Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплексный аналитический метод мониторинга состояния отходов бурения

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Комплексный аналитический метод мониторинга состояния отходов бурения"

На правах рукописи

ГВОЗДБЦКАЯ Мария Викторовна

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О04ЬВ0223

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010

004600223

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - НПК «Механобр-техника».

Защита диссертации состоится 28 апреля 2010 г. в 13 ч 15 мш1 на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 26 марта 2010 г.

Пашкевич Марш Анатольевна

Официальные оппоненты'. доктор технических наук, профессор

Белоглазое Илья Никитич,

кандидат технических наук

Паршина Мария Викторовна

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Э.И.БОГУСЛАВСКИИ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В настоящее время наблюдается ежегодный рост объемов бурения, причем значительная часть скважин проходится в экологически уязвимых регионах с крайне неблагоприятными природно-климатическими и почвенно-ландшафтными условиями, характеризующимися ограниченной способностью самоочищения и слабыми защитными функциями.

Отличительными особенностями воздействия процессов бурения являются высокая интенсивность и кратковременность формирования значительных техногенных нагрузок на объекты гидро- и литосферы, которые нередко превышают пороговые нагрузки и тем самым приводят к негативным последствиям.

Наиболее интенсивной техногенной нагрузке подвержены компоненты природной среды на территориях складирования отходов бурения. Отсутствие современных технологий ликвидации и обезвреживания отходов превратило значительное число хранилищ из средозащитного средства в угрозу крупномасштабного загрязнения компонентов природной среды (почв, подземных и поверхностных вод, атмосферы). На одну скважину в среднем приходится около 3 тыс. тонн отходов бурения, так, только на территории Западной Сибири ежегодно складируются миллионы тонн буровых шламов.

Резолюцией 42/186-187 Генеральной ассамблеи ООН и решением Всемирной комиссии по окружающей среде и развитию декларируется «...правительства, компании, предприятия, частные лица должны способствовать сокращению отрицательных воздействий на природную среду причиняемых потенциально вредными веществами,... продолжать разработку и внедрение в практику критериев и процедур для количественного определения, мониторинга и оценки ущерба наносимого окружающей среде и здоровью человека». В этой связи возникает необходимость разработки новых методических подходов к оценке экологической опасности и мониторингу состояния техногенных массивов, формирующихся при складировании отходов бурения.

Проблемы оценки негативного воздействия отходов производства нашли отражение в трудах ученых разных стран (Га-вич И.Н., Гольцова Н.И., Демин A.M., Кехлинг Р., Мироненко В.А.,

Моторина Л.В., ПевзнерМ.Е., Плотников Н.И., Рязанов Я.А., Фишер В., Шеф Х.Ю., Шуберт Р., Ягафарова).

Несмотря на значительные объемы заскладированных на территории Российской Федерации отходов бурения до сих пор не разработано однозначной процедуры ранжирования буровых шла-мов по классам опасности. До настоящего времени отнесение отходов бурения к определённому классу опасности было крайне трудоемким и малодостоверным, в ряде случаев оно осуществлялось методом биотестирования, без определения химического состава и оценки его трансформации во времени и теле техногенного массива, а также без изучения особенностей складирования (захоронения), что обусловливает необходимость разработки и внедрения новой методики оценки состояния отходов бурения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Оценка экологической опасности и токсичности отходов бурения.

ИДЕЯ РАБОТЫ: Оценка экологической опасности отходов бурения должна производиться путем проведения мониторинга состояния отходов комплексом современных аналитических методов (рентгенофлуоресцентная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП), порошковая дифрактометрия, электронная микроскопия), который обеспечит достоверный прогноз развития экологической ситуации.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

• оценка современного состояния ландшафтно-экологической ситуации в целом по исследуемым территориям, выявление локальных участков с проявлениями опасных природных и техногенных процессов;

• полевые эколого-геохимические исследования почв, донных отложений, геоботанические исследования, инженерно-геологическое обследование территорий в районе складирования отходов бурения;

• изучение миграции загрязняющих веществ с территорий хранилищ отходов бурения;

• определение содержания и миграционной способности токсичных элементов в буровых шламах;

• создание методики оценки экологической опасности отходов бурения для экономически целесообразного и безопасного складирования отходов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

• на основе результатов, полученных аналитическими методами, с учетом специализации бурения и ландшафтно-геохимических условий территории исследуемого региона выявлены зависимости трансформации компонентов природной среды в зонах воздействия техногенной нагрузки шламовых амбаров от химического состава отходов, способа складирования, миграционной способности токсичных элементов;

• разработаны методические принципы оценки экологической опасности отходов бурения, основанные на определении состава (гранулометрического, химического, минерально-фазового) и миграционной способности токсичных элементов методами рентге-нофлуоресцентной спектрометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП, порошковой дифрактометрии и электронной микроскопии, позволяющие создать методику определения класса опасности отходов, обеспечивающую рациональный подход к выбору сре-дозащитных мероприятий.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Формирование структуры атмо-, лито-, гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения различной контрастности в районах складирования отходов бурения следует определять способом их образования, количеством и свойствами заскладированных отходов, уровнем природной и технической защищенности компонентов окружающей среды.

