Введение к работе
Объектом исследования являются углеводородное сырьё, обогащенное элементами-примесями обладающее токсическими свойствами и основные геолого-геохимические условия их накопления в недрах.
Актуальность исследования. Вынужденный переход к широкому освоению трудноизвлекаемых видов сырья, в том числе тяжёлой нефти и природных битумов, часто с высоким содержанием тяжёлых элементов-примесей, усугубит экологически негативное нефтегазовой отрасли влияние на окружающую среду. Особенно в индустриально развитых регионах с высоким энергопотреблением и плотностью населения. При освоении нефти особенно опасны тяжёлые продукты переработки (мазуты, асфальты) с высоким содержанием соединений V, Ni, Co, Zn, Cr и других элементов с ярко выраженными токсическими свойствами. Высвобождаясь из связанного состояния они трансформируются в биоактивные формы и неизбежно рассеиваются на поверхности, изменяя геохимический фон на несоответствующий нормальной жизнедеятельности биоты.
Наличие информации об условиях накопления и распространения углеводородного (УВ) сырья обогащённого тяжёлыми элементами-примесями, а также механизмов его трансформации из потенциально токсической формы в активную в окружающей среде позволяет своевременно разработать и реализовать защитные меры, как при его освоении и переработке, так и при утилизации.
Несмотря на очевидную значимость проблемы, она остаётся малоизученной. Решение базируется на разных областях знаний – геологии, технологии и биологии, в т.ч. на геолого-геохимических закономерностях накопления и распространения природного УВ сырья обогащённого потенциально токсическими элементами (ПТЭ). И затем – условиями и масштабами проявления токсических свойств этих элементов на разные биологические объекты в окружающей среде при его освоении и утилизации.
По степени распространенности и скрытности воздействия, наиболее опасны, в основном при топливной утилизации, продукты переработки (мазуты) сернистой, обогащенной металлами нефти с повышенной и высокой плотностью. Именно эти нефти в недалеком будущем станут основой добычи на суше в европейской части РФ. Так в пределах Урало-Поволжья они уже составляют около 20 % (2009 г.) от общих объемов добычи в этом регионе и имеют выраженную тенденцию к росту.
Поэтому в числе первоочередных проблем оценки экологических рисков при освоении таких УВ находится целевое изучение основных видов опасных для биологических объектов компонентов-примесей в УВ сырье еще на стадии разведки месторождений, с тем, чтобы превентивно регламентировать условия его экологически безопасного освоения, переработки и утилизации.
Медико-биологическое состояние изученности экологического влияния продуктов переработки и утилизации УВ обогащённых ПТЭ, попадающих в окружающую среду на биоту, остаётся низким. Сравнительно хорошо исследованы уровни опасности влияния токсичных элементов при производственных контактах, особенно в цехах, на кожу, воздух в рабочей зоне и прочее, и значительно хуже – в состоянии их рассеяния в окружающей эти предприятия среде. Особенно неопределёнными остаются представления о процессах перехода тяжелых элементов из прочно химически связанных металлокомплексов, преобладающих в природном сырье, в свободную для контактов, то есть активную для биоты форму. Простых данных о состоянии ПДК почвы, водного и воздушного бассейнов недостаточно для решения вопроса о степени токсической опасности этих элементов в регионе.
Такое пограничное в разных отраслях знаний положение поставленной нами для изучения проблемы затруднило ее исследование, но одновременно увеличило актуальность, так как позволило понять неотвратимость усиления негативного влияния на экологию окружающей среды человека.
УВ самое благоприятное в экологическом отношении ископаемое энергетическое сырьё, сравнительно с другими его видами – углём, горючими сланцами, ураном. Однако надо учитывать, что около 15-20% добываемого ныне УВ сырья уже содержат в своём составе токсические элементы-примеси в количествах превышающие их безопасный уровень и объёмы его добычи, возрастают. Ограничивать использование УВ даже при негативных токсических характеристиках сырья нереально, в условиях назревающего дефицита нефти. Поэтому необходима корректная оценка возможности рисков, исключающая, как их завышение, так и занижение, для обеспечения возможности своевременного принятия защитных мер.
