Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 25.00.07 - «Гидрогеология»

Автореферат

На соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Тема:

Пресные подземные воды Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона (формирование химического состава и техногенная трансформация)

Бешенцев В.А.

Тюмень - 2009

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете (ТюмГНГУ), Государственном учреждении «Недра Ямала».

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники России, Матусевич Владимир Михайлович, ТюмГНГУ

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Грязнов Олег Николаевич, УрГГГУ;

доктор геолого-минералогических наук, профессор Курчиков Аркадий Романович, ЗСФ ИНГГ СО РАН;

доктор геолого-минералогических наук, профессор Попов Виктор Константинович, ТюмГАСУ.

Ведущая организация: Институт геологии и геохимии УрО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ по адресу: г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Отзывы, заверенные печатью учреждения, в одном экземпляре просим направлять по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского,56 ученому секретарю диссертационного совета. Факс (3452) 32-31-00, 39-03-46

Автореферат разослан «22» марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук, доцент Семенова Т.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Необходимость проведения исследований, на которые нацелена диссертационная работа, обусловлена неблагополучным эколого-гигиеническим состоянием питьевых подземных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона, где в настоящее время сложилась тяжелая ситуация с обеспечением населения качественной питьевой водой. Подземные воды, используемые для питьевых целей, даже при отсутствии техногенного загрязнения, имеют неблагоприятные химико-гигиенические характеристики, что негативно влияет на здоровье населения. Следует также отметить относительно слабую гидрогеохимическую и гидрогеологическую изученность территории в связи с уменьшением объемов региональных научно-исследовательских работ за последние двадцать лет. В регионе не проводятся работы, направленные на проверку кондиционности гидрогеохимических данных. Отсутствие исследований, посвященных обоснованию типовых (фоновых) концентраций химических элементов и соединений в подземных водах, сдерживает создание системы мониторинга и выявление участков и источников техногенной трансформации гидросферы.

Актуальность работы связана также с отсутствием целостной системы представлений об условиях формирования химического состава подземных вод рассматриваемой территории.

Цель работы. Целью данной работы является изучение (анализ) факторов формирования химического состава пресных подземных вод, гидрогеологических условий Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона в связи с техногенным воздействием нефтегазового комплекса на окружающую среду, в том числе и на подземные воды.

Достижение поставленной цели включает решение следующих задач:

- изучение палеогидрогеологических, мерзлотных и современных факторов формирования химического состава пресных подземных вод;

- изучение геологических, гидрогеологических и геокриологических условий северной части Западно-Сибирского мегабассейна;

- определение и характеристика источников и видов техногенного воздействия на гидрогеологические комплексы;

- раскрытие воздействия техногенных эжекционных процессов на подземные воды;

- оценка современного антропогенного воздействия инжекционных процессов на поверхностные и пресные подземные воды;

- анализ воздействия техногенных комплексных процессов на водные объекты при добыче углеводородов, подземном захоронении промышленных сточных вод, заводнении месторождений нефти;

- обоснование организации и ведения гидрогеоэкологического мониторинга;

- разработка рекомендаций по подготовке подземных вод перед их подачей потребителю;

- разработка рекомендаций по охране подземных вод при их добыче и использовании в условиях Крайнего Севера.

Фактический материал. В основу работы положены результаты исследований автора в период с 1995 по 2007 годы, носящих преимущественно инициативный характер. Автором проанализированы и обобщены геологические, геофизические и гидрогеологические материалы по региону исследований, кроме того, использованы имеющиеся публикации по Западно-Сибирскому нефтегазоносному региону, фондовые и архивные материалы, хранящиеся в ГУ «Ресурсы Ямала», научно-исследовательские и научно-методические работы.

Личный вклад соискателя. В процессе проведения исследований автором отобрано более трехсот проб воды (более ста при первичном опробовании - 1995-1998 годы и более двухсот при повторном - 2004-2005 годы), в которых выполнены несколько тысяч определений по 40 показателям. Результаты научно-исследовательских работ отражены в авторских работах (монографиях). Места опробования показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схема опробования подземных вод в 1995-2004 гг.

Условные обозначения:

- населенные пункты

- точки опробования

При этом автором лично и совместно с Ивановым Ю.К. составлены гидрогеологические разрезы по территории исследуемого региона, классификационные схемы и диаграммы, используемые в диссертационной работе и в ряде публикаций. Автором разработана и предложена методика снижения концентрации марганца, железа и кремния, которая основана на проведении каталитического окисления марганца (II) и железа (II) и адсорбировании их на образовавшихся гидрооксидах соединений кремния.

Обоснование, формулировка и реализация защищаемых положений выполнены лично автором при участии научного консультанта - доктора геолого-минералогических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники России В.М. Матусевича.

Научная новизна. В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

впервые выполнены широкомасштабные комплексные гидрогеологические и геокриологические исследования на территории Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона;

впервые для территории региона выполнен анализ техногенного воздействия нефтегазового комплекса на подземные воды;

исследован современный водоотбор подземных вод, даны их разведанные и прогнозные запасы, определены степень и масштабы загрязнения поверхностных и пресных подземных вод;

раскрыто на примере Новоуренгойского, Салехардского и Губкинского месторождений пресных подземных вод изменение уровенного режима и химического состава вод в процессе эксплуатации;

охарактеризовано снижение пластового давления и формирование депрессионных воронок при разработке сеноманской залежи на Уренгойском НГК месторождении;

освещено техногенное воздействие полигонов захоронения промышленных сточных вод с нефтегазовых комплексов и систем заводнения для ППД на гидрогеологические системы;

впервые проанализировано влияние широко используемых при заводнении месторождений нефти поверхностных вод на гидрологический режим рек;

