... 11
  1.3. Методы исследования природной среды ..................... 19
  1.4. Структура окружающей среды................................25
  1.5. Экологическая устойчивость природной среды к техногенному воздействию процессов строительства и эксплуатации скважин ..........................36

Глава 2.
Источники загрязнения окружающей природной среды при строительстве скважин........................................62
  2.1. Источники, причины и характер загрязнения природной среды при бурении скважин ...........................62
  2.2. Загрязнение подземных вод при строительстве скважин..... 102
  2.3. Номенклатура показателей загрязняющих свойств отходов бурения и методы их определения...................... 107
  2.4. Класс опасности отходов бурения для окружающей среды..........................................128

Глава 3.
Инженерная защита окружающей среды при строительстве нефтяных и газовых скважин .................. 131
  3.1. Природоохранные технологии и основные требования к ним.................................. 131
  3.2. Техника и технология очистки и утилизации буровых сточных вод ......................................... 134
  3.3. Техника и технология очистки буровых сточных вод ........234
  3.4. Физико-химическое и математическое моделирование электромембранной подготовки и очистки пластовых вод...........266
  3.5. Техника и технология утилизации и обезвреживания отработанных буровых растворов и шлама........................331
  3.6. Защита окружающей среды от нефтяного загрязнения ........410
  3.7. Гидроизоляция шламовых амбаров при строительстве скважин.....................................439
  3.8. Ликвидация шламовых амбаров и рекультивация земель.......465
  3.9. Очистка возвратных сточных вод нефтяного месторождения Дыш Краснодарского края.........................472


5

Глава 4.
Методические основы выбора
и применения природоохранных мероприятий в промысловой практике .......................................486
  4.1. Классификация природоохранных мероприятий..............486
  4.2. Состав природоохранных мероприятий.....................491
  4.3. Экологический дизайн ..................................498
  4.4. Принципы и методика выбора природоохранных мероприятий.................................................505

Глава 5.
Правовые и организационные основы охраны окружающей природной среды ............................524
  5.1. Правовая основа охраны окружающей природной среды......524
  5.2. Организация и управление охраной окружающей природной среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности...........................533

Глава 6.
Подходы к управлению экологическим риском ....................563
  6.1. Основные понятия и термины управления и оценки рисков .563
  6.2. Структура экологического риска ........................569
  6.3. Основные принципы и критерии управления риском.........574
  6.4. Цикл управления риском.................................579
Список литературы ............................................635


6

ВВЕДЕНИЕ


     Экология — теоретический фундамент рационального природопользования и охраны природы. Экология (от греческого oikos - дом, жилище и logos - учение) - наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и со средой их обитания. В широком смысле экология (глобальная экология) - комплексная (междисциплинарная) наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии природы и общества. Задачи глобальной экологии — изучение законов взаимодействия природы и общества и оптимизация этого взаимодействия.
     Производственная деятельность предприятий нефтяной и газовой промышленности, осуществляющих строительство скважин, добычу, транспорт и переработку углеводородного сырья, является значимым фактором мощного антропогенного воздействия на экологию окружающей природной среды. В силу специфики работ в нефтегазодобывающей промышленности образуются значительные объёмы загрязнителей, которые оказывают отрицательное воздействие на объекты природной среды. Эффективность разрабатываемых природоохранных мероприятий в значительной степени определяется знаниями механизма загрязнения и состава и свойств загрязнителей.
     Научно-технический прогресс - основа концепции ускорения социальноэкономического развития общества. Неизбежным следствием научно-технического прогресса является не только улучшение качества жизни человека, защищённость его от многих природных факторов, но и резко возрастающие антропогенные нагрузки на объекты окружающей среды и, в первую очередь, на её наиболее уязвимый компонент - биосферу.
     В силу специфических особенностей ведения горных работ нефтегазодобывающая отрасль относится к числу отраслей - загрязнителей природной среды. Геохимический техногенез свойственен всем этапам освоения месторождений углеводородов - от бурения до введения скважин в эксплуатацию и на протяжения всего периода эксплуатации.
     Техногенез - преобразование биосферы и её элементов под влиянием хозяйственной деятельности человека, связанный с прямым или косвенным использованием технических средств.
     При нынешних темпах развития производительных сил и освоении углеводородных ресурсов вопросы экологии окружающей среды приобретают особую остроту и социальную значимость.
     Ежегодно в нефтегазодобывающей промышленности образуется более 6 млн загрязнителей, которые поступают в окружающую среду и её объекты, в том числе до 200 тыс. тонн нефти, нефтепродуктов и других органических соединений. Среди них наибольшую опасность представляют жидкие и полужидкие загрязнители, которые в силу своей подвижности обладают высокой аккумулирующей способностью, что может приводить не только к устойчивому загрязнению 7

