Комплексная эколого-геохимическая оценка бурового шлама нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей

Актуальность работы. Добыча и извлечение полезных ископаемых приводит к
преобразованию литосферы и геохимическому изменению ландшафтов. Потенциальная
экологическая опасность от строительства и разработки нефтегазовых скважин подчекривается
в работах ряда авторов (Neff, 2000, 2005; Московченко и др., 2002; Breuer et al., 2004; Абалаков,
2007; Соромотин, 2010; Пашкевич и др., 2013; Пичугин, 2015; Авдеева и др., 2016).
Бурение поисково-разведочных и эксплуатационных скважин сопровождается
образованием отхода – бурового шлама, объем которого прямо пропорционально зависит от
объема бурения. Буровой шлам представляет собой измельченную выбуренную горную породу
с остатками бурового раствора, его эколого-токсикологические характеристики зависят от
токсичных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, нефтепродуктов, радионуклидов, солей).
В основном, буровой шлам складируется в шламовых амбарах, в специализированных
объектах, предназначенных для складирования и изоляции отходов, образующихся при бурении
скважин, для предупреждения загрязнения окружающей среды потенциально опасными его
компонентами (Федеральный закон от 24.06.1998 N 89-ФЗ «Об отходах производства и
потребления»; письмо Минприроды России от 09.04.2012 г. N 05-12-44/5185 «Об отнесении
шламовых амбаров к объектам размещения отходов»). Шламовый амбар, как объект размещения
отходов, в обязательном порядке вносится в государственный реестр объектов размещения
отходов (№89-ФЗ от 24.06.1998). На территории шламовых амбарах, должен проводиться
мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды (ГОСТа Р 56060-2014), а разработанная
проектная документация на подобный объект подлежит государственной экологической
экспертизе федерального уровня (п. 7.2 ст. 11 Федерального закона от 23.11.95 N 174-ФЗ «Об
экологической экспертизе»).
После естественного или принудительного осаждения, буровые сточные воды
откачиваются, а буровой шлам захоранивается в амбаре. Такие мероприятия по обращению с
буровыми шламами и рекультивации земель, вышедших из-под шламовых амбаров, определены
имеющими согласование и утверждение уполномоченными природоохранными органами
руководящими документами (РД 39-133-94, РД 51-1-96).
Площадь складирования отходов, образованных в процессе бурения, а также
компоненты природной среды, взаимодействующие на данной территорией, наиболее
подвержены техногенной нагрузке.
Число пробуренных скважин для добычи углеводородного сырья увеличивается с
каждым годом. Их большая часть находится в районах с неблагоприятными природно-
климатическими и почвенно-ландшафтными условиями (Некрасова, 2003; Пашкевич и др., 2013).
Так, согласно годовому отчету по устойчивому развитию ПАО «НК «Роснефть» количество
образованного бурового шлама в 2018 г. составило 5491 тыс. тонн, что на 19,3 % выше, чем в
2017 г.
В 2017 году на территории Российской Федерации количество нефтяных
эксплуатационных скважин составило 8184 единицы, с величиной проходки при бурении 27,6
млн. погонных метров, что соответствует средней глубине скважины 3372 м (Пичугин, 2019). На
практике объем двухсекционного шламового амбара составляет около 1700 м3 (Шарф и др.,
2014). Около 500 м3 отходов бурения приходится на скважину (Седых, 2001). Таким образом,
можно посчитать, что за 2017 год в России образовалось 4 млн. м3 бурового шлама, размещенного
в 2400 шламовых амбарах.
Современные способы обращения с отходами бурения, в основном, не учитывают
токсичность и состав бурового шлама, вследствие чего шламовые амбары и шламонакопители
превратились из средозащитных средств в угрозу загрязнения природной среды.
Оценка негативного воздействия бурового шлама также нашла отражение в трудах
российских ученых, таких как Пиковский Ю.И., Патин С.А., Хаустов А.П., Балаба В.И., Васильев
А.В., Пашкевич М.А. и т.д. Оценкой влияния бурового шлама на живые организмы и
определением классов опасности занимались Малышкин М.М., Крючков В.Н., Прокопенко П.А.
и т.д.
Вопрос экологических последствий загрязнения природной среды под воздействием
бурового шлама занимает ведущее место в гeoэкологии, в той ее части, которая касается методов
оценки экологического состояния биоресурсов, водных и геологических экосистем при
существующих способах нефтедобычи и способах обращения с отходами бурения.
Объект исследования: буровой шлам нефтяных и нефтегазоконденсатных
месторождений Томской и Иркутской областей.
Предмет исследования: химический и минералогический состав бурового шлама, а
также их токсичность.
Цель и задачи работы.
Целью представленной работы является комплексная эколого-геохимическая оценка
бурового шлама нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской
областей с целью безопасного захоронения или вторичного использования.
Задачи, решающиеся для достижения поставленной цели:
1. Установить особенности минерально-вещественного состава бурового шлама нефтяных и
нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей.
