Технология освоения и разработки нефтегазовых месторождений
Этапы освоения месторождений и первоначальное воздействие
Технология освоения нефтегазовых месторождений включает четыре этапа – оценка (включая сейсморазведку и разведочное бурение), строительство (прокладка трубопроводов), эксплуатация (непосредственная добыча сырья, ремонт скважин) и завершение работ (консервация скважин и удаление платформ). При этом все перечисленные этапы являются вредными для окружающей среды.
На этапе разведки проводится морская сейсморазведка, основанная на генерации сейсмических волн. Пневматические устройства выпускают импульсы каждые 20 секунд, создавая эффект гидроудара с давлением до 15 мегапаскалей. Морские организмы не испытывают от этого ничего хорошего; в начале XXI века при разведке могло использоваться 5-8 миллионов пневмоударников. На суше при электроразведке применяются поля до 1000 ампер с использованием постоянного тока. Такое воздействие – удары током и сейсмические гидроудары – крайне вредно. В регионах, таких как Норвегия и Великобритания, известных своим морским рыболовством, морскую сейсморазведку запрещают в период нереста рыбы, который длится с июля по сентябрь.
Химическое и тепловое загрязнение при бурении
Основной объем химического загрязнения происходит во время буровых работ, когда образуется наибольшее количество жидких и твердых отходов. Объем сбросов на одну скважину может достигать 5000 кубических метров. Сбросы включают отработанные буровые растворы и шламы. При бурении используется большое количество ядовитых смазок для бурового инструмента, а также для выноса горной породы на поверхность и регулирования гидростатического давления.
На буровых платформах после первичной обработки нефтегазовой смеси воду сбрасывают, а избыточный газ сжигают в факелах. Для бурения используется морская вода с огромным расходом – до 30 000 кубических метров в час. Сбрасываемая морская вода имеет температуру на 10% выше начальной, что вызывает тепловое загрязнение морей. В условиях Крайнего Севера, где месторождения разрабатываются относительно недолго (от 10 до 40 лет), строительство крупных очистных сооружений является нецелесообразным, и никто не будет их возводить.
Изначально буровые растворы создавались на нефтяной основе, часто с использованием дизельного топлива или мазута. Они обладали хорошими антифрикционными свойствами, но были очень токсичны, поскольку мазут попадал в окружающую среду. В настоящее время нефтяные буровые растворы в основном запрещены из-за высокой токсичности, и применяются лишь в 1-2% случаев. Доминируют растворы на водной основе (зачастую на морской воде) с добавлением до 20 различных препаратов, включая глины, барит, каустическую соду, лигносульфонаты и соли. Они также сильно загрязняют воду, так как их просто выливают. Самыми экологически благоприятными, но дорогими и малоиспользуемыми, являются синтетические буровые растворы (например, на основе полиолефинов или эфиров растительного происхождения), поскольку они низкотоксичны и саморазлагаются в море.
Компоненты буровых растворов делятся на три группы по токсичности. В третью группу, которая в развитых странах обычно запрещена, входят вещества высокого уровня токсичности. Это, например, биоциды, используемые для уничтожения бактерий, питающихся нефтью и разрушающих трубы, а также ингибиторы коррозии (часто содержащие хроматы), которые очень ядовиты. В условиях Севера, где коррозия повышена, ингибиторы могут замерзать и быть неэффективными, но продолжают загрязнять среду. В результате коррозии трубы ржавеют, и ядовитый буровой раствор вытекает, отравляя все вокруг.
Газовые выбросы и токсичность пластовых вод
Газовые выбросы включают сжигание попутного газа, а также сгорание топлива в газотурбинных установках, двигателях внутреннего сгорания на платформах и судах. Выбросы газа происходят также при дегазации буровых растворов. Сжигание попутного газа является серьезной экологической проблемой, которая не решена, особенно в северных регионах, так как оборудование для его утилизации дорого и тяжело эксплуатируется из-за коррозии и замерзания. В месторождениях с высоким содержанием серы (например, Астраханском и Оренбургском) в атмосферу выбрасывается оксид серы, вызывающий кислотные дожди. Выбрасываются также бензопирен и циклические соединения.
