Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН 12
1.1 Экологические особенности строительства скважин 12
1.2 Анализ состояния объектов окружающей природной среды при буровых работах в условиях Крайнего Севера , 17
1.3 Критерии экологической безопасности 25 строительства скважин 1.4 Выводы и постановка цели и задач
исследований 36
2. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ В РАЙОНАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 39
2.1 Исследования химического состава отходов бурения 41
2.2 Токсикологические исследования буровых растворов, отходов бурения 52
2.3 Анализ методических основ расчетов объемов образования отходов бурения 66
2.4 Динамика образования отходов при бурении литологически неоднородных пород 76
2.5 Обоснование объема буровых сточных вод 83
2.6 Методика расчета объемов образования твердых и жидких отходов бурения 85
3 АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН 90
3.1 Критерии оценки экологического риска 90
3.2 Состояние изученности экологических рисков в бурении 94
3.3 Анализ фактической аварийности и экологических рисков при строительстве скважин
в условиях Крайнего Севера 96
4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ БУРЕНИЯ
4.1 Методология обращения с отходами бурения 105
4.2 Результаты реализации технологий по обращению с отходами бурения на территории ЯНАО 110
4.3 Эколого-экономическая целесообразность различных технологических схем обращения с отходами бурения 121
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 135
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 137
ПРИЛОЖЕНИЯ 147
- Анализ состояния объектов окружающей природной среды при буровых работах в условиях Крайнего Севера
- Исследования химического состава отходов бурения
- Состояние изученности экологических рисков в бурении
Введение к работе
Сегодня территория Надым-Пур-Тазовской газоносной провинции является одним из основных поставщиков природного газа на мировой рынок энергоносителей. Безусловное признание приоритетности экологического фактора в экономическом и социальном развитии страны лишает отраслевую политику абсолютной подчиненности топливно-энергетическим потребностям народного хозяйства. Нефтегазовое месторождение должно рассматриваться не только как источник углеводородного сырья, но и сопутствующих его разработке вредных для биосферы веществ. Природно-ресурсныЙ потенциал каждого месторождения должен рассматриваться во взаимосвязи с включающей его экосистемой.
На фоне разработки месторождений, сопровождающейся огромным
объемом буровых работ, происходит глобальное изменение ландшафтов путем
преобразования их в техногенные формы, в дальнейшем из-за низкого
энергетического потенциала северных экосистем, практически не
поддающиеся восстановлению. При строительстве объектов газового промысла бурение скважин является одним из наиболее тяжелых по влиянию на экосистемы.
Регион характеризуется специфическими природными и горногеологическими условиями, такими как обводненность и заболоченность территории, наличие многолетнемерзлых пород, аномальность пластовых давлений, отсутствие сероводорода в пластовых флюидах и рапоносных горизонтов. Эти факторы позволяют применять в практике бурения малотоксичные промывочные жидкости на водной основе, в некоторых интервалах утяжеленные. Буровое оборудование размещается на отсыпанных площадках, отходы бурения захораниваются в гидроизолированные накопители, размещаемые в теле насыпи и ликвидируемые по окончании бурения. Все чаще возникает необходимость строительства скважин в водоохранных зонах, в этом случае применяется безамбарная технология
бурения, при которой буровые отходы вывозятся за пределы ВОЗ в специально
отведенные места. Огромный объем буровых работ в регионе с одной стороны, низкий восстановительный потенциал северных экосистем с другой стороны выдвигают проблему создания эффективной системы экологического управления строительством скважин.
Эффективное экологическое управление при строительстве скважин на суше заключается в предупреждении загрязнения, обоснованном и рациональном использовании земельных ресурсов, минимизации объемов отходов строительства скважин, совершенствовании инженерных систем сбора, хранения и утилизации отходов бурения, в т.ч. методов обезвреживания содержимого шламовых амбаров с последующей экологически безопасной их ликвидацией и рекультивацией нарушенных земель. Об актуальности проблемы свидетельствует система платности природопользования в РФ, при которой промышленные предприятия осуществляют платежи за выбросы, сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и размещение отходов.
Одной из составляющих эффективного экологического управления является комплексная оценка экологической безопасности технологий, особенно при возрастающих объемах строительства скважин в водоохранных зонах, что требует максимальной экологической чистоты производства работ. Поэтому исследование и совершенствование методологии оценки экологической безопасности технологий бурения с целью выбора наиболее эффективных технико-технологических решений, представляет несомненный научный и практический интерес.