Целью работы явилось выявление геолого-геохимических условий образования и накопления в недрах углеводородного сырья, обогащенного элементами-примесями обладающими токсическими свойствами, прежде всего в РФ, анализ геохимической трансформации их соединений из потенциально опасных для биоты форм в активную в ходе переработки и утилизации УВ сырья и его рассеяния в окружающей среде, а также оценка экологических рисков при освоении УВ сырья обогащённого ПТЭ.
Основные задачи исследований:
исследования на основе современной аналитической информации условий накопления УВ сырья обогащённого элементами-примесями, главным образом тяжёлыми металлами (V, Ni, Co, Cd, Hg, Cr и др.);
обоснование перечня тяжёлых элементов-примесей с токсичными свойствами широко распространённых в УВ сырье и продуктах его переработки и оценка их биологической активности;
исследование процессов геохимической трансформации в поверхностной среде соединений токсичных элементов-примесей, присутствующих в природных УВ и продуктах их переработки и условий их перехода из потенциально-токсичной в активно-токсичную форму, свободную для билогических контактов.
Фактический материал обеспечивший достоверность основных выводов получен и проанализирован автором в ходе полевых исследований в Волго-Уральской и Тимано-Печорской НГП, Мангышлакской НГО, на Камчатском полуострове и Республике Польша, начиная с 1986г. Значительный объём материала, особенно по зарубежным НГБ – свыше 3 тыс. данных химического анализа нефти и газа был собран в публикациях отечественных и зарубежных исследователей. В геолого-геохимической части исследования, реализован химико-аналитический материал, накопленный многими отечественными и зарубежными исследователями. Широко использовался аналитический материал, опубликованный геохимиками ВНИГРИ, ТатНИПИнефть, ТПО ВНИГРИ и др., а также данные исследований реализации продуктов переработки нефти в металлургических и других технологических процессах выполненные автором совместно с ВНИИнефть и ВАМИ, которые являлись, в частности, предметом кандидатской работы диссертанта.
Научная новизна выполненных исследований:
на основе обработки обширной аналитической информации по основным нефтегазоносным бассейнам (НГБ) мира и прежде всего РФ, определены геолого-геохимические условия формирования и распространения скоплений УВ обогащённых тяжёлыми элементами-примесями;
разработана детальная геолого-геохимическая реконструкция процессов накопления тяжёлых элементов-примесей в органическом веществе (ОВ) и УВ на протяжении всего их онтогенеза, начиная от прижизненной ассимиляции биотой этих элементов, завершая концентрацией их в остаточных продуктах природного разрушения скоплений УВ. Показано, что непрерывность аккумуляции тяжёлых элементов в составе смоло-асфальтовых фракций УВ и их сохранность в них в ходе всего онтогенеза является специфической особенностью горючих ископаемых в естественной среде недр;
выявлена чёткая закономерная связь между временем проявления главной фазы нефтегазообразования и активным эндогенным или экзогенным рудогенезом в осадочном чехле. Наиболее богаты ПТЭ те скопления УВ, которые генерировались позже или одновременно с проявлением активного рудогенеза;
разработан и обоснован перечень, а также формы проявления токсичных элементов-примесей наиболее распространённых в природных УВ и продуктах их переработки. Показано, что уровень токсических рисков при освоении УВ обогащённых ПТЭ определяется не только их составом и концентрацией, но также прочностью химических связей с молекулярными структурами УВ.
