Состав и свойства нефти как потенциальный фактор загрязнения геологической среды и методы его оценки (на примере прибрежной зоны севера Тимано-Печорской провинции)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

СОСТАВ И Свойства нефти как потенциальный фактор загрязнения ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ и методы его оценки (на примере прибрежной зоны севера Тимано-Печорской провинции)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Крайнева Олеся Владимировна

г. Архангельск - 2014 год

Содержание

Введение

1. Анализ факторов воздействия на геологическую среду при освоении нефтяных месторождений севера тимано-печорской провинции

1.1 Основные сведения о геологическом строении территории

1.1.1 Краткое описание глубинного геологического строения региона

1.1.2 Ресурсный потенциал и нефтегазоносное районирование

1.1.3 Особенности строения верхней части геологической среды прибрежной зоны

1.2 Анализ факторов воздействия на геологическую среду

1.2.1 Природные факторы, определяющие устойчивость геологической среды

1.2.2 Факторы техногенного воздействия

1.3 Исследование закономерностей регионального изменения свойств и состава нефти

1.4 Состав и свойства нефти месторождений прибрежной зоны юго-восточной части Баренцева моря

2. Геолого-физическая характеристика нефтяных месторождений прибрежной зоны

2.1 Варандейское нефтяное месторождение

2.1.1 Геолого-физическая характеристика месторождения

2.1.2 Анализ изменения состава и физико-химических свойств глубинных и устьевых проб нефти

2.2 Торавейское нефтяное месторождение

2.2.1 Исходные данные о месторождении

2.2.2 Анализ изменения состава и свойств нефти

2.3 Особенности изменения свойств и состава нефти по продуктивным пластам Тобойского месторождения

3. Характеристики нефти как индикатор степени возможного загрязнения геологической среды при аварийных разливах и методы их оценки

3.1 Состав и свойства нефти как главный фактор степени негативного влияния на природные компоненты

3.1.1 Легкие фракции

3.1.2 Плотность нефти

3.1.3 Вязкость

3.1.4 Парафины

3.1.5 Сера и ее соединения

3.1.6 Смолы и асфальтены

3.1.7 Ванадий и никель

3.2 Характеристика метрических методов анализа состояния природной среды

3.2.1 Классификация объектов

3.2.2 Принятие управленческих решений

3.3 Экспертные методы оценки

3.3.1 Организация опросов экспертов

3.3.2 Оценка качества работы экспертов

4. Разработка методики оценки воздействия нефти на геологическую среду

4.1 Методика оценки воздействия нефти на геологическую среду с учетом

ее компонентного состава

4.1.1 Предпосылки разработки методики

4.1.2 Влияющие факторы

4.1.3 Основа и структура методики

4.1.4 Определение весовых коэффициентов методом экспертных оценок

4.2 Принципы районирования территории по степени потенциального воздействия углеводородов на геологическую среду прибрежной зоны юго-восточной части Баренцева моря

4.3 Результаты оценки воздействия нефти в пределах отдельных месторождений и транспортного коридора при перекачке флюида

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение

При добыче и транспортировке нефти происходит загрязнение природной среды, как правило, при аварийных ситуациях. Особенности и степень этого воздействия зависят от количества и состава нефти, а также от свойств природных систем, принимающих эти вещества. В одних случаях они устойчивы и даже инертны, в других - подвергаются быстрым преобразованиям и активно взаимодействуют с почвенно-грунтовой массой (Глазовская, 1988; Пиковский, 1988, 1993; Солнцева, 1998). В связи с этим возникает проблема, связанная с оценкой потенциального негативного воздействия нефтезагрязнений на природную, и в первую очередь, на геологическую среду.

Активное освоение северной части Тимано-Печорской провинции (ТПП) и реализация маршрута отгрузки нефти северным морским путем выводит в ряд первоочередных задач вопрос об экологической безопасности проводимых работ, и о проведении экологического прогнозирования (Аковецкий, 2008) возможных последствий намечаемой деятельности и реализуемых проектов. Впервые для северного региона такая оценка, где авторы учитывали характер загрязнения среды в зависимости от свойств и состава нефти, была выполнена на примере Центрально-Хорейверской впадины (Губайдуллин, Иванов, 2005) при поддержке РФФИ, грант № 05-05-97518.

В настоящее время существуют многочисленные методики оценки техногенного воздействия нефти на природную среду в различных регионах и климатических зонах. Однако отработанных методов интегральных количественных оценок экологической роли техногенных воздействий, включая опасность загрязнения природных систем нефтью и нефтепродуктами и общепринятых методов оценки вклада отдельных технических объектов в трансформацию ландшафтов нет. Большинство методик, где так или иначе ведется учет свойств и состава нефти, а также компонентов входящих в ее состав, направлены на оценку эффективности разрабатываемых способов очистки территории от нефтезагрязнений (Глязнецова, Тимофеев, Киреева, Зуева и др.), а также скорости и характере деградации отдельных загрязняющих веществ. Так, например, оценка техногенного воздействия нефти на почвы Западной Сибири (на примере Томской области), основывается на учете величины (концентрации) загрязняющего вещества (нефти) в почве, а также изучении изменения химических и физико-химических свойств грунтов с момента начала загрязнения и их динамика в процессе деградации и окисления нефти (Середина В.П.).