Шлам — это вынесенная на поверхность горная порода, которая может содержать крупные частицы минералов и, поскольку ведется добыча нефти, нефтяные углеводороды (алканы). Если применялись нефтяные растворы, концентрация углеводородов в шламе могла достигать 100 граммов на килограмм. Шлам может также содержать тяжелые металлы и хром, которые попадают туда вместе с баритом и ингибиторами коррозии. Попадание шлама в море или реку (например, в Обь) уничтожает донные организмы. Основным токсическим агентом в буровых шламах считается нефть.
Пластовые воды — это раствор минеральных солей с примесью нефти, который постоянно выбрасывается. Они могут содержать тяжелые металлы и взвешенные частицы. В северных регионах, где в трубах может образовываться газовый гидрат (лед с метаном) из-за холода, воды и газа, в огромных количествах закачивается метанол для предотвращения закупорки. Метанол, который затем попадает в пластовые воды, является высокотоксичным веществом, повышающим растворимость и токсичность других органических компонентов. Сброс таких токсичных пластовых вод в открытое море считается обычной практикой, но он особенно опасен на мелководье, характерном для Сибири (например, в Обской губе), где происходит отравление Северного Ледовитого океана и рек.
Аварийность и ликвидация разливов
Аварии происходят часто, и до 3% добываемой в России нефти тратится в результате всевозможных инцидентов. Небольшие утечки нефти при бурении и эксплуатации являются рутинной ситуацией, которую инженеры быстро ликвидируют, но они создают постоянный фон загрязнения. Крупные инциденты с разливом нефти (более 700 тонн) достаточно редки, но могут происходить несколько раз в год. Аварии на трубопроводах происходят в основном из-за коррозии или механических воздействий. На морском шельфе уложено 100 000 километров подводных трубопроводов. Общие потери нефти из-за аварий на трубопроводах могут достигать 50 000 тонн, а вероятность аварийности растет по мере старения труб. Танкерные перевозки также являются частой причиной разливов. Разливы нефти наиболее опасны при выносе на берег и в мелководье, где сосредоточена основная морская жизнь. В таких случаях последствия для экосистемы велики, вызывая массовую гибель птиц и других животных.
Для борьбы с разливами применяются механические методы, такие как заграждения для локализации пятна, сбор нефти судами-нефтесборщиками, а также использование землеройной техники для удаления загрязненного грунта на берегу. Также нефть могут сжигать прямо на поверхности моря, чтобы она не дошла до берега. Химические методы включают применение эмульгаторов для диспергирования нефти и образования устойчивой эмульсии с водой. Используются также плавающие сорбенты, отвердители и микробы, которые разрушают нефть.
Международное регулирование
На международном уровне ведется разработка более жестких нормативов по предотвращению загрязнений. В 1994 году Комиссией ООН по нефти были введены стандарты, ограничивающие применение буровых растворов. Было запрещено использование растворов на нефтяной основе при прохождении верхних горизонтов, а также сброс твердых и жидких отходов, если бурение велось на такой основе. Кроме того, был введен запрет на использование дизельного топлива в качестве базового компонента буровых растворов из-за его вредности. Введены лимиты на допустимое содержание нефти в буровых шламах (не более 10 г/кг) и при сбросе пластовых вод. Благодаря введению этих норм, к 2009 году загрязнение удалось снизить на 60%.
Вещества, входящие в буровые растворы, разделены по степени опасности для морской среды на три списка, где в Список C включены вещества, которые запрещено сбрасывать в море. Пластовые воды перед сбросом в море должны быть очищены от нефти. Все эти меры контроля можно представить как строгий фильтр, который постепенно очищает сток от токсичных веществ, хотя его применение в суровых арктических условиях остается сложной задачей.