2. Оценка риска негативного воздействия отходов бурения должна производиться, исходя из технологий образования и складирования, срока хранения отходов, значений концентраций токсичных элементов в отходах и их миграционной способности.

3. Ранжирование отходов бурения по степени экологической опасности необходимо выполнять по результатам комплексного исследования отходов современными аналитическими методами с сепарацией на фракции, путем исследования отдельных фракций мето-

дами рентгенофлуоресцентной спектрометрии (с точностью до 10"4 вес.%), атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП (с точностью до 10"6 вес.%), порошковой дифрактометрии, оптической и электронной микроскопии.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В качестве основных методов исследований применялись:

• системный анализ источников и факторов техногенного воздействия хранилищ отходов бурения на компоненты природной среды;

• аналитические, ландшафтно-геохимические, геоботанические, экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях;

• системный анализ промышленных методов обезвреживания отходов бурения;

• методы математической статистики, аналогового и численного моделирования;

• современные высокоточные методы анализа.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечена использованием значительного объема исходных материалов и применением современных методов анализа, сходимостью аналитических и экспериментальных результатов с исследованиями других авторов. Полученные результаты подтверждены комплексом лабораторных и натурных экспериментов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

• выполнена оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды в районах расположения производственных объектов ООО «РН-Юганскнефтегаз»,

• разработаны методические основы мониторинга состояния отходов бурения на основе исследования современными аналитическими методами.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА работы заключается в постановке цели, задач и разработке методологии исследования, в личном участии в проведении основной части комплекса исследований; в

изучении техногенного воздействия шламовых амбаров; в разработке методики мониторинга состояния отходов бурения комплексом современных аналитических методов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ:

• разработанная методика оценки состояния отходов бурения предложена к реализации на производственных объектах предприятий ТЭК;

• научные и практические результаты работы используются в учебном процессе СПГГИ (ТУ) при подготовке специалистов горногеологического профиля, в частности, при проведении занятий по дисциплинам: «Экология», «Геохимия окружающей среды», «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2006г.), всероссийской студенческой научно-технической школы-конференции «Инженерные науки - защите окружающей среды» (Тула, 2006г.), молодежной научной конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России» (Петрозаводск, 2006г.), ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2007-2009гг.).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме работы опубликовано 30 печатных трудов.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 167 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 127 наименований.

Автор искренне благодарен проф. М.А.Пашкевич за научное руководство работой, проф]Ю.Ц.Шувалов}] за ценные научные консультации, сотрудникам Отдела аналитических исследований ЦКП

СПГГИ(ТУ) и доц. И.Б. Мовчану за научные консультации и содействие при проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Формирование структуры атмо-, лито-, гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения различной контрастности в районах складирования отходов бурения следует определять способом их образования, количеством и свойствами засклади-рованных отходов, уровнем природной и технической защищенности компонентов окружающей среды.

При строительстве и эксплуатации скважин наибольшую опасность для объектов природной среды представляют производст-вейно-технологические отходы бурения, которые накапливаются и хранятся непосредственно на территории буровой. В своем составе они содержат широкий спектр загрязнителей минеральной и органической природы, представленных выбуренными породами и химическими реагентами, используемыми для приготовления и обработки буровых растворов.

Геоэкологические исследования проводились на различных объектах - скважинах, пройденных в различных горно-геологических условиях, с применением различных технологий складирования.

Проведение комплексных инженерно-экологических исследований районов расположения техногенных массивов, сформированных отходами бурения (опробование, химический анализ заскладиро-ванных отходов, почв, дренажных и подземных вод, атмосферного воздуха, растительности), позволило оценить распределение загрязняющих компонентов в плане и в разрезе для различных сред и установить закономерности формирования ореолов и потоков загрязнения.

Исследование процессов трансформации почв на территории складирования отходов бурения позволило выявить структуру техногенных литохимических ореолов, контрастных по цинку, никелю, железу и меди и установить, что спектр и содержание загрязняющих компонентов определяются технологическими особенностями складирования отходов бурения.