впервые на основании изучения состава подземных вод дан обзор и выявлены изменения химического состава по территории Ямало-Ненецкого автономного округа;

выполнен анализ кондиционности гидрогеохимических данных, снижающий неоднозначность использования ранее проведенных химических анализов природных вод, что может служить исходной базой создания системы мониторинга;

построена математическая модель системы вода - растворимое вещество для основных макро- и микрокомпонентов подземных вод. На её основе сделаны выводы о распределении различных форм миграции железа, марганца и кремния в водах в зависимости от рН, температуры, ионной силы раствора, концентрации фульвокислот;

разработаны теоретические положения по формированию химического состава подземных вод, совокупность которых можно квалифицировать как достижение в области гидрогеологии криолитозоны.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы:

при решении проблемы обеспечения качественной водой хозяйственно-питьевого назначения городов и районов Ямало-Ненецкого автономного округа;

при проведении геоэкологических работ, связанных с оценкой качества вод хозяйственно-питьевого назначения и охраны природных вод от загрязнения для территории ЯНАО;

для выявления источников поступления загрязняющих веществ в подземные воды;

при картировании загрязненных территорий в различных масштабах;

для прогнозирования изменений химического состава вод территорий, подвергающихся техногенному воздействию;

при принятии соответствующих решений органами исполнительной власти, осуществляющими государственное управление в области охраны окружающей среды, государственными органами управления использованием и охраной водного фонда, государственными органами санитарно-эпидемиологического надзора и водопользователями.

На защиту выносятся:

1. Химический состав ультрапресных подземных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона сформировался под влиянием ранне- и позднезырянского оледенений, процессов их криогенной метаморфизации вследствие многократного промерзания и оттаивания отложений эоцен-олигоцен-четвертичного гидрогеологического комплекса и ланшафтно-климатических условий современного этапа.

2. Техногенез пресных подземных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона и формирование в связи с ним техногенных гидрогеологических систем с нарушенными гидрогеохимическими, гидрогеодинамическими и гидрогеотермическими режимами обусловлен широкомасштабным освоением углеводородного сырья.

3. Предложенное автором усовершенствование технологии водоподготовки на основе каталитического обескремнивания, обезжелезивания и деманганизации позволит повысить качество питьевых вод до требований государственных нормативов, а разработанная система локального мониторинга пресных подземных вод региона обеспечит надежную их защиту в условиях техногенного воздействия нефтегазового комплекса.

Апробация работы. Результаты исследований были рассмотрены на заседаниях экспертного совета при Департаменте природно-ресурсного регулирования и развития нефтегазового комплекса администрации Ямало-Ненецкого автономного округа в 1997, 1998, 2004 и 2005 годах; доложены на XV Всероссийском совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока, г. Тюмень, 1997 г.; на международном конгрессе " Вода: экология и технология ", Москва, 1998 г.; на третьей Всероссийской научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», Тюмень, 2004 г.; на II международном научно-техническом семинаре «Информационные системы и технологии в геологии и нефтегазодобыче», Тюмень, 2005г.; на XVIII Всероссийском совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока, Иркутск, 2006 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий», Екатеринбург, 2006 г.; на научных семинарах в институте Геологии и геохимии Уральского отделения Российской Академии наук в 1995, 1997, 1998, 2004 и 2005 годах. По теме диссертации издано 4 монографии, опубликовано более 40 работ, в том числе 10 статей, входящих в перечень ВАКа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, шести глав и заключения, содержит 274 страницы текста, 27 таблиц, 54 рисунка. Список использованной литературы включает 177 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту - д.г-м.н., профессору, заслуженному деятелю науки и техники России В.М. Матусевичу за постоянное внимание к проводимым исследованиям, за ценные замечания и предложения при написании работы. В ходе исследований автор пользовался поддержкой, помощью и советами д.т.н. Тагильцева С.Н., к.г-м.н. Ковальчука А.И., к.г-м.н. Цацульникова В.Т., к.г-м.н. Иванова Ю.К., к.г-м.н. Васильева Ю.В., к.г-м.н Бешенцевой О.Г. и других, которым выражает признательность и благодарность.

Содержание работы

Территориально Ямало-Ненецкий нефтегазодобывающий регион занимает северную часть Западно-Сибирской равнины. Большой вклад в изучение гидрогеологических условий Западной Сибири внесли Н.Н. Ростовцев, О.В. Равдоникас, В.Б. Торгованова, В.А. Нуднер, Г.П. Богомяков, Е.А. Барс, И.И. Нестеров, Б.П. Ставицкий, В.М. Матусевич, Ю.К. Смоленцев, Л.Г. Учителева, Л.Н. Носова, В.М. Швец, А.Э. Конторович, Ю.Г. Зимин, Н.М. Кругликов, А.Р. Курчиков, Г.А. Толстиков, В.В. Нелюбин, С.С. Бондаренко, В.Т. Цацульников, Р.Г. Прокопьева, А.И. Ковальчук, И.К. Иванов, О.Г. Бешенцева, Ю.В. Васильев и другие исследователи

В пределах всей мегаструктуры Западно-Сибирской геосинеклизы как надпорядковый резервуар выделяется Западно-Сибирский мегабассейн, состоящий из трех самостоятельных сложных наложенных гидрогеологических бассейнов: палеозойского, мезозойского и кайнозойского В.М. Матусевич, 1984.

Кайнозойский гидрогеологический бассейн состоит из двух гидрогеологических комплексов: эоцен-олигоцен-четвертичного, являющегося основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения округа и турон-эоценового.

Мезозойский гидрогеологический бассейн представлен исключительно коллекторами порово-пластового типа с подчиненным развитием локальных трещинно-жильных структур. Бассейн включает в себя апт-альб-сеноманский, неокомский (берриас-валанжин-готерив-барремский) и юрский гидрогеологические комплексы.

