Прогноз изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551 345

Э.Д. Ершов, Ю.А. Нефедьева, Р.Г. Мотенко, С.Ю. Пармузин

ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ГЛУБИНЫ СЕЗОННОГО ОТТАИВАНИЯ И ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Введение В последние годы развитие нефтегазового комплекса, т е поиск, разведка месторождений нефти и газа, их эксплуатация, транспортировка углеводородного сырья и продуктов его переработки, сместилось в северные, арктические и восточные районы России Природно-климатические условия в этих районах определяют повышенную экологическую уязвимость природной среды к техногенным воздействиям, возникающим на различных этапах нефтегазоразведки и добычи [Вечная мерзлота , 2002] Добыча нефти, ее хранение, транспортировка и переработка неизбежно сопровождаются углеводородным загрязнением окружающей ереды В связи с этим возникает острая геоэкологическая проблема, которая заключается в загрязнении природных и природно-технических систем и объектов нефтью и нефтепродуктами

При транспортировке нефти по внутрипромысло-вым и магистральным трубопроводам на территории России ежегодно отмечается около 40 тыс. аварий При наиболее серьезных из них в окружающую среду попадает до 2000 т нефти и более [Зверев и др , 1996]. Общие потери нефти в Западно-Сибирском регионе по нефтедобывающей отрасли оцениваются до 7 млн в год [Вечная мерзлота , 2002]

При крупных разливах полную рекультивацию нефтезагрязненных земель осуществить практически невозможно Так, проведенные в 2000 г исследования Гринпис [8] показали, что значительная часть территории Самотлорского месторождения — более 10,5 тыс га — загрязнена нефтью, причем наряду со старыми, 10—20-летней давности, было выявлено огромное количество новых разливов нефти, образовавшихся в последние 2—3 года и занимающих более 10% площади загрязненной территории Это свидетельствует о наличии в местах разливов нефти почв и грунтов с различными давностью загрязнения и стадией ее трансформации

Появление нефтяной пленки на поверхности грунта изменяет альбедо поверхности и угнетающе воздействует на растительный покров Привнесение нефти в грунт вызывает также изменение его свойств В связи с этим изучение нефтяного загрязнения и его роли в формировании глубины сезонного оттаивания и промерзания приобретает многоплановый характер

Цель исследования — оценка влияния нефтяного загрязнения на глубину сезонного оттаивания и промерзания дисперсных грунтов с учетом изменения их теплофизических свойств и альбедо поверхности

Методы исследований. Для оценки влияния разливов нефти на динамику глубин сезонного оттаивания и промерзания дисперсных грунтов проведено математическое моделирование В качестве объектов исследования были выбраны районы с разными типами сезонного оттаивания и промерзания в двух нефтегазоносных провинциях Западной Сибири и Европейском севере В Западной Сибири были выбраны районы г Уренгой и г. Тарко-Сале Этим площадкам с геокриологической точки зрения соответствуют различные типы сезонного оттаивания пород длительно-устойчивый и полупереходный соответственно Для Европейского Севера были выбраны районы пос Хо-седа-Хард и с. Усть-Уса Выбранным площадкам соответствуют полупереходный и переходный типы сезонного оттаивания пород, соответственно В качестве объектов исследования промерзающих грунтов были выбраны район г Ханты-Мансийск и район г. Ухта, которым соответствует длительно-устойчивый тип сезонного промерзания пород Выбор площадок исследования обусловлен тем, что эти районы находятся в крупных нефтегазоносных провинциях и через них проходят магистральные нефтепроводы

Оценка проводилась на основе расчетов по программе "Тепло", разработанной под руководством проф. Л Н Хрусталева [Программа , 1994] Решалась одномерная однослойная задача Размер расчетной области по вертикали задавался равным 30 м Расчет был сделан для двух типов грунта суглинков и песков при больших значениях водонасыщения ((% = 0,7) и загрязнения (г= 10%)