По результатам опробования атмосферного воздуха и почвен-но-растительного покрова в зоне техногенного воздействия хранилищ

были определены границы атмохимических и литохимических ореолов загрязнения, формирующихся в результате пылесдувания тонкодисперсных частиц с поверхности массивов. Установлено, что в радиусе 0,5-2,8 км от границы хранилищ происходит превышение фоновых содержаний цинка (до 80 мг/кг сухой почвы), никеля (до 45 мг/кг сухой почвы) и меди (до 60 мг/кг сухой почвы) в почве, приводящее к более чем двукратному снижению продуктивности и потере качества лесохозяйственной продукции (рис. 1).

Проведение гидрохимического опробования и анализа проб дренажных и подземных вод показало, что вследствие низкой изоляции горизонта грунтовых вод, происходит их метаморфизация в направлении формирования хлоридных вод с минерализацией до 2,5 г/л, обогащенных металлами: железом (до 40 мг/л), медыо (до 3,8 мг/л), никелем (до 1,9 мг/л), свинцом (до 0,7 мг/л) и образование гидрохимического ореола загрязнения на территории более 20 га. Формирование техногенного ореола в грунтовых водах связано с инфильтрацией подкисленных атмосферных осадков и талых вод, вымывающих из заскладированных отходов загрязняющие компоненты, а также попаданием компонентов буровых растворов и высокоминерализованных пластовых.

В результате проведения режимных наблюдений за составом и уровнем подземных вод было установлено, что удельное количество поступающих в водоносный горизонт дренажных вод определяется разностью между среднегодовым количеством осадков и испарением, степенью естественной и технической защищенности водоносного горизонта от загрязнения.

Под естественной защищенностью подземных вод от загрязнения понимается степень перекрытости водоносных горизонтов отложениями, прежде всего слабопроницаемыми, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли. Оценка степени защищенности дается на основе учета мощности зоны аэрации, ее строения, вещественного состава и фильтрационных свойств.

Под технической защищенностью подземных вод от загрязнения понимается степень изоляции техногенных массивов от подземных вод специальными дренажно-защитными сооружениями.

Степень природной защищенности на территориях болоти-

стых ландшафтов приравнивается нулю из-за приповерхностного расположения подземных вод. При этом низкая степень технической защищенности объясняется отсутствием качественной гидроизоляции хранилищ отходов бурения.

Анализ метаморфизации состава приповерхностных отложений, природных вод, атмосферного воздуха позволил выявить свойства заскладированных отходов, определяющие процессы формирования ореолов и потоков загрязнения в районах воздействия техногенных массивов: физические (агрегатное состояние, крупность, плотность, летучесть, вязкость, сорбционная способность, способность к ионному обмену); химические (содержание в отходах загрязняющих веществ, валентность, строение электронной оболочки, потенциал ионизации основных загрязнителей, растворимость, реактивность с водой, почвой, фунтами, устойчивость, способность к деградации (биологической или химической), особенности поведения в различных кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условиях); токсикологические и гигиенические (токсичность, канцероген-ность, запах, цвет, биоаккумуляция, синергичность).

2. Оценка риска негативного воздействия отходов бурения должна производиться, исходя из технологий образования и складирования, срока хранения отходов, значений концентраций токсичных элементов в отходах н их миграционной способности.

Складирование отходов в зависимости от технологии бурения скважин производится амбарным и безамбарным способом, причем в обоих случаях отходы бурения размещаются на территории кустовых площадок. Амбарная технология бурения предполагает временное накопление в шламовых амбарах бурового шлама (выбуренной породы, пропитанной буровым раствором), буровых сточных вод, бурового раствора, и других технологических жидкостей, а безамбарная - исключительно бурового шлама, при этом буровые сточные воды осветляются и утилизируются.

В настоящее время при оценке экологической опасности бурового шлама основное значение имеет валовое содержание минеральных компонентов без учета миграционной способности поллю-тантов присутствующих в шламе. Тем не менее, проведенные иссле-

дования показали, что наиболее опасными являются подвижные формы химических соединений, которые определяют степень токсичности и опасности бурового шлама.

Свойства образующегося бурового шлама обусловлены минеральным составом выбуренной породы, пластовых флюидов и остатками бурового раствора. Основной причиной загрязнения природных вод в зоне воздействия заскладированных буровых шламов является десорбция с поверхности частиц шлама химических реагентов, используемых для обработки буровых растворов.

С целью оценки риска негативного воздействия заскладированных отходов бурения были проведены исследования состояния отходов, образующихся при различных технологиях бурения, а также отличающихся по возрасту.