Цель работы- совершенствование методов и критериев оценки экологической безопасности технологий на примере технологий бурения в районах Крайнего Севера.
Основные задачи исследований:
установить источники загрязнения окружающей природной среды при строительстве скважин и выявить доминирующие из них;
выявить наиболее информативные критерии оценки влияния строительства скважин на объекты окружающей природной среды;
оценить токсичность применяемых рецептур буровых растворов, а также образующихся отходов бурения;
исследовать возможность использования при токсикологических
исследованиях загрязнителей, характерных для буровых работ в качестве
тест-объекта люминесцирующирующих бактерий (биосенсора «Эколюм»);
проанализировать состав и свойства отходов строительства скважин, определить возможные направления их нейтрализации и размещения в объектах окружающей природной среды;
разработать и оценить эффективность технико-технологических
схем по минимизации объемов отходов бурения, нейтрализации и
экологически безопасного их захоронения;
проанализировать риски возникновения аварийных ситуаций при
строительстве скважин и связанный с ними экологический ущерб.
Методика исследований. Для решения поставленных задач выполнен комплекс исследований, включающих обработку и анализ проектных, промысловых материалов, теоретические и экспериментальные исследования с привлечением математической статистики, лабораторные химико-аналитические, токсикологические исследования с использованием стандартных методик. Токсикологический анализ проводился на приборе экспрессного токсикологического контроля «Биотоке-10», работа которого основана на интенсивности флюоресценции биосенсора «Эколюм».
Научная новизна
На основе статистической информации выявлены вероятности (частоты) возникновения аварийных ситуаций, связанных с бурением скважин, а также с такой опасной аварийной ситуацией, как фонтанирование скважин, как в процессе бурения, так и в процессе их эксплуатации.
Оценен вклад в суммарную токсичность бурового раствора исходных компонентов при его приготовлении. Исследовано изменение токсичности буровых растворов и растворов химреагентов под влиянием условий бурящейся скважины (воздействие давления и температуры).
Установлена корреляционная связь отклика на загрязнители, характерные для бурения в ряду дафнии - водоросли - биосенсор "Эколюм".
Исследована зависимость образования отходов бурения от свойств выбуриваемых пород, характер распределения которых вниз по разрезу прогнозируется с высокой степенью достоверности на основании анализа горно-геологических особенностей рассматриваемого региона.
Практическая ценность и значимость работы
1. Результаты работы были использованы при разработке раздела "Охрана
окружающей среды" рабочих проектов на строительство скважин, проектов
обустройства месторождений Надым-Пур-Тазовского региона, Макета
рабочего проекта на строительство скважин на газоконденсатных
месторождениях Западной Сибири. РД 00158758-185-97.
2. Результаты исследований аварийных ситуаций при строительстве скважин в
Надым-Пур-Тазовском регионе, характеризующимся сходными горно
геологическими условиями различных газоконденсатных месторождений,
используются при разработке раздела «Риски» рабочего проекта на
строительство скважин, а также с целью экологического страхования
опасных производственных объектов.
Методика расчета отходов бурения включена в РД 00158758-221-2001 "Регламент на систему сбора и ликвидацию отходов бурения при строительстве скважин на месторождениях Севера Тюменской области" и используется с целью нормирования объемов их образования, а также начисления платежей за размещение.
На основании проведенных исследований токсичности применяемых в Надым-Пур-Тазовском регионе рецептур буровых растворов, отходов бурения экспресс-методом с использованием прибора токсикологического контроля "Биотоке-10" начато создание базы данных по показателям токсичности буровых растворов и химреагентов, рекомендуемых к применению в бурении. Разработанная "Инструкция по определению токсичности отходов бурения экспресс-методом" СТО Газпром РД 39-2.1-„.-2004 согласована в
установленном порядке с контролирующими органами и применяется в т.ч. при установлении класса опасности отходов бурения с целью взимания платежей за их размещение.
Определен класс опасности отходов бурения для окружающей природной среды, в установленном порядке оформлены паспорта опасных отходов, образующихся при строительстве скважин на месторождениях ОАО "Газпром" (ООО "Уренгойгазпром", ООО "Ямбургтаздобыча", ООО "Надымгазпром"), ООО "Юрхаровнефтегаз".
Результаты работы по обоснованию выбора наиболее рациональной схемы по нейтрализации и утилизации отходов бурения внедрены на Юрхаровском ГКМ и рекомендованы на стадии инвестиционного проекта разработки Бованенковского ГКМ.
