Введение к работе
Актуальность работы. Активное развитие нефтедобывающей промышленности приводит к существенному увеличению территорий, отводимых для освоения нефтяных месторождений. При этом возникает опасность углеводородного загрязнения природных ландшафтов, которая является следствием разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, хранении, транспортировке и переработке. Нефть, попадая в почвы и грунты, привносит с собой разнообразный набор химических соединений, нарушающих сложившийся геохимический баланс в экосистемах. Процессы деградации загрязнителей в грунтах осуществляются на фоне их активного взаимодействия с грунтовой массой. Это приводит к направленному изменению свойств грунтов, которое может быть растянуто во времени не только в результате постепенного проникновения нефти и нефтепродуктов в породы, но и в результате в результате их трансформации.
Большинство исследований свойств нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов, в том числе и теплофизических свойств, на данный момент проводилось на грунтах нарушенного сложения. А в реальных условиях состав и свойства загрязненных грунтов изменяются во времени, в связи с этим особенно важным является вопрос изучения нефтезагрязненных грунтов при их естественной трансформации в зависимости от времени и условий загрязнения.
Большая часть месторождений нефти и газа России находится в криолитозоне; в отличие от районов распространения талых пород, нефтяное загрязнение криолитозоны и последующие изменения свойств грунтов и альбедо поверхности сказывается на температурном режиме и глубине сезонного оттаивания пород. В связи с этим возникает необходимость специального экспериментального изучения влияния трансформации углеводородного загрязнения на свойства грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, с последующим использованием полученных результатов для прогноза последствий разливов нефти и нефтепродуктов в конкретных геокриологических условиях.
Цель и задачи работы. Основная цель работы - выявление влияния трансформации нефтяного загрязнения на свойства и состав грунтов слоев сезонного промерзания и оттаивания.
В связи с поставленной целью основные задачи состояли в следующем:
Ознакомиться с современным состоянием изученности влияния нефтяного загрязнения на свойства и состав дисперсных грунтов, закономерностей изменения состава нефти и ее свойств во времени.
Провести комплексное экспериментальное исследование состава и свойств нефти и нефтезагрязненных грунтов разного гранулометрического состава, включающее в себя: а) отбор грунтов разного гранулометрического состава естественного
сложения в местах нефтяного загрязнения различной длительности и условий его трансформации; б) геохимическое исследование качественного и количественного состава нефти и нефтепродукта, содержащегося в грунтах; в) исследование гранулометрического и микроагрегатного состава нефтезагрязненных грунтов; г) исследование теплофизических, акустических и электрических свойств нефтезагрязненных грунтов; д) получение закономерностей изменения исследованных свойств в зависимости от длительности трансформации, степени и условий загрязнения, температуры грунтов; е) сопоставление полученных зависимостей изменения состава и свойств грунтов и нефти от времени трансформации.
3. На основе полученных результатов исследований провести прогнозные расчеты изменения мощности слоя сезонного протаивания (промерзания) для грунтов различного состава в районах Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски с оценкой влияния изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств.
Защищаемые положения
1. Реализован комплексный подход к экспериментальному изучению изменения
свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием
нефтяного загрязнения и его трансформации, состоящий в исследовании
количественных и качественных изменений нефти, изучении микроагрегатного
состава и теплофизических, акустических и электрических свойств
нефтезагрязненных грунтов.
Впервые установленные закономерности изменения теплофизических, акустических, электрических свойств и состава исследуемых грунтов, а также состава нефти в зависимости от длительности трансформации, степени и условий нефтяного загрязнения, дисперсности и температуры выявили роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания), заключающуюся в снижении значений исследуемых характеристик с длительностью трансформации при количественном уменьшении загрязнения и подобном характере их изменения и взаимосвязи с изменением состава грунтов и нефти.
Установлено влияние нефтяного загрязнения и его трансформации на мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных геокриологических условий, заключающееся в большем влиянии изменения альбедо поверхности на мерзлые грунты, и более выраженном влиянии изменения теплопроводных свойств на промерзающие грунты из-за более интенсивных процессов трансформации нефти в них. Изменения глубин сезонного оттаивания и промерзания в нефтезагрязненных песках происходят наиболее интенсивно, чем в суглинках, ввиду меньшего изменения теплопроводности песков при загрязнении нефтью.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование влияния
трансформации нефтяного загрязнения на изменение состава и свойств нефтей и
нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов разного гранулометрического
состава.