Были проведены исследования отходов бурения 13 шламовых амбаров, из них: 6 относились к амбарной технологии, 7 - безамбарной. Средние значения концентраций основных загрязняющих компонентов в шламах представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Средние значения концентраций загрязняющих компо-

Загрязняющий компонет С1 Ъл Мп Сг № РЬ Си

амбарная технология 158,1 83,3 367,3 63,5 25,0 50,8 25,5

безамбарная технология 30,1 34,6 241,9 20,4 11,3 46,6 9,6

Проведенные исследования показали, что в буровых шламах, относящихся к безамбарной технологии содержания загрязняющих компонентов в 1,5-4 раза ниже, чем в шламах, образующихся при амбарной технологии складирования.

В табл. 2 представлены результаты исследования содержания подвижных форм тяжелых металлов в буровых шламах с возрастом 1, 5, 10, 15 лет амбарной технологии бурения. Разница в содержаниях загрязняющих компонентов в буровых шламах различного возраста свидетельствует о вымывании из шлама подвижных форм металлов. Приведенные результаты показали, что за десятилетний период концентрации подвижных форм приведенных ниже поллютантов снизи-

лись на 1-3 порядка, что обусловливает высокую опасность отходов бурения.

Таким образом, подтверждается, что буровой шлам является источником формирования контрастных по содержанию тяжелых металлов литохимических и гидрогеохимических ореолов загрязнения.

Таблица 2 - Отношение концентрации подв. форм металлов в образ__цах к ПДКр/х ______

Возраст бурового шлама 1 5 10 15

Кобальт 1139 478 12 5

Свинец 13219 1629 75 10

Кадмий 2175 197 11 1

Марганец 59862 19378 575 197

Никель 5762 1489 58 12

Хром 5862 965 119 23

Цинк 7639 4982 82 46

Медь 59672 9679 57 9

3. Ранжирование отходов бурения по степени экологической опасности необходимо выполнять по результатам комплексного исследования отходов современными аналитическими методами путем сепарации на фракции, исследования отдельных фракций методами реитгенофлуоресцентной спектрометрии (с точностью до 1С4 вес.%), атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП (с точностью до 10"4 вес.%), порошковой ди-фрактометрии, оптической и электронной микроскопии.

Для определения экологической опасности отходов бурения проводились исследования образцов бурового шлама, отобранных с различной глубины бурения скважины. При этом проектом на проведение буровых работ предусмотрено безамбарное складирование бурового шлама. Мониторинг состояния отходов бурения комплексным аналитическим методом основывался на системном подходе к изучению химического состава отходов бурения и их структурно-химических особенностей с использованием рентгенофлуоресцент-ного метода анализа, атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, рентгеновской дифрактометрии, оптической, и растровой электронной микроскопии.

Исследования образцов бурового шлама комплексным аналитическим методом необходимо проводить в пять этапов:

I этап - определение валового химического состава буровых шламов;

II этап -определение валового минерального состава буровых шламов;

III этап -определение минерального состава отдельных фракций буровых шламов;

IV этап - исследование буровых шламов методами оптической микроскопии и растровой электронной микроскопии;

V этап - определение содержания подвижных форм химических элементов в буровых шламах.

На первом этапе для определения валового химического состава отходов бурения проводился рентгенофлуоресцентный анализ. Для этого образцы проб высушивались в сушильном шкафу и измельчались при помощи вибрационной мельницы до крупности 100 мкм. После этого измельченные образцы запрессовывались в таблетки массой 6 г. и исследовались с помощью волнового рентге-нофлуоресцентного спектрометра ХКР-1800.

На втором этапе с целью определения миграционной способности поллютантов определялся минеральный состав отходов бурения. Для этого высушенные образцы бурового шлама диагностировались с помощью рентгеновского порошкового дифрактомет-ра Х1Ш-7000.

На третьем этапе для выявления содержания примесных минералов необходимо произвести сепарацию минералов и проанализировать отдельные фракции с помощью рентгеновского порошкового дифрактометра. В результате сепарации выделяются следующие фракции:

- пыль отмучивания (после взмучивания образца бурового шлама в воде),

легкая фракция, плотностью < 2,88 г/см3 (после отстаивания пробы бурового шлама в растворе бромоформа), тяжелая фракция, плотностью > 2,88 г/см3 (после отстаивания пробы бурового шлама в растворе бромоформа).

На четвертом этапе проводилось диагностирование отходов бурения методами оптической и электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Пыль отмучивания запрессовывалась в эпоксидную смолу и исследовалась на инвертированном материало-ведческом микроскопе GX71 в режиме проходящего света. Для исследования методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа запрессованная шашка напылялась проводящей пленкой, после чего исследовалась на растровом электронном микроскопе JSM-6460LV.