7. Исследованы химико-токсикологические характеристики отходов бурения,
образующихся при применении в практике буровых работ буровых растворов,
разработанных специалистами MI drilling fluids. Использование
вышеназванных буровых растворов с учетом корректировки схемы разработки
месторождения позволило ООО "Юрхаровнефтегаз" получить дебиты скважин
значительно выше проектных, сократить количество скважин с 57 до 17, в т.ч.
отказавшись от строительства острова в акватории Тазовской губы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на секции "Техника и технология бурения скважин" НТС ОАО "Газпром" (Тюмень, 1999), на научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна» (Тюмень, 2000 г.), на секции «Экология и охрана окружающей среды» «Охрана воздушного бассейна на объектах ОАО «Газпром» НТС ОАО «Газпром» (Тюмень, 2000 г.), на международном конгрессе по обращению с отходами ВэйстТэк-2003; на конференциях молодых ученых и специалистов нефтяной и газовой промышленности, проводимых в ООО "ТюменНИИгипрогаз", ОАО "СибНИИНП" (Тюмень, 2002 - 2004 г.г.).
#
Публикации. Основное содержание работы изложено в 13 опубликованных работах, в том числе в 2 обзорах в соавторстве, в 3 статьях, в 8 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 112 наименований.
Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина и в Тюменском научно-исследовательском и проектном институте природного газа и газовых технологий в рамках централизованной программы ОАО "Газпром" - "Западная Сибирь" и тематических планов института.
В основу диссертации легли материалы исследований и разработок, проведенных автором за период с 1997 года по настоящее время.
Анализ состояния объектов окружающей природной среды при буровых работах в условиях Крайнего Севера
Лушпеевой О.А. и др. [10, 11] приводятся результаты исследования процесса миграции отходов бурения в объекты природной среды и показано, что изменение естественного состояния грунта в пределах кустовой площадки не превышает стометровую отметку. В более удаленных точках показатели приближались к фоновым. Согласно [10] процесс загрязнения почвогрунтов отходами бурения разделяется на три стадии. Первая характеризуется образованием поверхностного ареала загрязнения и незначительным проникновением компонентов отходов бурения в грунтовую среду. На второй стадии происходит вертикальная инфильтрация жидких компонентов. Третья стадия характеризуется боковой миграцией загрязнителей. Через год отстоя величина рН содержимого котлованов приближается к норме, а минерализация и окисляемость снижаются в З-б раз. Это связано с процессами перераспределения загрязняющих веществ в окружающей среде.
Многочисленными мониторинговыми исследованиями установлено, что буровые работы ведут к интенсивному поступлению в геосистемы многих микроэлементов, в том числе и относящихся к первому классу опасности. Это приводит к формированию техногенных геохимических аномалий в окрестностях буровых (Тенткжов, Кузиванова, 1986; Московченко, 1990,1991) [12]. Наиболее глубоко изучение влияния бурения на объекты окружающей среды было проведено на территории Бованенковского ГКМ [12-14]. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что закономерности миграции химических элементов в зоне гипергенеза и процесса формирования вторичных ореолов рассеивания загрязняющих веществ, находятся в зависимости от многочисленных геологических, ландшафтных и климатических факторов. Миграция элементов, в частности ее характер и направленность в условиях аллювиальных ландшафтов находятся в прямой зависимости от рельефа. _ Предположительный ряд элементарных ландшафтов по условиям миграции выстраивается следующим образом: неоэлювиальные накопления трансэлювиальные (транзит) супераквальные (транзит и накопление) субаквальные (накопление и внос) [ 13 ]. Исследования, проведенные на участках разведочного и промышленного бурения в различных районах Ямала, позволили выявить закономерности геохимической трансформации ландшафтов под влиянием буровых работ [ 12 ]. Как свидетельствуют результаты анализов, почвы имеют повышенное содержание многих микроэлементов. Максимально превышают фоновое $Ф содержание Sr, Ва, РЪ, Zn, Sn, в ряде случаев превышение составляет несколько порядков. Площадные исследования позволили выявить пространственные закономерности распределения загрязнителей. Аномалии, установленные для бария, свинца, стронция, имеют вид ореола рассеяния с центром непосредственно у скважины. Радиус загрязнения составляет первые сотни метров. Образование аномалий связано с разливами по поверхности почв бурового раствора, одним из основных компонентов которого является барит. Глубина проникновения загрязнителей в почву ограничивается глеевым горизонтом. ,-w; Более сложный вид имеет аномалия цинка, содержание которого в поверхностном горизонте почв зависит как от интенсивности техногенного поступления, так и от степени нарушенное торфяного горизонта, в котором аккумулируется этот элемент. Удаление торфяного слоя определяет и пониженное содержание марганца. На нарушенных участках отмечено изменение реакции почвенного раствора от кислой и слабокислой на фоновых участках до нейтральной и слабощелочной на нарушенных. Это объясняется как удалением торфяного горизонта, так и разливами минерализованных пластовых вод и буровых (Щ растворов. Резко уменьшается количество органического вещества в почве, отмечено также падение содержания калия. Несколько повышено содержание подвижного фосфора и азота. Возможно, это также связано с уничтожением торфяного горизонта, имеющего невысокое содержание элементов питания растений вследствие активного биологического поглощения.