2. Выявить геохимические особенности бурового шлама нефтяных и нефтегазоконденсатных
месторождений Томской и Иркутской областей на основе изучения широкого спектра
химических элементов и с учетом классов опасности.
3. Выявить формы нахождения токсичных химических элементов в буровом шламе нефтяных
и нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей.
4. Провести комплексную сравнительную эколого-геохимическую оценку бурового шлама
нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей.
5. Разработать рациональный комплекс исследований для объективной экологической оценки
бурового шлама.
Фактический материал и методика исследования. Основу диссертационной работы
составил фактический материал, собранный и обработанный автором в период с 2015 по 2019 гг.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта компании BP Exploration
Operating Company Limited (2017-2018 гг.), а также при сотрудничестве с персоналом компании
ООО «Газпромнефть-Восток».
Всего отобрано 52 пробы бурового шлама со шламовых амбаров 9 нефтяных и
нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей. Почва (26 проб)
отбиралась в окрестностях шламовых амбаров месторождений Томской (Шингинское, Южно-
Шингинское) и Иркутской областей (Ярактинское). Жидкая фаза (5 проб) отбиралась из
шламовых амбаров Шингинского и Южно-Шингинского месторождений (Томская область).
Отобранные пробы анализировались методом масс-спектрометрии с индуктивно-
связанной плазмой в Химико-аналитическом центре «Плазма», г. Томск. Буровой шлам, почва и
жидкая фаза из шламовых амбаров были проанализированы на содержание нефтепродуктов
гравиметрическим методом (5 проб), методом ИК-спектрометрии (26 проб) и
флуориметрическим методом (9 проб) в лаборатории Областного комитета охраны окружающей
среды и природопользования г. Томска (далее ОГБУ «Облкомприрода»). Также в лаборатории
ОГБУ «Облкомприрода» определялся класс опасности буровых шламов с помощью
биотестирования на двух тест-объектах (Daphnia magna, Scenedesmus quadricauda). В
проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НИ ТПУ инженером Д. А.
Воробьевой проводилось биотестирование проб бурового шлама (4 пробы) на тест-объекте –
водоросль Chlorella vulgaris Beijer. Автором на базе отделения геологии Инженерной школы
природных ресурсов НИ ТПУ в период с 2016 по 2019 был поставлен эксперимент по
определению токсичности 14 проб бурового шлама на тест-объекте плодовой мушки Drosophila
melanogaster. Всего за время экспериментов просмотрено более 20000 мушек. Измерение
магнитной восприимчивости 13 проб бурового шлама было проведено каппаметром (Kappameter
Model KT-5). Методом рентгеновской дифрактометрии на дифрактометре Bruker D2 PHASER, а
также с применением растровой электронной сканирующей микроскопии на микроскопе Hitachi
S-3400N с ЭДС приставкой Bruker XFlash 4010 было изучено 23 пробы бурового шлама в
МИНОЦ «Урановая геология» Томского политехнического университета (ТПУ).
Аналитические исследования проводились в аккредитованных лабораториях по
аттестованным методикам. Статистическая обработка полученных данных осуществлялась с
использованием программ Microsoft Excel и Statistica.
Степень достоверности диссертационного исследования подтверждается достаточным
числом проб, изученных с помощью методов высокочувствительного анализа в аккредитованных
лабораториях. Достоверность кандидатской диссертации определяется высокой степенью
проработки фактического материала, в том числе с использованием современных методов
статистического анализа и изучения литературы с релевантной тематикой исследования.
Научная новизна исследования.
1. Установлены особенности минерально-вещественного состава бурового шлама с учетом
геологических условий формирования нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений
Томской и Иркутской областей.
2. Впервые выявлены геохимические особенности бурового шлама нефтяных и
нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей на основе изучения
широкого спектра химических элементов и с учетом классов опасности.
3. Впервые изучены формы нахождения токсичных химических элементов в буровом шламе
нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей.
4. Предложен рациональный комплекс исследований для экологической оценки бурового
шлама с применением методов каппаметрии и биотестирования на основе разных
систематических групп тест-объектов.
Практическая значимость. Примененная комплексная методика экологической оценки
бурового шлама может быть использована в производственном мониторинге, а также в работе
природоохранных служб предприятий нефтегазовой области в процессе проведения
производственного экологического контроля и расширения списка контролируемых веществ.
Комплексный подход в эколого-геохимической оценке бурового шлама позволит
проводить инвентаризацию шламовых амбаров и давать рекомендации по дальнейшему способу
обращения с данным видом отхода – утилизация, обезвреживание или захоронение отходов, с
последующей рекультивацией земель.
Материалы исследования используются при проведении лабораторных и практических
занятий по дисциплинам «Обращение с отходами» и «Минералогия техногенных образований»
для подготовки студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» на
отделении геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального
исследовательского Томского политехнического университета.
Основные защищаемые положения.
Положение 1. Минерально-вещественный состав бурового шлама нефтяных и
нефтегазоконденсатных месторождений Томской и Иркутской областей отражает
специфический вещественный состав и геологические условия формирования вмещающих и
перекрывающих отложений, при этом для Томской области характерны терригенные
коллекторы, а для Иркутской – карбонатные с соленосными отложениями.