Другие методики оценки (Середин В.В., 1998), разработанные на основе результатов многолетних наблюдений за загрязненными почвогрунтами и подземными водами на территории «Лукойл-Пермнефтеоргсинтез», направлены на оценку ведущих геоэкологических признаков для определения эффективности использования известных способов санации. В рамках этой методики учитывается воздействие отдельных компонентов нефти на биоту. Здесь к рассмотрению приняты такие характеристики нефти как содержание легких фракций, метановых (включая твердые фракции) и циклических углеводородов, а также смол и асфальтенов. В итоге ведущие геоэкологические условия санации территорий представляются в цифровом виде, посредством энергетического критерия. Однако нельзя не отметить, что выделенные характеристики нефти учитываются в методиках лишь таблично (через отдельных представителей), безотносительно к их содержанию и расчеты сводятся к вычислению суммарной энергии разрушения загрязняющих веществ, что возможно к применению уже в рекультивационных работах. Необходимо отметить, что применение методов санации, предлагаемых по результатам применения этой методики, связано с нагревом грунтов и воды, что в рассматриваемом нами регионе неприемлемо. Это связано с опасностью последствий растепления многолетних мерзлых пород (ММП) и возможной активизацией таких процессов как солифлюкция, термокарст и пр., что может привести к разрушению строительных конструкций, выполненных по I (на замороженных грунтах) и II (исключающих тепловое воздействие на грунт) типу строительства и тем самым спровоцировать еще большие масштабы аварийных ситуаций. Кроме того, ввиду высокой заболоченности территории и близостью береговой линии, стоимость мероприятий, связанных с затратами энергии на нагрев, будет существенно больше, чем на приводимых в примере западно-сибирских районах.

В рамках проекта «Баренц-2020»на территории РФ активно внедряются зарубежные модели типа «OCKAR». Они разработаны с целью моделирования разливов нефти в открытом море и прибрежных акваториях и проработки сценария реагирования на нефтяной разлив с представлением информации о скорости и характере распространения загрязнения, а также возможностях деградации нефти в морских условиях. В этих моделях учитываются свойства нефти, длительность воздействия, объемы выброса загрязняющих веществ, характер аварий, погодно-климатические условия, а также океанографические данные (скорость ветра, волновой режим и др.) При оценке последствий аварий учитывается диспергация загрязнения волнами, испарение, растворение, биодеградация, а также фотоокисление нефти. Модель «OCKAR» была применена при оценке аварии в Мексиканском заливе и в 2007 году при разливе нефти в Норвегии. Однако в качестве характеристик нефти применяются только данные о ее углеводородном составе (С1-С22) и эта информация в модели учитывается лишь при расчете скорости разложения и окисления нефти. Модель «OCKAR» является сложным математическим продуктом, позволяющим учитывать многочисленные параметры и характеристики как техногенные, так и природные. Важно отметить, что оценка поведения нефти в условиях низкого заболоченного берега, где ее проникновение вглубь материка может достигать 10-15 км, что является характерным условием для юго-восточной части Баренцева моря, не представляется возможной без существенных доработок и вложения в модель комплексных данных, характеризующих район, которых в настоящее время нет.

Основной целью имеющихся методик является изучение форм преобразования уже загрязненных природных систем, анализ трансформации загрязняющих веществ и выявление эффективных методов восстановления и рекультивации нарушенных территорий и трансформированных почв, без возможности прогнозирования последствий и характера нефтезагрязнений до их возникновения.

В настоящее время центром активной добычи и транспортировки нефти на севере ТПП становится прибрежная зона юго-восточной части Баренцева моря, где объемы перевалки товарной нефти составляют более 10 млн. тонн в год. Являясь пограничной зоной «суша-море», данная территория характеризуется высокой чувствительностью к различного рода воздействиям и низкой самовосстановительной способностью природных комплексов.

Ввиду низкой плотности населения в районе исследования, основным природным объектом, подвергаемым воздействиям и трансформации в процессе разработки и эксплуатации месторождений и нефтетранспортных систем является геологическая среда Геологическая среда - это верхняя часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамичная система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека (Сергеев, 1979). Относительно слабая изученность района, низкая способность природных комплексов к самоочищению, присутствие близко залегающей многолетней мерзлоты, короткий вегетационный период, а также большое видовое разнообразие добываемой и транспортируемой нефти, выводят вопрос об оценке ее потенциального воздействия на геологическую среду в разряд важных и актуальных. Однако описание, и анализ таких сложных систем и механизмов невозможно достоверно оценить только экспериментально или теоретически, а математические модели потребуют существенных упрощений, поэтому для оценки потенциального воздействия нефти на геологическую среду прибрежной зоны юго-восточной части Баренцева моря целесообразно использовать экспертный метод (Губайдуллин, 2003).

Целью работы является исследование состава и свойств нефти и разработка методики оценки ее потенциального воздействия на геологическую среду при аварийных разливах в прибрежной зоне юго-восточной части Баренцева моря.

Для достижения поставленной цели в работе рассмотрены и решены следующие задачи:

- анализ факторов воздействия на верхнюю часть геологической среды, включая мерзлые породы, поверхностные и частично грунтовые воды, а также почвенно-растительный покров, как индикатор ее состояния;

- исследование закономерностей изменения свойств нефти;

- выявление характерных особенностей изменения состава и свойств нефти для месторождений прибрежной зоны;

- исследование состава и свойств нефти, как потенциального фактора загрязнения, и методов его оценки;

- разработка методики оценки воздействия нефти на верхнюю часть геологической среды (ГС) прибрежной зоны юго-восточной части Баренцева моря;

- районирование прибрежной территории по степени потенциального воздействия аварийных разливов нефти.

Положения, выносимые на защиту

1. Нефть, добываемая из месторождений, расположенных в прибрежной зоне северной части ТПП, характеризуется большим видовым разнообразием и существенным изменением со временем ее состава и свойств, которые влияют на характер загрязнения ГС при аварийных разливах. Для месторождений рассматриваемой территории характерно повышенное содержание смолисто-асфальтеновых веществ, присутствие сероводорода, а также постепенное увеличение со временем содержания в нефти смол, асфальтенов, серы и других компонентов, опасное воздействие которых на ГС на данной территории наиболее вероятно.

2. Разработанная методика, основанная на учете характера воздействия нефти на ГС путем проведения экспертного опроса, позволяет провести оценку уровня экологической опасности возможных нефтяных загрязнений для объекта воздействия на основе комплексного анализа многочисленных факторов и унификации единиц их измерения с применением балльных шкал.