Палеозойский гидрогеологический бассейн изучен очень слабо. Однако имеющийся фактический материал позволяет выделить в пределах исследуемой территории триас-палеозойский гидрогеологи-ческий комплекс.

Особенностью Ямало-Ненецкого автономного округа является приуроченность его к криолитозоне. Современное строение мерзлоты на территории региона обусловлено потеплением в среднезырянский межгляциал, которое изменило температурное поле мощной мерзлоты, существовавшей со времени раннезырянского похолодания, до глубины примерно 400 метров. К югу от Полярного круга это привело к протаиванию мерзлых пород сверху до 100-200 метров. Ниже, хотя и сохранилась толща мерзлых пород, но их температура повысилась почти до нуля градусов. Последовавшее за потеплением позднезырянское похолодание проникло на глубину лишь 130-150 м, сформировав двухслойную мерзлоту, верхний слой которой начинается от поверхности земли и отвечает современному климату, а нижний является остатком древней мерзлоты (рис. 2).

Рис. 2. Строение и температура многолетнемерзлых пород ЯНАО

Таким образом, в результате совместного воздействия палеогидрогеологических и современных факторов на территории Западно-Сибирской равнины с севера на юг сформировались три главных зоны многолетней мерзлоты:

1) зона слитного залегания мощных современных и древних многолетнемерзлых пород - занимает северную половину равнинной части региона (примерно севернее 66⁰), а также Полярный Урал и Приуралье;

2) зона разобщенного залегания современных и древних многолетнемерзлых пород - располагается в южной части исследуемой территории;

3) зона глубокого залегания древних многолетнемерзлых пород - развита на ограниченной площади в долине р. Оби от южной границы округа (пос. Казым-Мыс) до слияния Большой и Малой Оби, а также в верховьях р. Куноват.

Первое защищаемое положение

Химический состав ультрапресных подземных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона сформировался под влиянием ранне- и позднезырянского оледенений, процессов их криогенной метаморфизации вследствие многократного промерзания и оттаивания отложений эоцен-олигоцен-четвертичного гидро-геологического комплекса и ланшафтно-климатических условий современного этапа (глава 3).

Работы, проведенные автором в регионе за последние десять лет, показали, что общий природный гидрохимический облик пресных подземных вод определяют следующие компоненты: общая минерализация, гидрокарбонат - ион, кальций, магний, кремнекислота, жесткость и окисляемость.

Отличительной особенностью данных вод является их низкая (ультрапресная) минерализация, редко превышающая 100 мг/дм³. Низкие концентрации отмечаются для таких основных солеобразующих компонентов как кальций (от 3 до 50 мг/дм³) и магний (от 2 до 40 мг/дм³). На фоне пониженных значений этих ионов резко выделяется высокое содержание ионов железа (от 1,4 до 6,5 мг/дм³), марганца (от 0,01 до 2,2 мг/дм³) мг/дм³ и кремнекислоты (от 2,4 до 35 мг/дм³).

Рассматривая геологическую историю развития бассейнов стока, можно сделать вывод, что основным фактором формирования низкой минерализации и широтной зональности подземных вод от пресной до ультрапресной, являются процессы криогенной метаморфизации подземных вод вследствие многократного промерзания и протаивания отложений эоцен-олигоцен-четвертичного гидрогеологического ком-плекса. При практически окончательно сформировавшейся системе стока северных рек и соответственно подземного стока данного региона в конце плейстоцена-начале голоцена, подземные воды неоднократно промораживались в течение раннезырянского-позднезырянского ледниковых периодов и промывались талово-паводковыми водами в межгляциальные периоды.

В процессе формирования химического состава подземных вод происходили процессы метаморфизации химического состава замерзающих и талых вод, в том числе А.В. Иванов, 1987:

а) криогенное концентрирование (последовательный рост величины минерализации замерзающей воды);

б) направленное изменение химического состава льдов, испытавших хотя бы один цикл замерзание-таяние;

в) сезонное перераспределение стока рек в результате хемогенного осаждения криогенных осадков (минералов в виде солей, гидрооксидов, органокомплексных соединений);

г) опреснение льдов при их таянии;

д) формирование гидрогеохимической зональности в континентальных и морских водоемах при таянии их ледяного покрова;

е) аккумуляция СаСО₃ и растворимых соединений в морских, наледных, ледниковых и подземных льдах;

ж) колебания солености Мирового океана в тысячелетнем цикле как результат изменчивости состояния оледенения.

Наличие мощной и сложнопостроенной толщи многолетнемерзлых пород исключило из водообмена значительную часть подземных вод и наложило отпечаток на формирование и существование подземных вод, сформировав сезонно-талые, надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные воды и воды сквозных таликов.

Для выявления основных закономерностей формирования состава пресных подземных вод на современном этапе в работе рассмотрена последовательность его изменения от атмосферных осадков и почвенно-растительных условий. Характерной особенностью надмерзлотных вод является повышенные содержания биогенных компонентов и слабокислая обстановка (таблица 1).