объектов окружающей среды, но и к нарушению экологического равновесия в местах их попадания. Загрязнители предприятий нефтегазодобывающего комплекса содержат в своём составе органические и минеральные вещества. К органическим загрязнителям относятся, прежде всего, нефть, нефтепродукты, газоконденсат, масла, фенолсодержащие соединения, метанол, ацетон, формальдегид, бензол, толуол, диэтиленгликоль и др. К неорганическим относятся различные минеральные соли, включая соли тяжёлых металлов. Загрязнителями могут быть многие инертные материалы, включая минералы, а также радиоактивные вещества. Многие из них токсичны. В соответствии с современными требованиями природоохранных органов анализ состава загрязнителей и их свойств, а также химического состава объектов природной среды должен производиться по единым методикам, допущенным для целей государственного экологического контроля.
      Немаловажную роль в негативном влиянии на окружающую среду играют процессы строительства скважин. Отличительными особенностями воздействия процессов бурения являются высокая интенсивность и кратковременность формирования значительных техногенных нагрузок на объекты гидро-, лито-, и биосферы, которые нередко превышают пороговые нагрузки. Такой характер техногенного воздействия создаёт реальную угрозу экологического стресса в районах массового бурения. В этих районах отмечается нарушение естественного экологического равновесия, падение ресурсобиогенетического потенциала биосферы, страдает генофонд, а в отдельных случаях наблюдается и деградация отдельных компонентов природной среды (резкое снижение рыбных запасов, стойкое загрязнение почвогрунтов и водных объектов, значительное уменьшение биотической нагруженности среды и др.). Так, по данным СибрыбНИИпроекта (г. Тюмень), из 47 видов ценных промысловых рыб Обского бассейна с начала освоения Западной Сибири (с 1964 года) в настоящее время сохранился лишь 21 вид. Это связано, в первую очередь, со значительным уровнем нефтяного загрязнения водных объектов. Причиной создающегося положения является низкий уровень экологичности технологических процессов нефтегазодобычи, используемых технических средств и применяемых материалов и химических реагентов.
      Отставание в разработке научных и инженерных основ экологически безопасного ведения работ, отвечающих требованиям прогрессивной экологически чистой малоотходной ресурсо- и природосберегающей технологии нефтегазодобычи, является основной причиной создания напряженной экологической обстановки в районах разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа. Поэтому перед исследователями поставлена задача большой социальной значимости - повышение экологичности работ всех видов путём максимальной утилизации и обезвреживания производственно-технологических отходов, ликвидации последствий загрязнения окружающей среды, применения экологически чистых материалов, химреагентов, природосберегающих и природовосстанавливающих технологических процессов и операций, правильного выбора необходимого комплекса средозащитных мер в зависимости от природно-климатических и ландшафтных условий и принятых технологий проводки скважин, разработки и эксплуатации месторождений углеводородного сырья.