3. Использование методики экспертной оценки на основе балльных классификаций позволило районировать прибрежную зону по степени негативного воздействия возможных аварийных разливов с учетом индивидуальных свойств и состава нефти, а также климатических и геологических особенностей территории, что необходимо для разработки наиболее оптимального размещения пунктов экологического мониторинга и планирования способов рекультивации загрязненных земель.

Научная новизна исследований

1. На основе имеющихся и полученных автором новых данных впервые исследованы и установлены основные закономерности изменения химического состава и физических свойств нефти по всему разрезу продуктивных пластов месторождений прибрежной зоны юго-восточной части Баренцева моря. Это позволило выявить особенности и динамику изменения отдельных характеристик добываемого сырья, и, как следствие, оценить степень его потенциальной опасности для ГС в случае аварийных разливов.

2. Усовершенствована и адаптирована методика экспертной оценки применительно к задаче исследования потенциального негативного воздействия нефти на геологическую среду с учетом ее индивидуальных физико-химических характеристик.

3. Проведено районирование рассматриваемой территории по результатам оценки с использованием установленных весовых коэффициентов, учитывающих индивидуальный состав нефти и особенности геологической среды прибрежной зоны севера ТПП.

Практическая значимость

Районирование территории по степени потенциальной опасности добываемого и транспортируемого углеводородного сырья на основании результатов проведенной оценки позволяет заблаговременно выделять участки, где в случае возникновения аварий, последствия загрязнения будут наиболее неблагоприятными. Кроме того, выполненное геоэкологическое районирование позволяет обосновать систему экологического мониторинга объектов и участков, находящихся в зонах высокого уровня потенциальной опасности воздействия нефти на приповерхностную часть геологической среды, а также планировать и рекомендовать мероприятия по рекультивации нефтезагрязненных территорий.

Результаты диссертационной работы учтены в ООО «Варандейский терминал» при актуализации программы проведения производственного экологического мониторинга на береговых объектах нефтеотгрузочного комплекса и используются при проведении учебных занятий в Институте нефти и газа САФУ имени М.В. Ломоносова.

Личный вклад автора и методы исследований

К основной идее диссертационной работы - оценке воздействия нефти на геологическую среду с учетом ее состава и свойств автор пришел в процессе участия в научно-практических конференциях под руководством профессора М.Г. Губайдуллина, а также в результате продолжительного личного исследования свойств нефти месторождений северо-востока Тимано-Печорской провинции и анализа экологической обстановки в исследуемом районе. Основы использованного подхода, в части экспертной оценки влияющих факторов, изложены в более ранних работах (Айвазян и др. 1989; Саати, Кернс, 1991; Солнцева, 1998; Губайдуллин, 2002, 2005; Коробов, 2008 и др.), но его адаптация и апробация применительно к данной проблеме и территории впервые выполнена непосредственно автором.

Методы исследований заключались в использовании широкого комплекса средств, включающих более 1000 лабораторных анализов образцов нефти Варандейского, Торавейского, Южно-Хыльчуюского и других месторождений расположенных в районе исследования, а также их смесей, транспортируемых через Варандейский нефтеотгрузочный терминал, и анализ состояния верхней части геологической среды исследуемого региона (исследования почв, грунтов и поверхностных вод), выполненных автором в период с 2008 по 2013 годы. Исследования также включали в себя анализ и обобщение фондовых и литературных источников; аналитическую и статистическую обработку данных и графическую интерпретацию результатов, с использованием различных электронных приложений. В качестве практического результата, автором выполнено районирование месторождений, расположенных в районе исследования, а также участков действующей сети межпромысловых нефтепроводов с целью выявления наиболее потенциально опасных зон. Результаты районирования можно использовать для минимизации площадей первичных нефтезагрязнений, уменьшения риска попадания поллютантов в почвенно-грунтовые и поверхностные воды, для заблаговременного выделения участков, где наиболее возможно возникновение аварийных ситуаций. Кроме того, полученные результаты являются инструментом для обоснования расположения пунктов экологического мониторинга и методов рекультивации нефтезагрязненных территорий.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на российских и международных конференциях и семинарах: на II Международной научно-практической конференции «Проблемы развития энергетической и транспортной инфраструктур в условиях освоения Европейского Севера и Арктического региона на ближайшую перспективу» (Архангельск, 2012); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013» (Москва, 2013); Международной российско-норвежской научной конференции «Исследование и освоение углеводородных ресурсов прибрежных регионов» (Архангельск, 2013); в международном семинаре "Рассохинские чтения" (Ухта, 2012, 2014); на Х научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2014); на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2012); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии - нефтегазовому региону» (Тюмень, 2013), а также ежегодных научно-технических конференциях АГТУ-САФУ (Архангельск, 2008-2013).

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

нефть геологический аварийный разлив

Глава 1. Анализ факторов воздействия на геологическую среду при освоении нефтяных месторождений северной части тимано-печорской провинции

Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция (ТПНГП) считается одним из перспективных районов добычи углеводородного сырья на Европейском Севере России. Согласно существующим оценкам, объем начальных суммарных ресурсов нефти в пределах суши ТПП составляет около 5,0 млрд. т (Григорьев, Прищепа, 2009). Большая часть извлекаемых запасов нефти (порядка 1,4 млрд. т) содержится в месторождениях, расположенных в северной ее части - на территории Ненецкого автономного округа (НАО) Архангельской области (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Обзорная карта месторождений северной части Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции (Цыбин, 2013)

В настоящее время объемы добычи нефти здесь составляют более 14 млн.т. в год. Накопленная добыча нефти в НАО на начало 2013 года составила более 175 млн. тонн. В свою очередь, эффективное и безопасное освоение углеводородных ресурсов региона требует всестороннего изучения его особенностей и главным образом геологического строения, с рассмотрением факторов, влияющих на устойчивость геологической среды и угнетающих ее.