Расчет коэффициентов, характеризующих динамику вещества, продемонстрировал качественное изменение миграционных и аккумулятивных свойств отдельных элементов на нарушенных участках по сравнению с ненарушенными. Прежде всего это проявляется в резком падении аккумуляции биогенных элементов — Mn, Zn, Р. Для фосфора показатели аккумуляции падают более чем в 10 раз. Относительно повышаются показатели для бария, что связано с интенсивным техногенным поступлением его в ландшафт. Для марганца характерно уменьшение и аккумуляции и выноса. Возрастание подвижности характерно для V, Сг, Sc, Mo. Довольно высоки показатели подвижности никеля. Падает подвижность кобальта.
Данные факты хорошо объясняются изменением кислотности среды, которая на нарушенных участках, вследствие удаления торфяного слоя, приближается к нейтральной. Так например ванадий в кислой среде (рН менее 5,5) неподвижен или малоподвижен, в щелочной может мигрировать и переходить в растворимые формы. Марганец, растворимый в кислой среде, при средних значениях рН осаждается. Никель при рН ниже 6,7 образует плохо растворимый оксид никеля, выпадающий в осадок; в щелочной среде никель переходит в растворимые токсичные формы (Глазовская, 1978).
Исследования химического состава отходов бурения
Для экологической оценки опасности загрязнения почвы отходами бурения были проведены специальные исследования по определению количества загрязняющих элементов в твердой и жидкой фазе отходов бурения с определением расчетного класса опасности [ 49-51 ]. Отходы бурения отбирались на различных месторождениях Надым-Пур-Тазовского региона при использовании различных буровых растворов, с разных глубин.
Ориентировочный состав исследованных отходов бурения в соответствии с поинтервальнои программой промывки скважин приводится в таблице 5.
Отходы бурения, образующиеся при строительстве скважин на территории ЯНАО характеризуются диапазоном рН 8,5-10,6. Буровые сточные воды после химически усиленного центрифугирования имеют рН 4,5-6,5. Влагосодержание колеблется от 60-70 % в буровом шламе до 100 % в буровых сточных водах. Содержание основных составляющих отходов бурения, выявленное ретортным методом анализа, при использовании серийных средств очистки бурового раствора и оборудования по обезвоживанию приводится на рис. 7.
Содержание тяжелых металлов проводилось методом атомно-эмисионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98, бенз(а)пирена - методом жидкостной хроматографии ПНД Ф 14.2:4.70-96, нефтепродуктов - методом ИК-спектрометрии ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 (приложение 2).
При исследованиях выявлено, что отходы бурения содержат в повышенных концентрациях практически все определяемые загрязнители (табл. 6). Повышенные концентрации нефтепродуктов, можно объяснить обработкой бурового раствора при осложнениях (прихваты), а также пластовыми флюидами, содержащимися в выбуренной породе при прохождении через нефтеконденсатосодержащие продуктивные пласты.
Обращает на себя внимание факт значительного превышения содержания в отходах бурения таких опасных элементов, как мышьяк (превышение во всех пробах от 1,5 до 13,4 ПДК), свинец (превышение от 1,1 до 3,0 ПДК), кадмий (превышение от 2,0 до 6,8 ПДК). Анализ содержания неорганических элементов, в т.ч. тяжелых металлов в керновом материале с целью оценки влияния выбуренной породы на суммарную токсичность бурового шлама, проводился на основе обобщения многолетних данных спектрального анализа кернового материала Уренгойского и Заполярного месторождений с различных глубин [15]. Данные спектрального анализа были предоставлены лабораторией спектрального анализа ОАО «Тюменская центральная лаборатория». Для сопоставления с микроэлементным составом почвообразующих пород Ямала приводятся данные о содержании микроэлементов в почвообразующих породах севера Тюменской области, главным образом Надымского района (Московченко, 1987) [12](табл. 7).