8

Глава 1


ТЕХНОБИОГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

1.1. Объекты и компоненты окружающей природной среды

     Основные понятия системы окружающей природной среды вытекают из необходимости решения комплекса взаимосвязанных задач по охране природы и рациональному природопользованию. В научно-методическом плане с этой точки зрения следует выделить группу понятий, относящихся к раскрытию структуры взаимодействия природной среды со сферой хозяйственной деятельности человека. В современной экологической литературе учение об окружающей среде базируется на следующих основополагающих терминах и определениях: окружающая среда, природная среда, географическая среда, геологическая среда, жизненная среда, экологическая среда, социальная среда.
     Термин «окружающая среда» наиболее распространён и популярен, и он утвердился как официальный в природоохранных программах всех стран мира. Большинство исследователей, которые пользуются этим понятием, включают в него помимо природных компонентов и все объекты, созданные человеческой деятельностью.
     Согласно определению, данному ЮНЕСКО, окружающая среда является той частью мира, с которой человек находится во взаимодействии, которую использует, учитывает в своём взаимодействии и к которой приспосабливается.
     Термин «окружающая среда» в системе взаимодействия хозяйственной деятельности человека и природы целесообразно применять в сочетании с объектом, по отношению к которому среда рассматривается, например, окружающая природная среда.
     Наибольшее распространение получил термин «природная среда» в трактовке Н. Ф. Реймерса, согласно которому природная, среда - это комплекс абиотических и биотических сред, влияющий на человека и его хозяйство, т. е. сочетание чисто природных и природно-антропогенных тел и явлений, непосредственно и опосредованно воздействующих на человека и естественно-ресурс-сные экономические показатели хозяйства.
     Биотический — относящийся к живым элементам данной среды; биоти-чекие факторы — совокупность влияний, которые оказывает на организмы жизнедеятельность других организмов.
     Термин «географическая среда» является отражением материальной системы, состоящей из взаимосвязанных геосфер:


9

     •  литосферы (верхняя, твёрдая оболочка земли — кора и верхние слои мантии );
     •  гидросферы (совокупность вод рек, морей, океанов и ледников);
     •  атмосферы (газообразная оболочка вокруг земли);
     •  педосферы (почвы);
     •  фитосферы (относящееся к растениям);
     •  зоосферы (относящееся к животному миру).
     Географическая среда является сложной пространственной системой, для которой характерны процессы территориальной дифференциации и интеграции её отдельных частей и элементов. В силу этого она пространственно неоднородна, дифференцированна. Относительно самостоятельные её участки получили название ландшафта.
     Термин «геологическая среда» возник в связи с развитием нового научного направления - инженерной геологии. Он включает любые горные породы, почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, и все природные ресурсы, сконцентрированные в недрах земли. Их следует рассматривать как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйствен-ной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных (связанных с деятельностью человека) (инженерно-геологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определённых территорий.
     Термин «жизненная среда» определяет совокупность биологических и физических условий существования человека как объекта природы.
     Экологическая среда представляется как среда обитания всех живых форм и организмов живой природы.
     И, наконец, «социальная среда» - трактуется как интеграционное понятие , объединяющее понятие экономического, правового, политического и культурного окружения.
     Итак, во всем многообразии имеющихся терминов и определений неизменным является понятие среды. Этот термин является основополагающим, фундаментальным понятием в экологии, что привело в теории и практике природопользования к экологическому подходу оценки всех явлений, происходящих в природе при ведении человеком хозяйственной деятельности.
     Среди сложного комплекса физических компонентов окружающей среды можно выделить две группы, различающиеся по своей роли в системе, - это природные и искусственно созданные человеком физические компоненты.
     Природные физические компоненты окружающей среды связаны с географическим положением объекта, а их роль, формы и степень участия в процессах взаимодействия определяются общепланетарными факторами.
     В зависимости от географического положения территории ведения хозяйственной деятельности степень антропогенного воздействия различна, так же как и различна самоочищающая и самовосстанавливающая способность природной среды.