1.1 Основные сведения о геологическом строении территории

Север ТПП занимает центральную и восточную части НАО, входящего в состав Архангельской области, и юго-восток Баренцева моря. Территория к западу от р. Печоры до Белого моря называется Малоземельской тундрой, пространства к востоку от нее до Уральских гор - Большеземельской тундрой. Границы юго-востока Баренцева моря проходят по меридиану мыса Канин Нос на западе, по параллели 72° - на севере, по береговой черте островов и материка на востоке и юге. В данном регионе развиты отложения позднепротерозойского, палеозойского, мезозойского и кайнозойского возраста (Юдахин, Губайдуллин, 2002).

В целом север Тимано-Печорской провинции характеризуется весьма сложным геологическим строением. Выделяющиеся в ее пределах крупные тектонические элементы первого и второго порядков (впадины, мегавалы, прогибы и др.) резко отличаются друг от друга стратиграфической полнотой, мощностью и литолого-фациальными особенностями даже одновозрастных осадочных комплексов, что весьма затрудняет их изучение (Вассерман, 2001).

Тектоническое строение севера ТПП описывается по итогам многолетнего и последовательного изучения результатов геологоразведочных работ различных производственных и научных организаций. В современном структурном плане платформенного чехла севера провинции выделяются три надпорядковые структуры - Тиманская гряда, Печорская синеклиза и Предуральский краевой прогиб.

Печорская синеклиза, к которой приурочена северная часть ТПП, в тектоническом отношении представляет собой обширную структуру, наложенную на Тимано-Печорскую эпибайкальскую плиту и занимающая северо-восточную внешнюю часть Восточно-Европейской платформы (Геология нефти..., 1990). В разрезе осадочного чехла континентальной части исследуемой территории с запада на восток выделяются (Геология, 1983; 1990; и др.) следующие тектонические элементы, принадлежащие Печорской синеклизе: 1) Нерицкая моноклиналь, 2) Ижемская впадина, 3) Малоземельско-Колгуевская моноклиналь, 4) Печоро-Кожвинский мегавал, 5) Денисовский прогиб, 6) Колвинскиймегавал, 7) Вангурейская седловина, 8) Хорейверская впадина, 9) Варандей-Адзъвинская структурная зона (рис.1.2).

Рисунок 1.2 - Тектонические структуры платформенного чехла севера ТПП (1: 5 000 000) (Губайдуллин, 2002): Б - Тиманская гряда, В - Печорская синеклиза, Г- Предуральский краевой прогиб, В₁ - Нерицкая моноклиналь: В_1.1 - Тобышская ступень, В_1.2 - Седуяхинский вал; В₂ - Ижемская впадина; В₃ - Малоземелье Колгуевская моноклиналь; В₅ - Денисовский прогиб; В₆ - Колвинский мегавал: В_6.1- Ярейюский вал, В_6.2 - Харьягинский вал; В_7-8 - Хорейверская впадина: В₇ - Вангурейская седловина, В₈ - Большеземельский свод; В₉ - Варандей-Адзьвинская структурная зона; Г - Коротаихинская впадина; Г₂ - Воркутское поперечное поднятие; Г₃ - гряда Чернышова

Варандей-Адзъвинская структурная зона, занимает крайнюю северо-восточную часть Печорской синеклизы. Это сложнопостроенная область северо-западного простирания размером 190x80 км, сужающаяся к северу до 40 км и погружающаяся под воды Печорского моря. В позднепалеозойское время эта краевая зона была вовлечена общими восходящими движениями Урала, что еще больше усложнило ее структурно-тектоническое строение. На востоке и юге зона ограничена грядами Чернова и Чернышова, на западе переходит в Хорейверскую впадину. Зона характеризуется чередованием валов и депрессий, выраженных по всему осадочному чехлу палеозоя. Почти все структуры осадочного чехла напрямую унаследованы от фундамента. Нижняя часть осадочного чехла отличается резко контрастным рельефом в соответствии с морфологией фундамента. Абсолютные отметки поверхности фундамента колеблются от 4 до 8,8 км в пределах этой территории (Юдахин, Губайдуллин, 2002). Здесь характерно чередование валов и депрессий, выраженных по всему разрезу палеозоя. Основные положительные структуры: вал Сорокина, вал Гамбурцева, Медынско-Сарембойская антиклинальная зона и Талотинский вал (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Тектоническая схема Варандей-Адзъвинской структурной зоны [1].

Тектонические элементы: 32- Варандей-Адзъвинская структурная зона (авлакоген), 32-1 - Вал Сорокина, 32-2 Мореюская депрессия, 32-3 Сарембой-Лаккеягинский вал, 32-4 Вал Гамбурцева, 32-6 Талотинский вал

1.1.1 Краткое описание глубинного геологического строения региона

В геологическом отношении рассматриваемая территория занимает северную часть Тимано-Печорской (Печорской) плиты Восточно-Европейской древней платформы. Байкальский складчатый фундамент верхнепротерозойского возраста перекрыт чехлом, сформировавшимся в течение палеозоя и мезозоя. На поверхности залегают четвертичные и современные осадочные отложения. В разрезе осадочного чехла ей соответствует Печорская наложенная синеклиза. Здесь развиты позднепротерозойские, палеозойские, мезозойские и кайнозойские отложения, которые наиболее полно изучены в континентальной части территории. В пределах акватории располагается самая северная структура плиты - Печороморская впадина.

Верхнепротерозойские породы слагают цоколь плиты, и представлены слабометаморфизованными сланцеватыми образованиями, местами прорванными интрузиями разнообразного состава. Верхнепротерозойские породы в пределах плиты вскрыты отдельными скважинами на глубине более 3000-4000м, а на Северном Тимане выходят на дневную поверхность (Губайдуллин, 2008).