Установлено, что выбуренная порода сама по себе содержит повышенное количество микроэлементов, а также тяжелых металлов и может являться источником их поступления в объекты окружающей природной среды (рис. 8). Однако на основании «Методических указаний по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами» (1987)[52], превышение концентраций опасных элементов по сравнению с фоновыми показателями и ПДК является незначительным, т.е. можно рассматривать выбуренную породу как малозагрязненную почву на основании рассчитанных коэффициентов Кс и их последующего суммирования с вычислением коэффициента Zc, Где Сі - содержание і-того определяемого элемента, мг/кг; Сф - фоновое содержание І-того определяемого элемента, мг/кг. При взаимодействии с буровым раствором горная порода (керновый материал) может адсорбировать тяжелые металлы. В результате этого содержание загрязняющих элементов в выбуренном шламе возрастает в несколько раз.
Состояние изученности экологических рисков в бурении
Одним из показателей экологической безопасности технологий бурения является показатель аварийности.
С 1986-1989 г. в целом по СССР ежегодно при бурении разведочных и эксплуатационных скважин происходило более 2000 аварий и возникало около 20 открытых фонтанов. В результате аварий за этот период ликвидировано около 200 скважин в год [99,100].
Согласно отчетных данных ЦСУ СССР, Мингазпрома, Мингео СССР с 1974 по 1992 г.г. средняя частота аварий на 1 км проходки составила для эксплуатационного бурения 0,147, для разведочного - 0,300; средняя тяжесть аварий (ч/авария) для эксплуатационного бурения 860,7, для разведочного -1189,8 [100].
Анализ причин аварий с открытыми нефтяными и газовыми фонтанами последних лет [99] показывает, что около 53% их на скважинах происходит из-за отсутствия и неподготовленности к работе превенторного оборудования на устье, 15% связано с отсутствием и неработоспособностью обратных клапанов для обсадных колонн, более 8%-с износом или недостаточной прочностью обсадных колонн. Причины газопроявлений различными авторами классифицируются по-разному (рис. 13 ). Авторами [99] установлено, что наибольшее число событий связано с недостаточной плотностью раствора и неполным заполнением скважины. Среди других причин следует отметить природные катастрофы, умышленные действия посторонних лиц, несовершенство конструктивного исполнения оборудования. Большинство выбросов газа происходит как правило, или во время подьема, или в начале спуска инструмента. Последнее связано с гидродинамическими эффектами. Согласно [99] большинство открытых фонтанов (66,6%) приходится на бурение в основном в непрогнозируемых пластах с аномально высоким давлением.
Нефтегазопроявления и открытые фонтаны, сопутствующие бурению и эксплуатации нефтегазовых месторождений, относятся к разряду особо опасных аварий, т.к. часто приводят к крупным материальным ущербам и затратам на ликвидацию их последствий. Скважина считается одним из самых опасных объектов как на стадии разведки, так и при эксплуатации.
В случаях вскрытия продуктивных горизонтов с аномально высоким пластовым давлением иногда происходит образование вторичных скоплений газа в водоносных горизонтах вследствие его перетоков при бурении. В результате этого могут проявляться так называемые техногенные залежи и грифонообразования, опасные для биосферы. Их поведение трудно
Щ предсказуемо и не поддается эффективному контролю, причем в некоторых случаях выброс блуждающих газовых скоплений происходит на значительном расстоянии от места аварии. Исследования и анализ статистической информации по аварийности буровых работ и связанным с авариями экологическим ущербом на территории Надым-Пур-Тазовского региона, характеризующегося колоссальным объемом буровых работ, специфическими горно-геологическими условиями и как следствие специфическими технико-технологическими решениями строительства скважин в опубликованных литературных источниках отсутствуют. Поэтому оценка экологических рисков при буровых работах в рассматриваемом регионе является одним из обязательных критериев оценки экологической безопасности строительства скважин. брака составили 0,9-5,7 % от производительного времени. При этом наибольшая аварийность наблюдается при бурении разведочных скважин -вероятность возникновения аварийных ситуаций ниже, однако как правило эти аварии очень серьезные и требуют значительных затрат на ликвидацию. В структуре нестандартных ситуаций в бурении в разведочном бурении превалируют осложнения (нефтегазопроявления), что в большей степени связано с недостатком геологической информации. В эксплуатационном бурении основные потери связаны с браком, в случае проявления осложнений это в основном, обвалообразование, осыпи стенок скважины.
Статистика по аварийным ситуациям, браку, осложнениям в бурении Ф "ТБГ" за 1999-2003 г.