Положение 2. Буровой шлам нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений
Томской и Иркутской областей характеризуется специфическими геохимическими
особенностями и формами нахождения токсичных химических элементов. Для всех шламов
типично повышенное содержание Pb, As, Zn, Mo и Ag. При этом для бурового шлама каждого
из месторождений характерен свой спектр элементов. Для Томской области характерны:
Первомайское – Pb, Sb, W, Zn, Ag; Шингинское – Pb, Sn, Ag, Sb, Cu; Южно-Шингинское – Pb,
Zn, Sb; Кулгинское – W, As, Sc, Mo, Ag; Южно-Черемшанское – As. Для месторождений
Иркутской области: Марковское – Se, Ag, As, Sc, Bi, Sr; Ярактинское – Se, Pb, Mo, Sb, As, Cu, Ag,
W, Zn, Mg.
Положение 3. Комплексная оценка экологической опасности бурового шлама нефтяных
и нефтегазоконденсатных месторождений базируется на использовании экспресс метода
каппаметрии для определения магнитной восприимчивости, расчета суммарного показателя
загрязнения на основе кларка концентрации, а также выявления биологического влияния на
живые организмы разных систематических групп тест-объектов для эффективного обращения с
отходами.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы представлены
на Всероссийских и Международных научных симпозиумах, конференциях и семинарах:
Международный научный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика
М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2015-2019 гг.); Международная
экологическая студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий»
(г. Новосибирск, 2017 г.), Международная школа-семинар для молодых исследователей
«Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах» (г. Тюмень, 2018 г.),
Всероссийская научная конференция «Геохимия ландшафтов» (г. Москва, 2016 г.). Доклады
были представлены на Международной практической конференции «Экологическая геология:
теория, практика и региональные проблемы» (г. Воронеж – Севастополь, 2017 г.), в
Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные вопросы
наук о земле в концепции устойчивого развития Беларуси и сопредельных государств»
(г. Гомель, 2018 г.), Научная конференция «Двадцатые Сергеевские чтения» (г. Москва, 2018 г.),
Международная научная конференция «Far East Con» (г. Владивосток, 2018 г.).
Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в 22 статьях и
тезисах докладов, из них 1 статья в российском издании, рекомендованном ВАК и 2 статьи в
индексируемых базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав,
заключения, списка литературы, изложенных на 206 страницах машинописного текста. Включает
76 рисунков, 52 таблицы. Список литературы содержит 225 источника, 27 из которых –
зарубежные.
Первая глава посвящена обзору научных работ по вопросу оценки экологической
опасности бурового шлама нефтяных и нефтегазоконденсатных месторождений и степени
изученности данной проблемы. Во второй главе дается природно-климатическая, геологическая
и геоэкологическая характеристика размещения объектов исследования. В третей главе описаны
методы исследования и виды анализов объектов исследования, указываются используемые
способы статистической обработки данных. В четвертой главе проводится описание
минералого-геохимической характеристики и токсичности бурового шлама нефтяных
месторождений Томской области. Пятая глава посвящена описанию минералого-
геохимической характеристики и токсичности бурового шлама нефтегазоконденсатных
месторождений Иркутской области. В шестой главе дан сравнительный анализ комплексной
эколого-геохимической оценки бурового шлама Томской и Иркутской областей. В заключении
представлены основные выводы исследования.
Личный вклад автора заключается в отборе проб бурового шлама со шламовых
амбаров нефтяных месторождений, пробоподготовке, проведении части лабораторных
исследований проб бурового шлама в лабораториях МИНОЦ «Урановая геология» (НИ ТПУ),
статистической обработке и интерпретации полученных результатов. Написание текста и
формулировка основных положений выполнялись автором по плану, согласованному с научным
руководителем.
Благодарности. Автор прежде всего выражает искреннюю признательность и
благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору отделения геологии
Язикову Егору Григорьевичу за помощь на всех этапах выполнения диссертации, к.г.-м.н.,
ведущему инженеру ООО «Газпромнефть – Восток» Шайхиеву Ильдару Рафаиловичу за
организацию производственной стажировки, помощь в отборе проб и мотивацию. Отдельную
благодарность автор выражает к.г.-м.н., доценту Азаровой Светлане Валерьевне за поддержку и
консультации при написании работы, д.г.-м.н., профессору Рихванову Л.П., д.б.н., профессору
Барановской Н.В., д.г.-м.н., профессору Арбузову С.И. за ценные советы и рекомендации, к.г.-
м.н., ассистенту Ильенку С.С., к.г.- м.н., доценту Соктоеву Б.Р. за консультации в выполнении
работы, к.г.-м.н., доценту Таловской А.В. за мотивацию и поддержку. Автор признателен за
помощь всем сотрудникам и студентам отделения геологии ИШПР ТПУ, в особенности Агеевой
Е.В. и Беляновской А.И., а также родным и близким за поддержку во время проведения
исследований и написания диссертационной работы.