На пятом этапе для определения количества подвижной формы тяжелых металлов пробы бурового шлама анализировались методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Для этого готовился ацетатно-аммонийный экстракт (рН=4,8) проб бурового шлама, который исследовался с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000.

В связи с тем, что геологический разрез представлен, в основном глинами и песчаниками, принципиальное отличие в химическом составе отходов бурения обусловлено рецептурой бурового раствора, которая подбирается для разных интервалов бурения.

Результаты, полученные на первом этапе исследований, позволили оценить содержание загрязняющих компонентов в буровом шламе. При этом находились отношения концентраций элементов к фоновым значениям концентраций в почве, а также к предельно-допустимым концентрациям для почвы (табл. 3). Анализ результатов показал, что в обоих случаях (буровой шлам с рецептурой бурового раствора №1 и №2) концентрации загрязняющих веществ многократно превышают фоновые концентрации и ПДК.

Анализ дифракгограмм показал, что основную часть проб составляют кварц и полевой шпат. В меньшей степени присутствуют слоистые алюмосиликаты, кальцит и сильвин.

Повторный анализ образцов по отдельным фракциям показал, что легкая фракция представлена кварцем и полевым шпатом, а незначительная по количеству тяжелая фракция - металлической стружкой и небольшим количеством сидерита, и не представляют высокой экологической опасности для природной среды.

Таблица 3 - Отношение концентраций загрязняющих компонентов к

фоновым концентрациям в почве (С/Сфо„) и к ПДК для почвы _(С/ПДК)_

Поллгатант Проба бурового шлама с рецептурой бурового раствора №1 Проба бурового шлама с рецептурой бурового раствора №2

С/СА„Н С/ПДК С/С А„„ С/ПДК

Хлориды 185,00 102,78 75,50 41,94

Сульфаты 11,00 3,44 91,80 28,69

Магний 235,98 - 76,38

Кальций 236,40 - 2460,00

Натрий 118,80 - 79,20 .

Калий 2780,70 198,06 2297,10 163,61

Цинк 3,96 5,22 1,42 1,87

Никель 7,02 19,50 4,41 12,25

Свинец 17,70 1,50 21,24 1,80

Кадмий 16,00 16,00 18,00 18,00

Хром 5,10 3400,00 2,82 1880,00

Железо 4,63 . 0,43 .

Медь 9,79 29,67 2,97 9,00

Исследования пыли отмучивания с помощью оптического и растрового электронного микроскопов выявили микронеоднородность образцов и присутствие в пробах микровключений пирита и титаномагнетита (рис. 2-3).

Исследование проб шламов методами дифрактометрии и электронной микроскопии показало, что в минеральной части практически отсутствуют тяжелые металлы. Тем не менее, в ацетатно-аммонийных вытяжках из отходов и в дренажных водах хранилищ фиксируются значительно превышающие нормативы значения концентрации таких тяжелых металлов как цинк, свинец, медь, хром.

Таким образом, можно сделать вывод, что токсичные элементы сорбируются на поверхности частиц бурового шлама, после чего мигрируют в кислой обстановке в форме хлоридов.

Исследования образцов отходов бурения методом атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП показали превышение содержания тяжелых металлов в десятки - тысячи раз по сравнению с ПДК, что доказывает их высокую экологическую опасность (табл. 4).

Таблица 4 - Отношение концентраций подвижных форм металлов к ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения

Поллютант Проба бурового шлама с рецептурой бурового раствора № 1 Проба бурового шлама с рецептурой бурового раствора № 2

Марганец 4500,0 5000,0

Цинк 1000,0 800,0

Никель 17,0 19,0

Свинец 200,0 167,0

Медь 25000,0 20000,0

Хром 35,0 45,0

Молибден 0,5 2,8

По результатам проведенных исследований предлагается следующий порядок ранжирования отходов бурения по степени экологической опасности по коэффициенту суммарного загрязнения ■V С

= дда- ' ГДе содеРжание подвижной формы химических

элементов, мг/л; ПДК-, - предельно-допустимая концентрация химических элементов для водоемов рыбохозяйственного назначения, мг/л:

• высокой опасности - > п • 104;

• средней опасности - = п ■ (102 -104);

• умеренной опасности - К у = п • (1 -102).

Комплексный аналитический подход к исследованию отходов бурения методами ренггенофлуоресцентной спектрометрии, рентгеновской дифрактометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП, оптической и электронной микроскопии, позволяет достоверно оценить экологическую опасность отходов бурения путем определения типа нахождения токсичных элементов в отходах, их содержаний и миграционной способности. Использование результатов мониторинга отходов в качестве основы при разработке комплекса технологических мероприятий позволит минимизировать негативное влияние отходов путем целенаправленного выбора комплекса мероприятий по их складированию, утилизации и рекультивации территорий шламовых амбаров в соответствии с определяемым классом опасности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной научно-производственной задачи - мониторинга состояния отходов бурения комплексным аналитическим методом.