10

      Ландшафт поверхности также имеют существенное значение для хозяйственной деятельности и реакции природных комплексов на антропогенные нагрузки. Климат местности оказывает самое существенное влияние на человека и его производственную деятельность. Чувствительность природной среды к техногенезу также в немалой степени определяется климатическими условиями территории, поскольку от этого зависит характер и качество почвенного покрова, растительность, животный мир, микроорганизмы, водные ресурсы.
      Минеральные ресурсы также оказывают существенное влияние на экологическую обстановку в районах ведения хозяйственной деятельности, так как их запасы определяют степень и интенсивность освоения территории, которая богата теми или иными минеральными ресурсами.
      Энергетические ресурсы - один из наиболее существенных компонентов окружающей среды, с которыми человек связан прямыми опосредствованными связями. Энергетические ресурсы определяют степень воздействия на объекты природной среды техногенных факторов.
      Водные ресурсы регионов определяют не только возможность нормального функционирования общества, но и опосредованно влияют на качество природной среды, так как при хозяйственной деятельности происходит их существенное загрязнение всевозможными отходами, делающее их непригодными для непосредственного потребления. Водные ресурсы к тому же являются одним из важнейших факторов самоочищающей способности природной среды. В последнее время проблема качественных водных ресурсов особенно обострилась в связи с их значительным использованием и задачей очистки (кондиционирования) воды.
      Воздух как компонент окружающей среды служит непосредственным фактором жизни человека, с которым связана энергетика человеческого организма (дыхание). Воздух, как и водная среда, является наиболее уязвимым компонентом природной среды к техногенезу.

1.2. Основные понятия и законы экологии

      Бесконечное разнообразие сред биосферы вызвало появление множества эволюционных связей. Это в свою очередь привело к генезису огромного количества организмов. Любой биоценоз развивается на неорганическом субстрате, называемом биотопом, занимающим географические районы различной площади, преобладающие условия которых отличаются однородностью.
      Биоценоз — совокупность растений и животных, населяющих территорию с одинаковыми условиями существованиями (озеро, луг, болото).
      Биотоп характеризуется определённым сочетанием абиотических факторов: географическими условиями, солнечной радиацией, ветром, температурой, влажностью, течениями, концентрацией и количеством минеральных элементов. Каждый биотоп составляет физическую основу биоценоза, характеризующегося совокупностью экологических факторов, единство которых определяет его характеристику.


11

      Совокупность специфического физико-химического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) образует экосистему, т. е.

Экосистема = Биотоп + Биоценоз

      Биоценоз и биотоп оказывают друг на друга взаимное влияние, что выражается, главным образом, в непрерывном обмене энергией как между двумя составляющими, так и внутри каждой из них.
      Любая экосистема, существующая в непосредственной близости к земной поверхности, представляет собой биогеоценоз. Биогеоценоз - это реально существующее природное явление, состоящее из биоценоза и экотипа (условий среды ) и характеризующееся постоянным и непрерывным течением двух противоречивых процессов - построением органического вещества с консервацией солнечной энергии и разрушением органики с высвобождением энергии. В результате этих процессов совершается обмен веществом и энергией между отдельными составными частями биогеоценоза, между ними и окружающей средой, происходит перераспределение веществ и энергии в пространстве. Схема взаимосвязей компонентов биогеоценоза приведена на рисунке 1.1.
      Любая экосистема содержит совокупность животных и растительных организмов, которые по формам питания делятся на три группы. Зелёные растения, способные осуществлять фотосинтез и использующие минеральные элементы для синтезирования биохимических субстанций, необходимых для их роста и воспроизводства, называются автотрофами. Сообщество автотрофных растений - это продуценты экосистемы.
      Экосистема включает в себя также комплекс гетеротрофных организмов (питающихся готовыми органическими веществами), которым для питания необходимы органические вещества. Обмен веществ у гетеротрофов значительно сложнее, чем у автотрофов (организмы, создающие необходимые для своей жизни органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза или хемосинтеза ).
      Различают две категории автотрофов. Первая - это консументы (животные); они употребляют растительную или животную пищу. Вторая категория -это деструкторы, т. е. микроорганизмы и многоклеточные растения микроскопических размеров: бактерии и грибки. Деструкторы вырабатывают энзимные субстанции, разлагающие мёртвую органику, а затем адсорбируют лизаты, которые получаются в результате действия на них энзимов. Так как активная физиологическая деятельность деструкторов предполагает ускоренный обмен веществ, чем у гетеротрофов, то они несут ответственность за минерализацию органических отходов, конечные продукты которых снова участвуют в круговороте и используются продуцентами.


12