В основании осадочного чехла залегает толща кембрий-ордовикских нерасчлененных отложений, представленных песчаниками, алевролитами, аргиллитами, известняками и доломитами. Мощность толщи варьируется в диапазоне от 200 до 1000 м и более.

Отложения силура залегают в основном на глубине 3000-3500 м под осадками девона. Силурийские отложения преимущественно терригенно-карбонатного состава и представлены известняками, доломитизированными известняками и доломитами. Мощность отложений достигает 800-1200 м.

Отложения девона представлены тремя отделами и распространены на площади повсеместно. Обнажаются в пределах гряды Чернышева и на Северном Тимане, на остальной площади залегают на глубине от сотен до 4500 м и глубже. Отложения представлены глинами, песчаниками, алевритами и карбонатными породами.

Каменноугольные отложения на севере Печорской синеклизы развиты повсеместно и согласно залегают на девонских. Представлены карбонатными породами с прослоями алевролитов, аргиллитов и редкими сульфатами. В основном отложения залегают на глубине от 250 до 2900 м.

Отложения пермской системы в рассматриваемом регионе имеют широкое распространение. Они представлены двумя отделами и сложены преимущественно карбонатными породами в нижней части и терригенными в верхней части разреза. Суммарные мощности пермских отложений составляют 500-1000 м.

Отложения триасовой системы на описываемой территории имеют повсеместное распространение и представлены глинами, алевролитами, аргиллитами, а также песчаниками с прослоями песков и конгломератов. Верхняя часть разреза образований более песчанистая. Мощность триасовых отложений изменяется от нескольких десятков до 1700 м.

Юрские отложения представлены тремя отделами и развиты на большей части Печорской синеклизы, где со стратиграфическим несогласием залегают на образованиях триаса. Литологически юрские отложения сложены глинами, алевролитами, песками. Суммарная мощность отложений системы 200-400 м.

Меловая система на рассматриваемой территории представлена только нижним отделом. Его образования залегают почти горизонтально со стратиграфическим несогласием на юрских отложениях и перекрываются кайнозойскими осадками. Суммарная мощность отложений достигает 250 м.

Отложения кайнозойской группы в Печорской синеклизе развиты практически повсеместно и залегают почти горизонтально на денудированной поверхности нижнего мела или более древних пород. Литологически отложения представлены глинами, суглинками, песками, наблюдаются гравийно-галечные горизонты и мощные линзы галечников. Образования четвертичного возраста развиты повсеместно и залегают почти сплошным покровом мощностью 50-100 м реже 200-250 м. В южном направлении его мощность уменьшается. Четвертичные отложения представлены двумя отделами - плейстоценом и голоценом. В составе плейстоцена выделены образования эоплейстоцена и неоплейстоцена (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008).

Такая сложная тектоническая и геологическая история региона внесли свой вклад в формирование богатого углеводородного потенциала провинции.

1.1.2 Ресурсный потенциал и нефтегазовое районирование

В Тимано-Печорском нефтегазоносном бассейне на авлакогеновой стадии в раннем палеозое сформировалось много мелких очагов нефтегенерации, которые работают в разное время, что обусловливает многообразие типов нефти в отложениях этой стадии (Геология, 1983; 1990; Геология нефти, 1990).

Стратиграфический диапазон нефтегазоносности севера ТПНГП включает отложения от ордовикско-нижнедевонских до триасовых. Промышленные залежи нефти в основном сосредоточены в средне- и верхнедевонских и нижнекаменноугольных отложениях. Здесь насчитывается большое количество многопластовых месторождений с различными типами пород-коллекторов и ловушек. Коллекторами служат песчаники, известняки и доломиты. Покрышки в основном представлены глинистыми образованиями. Залежи преимущественно антиклинального типа (Губайдуллин, Калашников 2008).

Исходя из современных представлений о структуре осадочного чехла и истории развития осложняющих его элементов, на территории северной части ТПНГП выделяются семь нефтегазоносных областей (рис. 1.4).



Рисунок 1.4 - Схема нефтегазоносного районирования НАО (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008)

Рассматриваемая нами Варандей-Адзъвинская нефтегазовая область (НГО) расположена в северо-восточной части Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции. Соответствующая ей одноименная структурная зона представляет собой сложно построенную структуру I порядка. В её составе выделяются структуры второго порядка: валы Сорокина и Гамбурцева, Сарембой-Лекейягинский и Талотинский, Мореюская и Верхнеадзъвинская депрессии. Валы представлены в виде вытянутых линейных структур, разбитых тектоническими блоками, к которым приурочены локальные объекты, как правило, крупные по размеру. В пределах зоны выявлено более 20 месторождений нефти (75 залежей). Разрез осадочного чехла представлен девятью нефтегазоносными комплексами. Практически весь осадочный чехол от силура до триаса является промышленно нефтеносным, хотя концентрация углеводородов по нефтегазоносным комплексам в границах Варандей-Адзъвинской зоны (ВАЗ) неравномерна.

На севере ТПНГП находятся целый ряд достаточно крупных месторождений с извлекаемыми запасами нефти в несколько десятков миллионов тонн: Харьягинское, Южно-Хыльчуюское, Торавейское, Наульское, им. Романа Требса, им. Анатолия Титова и некоторые другие.

Таким образом, на севере Тимано-Печорской провинции создана мощная сырьевая база для нефтедобывающей промышленности. Относительно невысокая степень разведанности начальных потенциальных ресурсов, средняя степень изученности глубоким бурением и сейсморазведкой, перспективность районов для поиска новых структурных и особенно неструктурных ловушек углеводородов ставят рассматриваемую территорию в число регионов с потенциалом устойчивого экономического развития в течение продолжительного времени.

Однако при проведении нефтеразведочных работ, разработке и эксплуатации нефтяных месторождений значительному воздействию подвергается самая верхняя часть литосферы, сложенная четвертичными отложениями.