1. Установлены закономерности формирования атмо-, лито- и гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения на основе многолетних натурных наблюдений за состоянием компонентов природной среды в районе складирования отходов бурения

2. Выявлены зависимости трансформации компонентов природной среды в зонах воздействия техногенной нагрузки шламовых амбаров в зависимости от химического состава отходов, способа складирования, миграционной способности токсичных элементов на основе результатов анализов аналитическими методами с учетом специализации бурения и ландшафтно-геохимических условий территории исследуемого региона.

3. На основании проведенного комплекса исследований состояния компонентов природной среды в зонах складирования отходов бурения определен спектр загрязняющих среду веществ в зависимости от способов формирования отходов бурения.

4. Разработана методика оценки состояния отходов бурения с применением комплекса современных аналитических методов (рентгенофлуоресцентной спектрометрии, атомно-эмиссионной

спектрометрии с ИСП, порошковой дифрактометрии, оптической и электронной микроскопии), что позволяет обоснованно подходить к выбору средозащитных мероприятий по снижению негативного влияния шламовых амбаров на окружающую среду.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В 30 РАБОТАХ, в том числе:

1. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Оценка техногенных изменений компонентов природной среды в зоне негативного воздействия нефтепромыслов»// Известия Тульского государственного университета, Серия «Экология и рациональное природопользование», Выпуск 1. Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. Э.М. Соколова,- Издательство ТулГУ, Москва - Тула 2006, с. 111-118.

2. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Исследование трансформации фунтовых вод в зоне воздействия нефтепромыслов»// Записки Горного Института, том 170, часть 1, Санкт-Петербург, 2007г., - с 111-113.

3. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) Оценка и снижение техногенной нагрузки в зоне влияния нефтепромыслов ООО «РН-Юганскнефтегаз»// Записки Горного Института, том 174, Санкт-Петербург, 2008г.,-с 229232.

4. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Общие задачи и методическая основа комплексных экологических исследований природной среды на территориях нефтепромыслов»// Сборник тезисов докладов Ш-ей Межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Молодые - наукам о Земле» - Москва, 2006г., - с. 220.

5. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Оценка площади нефтяных техногенных ореолов»// Сборник статей по итогам Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов. - Новочеркасск, 2005 г., с. -38-40.

6. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Оценка площади нефтяных техногенных ореолов»//Кожевникова М.В., Пашкевич М.А./ Сборник тезисов Второй Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Современные проблемы экологии и безопасности». Тула, 2006г., - с. 3133.

7. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Мониторинг образования и разработка методов утилизации бурового шлама»// Сборник тезисов XVII молодежной научной конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России». Петрозаводск, 2006г., - с. 27-28.

Е

В

а о о № !а О т.

1Ч<-

ш \\ § / ^

-I в

Рис. 1. Вторичные литохимические ореолы загрязнения Zи, М, Си (куст № 201 Приобского месторождения).

г

j

металлографическом микроскопе. Размеры частиц - 20 мкм-1мм (видна микронеоднородность частиц).

1mm 1 Electron Image 1

Рис. 3. Пыль отмучивания. Фотография сделана на растровом электронном микроскопе в режиме композиционного контраста (Spectrum 1, 4 - сидерит, Spectrum 2, 3, б-кальцит, Spectrum 5, 7, 9, I 10, 12 - алюмосиликат, Spectrum 8, 11 - кварц).

Рис. 2. Пыль отмучивания. Фотография сделана на

8. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Общие задачи и методическая основа комплексных экологических исследований природной среды на территории нефтепромыслов»// Сборник материалов V Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» - Пенза, 2005 г., - с. 136-138.

9. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Техногенные изменения компонентов природной среды в зоне негативного воздействия нефтепромыслов»// Материалы Международной научно-практической конференции «Южная Якутия - новый этап индустриального развития», Нерюнгри, Республика Саха (Якутия), 2007 г., - с. 42-45.

10. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Создание рациональной системы мониторинга грунтовых вод в зоне влияния нефтепромыслов»// Материалы Одиннадцатой международного научного симпозиума М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», Томск, 2007г., - с. 203-204.

11. Кожевникова М.В. (Гвоздецкая М.В.) «Мониторинг и оценка состояния грунтовых вод в зоне влияния нефтепромыслов» /Кожевникова М.В., Куликова М.А.// Сборник тезисов докладов Ш-ей Межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Молодые - наукам о Земле». Москва, 2006г.,- с.221.