Таблица 1

Изменение содержания компонентов с глубиной мг/ дм³

Компоненты	Осадки (9 проб)	Речные воды (39 проб)	Родники (15 проб)	Надмерзлотные талики (17 проб)	Межмерзлотные воды (168 проб)
Na+	1,00	1,10	5,80	27,30	2,60
К+	0,30	0,40	2,10	7,40	0,70
NH4-	0,10	0,10	1,50	3,40	0,20
Ca2+	3,70	2,30	2,10	21,20	8,30
Mg2+	0,40	1,50	1,10	5,80	3,95
Fe3+	0,06	2,20	0,20	0,40	2,20
Сl-	1,80	1,00	8,90	46,10	3,50
SO42-	1,70	1,70	4,90	43,20	2,10
NO3-	2,00	0,70	2,80	51,20	0,00
NO2-	0,00	0,01	0,04	0,13	0,00
НСО3-	12,20	18,30	15,30	21,40	30,50
SiO2	0,80	8,40	4,20	6,30	25,03
рН	5,70	5,49	5,21	6,02	6,20
Сухой остаток	20,00	76,00	40,00	220,00	68,00
Окисляемость мг О2/дм3	3,00	11,10	4,20	4,10	4,00
Жесткость (общая) ммоль	0,22	0,24	0,20	1,54	0,52

Основными факторами, определяющими ионно-солевой и газовый состав подземных межмерзлотных вод, являются разложение растительных осадков, жизнедеятельность микроорганизмов и в меньшей степени выщелачивание горных пород. С глубиной геохимическая обстановка меняется и становится восстановительной, с переходом железа и марганца в двухвалентную легкомигрирующую форму.

Как показали исследования, на долю атмосферной составляющей, которая определяется количеством осадков и величиной испарения, приходится около 20% общей минерализации подземных вод. Биогенной составляющей, в общем количестве выносимых солей, принадлежит для условий рассматриваемого региона доминирующая роль - около половины всей минерализации. Вклад литогенной составляющей за счет большого выноса силикатов, достигает 30% и напрямую связан с интенсивностью водообмена.

Необходимо отметить, что на общем фоне низкой минерализации для подземных вод прослеживается четко выраженная гидрогеохимическая зональность. В направлении с юга на север увеличивается количество мерзлых пород, проницаемость пород понижается, что в условиях более затрудненного водообмена увеличивает время взаимодействия с породами и приводит к более интенсивному выщелачиванию катионов. Дополнительно на данный фактор накладывается и влияние более низких температур, что, как известно С.Л. Шварцев, 1996, приводит к осаждению карбонатов кальция и накоплению в растворе карбонатов магния.

Таким же образом происходит накопление всех остальных солеобразующих катионов. С увеличением суммы солей происходит повышение рН воды с уменьшением окисляемости. Повышение рН соответственно приводит к ослаблению миграционной способности железа и уменьшению его содержания от 3 мг/дм³ на юге до 1 мг/дм³ на севере региона.

В северном направлении отмечается и рост содержания сульфатов и хлора (рис. 3), подтверждающее мнение Н.П. Анисимовой 1981, что они являются индикаторами процессов прямого криогенеза.

Следы прямого криогенного вымораживания в вертикальном разрезе можно видеть и в повышении содержания солей в нижней части эоцен-олигоцен-четвертичного гидрогеологического комплекса. Здесь, в зонально-водоносном верхнепалеоценовом горизонте (тибейсалинская свита), минерализация подземных вод в ряде случаев повышается до 0,7-1,5 г/дм³.



Рис. 3. Изменение содержания хлор-иона с юга на север

Наибольшее влияние на изменение химического состава подземных вод за счет изменения характера водообмена оказывает наличие многолетнемерзлых пород. С переходом от островной мерзлоты на юге, к области слитного залегания современной и древней мерзлоты на севере, подземный сток уменьшается от интенсивного (3,5-2,5 л/с км²) до малоинтенсивного (0,05 л/с км²). Соответственно происходит изменение гидрохимической обстановки. От слабощелочной на юге (рН 7,0 г. Ноябрьск) она становится кислой (рН5,0 район УКПГ Уренгойское НГКМ). Окислительная обстановка сменяется на глеевую, вследствие чего изменяется и химический состав вод. С уменьшением количества биогенной составляющей общей минерализации и соответственно снижением количества мигрирующего железа и марганца, в анионном составе подземных вод наряду с гидрокарбонатами начинают превалировать сульфаты и кремний. В катионном составе литогенной составляющей, преимущественно кальциево-магниевого состава, за счет замедления стока и соответственно увеличения времени взаимодействия подземных вод с породами, происходит нарастание содержания натрия.

Влияние мерзлотно-гидрогеологических и палеогеографических факторов на формирование и размещение пресных подземных вод криолитозоны в настоящее время находят свое отражение в условиях эксплуатации водозаборов региона. Необходимо отметить, что система «вода-почвы-породы» находится в состоянии крайне неустойчивого равновесия. И изменение величины воодоотбора техногенным путем может за короткий срок привести к резкому изменению обстановки и ухудшению химического состава питьевых вод. Например, на водозаборных сооружениях г. Губкинский за пять лет эксплуатации рН водной среды снизился с 6,8 до 5,8, а содержание железа возросло с 4 до 6 мг/дм³. Аналогичная ситуация наблюдается и по основным крупным водозаборам округа. Интенсивное поступление кислорода в подземные воды, при невыдержанности современной мерзлоты в районе ее островного распространения, привело к созданию окислительной обстановки и активному выщелачиванию гумусовых веществ, преимущественно фульвокислот.

Второе защищаемое положение

Техногенез пресных подземных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона и формирование в связи с ним техногенных гидрогеологических систем с нарушенными гидрогеохимическими, гидрогеодинамическими и гидрогео-термическими режимами обусловлен широкомасштабным освоением углеводородного сырья (глава 4).

Вследствие интенсивной нефтегазодобычи техногенез приобрел решающее значение и затронул все компоненты окружающей среды. При этом наибольшее негативное воздействие испытывает подземная гидросфера. Под влиянием эжекционных, инжекционных и взаимодействующих (комплексных) процессов Н.И. Плотников, 1989, протекающих в недрах, происходит трансформация гидрогеологических условий и формирование техногенных гидрогеологических систем.