1.1.3 Особенности строения верхней части геологической среды прибрежной зоны

Как уже отмечалось ранее, исследуемый район располагается преимущественно в пределах Печорской низменной равнины, между Тиманом и Уралом, и представляет собой местность с холмисто-грядовым рельефом. Она с поверхности сложена мощной толщей четвертичных отложений, представленных осадками различного генезиса, залегающих сплошным чехлом и заполняющих впадины дочетвертичного рельефа. Рыхлые отложения относятся к среднему, верхнему и современному ярусам четвертичной системы. Среди них преобладают морские и ледово-морские осадки всех перечисленных ярусов. В геологическом строении верхней части разреза (до глубины 15 м) залегают отложения современного яруса следующих генетических типов:

- современные биогенные отложения (bIV);

- современные озерные отложения (lIV);

- современные аллювиально-морские отложения лайд и пляжей (amIV);

- морские отложения верхнего и нижнего голоцена (mIV).

Современные биогенные отложения представлены слаборазложившимся сфагново-пушицевым торфом, характеризующимся высокой суммарной влажностью, большой пористостью и низкой несущей способностью. Биогенные отложения распространены на маршах, склонах гряд, плоской и гривистой лайде и залегают на верхнеголоценовых аллювиально-морских отложениях. Средняя мощность биогенных отложений от 0,0 до 0,5 м.

Современные озерные отложения развиты ограниченно и приурочены к озерным котловинам, развиты в современных озерах и слагают их днища. Представлены песками мелкозернистыми, пылеватыми, в верхней части разреза оторфованными, заиленными. Мощность колеблется в пределах 2-3,5м.

Современные аллювиально-морские отложения лайд и пляжей представлены в верхней части песками серо-коричневыми и светлосерыми мелкими и пылеватыми, оторфованными в нижней части разреза - неравномерным переслаиванием песка, супеси, ила и глины с примесью органики от 3 до 12%. Отложения распространены на всех геоморфологических уровнях, находятся в мерзлом и талом состоянии, малольдистые. Мощность отложений до 8 м.

Современные морские отложения представлены суглинками темно-серыми с линзами, гнездами и прослоями песка серого мелкого, с редким включением обломочного материала. Отложения находятся в талом, пластично-мерзлом и мерзлом состоянии. Морские отложения имеют повсеместное распространение в пределах современных пляжей и лайд и перекрыты аллювиально-морскими и биогенными отложениями. Глубина залегания кровли от 4 до 8 м (Бурков, 2012).

Характерными особенностями поверхностных отложений являются:

- почти повсеместное отсутствие фракций тонкой пыли;

- несоответствие значений числа пластичности содержанию глинистой фракции;

- низкая коллоидная активность глинистой фракции, особенно ледниковых отложений, и, соответственно, не очень высокие емкость поглощения и потенциальная защитная способность пород;

- относительно пониженные значения плотности твердых частиц, что обусловлено значительной заторфованностью отдельных горизонтов пород.

Почвы в пределах НАО относятся к зоне тундровых почв Субарктики. Для этой территории наиболее характерны типично тундровые почвы, представленные своеобразным комплексом поверхностно-глеевых с остаточно глеевыми почвами (Юдахин, 2002). Формирование таких почв в типичной тундре (мохово-лишайниковой, бугристой, кустарниковой) объясняется развитием поверхностного оглеения под влиянием периодически сильного переувлажнения верхних горизонтов почвы, сменяемого процессами механического перемещения почвенных масс под влиянием вымораживания и выпучивания (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008).

Микробиологическая деятельность в почвенных слоях при избытке влаги и недостатке тепла замедлена и в значительной степени подавлена суровыми гидротермальными условиями. Она несколько более активна на самом верхнем горизонте почвы (от 0 до 20 см). Ослабленный темп биологической деятельности вызывает в почве крайне слабый круговорот веществ (вода, соли, органические вещества). Избыток влаги создает условия, ведущие к образованию оторфованного горизонта с наличием в нем грубого, кислого гумуса, богатого нерастворимыми перегнойными веществами.

Геоэкологическую ситуацию на Европейском Севере невозможно рассматривать без мерзлотных характеристик. Район характеризуется в основном сплошным распространением многолетних мерзлых пород (Геокриология СССР, 1988; Геокриологические ..., 1992; Основы геокриологии ..., 1998). Здесь расположены как сливающиеся, так и несливающиеся мерзлые толщи. Верхняя поверхность сливающихся мерзлых толщ смыкается со слоем сезонного протаивания. Несливающиеся мерзлые толщи характеризуются опущенной кровлей многолетних мерзлых пород, таким образом, разобщены со слоем сезонного промерзания (Губайдуллин, 2008).

Ведущие геохимические процессы в этих районах обязаны наличию ММП, длительному замерзанию водоемов, широкому распространению болот и заболоченных территорий. Здесь распространен криогенез во всех его проявлениях: термокарст, термоэрозия, солифлюкция, пучение и морозобойное растрескивание грунтов; усиление их тиксотропности, плывунности и др. Все это способствует механической миграции загрязняющих веществ, криогенной метаморфизации воды. Для отнесенных к этому району территорий характерна длительная аккумуляция нефтепродуктов на низкотемпературных, восстановительных и седиментационных барьерах, медленная минерализация в почвах, накопление в водоемах и в донных отложениях, формирование сероводородных обстановок и барьеров (Глазовская, 1988).

Высокая чувствительность природной среды на этих малоизученных территориях со слаборазвитой инфраструктурой определяет необходимость поиска экологически ориентированного подхода к освоению недр, в том числе разработку методических и экологических приемов с целью снижения техногенной нагрузки на геологическую среду (Губайдуллин, 2008; Гаврилов, 2013). В частности распространению первоначально локальных нефтезагрязнений способствует наличие вечномерзлых грунтов, длительное замерзание многочисленных водоемов, развитие болот и заболоченных территорий.