12. Гвоздецкая М.В. Оценка состояния компонентов природной среды в зонах хранения отходов бурения/Гвоздецкая М.В., Исаков А.Е.// Материалы международной конференции МК-15-49, Пенза, 2009,- с.67-69.

РИЦ СПГГИ. 22.03.2010. 3.134. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гвоздецкая, Мария Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.СОВРОЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОГЕНЕНЗА ПРИ

БУРЕНИИ СКВАЖИН

1.1. Общие сведения

1.2. Источники и состав поступающих в природную среду загрязняющих веществ при бурении скважин

1.3. Обращение с отходами бурения при строительстве и эксплуатации скважин

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ НА ПРИРОДНУЮ СРЕДУ

2.1. Общие характеристики буровых отходов

2.2. Свойства и экологическая опасность буровых растворов

2.3. Влияние буровых растворов на водные экосистемы

2.4. Оценка риска негативного воздействия отходов бурения

ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ХРАНИЛИЩ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ

3.1. Общие задачи и методическая основа комплексных экологических исследований

3.2. Воздействие техногенных массивов на поверхностные воды и донные отложения

3.3. Характеристика почв

3.4. Растительность

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ОТХОДОВ

БУРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫМ АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

4.1. Методическая основа комплексного аналитического метода

4.2. Исследование образцов бурового шлама комплексным аналитическим методом

4.3. Ранжирование отходов бурения и техногенных массивов по степени экологической опасности 144 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156 Список используемой температуры

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Комплексный аналитический метод мониторинга состояния отходов бурения"

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В настоящее время наблюдается ежегодный рост объемов бурения, причем значительная часть скважин проходится в экологически уязвимых регионах с крайне неблагоприятными природно-климатическими и почвенно-ландшафтными условиями, характеризующимися ограниченной способностью самоочищения и слабыми защитными функциями.

Отличительными особенностями воздействия процессов бурения являются высокая интенсивность и кратковременность формирования значительных техногенных нагрузок на объекты гидро- и литосферы, которые нередко превышают пороговые нагрузки и тем самым приводят к негативным последствиям.

Наиболее интенсивной техногенной нагрузке подвержены компоненты природной среды на территориях складирования отходов бурения. Отсутствие современных технологий ликвидации и обезвреживания отходов превратило значительное число хранилищ из средозащитного средства в угрозу крупномасштабного загрязнения компонентов природной среды (почв, подземных и поверхностных вод, атмосферы). На одну скважину в среднем приходится около 3 тыс. тонн отходов бурения, так, только на территории Западной Сибири ежегодно складируются миллионы тонн буровых шламов.

Резолюцией 42/186-187 Генеральной ассамблеи ООН и решением Всемирной комиссии по окружающей среде и развитию декларируется «.правительства, компании, предприятия, частные лица должны способствовать сокращению отрицательных воздействий на природную среду причиняемых потенциально вредными веществами,.продолжать разработку и внедрение в практику критериев и процедур для количественного определения, мониторинга и оценки ущерба наносимого окружающей среде и здоровью человека». В этой связи возникает необходимость разработки новых методических подходов к оценке экологической опасности и мониторингу состояния техногенных массивов, формирующихся при складировании отходов бурения.

Проблемы оценки негативного воздействия отходов производства нашли отражение в трудах ученых разных стран (Гавич И.Н., Гольцова Н.И., Демин A.M., Мироненко В.А., Моторина JI.B., Певзнер М.Е., Плотников Н.И., Рязанов Я.А., Фишер В., Шеф Х.Ю., Шуберт Р., Ягафарова А.Г.).

Несмотря на значительные объемы заскладированных на территории Российской Федерации отходов бурения до сих пор не разработано однозначной процедуры ранжирования буровых шламов по классам опасности. До настоящего времени отнесение отходов бурения к определённому классу опасности было крайне трудоемким и малодостоверным, в ряде случаев оно осуществлялось методом биотестирования, без определения химического состава и оценки его трансформации во времени и теле техногенного массива, а также без изучения особенностей складирования (захоронения), что обусловливает необходимость разработки и внедрения новой методики оценки состояния отходов бурения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Оценка экологической опасности и токсичности отходов бурения.