Эжекционные техногенные процессы характеризуются изъятием вещества и тепла из литосферы, т.е. теплообмен направлен из недр в сторону внешней среды. Эжекционные процессы наиболее полно проявляются при эксплуатации подземных вод. Под их влиянием происходят истощение запасов подземных вод, межпластовые перетоки, просадки земной поверхности и др. На рисунке 4 показана динамика добычи подземных вод.

Рис. 4. Динамика добычи подземных вод в ЯНАО

техногенный нефтегазодобывающий пресный подземный вода

В диссертационной работе изменение уровненного режима подземных вод (развитие воронок депрессии), характера взаимосвязи между отдельными горизонтами, а также между подземными и поверхностными водами при длительной эксплуатации показаны на примерах Новоуренгойского, Ноябрьского и Сургутского месторождений пресных подземных вод. Работа водозабора в режиме «истощения запасов» отражена на примере Салехардского городского водозабора.

Изменение величины водообмена техногенным путем приводит к резкому изменению обстановки и ухудшению химического состава питьевых вод. Снижение величины рН и рост концентраций железа, являющимися специфическими показателями техногенеза в результате водоотбора пресных подземных вод, отмечается практически на всех водозаборах округа, за редким исключением и показаны на примере Губкинского месторождения (рис. 5, 6).

Инжекционные техногенные процессы характеризуются привносом вещества и тепла в литосферу, т.е. теплообмен направлен непосредственно в земные недра. Инжекционные процессы имеют место при искусственном восполнении запасов подземных вод, закачке в нефте-, газоносные породы с целью увеличения добычи этих полезных ископаемых, захоронении промстоков в глубокие горизонты, создании подземных газохранилищ. Влияние этих процессов проявляется в форме загрязнения подземных вод, межпластовых перетоков, изменения геохимической обстановки земных недр, землетрясений, заболачивания и подтопления территорий.

Рис. 5. Изменение рН в результате водоотбора

Рис. 6. Изменение содержания железа в результате водоотбора

Основным источником загрязнения природных вод в регионе являются сточные воды. Ежегодно на территории округа в природные объекты сбрасывается около 60 млн. м³ сточных вод, из них 90% стоков в поверхностные водоемы и 10% - в подземные горизонты.

Современное состояние пресных подземных вод тесно связано с качеством поверхностных вод, поскольку на значительной части рассматриваемой территории они участвуют в формировании запасов подземных вод. На всей исследуемой территории речные воды загрязнены нефтепродуктами (4-6 ПДК), фенолами (2,3 ПДК), соединениями меди (3-7 ПДК), цинка (3-12 ПДК), марганца (2-4 ПДК), железа (превышает природную концентрацию в 1,2-3,5 раза). В воде некоторых водоемов, находящихся в зоне интенсивной нефтегазодобычи, обнаружено повышенное содержание сульфатов, хлоридов. В них возросла минерализация до 860 мг/дм³ и изменился класс от гидрокарбонатного до хлоридного натриевого, что свидетельствует о загрязнении рек промысловыми водами. К примеру, на Муравленковском месторождении нефти в водах р. Пяку-Пур, используемых в системе заводнения, концентрация хлоридов на 20.01.2006 г. составляла 400,59 мг/дм³.

Благодаря относительной защищенности (за счет мерзлоты), подземные воды, в отличие от поверхностных, загрязняются более медленно, но процесс идет и носит необратимый характер.

В работе загрязнение пресных подземных вод рассмотрено на Уренгойском, Салехардском, Таркосалинском, Муравленском, Надымском водозаборах. Например, в подземных водах Салехардского городского водозабора, начиная с 1986 г., присутствует NH₄⁺, концентрация которого с 1993 и по 2003 г. устойчиво держится на отметках 2,0-2,5 мг/ дм³. Показатель мутности на водозаборе достигает значений 5,8-7,5 мг/дм³, а в единичных пробах до 11 мг/дм³ (7,3 ПДК). На ликвидированном втором участке водозабора содержание NO₃^- изменялось от 1 до 6-7 мг/дм³. Во времени эти изменения происходили следующим образом: в период многоводной фазы (с 1982 по 1984 гг.) величина NO₃^- достигла значений 6-7, затем в 1985-1986 годах уменьшилась до 0,5-1,0 мг/дм³ и далее возросла вплоть до 1995 г. до величины в среднем 4,5-5 мг/дм³, а в отдельных пробах до 16 мг/дм³.

Повышение и снижение содержания в подземных водах ионов азотистой группы зависит не только от водности года, но и подчиняется сезонности, увеличиваясь в осенне-зимние и весенние периоды и уменьшаясь в летнее время.

Среднее содержание PO₄³⁺ в скважинах городского водозабора достигает 3,3 мг/дм³, изменяясь в пределах от 0,13 до 3,52 мг/дм3 (ПДК-3,5 мг/дм³) и указывает на наличие процесса коммунально-бытового загрязнения.

Как показали многолетние исследования автора, среднее содержание фосфатов в поверхностных водах не превышает значений 0,1-0,3 мг/дм³ (в населенных районах), те же концентрации PO₄³⁺ характерны для подземных вод региона. Отсюда можно сделать вывод, что данные содержания является фоновыми и любое превышение их необходимо связывать с процессом фильтрации сточных вод в подземные горизонты. Наряду с аммонийным азотом, хлоридами и взвешенными веществами фосфаты являются основной частью бытовых сточных вод. Исходя из этого, можно предположить, что население г. Салехарда получало от городского водозабора разбавленные сточные воды.

Аналогичная ситуации сложилась и на водозаборе г. Тарко-Сале. В предыдущие стадии опробования в подземных водах отмечалось превышение выше фонового содержания фосфатов, хлоридов и азотной группы, что указывало на техногенное загрязнение. В настоящее время процесс стабилизировался, тем не менее, обращает на себя внимание рост содержания NO₃^-. Следовательно, по-прежнему сказывается влияние полигона сброса жидких стоков, расположенного в одном километре от территории водозабора.