1.2 Анализ факторов воздействия на геологическую среду

В процессе работы нефтедобывающих предприятий в условиях вечной мерзлоты в наибольшей степени загрязнению могут быть подвержены надмерзлотные подземные воды (Зверев, 1982). Они включают в себя воды сезонно-талого слоя (СТС) и воды надмерзлотных таликовых зон. Водоносные горизонты СТС имеют наибольшее распространение. Водовмещающими породами являются пески и супеси средне- и верхнечетвертичного возраста. Мощность водоносного комплекса колеблется в пределах 0,2-0,3 (4,0) м (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008).

Характер возможного воздействия на природные комплексы определяется не только характеристикой факторов воздействия, но и исходным состоянием природной среды и процессами, протекающими в ней. От уровня загрязнения воздуха, водных объектов, почв, степени нарушенности растительного покрова и ландшафтов во многом зависит способность природных комплексов и в частности геологической среды противостоять негативным явлениям.

В условиях вечной мерзлоты выделяются природные и техногенные факторы воздействия на экологическое состояние геологической среды (Осипов и др., 1999).

1.2.1 Природные факторы, определяющие устойчивость геологической среды

Оценка состояния ГС объединяет данные об экзогенных и эндогенных геологических процессах, а также пораженности дневной поверхности. К таким процессам относятся оползни, эрозия поверхности, карст, абразия, скорость увеличения площади эродированной поверхности, сейсмичность, литологический и минеральный состав, типы грунтов по несущей способности, заболачивание, глубина уровня подземных вод.

Согласно выполненному в 2007 году районированию территории Российской Федерации по типам изменений природной среды при добыче и транспортировке нефти в масштабе 1:30 000000 исследуемый в работе район отнесен к аркторундровой и тундровой группам мерзлотных тундрово-таежных районов с повсеместным термокарстом и развеванием поверхности почв (дефляцией).

На территории северной части Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции ведущим экзогенным процессом является заболачивание. Зона сплошных мерзлых пород характеризуется также распространением криогенного растрескивания, ростом повторно-жильных льдов, термокарста, термоэрозии, пучения, солифлюкции, эрозии по берегам рек (Юдахин, 2002).

Пучение, новообразования мерзлых пород и эоловая дефляция преобладают в южной части региона. Эрозия является одним из самых распространенных экзогенных геологических процессов, развитых повсеместно (Экогеология России, 2000). Основная причина эрозии в тундровой зоне - избыточное увлажнение и тундрово-глеевые почвы, обладающие слабой устойчивостью к эрозии.

Абразия и термоабразия морских берегов ввиду своей необратимости относится к опасным геологическим процессам (Айбулатов, 2001; Лобковский и др., 2005). Наиболее сильный размыв берегов выявлен за период 1982-1984 гг на западном участке вблизи пролива Варандейский Шар (5 м/год) и на восточном абразионном участке берега (7,5 м/год) (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008). Сопоставление положения линии берега и пос. Новый Варандей в 1981 г и 1987 г показало, что берег за истекшие 6 лет отступил на 11,5 м, т.е. скорость размыва составила 1,9 м/год, максимальная - 3,0 м/год. Основной причиной разрушения берегов о. Варандей являются сильные и продолжительные осенние штормы, сопровождаемые высокими нагонами воды у берегов.

Среди доминирующих в регионе криогенных процессов негативное воздействие на инженерные сооружения могут оказать термокарст и термоэрозия; для легконагруженных фундаментов и линейных сооружений - сезонное и многолетнее пучение пылеватых влажных грунтов слоя сезонного протаивания. При нарушении условий теплообмена наиболее опасны из-за развития термокарста участки, сложенные льдистыми и сильнольдистыми озерно-болотными осадками с жильными льдами, из-за термоэрозии и солифлюкции участки склонов, сложенные пылеватыми мёрзлыми грунтами.

Устойчивость ГС определяется ее способностью к сохранению и восстановлению своих свойств, обеспечивающих нормальные условия функционирования и жизнеобитания путем самоочищения от природного и техногенного влияния; для северных геосистем во многом зависит от устойчивости многолетней мерзлоты к внешним воздействиям (Бурков, 2012).

При загрязнении нефтью и пластовыми водами почв и грунтов происходит изменение физических, химических и физико-химических свойств последних. При этом на поверхности почв инициируются такие процессы как оглеение, усиление тиксотропности и плывунности, а также криогенная метаморфизация соленых вод, осолонцевание и осолодение (Глазовская, Пиковский, 2007).

Поверхностные водоемы (реки, озера, болота) являются естественным аккумулятором всевозможных отходов производственной и хозяйственно-бытовой деятельности человека. Основными загрязняющими веществами с нефтепромысловых объектов являются нефть и нефтепродукты, хлориды и тяжелые металлы.

Накопление устойчивых фракций нефти с опасностью сероводородного заражения происходит преимущественно в болотах, поймах и дельтах рек и многочисленных непроточных озер (Национальный атлас почв РФ, 2007).

Изменение состава поверхностных вод в результате разливов нефти происходит в условиях сильной и очень сильной криогенной метаморфизации, отсутствии или слабого испарения и концентрации солей и нелетучих нефтепродуктов, а также очень низкой скорости самоочищения природных вод (Глазовская, 1988; Немировская, 2004), что связано с малой минерализацией (вне зоны затопления), низкими температурами и биогенной недостаточностью воды.

Для оценки самоочищения используются данные гидрологических справочников, характеризующих водоемы или их участки по количеству дней с температурой воды 16 С и выше и по среднему многолетнему расходу воды в м³/с. Поверхностные водотоки рассматриваемой территории отличаются низкой температурой воды и долгое время находятся подо льдом (средняя продолжительность ледостава 240 суток).