ИДЕЯ РАБОТЫ: Оценка экологической опасности отходов бурения должна производиться путем проведения мониторинга состояния отходов комплексом современных аналитических методов (рентгенофлуоресцентная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП), порошковая дифрактометрия, электронная микроскопия), который обеспечит достоверный прогноз развития экологической ситуации.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

• оценка современного состояния ландшафтно-экологической ситуации в целом по исследуемым территориям, выявление локальных участков с проявлениями опасных природных и техногенных процессов;

• полевые эколого-геохимические исследования почв, донных отложений, геоботанические исследования, инженерно-геологическое обследование территорий в районе складирования отходов бурения;

• изучение миграции загрязняющих веществ с территорий хранилищ отходов бурения;

• определение содержания и миграционной способности токсичных элементов в буровых шламах;

• создание методики оценки экологической опасности отходов бурения для экономически целесообразного и безопасного складирования отходов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

• на основе результатов, полученных аналитическими методами, с учетом специализации бурения и ландшафтно-геохимических условий территории исследуемого региона выявлены зависимости трансформации компонентов природной среды в зонах воздействия техногенной нагрузки шламовых амбаров от химического состава отходов, способа складирования, миграционной способности токсичных элементов;

• разработаны методические принципы оценки экологической опасности отходов бурения, основанные на определении состава (гранулометрического, химического, минерально-фазового) и миграционной способности токсичных элементов методами рентгенофлуоресцентной спектрометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП, порошковой дифрактометрии и электронной микроскопии, позволяющие создать методику определения класса опасности отходов, обеспечивающую рациональный подход к выбору средозащитных мероприятий.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: 1. Формирование структуры атмо-, лито-, гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения различной контрастности в районах складирования отходов бурения следует определять способом их образования, количеством и свойствами заскладированных отходов, уровнем природной и технической защищенности компонентов окружающей среды.

2. Оценка риска негативного воздействия отходов бурения должна производиться, исходя из технологий образования и складирования, срока хранения отходов, значений концентраций токсичных элементов в отходах и их миграционной способности.

3.Ранжирование отходов бурения по степени экологической опасности необходимо выполнять по результатам комплексного исследования отходов современными аналитическими методами с сепарацией на фракции, путем исследования отдельных фракций методами рентгенофлуоресцентной спектрометрии (с точностью до 10"4 вес.%), атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП (с точностью до 10~6 вес.%), порошковой дифрактометрии, оптической и электронной микроскопии.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В качестве основных методов исследований применялись:

• системный анализ источников и факторов техногенного воздействия хранилищ отходов бурения на компоненты природной среды;

• аналитические, ландшафтно-геохимические, геоботанические, экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях;

• системный анализ промышленных методов обезвреживания отходов бурения;

• методы математической статистики, аналогового и численного моделирования;

• современные высокоточные методы анализа.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечена использованием значительного объема исходных материалов и применением современных методов анализа, сходимостью аналитических и экспериментальных результатов с исследованиями других авторов. Полученные результаты подтверждены комплексом лабораторных и натурных экспериментов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

• выполнена оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды в районах расположения производственных объектов ООО «РН-Юганскнефтегаз»,

• разработаны методические основы мониторинга состояния отходов бурения на основе исследования современными аналитическими методами.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА работы заключается в постановке цели, задач и разработке методологии исследования, в личном участии в проведении основной части комплекса исследований; в изучении техногенного воздействия шламовых амбаров; в разработке методики мониторинга состояния отходов бурения комплексом современных аналитических методов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ:

• разработанная методика оценки состояния отходов бурения предложена к реализации на производственных объектах предприятий ТЭК;

• научные и практические результаты работы используются в учебном процессе СПГГИ (ТУ) при подготовке специалистов горно-геологического профиля, в частности, при проведении занятий по дисциплинам: «Экология», «Геохимия окружающей среды», «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2006г.), всероссийской студенческой научно-технической школы-конференции «Инженерные науки - защите окружающей среды» (Тула, 2006г.), молодежной научной конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России» (Петрозаводск, 2006г.), ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2007-2009гг.).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме работы опубликовано 30 печатных трудов. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 167 страниц машинописного текста, 41 рисунков, 35 таблиц и список литературы из 127 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Гвоздецкая, Мария Викторовна

Выводы к главе 4

1. Результаты аналитических исследований показали, что, несмотря на использование буровых растворов 3 класса опасности (умеренно опасные), буровые шламы при этом обладают высокой экологической опасностью (Kz >п-104).

2. Комплексный аналитический подход к исследованию отходов бурения методами рентгенофлуоресцентной спектрометрии, рентгеновской дифрактометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП, оптической и электронной микроскопии, позволяет достоверно оценить экологическую опасность отходов бурения путем определения типа нахождения токсичных элементов в отходах, их содержаний и миграционной способности.

3. Использование результатов мониторинга отходов в качестве основы при разработке комплекса технологических мероприятий позволит минимизировать негативное влияние отходов путем целенаправленного выбора комплекса мероприятий по их складированию, утилизации и рекультивации территорий шламовых амбаров в соответствии с определяемой степенью опасности.

156