Разработана классификация активно опасных и потенциально опасных элементов концентрирующихся в нефтях. В числе первых наиболее миграционно-подвижные и летучие из них (Hg, Cd, As и др.). В числе вторых - прочно химически связанные в комплексных металлоорганических соединениях в УВ элементы - V, Ni, Co, Cr,Cu, Zn и др. биологически инертные в природной нефти и битумах, но активно-опасные в микродисперсном состоянии после техногенного, особенно высокотемпературного (>450oC), воздействия на сырьё. Актиноиды, вне зависимости от прочности связи с молекулярными структурами УВ, входят в класс активно опасных в любом состоянии;
выявлена и обоснована глубинная зональность в обогащении ПТЭ скоплений УВ, разработана типизация залежей УВ обогащённых ПТЭ по масштабам накопления и составам ПТЭ с определением уровней рисков создаваемых ими на разных объектах освоения УВ;
Основные защищаемые положения:
Геологические условия накопления УВ сырья с токсическими свойствами, в основе которых лежит весь цикл онтогенеза органического вещества и углеводородов в осадочном чехле, а так же рудная специализация осадочных пород, сформировавшаяся до или во время прохождения нефтематеринскими отложениями главной фазы нефтегазообразования
Критерии прогноза состава и степени обогащения УВ скоплений тяжелыми элементами-примесями с токсическими свойствами основанные на поэтапном моделировании процесса онтогенеза УВ в ходе геологической эволюции НГБ, их рудной специализации и тектоноактивности.
Методология комплексной экологической оценки уровней токсозагрязнения окружающей среды на разных этапах и объектах освоения углеводородов
Практическая и теоретическая ценность результатов работы.
Выполненное исследование, вместе с предложенными в нем рекомендациями, обеспечивает возможность своевременного прогноза экологических последствий освоения УВ сырья еще на стадии его разведки и, соответственно, превентивного принятия мер защиты населения путём рационального выбора технологий добычи, очистки, переработки и утилизации такого рода сырья.
Разработанные и предложенные в работе рекомендации по защите населения от поражений в ходе освоения и утилизации такого сырья, будучи внедренными в практику, значительно уменьшат дальнейшее ухудшение качества среды обитания человека.
Полученные геолого-геохимические данные об источниках, механизмах и закономерностях формирования и распространения скоплений УВ с разным составом и уровнем обогащённости тяжёлыми элементами-примесями могут быть широко реализованы и в других отраслях: расширяются возможности укрепления рудной сырьевой базы на основе месторождений стратиформного типа связанных с битумопроявлениями, в т.ч. дефицитных и редких видов рудных полезных ископаемых; в практике нефтепоисковой геологии для повышения эффективности ГРР, в том числе корректировать выбор нефтяного сырья и технологий его переработки для получения порфиринов, производства металлосодержащих нефтяных коксов в качестве энергоносителей как легирующей добавки при выплавке сталей спецназначения и др.
Результаты выполненных исследований могут также служить основой для формирования нового в геологии направления, имеющего важное народно-хозяйственное значение – разработке концепции токсикоэкологически безопасного освоения полезных ископаемых.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научных конференциях, симпозиумах и семинарах, в их числе: "Научные и практические проблемы геологоразведки" - Л., ВИТР, 1990; "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения", СПб, ВНИГРИ. 1992; "Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря" - СПб, СПбГУ, 1993; Second International conference on ground water ecology - USA, Atlanta, AWRA, US EPA, 1994; "Поиск, разведка и добыча нефти и газа в Тимано-Печорском бассейне и Баренцевом море" - СПб, ВНИГРИ, IKU, 1994; "Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей седы" - СПб, ВНИГРИ, 1995; "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения" - СПб, ВНИГРИ, 1997; "Экология. Нормативно-методические и правовые основы создания постоянно действующей службы нефтеэкологического мониторинга..." СПб, ВНИГРИ, 1998; "Перспективы развития и освоения топливно-энергетической базы Северо-западного эконом. р-на РФ" - СПб, ВНИГРИ, 1998; “Проблемы геодинамики и нефтегазоносности Черноморско-Каспийского региона”, Симферополь, 2003; «Генезис нефти и газа», Москва; «Стратегия развития и освоения сырьевой базы основных энергоносителей в России», СПб, 2004, «Законодательная поддержка внедрения новых наукоёмких технологий в минерально-сырьевом комплексе страны», Москва, 2009.
Публикации.
По теме диссертации автором опубликовано около 50 печатных работ, включая монографию «Распространенность углеводородного сырья, обогащенного тяжелыми элементами-примесями. Оценка экологических рисков» (2005. – 372 с.).
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть разделов, заключение, список использованной литературы из 144 наименования. Работа изложена на 323 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков и 99 таблиц.