Летом открытый водный поток, соприкасаясь с воздухом, обогащается кислородом, очищается от вредных примесей. Этому способствует и солнечное облучение. Но в условиях Севера, в течение длительного времени, водотоки и водоемы находятся подо льдом, не соприкасаются с воздухом и содержание кислорода в них уменьшается, реакция воды становится кислой и процессы самоочищения замедляются. Температурный показатель самоочищения водоемов является низким.

Почвы этого района отличаются специфическими особенностями протекания в них биогеохимических процессов. В условиях практически повсеместного распространения многолетней мерзлоты, господства холодных сезонов, сильной заболоченности территории миграция и трансформация загрязняющих веществ, попадающих на поверхности почвы, очень замедлена, преобладает процесс аккумуляции.

Торфяные горизонты разных типов почв, а особенно сухоторфяных, обладают высокой сорбционной способностью жидких загрязнителей, представляя собой для них специфический геохимический барьер.

Такие геохимические барьеры как восстановительный глеевый и окислительный иллювиально-железистый останавливают вертикальную и горизонтальную миграцию загрязняющих веществ. Отчасти это может рассматриваться как полезное экологическое свойство почв, оставляющее загрязнение на этой площади, где произошло воздействие, и сохраняющее примыкающие к ней территории. Однако самоочищение загрязненных почв происходить практически не будет, и загрязнение, в связи с характерным для этого района чрезвычайно застойным типом биогеохимического круговорота, сохранится на долгие годы (не менее 90-100 лет). Это может иметь негативные последствия для сохранения растительного покрова и животного населения района.

Согласно исследованиям, представленным в Национальном атласе почв РФ, скорость самоочищения почв при районировании территории Российской Федерации по типам изменений природной среды при добыче и транспортировке нефти охарактеризована как очень низкая с периодом восстановления растительности более 30 лет (Глазовская, Пиковский, 2007).

Неустойчивость фитоценозов значительным образом влияет на комплексные функции геологической среды и может привести к необратимым ее изменениям.

В целом растительность района характеризуется чрезвычайно низкой биологической продуктивностью из-за короткого вегетационного периода и плохой теплообеспеченности. Низкие температуры и избыточное увлажнение препятствует разложению опада, а, следовательно, сильно тормозят интенсивность биогеохимического круговорота, который служит основным агентом самоочищения экосистем от антропогенных загрязнений.

Недостаток тепла, избыток влаги, очень низкая биологическая продуктивность растительности и крайне заторможенный биогеохимический круговорот делает практически невозможным восстановление механически разрушенного почвенно-растительного покрова.

Все эти факторы и процессы позволяют считать природный экологический потенциал рассматриваемой территории крайне низким и распространенные здесь фитоценозы - высоко экологически уязвимыми, то есть крайне неустойчивыми к антропогенным воздействиям (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008).

Таким образом, реакция на антропогенные воздействия зависит от степени устойчивости каждого ландшафта: способности к сохранению сложившейся естественным путем структуры, интенсивности восстановления, к самоочищению от загрязнения и пр. Уровень проявления этих свойств определяется природным экологическим потенциалом, свойственным каждому природному комплексу, который формируется в результате взаимодействия всех компонентов ГС под влиянием гидротермических ресурсов, являющихся движущей силой этого взаимодействия. Следовательно, экологический потенциал отражает зональные закономерности и согласно «Экологической карте СССР» рассматриваемый район располагается в зоне очень низкого экологического потенциала, который характеризуется:

- быстрым загрязнением водоемов с поверхностным стоком, т.к. при высоком коэффициенте увлажнения высок и поверхностный сток, поэтому все растворимые загрязнители и легкие углеводороды смываются водными потоками, загрязняя поверхностные водоемы. Тяжелые углеводороды надолго аккумулируются на низкотемпературных, органогенных и глеевых барьерах;

- чрезвычайно медленным протеканием процессов восстановления: самоочищения почвы, зарастания нарушенных земель, что связано с недостатком тепла, определяющего низкую биологическую продуктивность растительности и низкую активность биогеохимического круговорота. Например, самоочищение почвы и восстановление растительности после нефтяного загрязнения составляет 30 лет и более (Национальный атлас почв РФ, 2007);

- активизацией мерзлотных процессов в результате нарушения целостности почвенно-растительного покрова, что изменяет температурный режим поверхностных горизонтов, вызывая солифлюкцию, термокарст, полностью или частично разрушая кормовые, стационные, ландшафтообразующие функции растительности;

- современными тектоническими движениями в рассматриваемом районе с положительным знаком, что заставляет также учитывать активизацию водноэрозионных процессов, особенно при строительстве переходов через водные объекты.

Однако устойчивость геологической среды зависит не только от ее природных свойств, но и от масштабов воздействия (время, охват территории, вид и интенсивность воздействия). Поэтому устойчивость в дальнейшем будем трактовать, как сравнительную. Такое сложное сочетание всех факторов и формирует экологический потенциал территории и накладывает определенные экологические ограничения при освоении региона.

1.2.2 Факторы техногенного воздействия

К негативным первичным последствиям развития нефтегазового комплекса в условиях НАО, затрагивающим геологическую среду, ряд исследователей (Губайдуллин и др., 2008) относят:

- механические и термические воздействия, приводящие к изменениям напряженного состояния пород; нарушение их температурного режима, в результате чего развиваются процессы протаивания (промерзания) грунтов и образования термокарста в районах залегания многолетнемерзлых грунтов;

- химическое загрязнение почвенно-растительного покрова нефтью, нефтепродуктами, строительными отходами, а также тяжелыми металлами, поступающими в почвенный слой в результате сжигания нефтепродуктов и попутного газа;

- загрязнение наземной гидросферы, служащей источником питания подземных вод, нефтепродуктами, промышленными и бытовыми стоками;

- воздействия, обусловленные отбором флюидов забором воды из глубоких скважин, загрязнением водоносных горизонтов буровыми растворами при проходке скважин, закачке сточных и других вод для поддержания пластового давления, разработке карьеров и других выемок горных пород.

...