На Надымском водозаборе за десятилетний период наблюдений наблюдается устойчивый рост минерализации, которая возросла с 60 до 250 мг/дм³, т.е. в четыре раза. Также наблюдается рост содержания железа с 2 до 6 мг/дм³. Параллельно росту естественных компонентов на водозаборе отмечается устойчивый рост содержания ионов азотной группы и полифосфатов, что позволяет говорить о коммунально-бытовом загрязнении подземных вод, источник которого до конца неясен и требует конкретизации.

Необходимо отметить наличие в подземных водах Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона, в первую очередь в Пуровском районе, техногенных компонентов-загрязнителей - нефтепродуктов и фенолов.

Имеющиеся факты загрязнения подземных вод вызывают серьезную тревогу за сохранение их качества в ближайшем будущем, учитывая крайне медленное естественное самоочищение и возобновляемость. Все это требует разработки специальных мер по защите подземных вод от загрязнения на основе детального изучения влияющих на этот процесс факторов.

Взаимодействующие (комплексные) техногенные процессы совмещают привнос и изъятие вещества и тепла литосферы. Техногенные процессы этой группы наиболее интенсивно проявляются при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также на территории крупных городов и промышленных центров.

Основным фактором техногенеза Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона являются разработка и эксплуатация месторождений углеводородного сырья. В результате интенсивного отбора газа, конденсата, нефти на территории округа сформировались и продолжают формироваться обширные области с пониженным пластовым давлением (депрессионный техногенез по А.А. Карцеву). Под влиянием добычи на отдельных участках уровень подземных вод снизился более чем на 200-400 и 600 м. К примеру, к началу 2000 г. депрессионная воронка собственно Уренгойской залежи слилась с депрессионными воронками Ен-Яхинской-Песцовой и Северо-Уренгойской газовых залежей, и в пределах сеноманской залежи Большого Уренгоя образовалась единая депрессионная воронка. Максимальная глубина воронки собственно Уренгойской залежи от поверхности начального ГВК составила 650 м, наименьший радиус от центра - 40-50 км, наименьшее пластовое давление в подошвенных водах - 60 атм А.Н. Кульков, В.П. Ильченко, 2001.

Вместе с тем разработка месторождений нефти сопровождается искусственным поддержанием пластового давления либо по площади залежи, либо в районах нагнетательных скважин. Нередко при этом пластовое давление поднимается выше начального, вызывая «репрессионный техногенез недр», что соответствует понятию «инжекционные техногенные процессы». При заводнении Холмогорского, Карамовского, Пограничного, Вынгаяхинского месторождений, например в 1997-1999 гг., давление на отдельных участков фиксировались выше начального пластового.

Подземное захоронение сточных вод. К настоящему времени на исследуемой территории обустроено более 40 полигонов захоронения промышленых и хозяйственно-бытовых сточных вод. На всех газовых месторождениях подземное захоронение осуществляется внутри контура газоносности, под разрабатываемую сеноманскую газовую залежь в апт-альб-сеноманский гидрогеологический комплекс. Объемы захоронения сточных вод с каждым годом возрастают (рис. 7).

Рис. 7. Динамика захоронения сточных вод в недра

Наиболее продолжительное захоронение промышленных сточных вод производится на Уренгойском месторождении. За период его разработки и эксплуатации на специализированном полигоне было закачано более 23 млн. м³ промстоков. Результаты наблюдений показывают, что, несмотря на осуществляемую закачку стоков, падение пластового давления в апт-сеноманском гидро-геологическом комплексе составляло: 4 года - 1,5 МПа, 20 лет - 4,5 МПа, 27 лет -6,0 МПа.

Воздействие закачиваемых промышленных сточных вод на гидрогеологические системы заключается в изменении гидродинамического и геотермического полей, заполнении пластов-коллекторов сточными водами и их локальном загрязнении.

Реальной опасностью негативного воздействия подземного захоронения на окружающую природную среду является возможность проникновения стоков в верхние питьевые горизонты в результате некачественного строительства и недостаточно надежной ликвидации скважин, при нарушении герметичности обсадных колонн и низкого качества цементирования, при перемерзании и коррозии трубопроводов, при расположении вблизи скважин амбаров-накопителей и несоблюдении регламента закачки.

Примерами негативного воздействия подземного захоронения на территории исследуемого региона являются: выход сточных вод на поверхность по затрубному пространству в одной из неработающих поглощающих скважин на полигоне поселка Уренгой и загрязнение поверхностных и подземных вод на участке захоронения стоков г. Губкинский. Источником загрязнения стал амбар-отстойник, не имеющий гидроизоляции, куда сбрасывались стоки перед подачей в поглощающие скважины.

Поддержание пластового давления при заводнении месторождений нефти. В настоящее время на территории Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона под мощным техногенным воздействием, связанным с разработкой месторождений нефти, находятся подземные воды неокомского и юрского гидрогеологических комплексов. Основные изменения в подземной гидросфере связаны со значительным отбором углеводородов и сопутствующей откачкой попутных (подтоварных вод) сопровождающейся закачкой этих вод (28% - 2006 г.), а также подземных апт-сеноманских (30%) и олигоцен-четвертичных (9,5%), вод поверхностных водотоков (31,5%) и сточных вод (1%) для целей ППД. При этом суммарный объем закачки вод в системы ППД значительно меньше объема добываемых углеводородов как в годовом разрезе, так и в суммарной ретроспективе прошедших двух десятилетий.

Так за последние, примерно 20 лет в недра ЯНАО было закачано более 1,6 млрд. м³ воды. На рисунке 8 показана динамика закачки воды для ППД.