2. Впервые получены закономерности изменения теплофизических,
акустических, электрических свойств и состава исследуемых грунтов, а также
группового состава нефти в зависимости от длительности трансформации:
а) установлено, что через 3 года увеличение содержания асфальтенов в
групповом составе нефти и уменьшение коэффициента теплопроводности происходит
в ряду: супесь - суглинок - глина; для глины содержание асфальтенов увеличилось в
5 раз и уменьшение коэффициента теплопроводности (AJ составило около 30%;
б) через 5 лет трансформации нефти для суглинков и супесей выявлено
увеличение содержания асфальтенов в 7 и 2,5 раза, соответственно, и зафиксировано
уменьшение значений коэффициента теплопроводности (Я), скорости продольных
волн (V) и удельного электрического сопротивления (р)на 30-50%;
в) в суглинке, слагавшем дно нефтяного амбара, в результате 15-летнего
преобразования установлено трехкратное уменьшение коэффициента
теплопроводности (Л,) при наибольшем увеличении асфальтеновой фракции (в 10
раз).
3. Выполнен прогноз влияния трансформации нефтяного загрязнения на
мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных
геокриологических условий, в результате установлено:
а) при совместном влиянии изменения альбедо поверхности и теплофизических
свойств под влиянием трансформации нефтяного загрязнения увеличение глубины
сезонного оттаивания в исследованных районах составило от 20% (в районах с
длительно-устойчивыми типами сезонного оттаивания) до ~70% (в районах с
переходными типами сезонного оттаивания пород); уменьшение глубины сезонного
промерзания в исследованных районах составило -15-20%;
б) при угнетении и исчезновении растительного покрова для всех типов
грунтов во всех районах распространения мерзлых пород зафиксировано начало
развития процесса многолетнего оттаивания пород и увеличение его глубины через 5
лет более чем на 2 м;
в) сравнение результатов моделирования с литературными данными по
полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны показали их хорошую
сходимость.
Практическая значимость работы. Экспериментальные результаты могут использоваться при прогнозировании свойств и состава нефтезагрязненных грунтов, а также являются входными параметрами для математического моделирования
изменения геокриологических условий под влиянием нефтяного загрязнения. Полученные результаты моделирования могут быть использованы для прогноза негативных геологических процессов и явлений в местах, подвергающихся нефтяному загрязнению; а также при решении ряда инженерных задач: проектировании хранилищ нефти и нефтепродуктов в толщах мерзлых пород и других сооружений, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой нефти и др. Часть экспериментальных результатов и выводов применяется в научно-исследовательской работе сотрудников и студентов кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.
Личный вклад автора. В процессе работы автором проведено 54 эксперимента по исследованию изменения группового состава нефти в загрязненных дисперсных грунтах, свыше 200 экспериментов по исследованию теплофизических характеристик и температуры оттаивания грунтов, 44 эксперимента по определению электрических и акустических свойств, 38 определений гранулометрического и микроагрегатного состава загрязненных дисперсных пород. Выполнены многочисленные серии (около 150 вариантов) прогнозов влияния углеводородного загрязнения на динамику слоя сезонного промерзания (оттаивания) для грунтов разного состава в районах с различными геокриологическими условиями Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски. Выполнена оценка влияния изменения альбедо поверхности, теплофизических свойств на глубину сезонного оттаивания и промерзания.
Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы в журналах «Вестник МГУ. Серия 4. Геология» и «Криосфера Земли» (2008), а также на шестой международной конференции ((Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа» /Москва, 2002/, международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды криолитозоны» /Екатеринбург, 2002/, на конференции «Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование замораживания грунтов искусственным холодом» /Санкт-Петербург, 2003/, на международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» /Пущино, 2003/, седьмой международной конференции «Актуальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа»/ Москва, 2004/, 7-ом международном симпозиуме по освоению вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2004/, XV-м Российском совещании по экспериментальной минералогии /Сыктывкар, 2005/, международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли» /Пущино, 2005/, третьей конференции геокриологов России /Москва, 2005/, конференции по проблемам вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2006/, международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» /Салехард, 2007/.
Публикации. За время работы по данной теме автором совместно с сотрудниками кафедры и научными руководителями опубликовано 15 научных трудов, 2 из которых опубликованы в научных журналах, рекомендуемых ВАК -«Вестник МГУ. Серия 4. Геология» и «Криосфера Земли».
Структура и объем работы. Работа объемом 226 страниц содержит 92 рисунка, 19 таблиц и состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы, который включает 131 наименование.
Похожие диссертации на Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания
