Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экологическая оценка состояния природной среды на подземных хранилищах в каменной соли

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Вакуленко, Мария Вячеславовна, Москва

На правах рукописи УДК 622: 502.7

ВАКУЛЕНКО Мария Вячеславовна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩАХ В КАМЕННОЙ СОЛИ

Специальность 11.00. 11 - «Охрана окружающей

среды и рациональное использование природных ресурсов»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 5

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ .................................................................................................... 10

1.1. Характеристика подземных хранилищ как источников воздействия на окружающую среду......................,...................... 10

1.1.1. Анализ состояния подземного хранения газообразных и жидких углеводородов........................................................................10

1.1.2. Технология сооружения и эксплуатации ПХ............................12

1.2. Воздействие ПХ на компоненты окружающей среды............................16

1.2.1. Источники воздействия на окружающую среду

при строительстве и эксплуатации ПХ..............................................16

1.2.2. Загрязняющие вещества....................................................................................................20

1.2.3. Влияние ПХ на геологические и геоморфологические условия......................................................................................................................................23

1.2.4. Влияние на атмосферный воздух......................................................................23

1.2.5. Влияние на гидрологические условия..................................................27

1.2.6. Влияние на почвенно-растительный покров........................28

1.3. Анализ литературы по проблемам методологии и методики экологического мониторинга на объектах подземного хранения нефти и газа........................................................................................................................31

1.4. Выбор объекта исследований и задачи исследований............................36

Глава II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................... 38

2.1. Сущность ландшафтно-геохимического метода исследований................................................................................................ 38

2.2. Показатели химического состояния почв.................................... 40

2.3. Критерии оценки воздействия ПХ на окружающую природную среду..............................................................................................................................................................47

2.3.1. Критерии оценки загрязнения поверхностных

и подземных вод....................................................................................................................................49

2.3.2. Критерии оценки загрязнения почв............................................................50

2.4. Закономерности миграции поллютантов в ландшафтах..................54

2.5. Основные положения методики экспериментальных исследований............................................................................................................................................................................59

2.6. Ландшафтно-геохимические схемы миграции....................................................64

Глава III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ......................................................... 73

3.1. Полевые и лабораторные исследования по выявлению и оценке влияния подземных хранилищ на природную

среду..........................................................................................................................................................................................................73

3.1.1. Изучение почвенного покрова................................................................................73

3.1.2. Изучение поверхностных и подземных вод....................................77

3.1.3. Газогеохимические исследования....................................................................80

3.2. Результаты исследований морфологических, физических и химических особенностей почв Ашинского, Ишимбайского и Салаватского ПХ............................................................................................81

3.2.1. Ашинское ПХ....................................................................................................................................81

3.2.2. Ишимбайское ПХ..............................................................................................................................95

3.2.3. Салаватское ПХ....................................................................................................................................110

3.3. Анализ результатов исследований................................................................................................116

3.3.1. Состояние почв на ПХ....................................................... 116

3.3.2. Воздействие ПХ на водную среду................................... 123

3.3.3. Закономерности миграции и аккумуляции загрязняющих веществ в ландшафтах Ашинского, Ишимбайского и Салаватского ПХ................... 129

Глава IV. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ 134 РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПОДЗЕМНОГО ХРАНЕНИЯ В

КАМЕННОЙ СОЛИ....................................................................................

4.1. Место локального экологического мониторинга в целостной системе мониторинга наземной окружающей

среды.................................................................................................... 134

4.2. Рекомендации по организации локального экологического мониторинга ПХ....................................................................... 135

4.2.1. Базовая ландшафтно-геохимическая инвентаризация - основа фонового (базового) мониторинга....... 136

4.2.2. Текущий мониторинг........................................................ 138

4.3. Практическое использование результатов исследований....... 141

4.4. Экологическая эффективность внедрения системы локального экологического мониторинга в зонах потенциального воздействия ПХГ............................................................................... 145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................ 148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................... 151

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.................................................................................. 161

ПРИЛОЖЕНИЕ II................................................................................ 189

ПРИЛОЖЕНИЕ III............................................................................... 199

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В последние годы в мировой практике регулирования неравномерности потребления и поставки газа, нефти и продуктов их переработки отмечается общая тенденция к преимущественному развитию подземных хранилищ (ПХ) углеводородов в отложениях каменной соли. В настоящее время на территории России и стран СНГ построено шестнадцать ПХ с суммарным объемом хранения более 6 млн. м . Семь из них расширяются. Предполагается строительство не менее десяти новых ПХ природного газа в каменной соли, причем уже запроектировано сооружение в ближайшие годы 30 подземных резервуаров. Объем этих резервуаров составит около 10 млн. м3.

В связи с этим требуется разработка комплекса мер по обеспечению экологической безопасности территории хранилищ. Неотъемлемой частью мероприятий по экологической безопасности является экологический мониторинг, проведение которого позволит вычленить влияние собственно ПХ на окружающую среду, контролировать потоки поллютантов и изменения в окружающей среде, прогнозировать изменение экологической обстановки и разрабатывать мероприятия по ее улучшению.

Однако неразработанность комплексной экологической оценки компонентов окружающей среды в зоне потенциального воздействия ПХ, неразработанность системы мониторинга экологического состояния окружающей среды, основанной не на величинах ПДВ и ПДС, а на параметрах состояния компонентов географического ландшафта, отсутствие сравнительной оценки вклада в изменение состояния окружающей среды объектов подземного и наземного комплексов не позволяют достичь вышеизложенного.

Поэтому разработка принципов и критериев экологической оценки состояния природной среды в зоне влияния ПХ жидких и газообразных углеводородов на базе ландшафтно-геохимического мониторинга в

различных климатических и горно-геологических условиях является актуальной.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является установление закономерностей распространения поллютантов в местах подземного хранения в пластах каменной соли природного газа и жидких углеводородов для разработки методики экологической оценки состояния природной среды, позволяющей повысить надежность и безопасность подземных хранилищ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ технологических особенностей хранения углеводородов в подземных резервуарах в каменной соли с точки зрения влияния на окружающую среду.

2. Выявление закономерности воздействия подземных хранилищ углеводородов на компоненты ландшафта для разработки методики экологической оценки состояния природной среды.

3. Исследование техногенных изменений свойств почв и поверхностных вод на территории подземных хранилищ углеводородов.

4. Проведение ландшафтно-геохимического анализа миграции загрязняющих веществ в природно-техногенных ландшафтах районов подземного хранения углеводородов.

5. Разработка предложений по эколого-геохимическому мониторингу природной среды в местах подземного хранения углеводородов и разработка на их базе рекомендаций по эксплуатации хранилищ и методики по повышению надежности сброса рассолов.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в выявлении эколого-геохимического состояния окружающей природной среды в зонах влияния подземных хранилищ на основе ландшафтно-геохимического метода исследований.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. 1. Воздействие подземных хранилищ углеводородов на компоненты природной среды является в основном

следствием влияния объектов наземного водорассольного комплекса, а глубинные потоки поллютантов при штатной эксплуатации существенно не изменяют экологическую обстановку в районе ПХ, что требует построения системы экологического мониторинга, включающего слежение за поверхностными средами.

2. Принципы экологического мониторинга зоны потенциального воздействия подземных хранилищ состоят в полном изучении ландшафтно-геохимической ситуации на подземных хранилищах и вокруг него; выявлении путей миграции поллютантов и геохимических барьеров; вычленении влияния соседних промышленных объектов; обязательном учете локальных и хронологических фонов; определении причинно-следственных связей и периодичности изменений в среде; сборе и организации данных в форме, позволяющей прогнозировать изменения в экосистеме; адаптации принципов и подходов мониторинга к условиям каждого предприятия.

3. Применение метода ландшафтно-геохимического профилирования с оптимизацией набора показателей позволяет значительно повысить информационную и прогностическую точность эколого-геохимической оценки состояния природной среды в зоне влияния подземных хранилищ, а также разработать рекомендации по совершенствованию технологических параметров их эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1 .Разработаны принципы и положения локального ландшафтно-геохимического мониторинга, позволяющие оптимизировать набор показателей состояния окружающей среды, необходимых для оценки степени загрязнения компонентов ландшафтов (грунтов, почв, вод) на подземных хранилищах в каменной соли в различных физико-географических и ландшафтных условиях.

2.Выявлено современное состояние компонентов ландшафта (почв, вод) в районах подземных хранилищ в разных природных зонах и установлено, что в почвах на ПХ в каменной соли происходят процессы техногенного

окарбоначивания, засоления, осолонцевания и деградации почвенной структуры.

3 .Проведены оценки надежности сброса строительных рассолов и выбор способа интенсификации этого процесса путем применения активных воздействий на массив горных пород, базирующаяся на результатах ландшафтно-геохимического мониторинга.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИИ подтверждена совпадением результатов и выводов, полученных при использовании различных апробированных методов геохимических и аналитических исследований.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ заключается в разработке принципов и методики локального эколого-геохимического мониторинга природной среды в зонах влияния подземных хранилищ углеводородов в каменной соли.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ диссертации заключается в разработке локальных схем геохимической миграции и рекомендаций по повышению надежности и безопасности подземных хранилищ.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ. Разработанная методика проведения экологического мониторинга была применена на подземных хранилищах углеводородов Башкортостана (Ашинском, Ишимбайском, Салаватском). А также были разработаны рекомендации по проведению базового мониторинга на проектируемых Волгоградском и Калининградском ПХГ и реконструируемом Ереванском ПХГ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований докладывались на конференциях: "Проблемы экологического мониторинга" (Уфа, 1995), "Структура, функционирование, эволюция природных и антропогенных ландшафтов" (Москва, 1997), а также на конференции молодых ученых по проблемам газовой промышленности России в Государственной академии нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва, 1997).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и трех приложений; содержит 27 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 135 наименований.

Глава I

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Характеристика подземных хранилищ как источников воздействия на окружающую среду

1.1.1. Анализ состояния подземного хранения газообразных и жидких углеводородов

В большинстве промышленно развитых стран быстрыми темпами осуществляется создание подземных хранилищ (ПХ) газообразных и жидких углеводородов. Объемы подземного хранения в районах с благоприятным геологическим строением на протяжении последних лет систематически увеличиваются. Их общий объем в мире составляет более 500 млн. м3 (NTSB, 1993; Смирнов, 1998 ; Фурман, 1992).

ПХ представляют собой подземные горные выработки, создаваемые различными способами: путем растворения каменной соли через буровые скважины, при помощи камуфлетных взрывов в пластичных породах, шахтным способом в скальных, вечномерзлых и других устойчивых горных породах. В качестве подземных хранилищ используются также отработанные нефтегазовые месторождения и водоносные геологические структуры. (Big Texas, 1970; Fantin, 1981; Pantin, Lebblanc, 1981 a,b; Мазуров, 1982; NTSB, 1993; Смирнов и др., 1995 и др.).

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа подземных хранилищ:

- в отработанных нефтегазовых месторождениях или водоносных геологических структурах;

- в подземных резервуарах (ПР), представляющих собой горные выработки-ёмкости, сооружаемых путём растворения каменной соли через буровые скважины.

Первые подземные хранилища газа были созданы в 1915 году в Канаде, г. Целланди, Онтарио и на восточном побережье США (Capacity of Undergraund..., 1979) на базе отработанных газовых месторождений. Возможность строительства подземных хранилищ углеводородов в каменной соли рассматривалась в 1916 г. в Германии (Dean, 1978), однако соответствующая технология разработана только в 1940-х годах в Канаде. В Европе первые подземные хранилища газа - сначала сжиженного, а затем

природного - начали эксплуатироваться в начале 1950-х годов во Франции, Великобритании, Германии, а затем и других странах. В скандинавских странах построены и эксплуатируются шахтные подземные хранилища углеводородов.

В настоящее время отмечается устойчивая тенденция к преимущественному развитию пиковых ПХГ в отложениях каменной соли, общий объем которых в странах с наиболее развитой сетью ПХГ (США, Канада, Германия, Франция, Польша) составляет около 24240 млн. м3 активного газа. (Pantin, Lebblans, 1981).

Сведения об эксплуатирующихся в настоящее время подземных хранилищах природного газа (ПХГ) в каменной соли за рубежом приведены в табл. l.l.(Untergrand speicherung, 1996).

Таблица 1.1.

Количественные и объёмные показатели ПХГ в каменной соли за рубежом

Страна Количество ПХГ Суммарный объем активного газа (на 1995 г.), млн. м3 Суммарный отбор газа (на 1995 г.), млн. м3/сут.

Эксплуатируемые Строящиеся и проектируемые

1. США 26 21 2550 283,1

2. Германия 13 12 -3600 160

3. Канада 5 2 200 80

4. Франция 3 1 800 50

5. Англия 2 - 500 40

В нашей стране первые подземные хранилища газа начали обустраиваться на истощенных месторождениях углеводородов Куйбышевской и Саратовской областей в 50-х годах. В 60-е годы были созданы первые ПХ в отложениях каменной соли для хранения нефтепродуктов, природного и сжиженных газов.

Из всех видов ПХ выработки-емкости в каменной соли наиболее изолированы от внешних сред (наземной и геологической). Они используются для хранения жидких и газообразных углеводородов: природного газа, нефти, газового конденсата, нефтепродуктов, сжиженного нефтяного газа, этилена, пропилена и др. Помимо жидких и газообразных углеводородов ПХ используются для хранения гелия, азота и других газов (Мазуров, 1982; Смирнов, 1995; Pantin, Leblanc, 1981). Однако не менее удобны они и как хранилища токсичных промышленных отходов, количество которых чрезвычайно велико. Согласно Государственному докладу "О состоянии природной среды в 1995 году" (1996), количество промышленных отходов за этот год составило 90 млн. тонн, из которых

более 40% не подлежали вторичному использованию или переработке и предназначались для захоронения.

Приоритетным в последние годы является использование подземных хранилищ в каменной соли для хранения природного газа. Эти хранилища необходимы как для сезонн