Рис. 8. Динамика закачки воды для ППД

При разработке месторождений углеводородов основные изменения происходят в самих нефтегазосодержащих пластах. Часть ранее нефтенасыщенного порового пространства замещается водой или газом, изменяется пластовое давление и температура флюидов, преобразуется химический состав пластовой воды и нефти. Особенно интенсивно эти процессы происходят при закачке поверхностных вод. В этих случаях пластовая температура снижается. Увеличивается вязкость нефти, ухудшаются условия фильтрации жидкости и как результат снижается нефтеотдача.

Для целей ППД на территории региона широко используются поверхностные воды. При этом основная техногенная нагрузка приходится на реку Пяку-Пур (бассейн р. Пур), воды которой используются при заводнении месторождений: Комсомольского, Барсуковского, Муравленковского, Суторминского и Тарасовского. Максимальный объем забора поверхностных вод пришелся на 1990-1995 годы и составил около 80 тыс. м³/сутки, в последующие годы за счет увеличения подтоварных вод в системах ППД забор поверхностных вод сократился до 44 тыс. м³/сутки. Если до начала эксплуатации месторождений (1965-1985 гг.) среднегодовой расход воды р. Пур колебался в пределах 750-800-740 м³/с, то в период разработки месторождений 1985-1995 годы он сократился со 740 до 300 м³/с, а в 1995 по 2001 годы стабилизировался в пределах 280 - 430 м³/с. Таким образом, можно предположить что длительная закачка поверхностных вод в системы ППД привела к снижению среднегодового расхода р. Пур и отразилась на гидрологическом режиме рек бассейна Пур.

Третье защищаемое положение

Предложенное автором усовершенствование технологии водоподготовки на основе каталитического обескремнивания, обезжелезивания и деманганизации позволит повысить качество питьевых вод до требований государственных нормативов, а разработанная система локального мониторинга пресных подземных вод региона обеспечит надежную их защиту в условиях техногенного воздействия нефтегазового комплекса (главы 5, 6).

При подготовке рекомендаций по нормализации условий водоснабжения и системы мониторинга подземных вод хозяйственно-питьевого назначения территории ЯНАО автором учитывались особенности состава этих вод. Для водоподготовки рекомендованы наиболее распространенные методы, включающие в себя обезжелезивание, деманганизацию и обескремнивание. На рисунках 9, 10 отражены содержания железа и кремния на исследуемой территории.

Многолетние исследования по изучению качества пресных подземных вод на территории Ямало-Ненецкого автономного округа позволили автору совместно со специалистами Института Геологии и геохимии УрО РАН разработать и предложить методику каталитического обескремнивания, обезжелезивания и деманганизации. Она основана на проведении каталитического окисления марганца (II) и железа (II) на образовавшихся гидроксидах соединений кремния.

Рис. 9. Содержание Fe в подземных водах

Рис. 10. Содержание SiO2 в подземных водах

Сущность предлагаемого метода заключается в следующем. В емкость с водой загружают куски карбоната кальция и катализатор окисления марганца (II) и железа (II), которые присутствуют в водах округа в количествах, превышающих ПДК. Далее эту смесь подвергают аэрированию. Катализатором является сложный манганит состава La0,67M0,33MnO3, где М стронций или свинец. Главная особенность этого катализатора заключается в том, что он является высокоактивным катализатором и ферромагнитным материалом, не растворяется в воде в широком диапазоне рН. Ферромагнитные свойства позволяют легко отделять катализатор от очищаемой воды. Применение катализатора позволяет с помощью кислорода воздуха быстро повысить окислительно-восстановительный потенциал воды и тем самым перевести марганец и железо в нерастворимое состояние.

Таким образом, рН воды повышается за счет её аэрирования при контакте с карбонатом кальция. Окислительно-восстановительный потенциал системы повышается также за счет аэрации в присутствии катализаторов окисления.

Система кислорода определяет верхний предел значений окислительно-восстановительного потенциала подземных вод, ограниченный реакцией:

2Н₂О = О2(газ) + 4Н⁺ + 4е

В соответствии с формулой

Еh = E⁰ - 0,059рН

Е⁰ = 1,23 мВ и, следовательно Eh = 1,23-0,059рН

Исходя из этого при р₀₂ = 0,1 МПа Еh околонейтральных подземных вод должен составлять приблизительно 0,8 В. В действительности реальные значения Еh подземных вод гораздо меньше. Такие высокие значения, практически, не достигаются даже в атмосферных осадках.

На основании диаграммы Пурбе и соотношения, связывающего Еh и рН, можно легко найти параметры, при которых количественно осуществляется процесс каталитического окисления марганца (II) и железа (II). Быстрое установление высокого значения окислительного потенциала способствует также разрушению комплексных соединений железа и марганца с фульвокислотами. Кроме того, происходит каталитическое окисление присутствующих в воде фенолов, нефтепродуктов и прочих органических соединений до оксида углерода (IV) и воды. Аэрация воздухом приводит к удалению из воды излишне растворенного углекислого газа.

Такие катализаторы уже давно применяются на практике за рубежом. Их каталитическое действие основано на том, что манганиты имеют сложное строение, которое можно выразить следующей химической формулой:

La_I-уМуМn³⁺I-xMn⁴⁺xO3

Таким образом, в этом соединении одновременно присутствует марганец, как в степени окисления +3, так и в степени окисления +4, что и обусловливает каталитическую активность такого рода веществ.

Известно, что в системе карбонат кальция - вода - воздух устанавливается равновесие, характеризуемое значением рН8,4. Таким образом, если аэрацию проводить в присутствии карбоната кальция, то это приведет к повышению рН раствора, возрастанию сорбционной емкости образовавшихся гидрооксидов.

Прогрессивное загрязнение пресных подземных вод диктует необходимость организации мониторинга, главной целью которого является установление тенденций развития вод в пределах исследуемой гидрогеологической системы и на основе этого принятие управленческих решений по оптимизации их использования.

Основными задачами при проведении мониторинга подземных вод в нефте- и газодобывающих районах рассматриваемого региона являются: изучение гидрогеологических и гидрогеохимических условий, защищенности подземных вод эоцен-олигоцен-четвертиного гидро-геологического комплекса, интенсивности техногенной нагрузки, качественных и количественных воздействий антропогенных факторов, разработка самого мониторинга, прогноз развития негативных последствий и мероприятий по их нейтрализации.

Основным методом контроля, осуществляемого в процессе мониторинга, является гидрохимическое опробование. Причем постоянному контролю должны подлежать не только техногенные изменения состава подземных вод, но и природные процессы, происходящие в системе, поэтому к индикаторам техногенных процессов необходимо добавить и компоненты, характерные для природных вод.

Многолетние исследования, проводимые автором на территории округа в зависимости от особенностей добычи нефти и газа, позволили выделить компоненты (индикаторы) загрязнения природных вод. При ведении мониторинга подземных вод, подверженных промышленному техногенезу, в ряд определяемых компонентов должны войти: общая минерализация, хлориды, натрий, нефтепродукты, диэтиленгликоль, метанол, фенолы, йод, бром, бор. Для подземных вод, подверженных «коммунально-бытовому» загрязнению, рекомендуется изучать рН, ионы железа и полифосфаты.

Под «промышленным техногенезом» автор понимает изменение гидрохимических и гидродинамических условий подземных вод под воздействием интенсивно осуществляемой в регионе добычи нефти и газа. Под «коммунально-бытовым техногенезом» - под воздействием процессов, сопутствующих непосредственно жизнедеятельности человека и происходящих в первую очередь вблизи населенных пунктов.

В ходе исследований на объектах ЯНАО автором совместно с Ю.К. Ивановым определено, что принятая схема опробования (4 раза в год) является дорогостоящим мероприятием и не позволяет получить достоверную информацию о процессах, происходящих в эксплуатируемых горизонтах, особенно в отношении динамики этих процессов. Получаемый временной ряд значений не является представительным, и его сложно обработать современными методами для выявления основных закономерностей. На основании проведенных исследований автор рекомендует следующую схему опробования на участках мониторинга подземных вод. Для определения естественных процессов, происходящих в подземных и поверхностных водах можно ограничиться определением кальция в пределах его концентраций до 10 мг/дм³ , для техногенных процессов полифосфаты более 0,2 мг/дм³.

Остальные компоненты, входящие в обобщенные показатели, могут быть пересчитаны через регрессивные уравнения, имеющие следующий вид:

Для природных процессов

жесткость = 0,07 + 0,08 х Са²⁺;

Mg²⁺ = 0,67 + 0,42 х Са²⁺;

НСО₃^- = 7,62 + 6,38 х Са²⁺;

минерализация = 45,1 + 6,61 х Са²⁺;

Fe³⁺ = 0,48 + 0,247 х Са²⁺;

рН = 5,88 + 0,074 х Са²⁺;

SO₄^2- = 4,339 + 0,211 х Са²⁺;

окисляемость, О₂ = 1,105 + 0,173 х Са²⁺.

Для техногенных процессов

Na⁺ = 1,00 + 2,77 х PO₄³⁺;

К⁺ = 0,56 + 0,46 х РО₄³⁺;

NH₄⁺ = 0,08 + 0,40 х РО₄³⁺;

окисляемость, О₂/дм³ = 0,88 + 1,35 х РО₄³⁺.

Выводы

Эколого-гидрогеологические исследования, проведенные автором на территории Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона, позволили сделать ряд основополагающих выводов:

1. Как по общей минерализации, так и по другим гидрогеохимическим показателям подземные воды эоцен-олигоцен-четвертичных отложений отражают историю развития ландшафта и палеогидрогеологическую историю.

2. В период раннезырянского и позднезырянского оледенений происходило формирование многолетней мерзлоты и протекание процессов вымораживания. В периоды отдельных межледниковых потеплений за счет таяния пресного ледникового льда образовывались огромные массы талой пресной воды, которые формировали обширные пресноводные подпрудные водоемы и проникали в водовмещающие отложения. Таким образом, подпрудные бассейны, таяния ледникового покрова и процессы криогенного вымораживания в совокупности определили формирование ультрапресных подземных вод, являющихся характерной чертой подземных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона.

При этом, основным фактором формирования низкой минерализации и широтной зональности подземных вод от пресной до ультрапресной, являются процессы криогенной метаморфизации вод вследствие многократного промерзания и протаивания отложений эоцен-олигоцен-четвертичного гидрогеологического комплекса.

3. Вследствие интенсивной нефтегазодобычи техногенез приобрел решающее значение и затронул все компоненты окружающей среды. Под влиянием эжекционных, инжекционных и взаимодействующих (комплексных) процессов, происходит трансформация гидрогеологических условий и формирование на определенной глубине техногенных гидрогеологических систем, резко отличающихся условиями водообмена, тепломассопереноса и особенностями формирования подземных вод от природных водных систем. В этих системах главным источником загрязнения для подземных вод рассматриваемой территории являются бытовые стоки, для которых специфическими компонентами на фоне естественных вод региона являются натрий, хлор, соединения азота, поверхностно-активные вещества и фосфаты. Именно данное загрязнение имеет региональный характер за счет высокой миграционной способности элементов-загрязнителей и специфики гидросферы региона, заключающейся в высокой обводненности территории и больших величинах поверхностного и подземного стока.

...