В расчетах были использованы данные Э Д Ершова [Ершов, 1968] по изменению альбедо и температуры поверхности зачерненных грунтов Принято, что разлив нефти происходил летом Температура на поверхности грунтов повышалась за счет уменьшения альбедо только в летние месяцы Это повышение составляло в среднем 4° С при снижении альбедо до 0,06-0,08

На нижней и боковых границах расчетной области задавались граничные условия II рода с постоянным во времени значением теплопотока, равным нулю На верхней границе расчетной области задавались граничные условия III рода с переменными во времени температурой воздуха и коэффициентом теплообмена (величина, обратная термическому сопротивлению) Коэффициент теплообмена (а) задавали в виде среднемесячных значений Для вариантов с отсутствием растительного покрова при расчете а учитывался только снежный покров

2.

й

5" I-и О т

ч: о ш о о. с о с

(Ч

3

1,5 1,4, 1,3 1,2. 1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6

Гч

ч 1ч ¿А *

V* А-..

А- . * _

0 2 4 6 8 10

степень загрязнения нефтью, %

2 4 6 8

степень загрязнения нефтью, %

10

-А--- 1 -А—3

■- 4

- - -А""" мерзлое состояние

---Д- - - талое состояние

Рис 1 Зависимость коэффициентов теплопроводности (А) и температуропроводности (Б) суглинка от загрязнения нефтью 1 — данные для грунтов нарушенного сложения, 2 — после 3-летнего преобразования нефти, 3 — преобразование нефти более 15 лет, 4 — после 5-летнего

преобразования нефти

За начальный момент времени принималось распределение температуры пород по глубине, которое было получено по результатам расчета при конкретных верхних граничных условиях для каждого пункта при отсутствии техногенного загрязнения Эта задача решалась до установления стационарного температурного состояния пород, которое принималось в качестве начальных условий для последующих задач

Отметим, что в расчетах не было учтено влияние температуры разливаемой нефти на температурный режим грунтов и изменение глубины сезонного оттаивания (промерзания) Этот вопрос требует дополнительных исследований

Для расчетов необходимы значения теплофизи-ческих характеристик нефтезагрязненных грунтов В связи с этим были проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента теплопроводности (9) нефтезагрязненных грунтов естественного и нарушенного сложения с различной длительностью загрязнения

Экспериментальные исследования показали, что нефтяное загрязнение снижает значения коэффициента теплопроводности (рис 1) Это обусловлено появлением в порах грунта низкотеплопроводных нефтяных включений, некоторым разуплотнением грунта при его загрязнении, изменением микроагрегатного состава и микростроения грунтов при нефтяном загрязнении и т д Кроме того, теплофизические характеристики нефтезагрязненных грунтов изменяются во времени, что связано с преобразованием самой нефти При ее трансформации происходит увеличение содержания более плотных и низкотеплопроводных фракций (рис 2), что приводит к снижению значений коэффициента теплопроводности В связи с этим теплопроводность больше у образцов нарушен-

1 2 3 4 5

□ масла ■ смолы Шасфальтены |

Рис 2 Гистограмма распределения нефти, экстрагированной из суглинка, по групповому составу 1 — для сырой нефти, 2 — через 3 года, г = 1 %, 3 — через 6 лет, г = 0,25%, 4 — через 6 лет, г = 0,6%, 5 — более 15 лет спустя, г = 0,55%

ного сложения, которые содержат сырую нефть, чем у образцов естественного сложения, содержащих нефть, подвергшуюся трансформации в естественных условиях При этом при прочих равных условиях чем больше длительность инкубации, тем ниже значения исследуемых характеристик Снижение может достигать более 40% по сравнению с незагрязненными грунтами [Мотенко и др , 2005]

Полученные теплофизические характеристики были использованы в расчетах Начальная глубина проникновения нефти составляла 0,6 м, загрязнение — 10% Расчет проводился с изменением концентрации и глубины проникновения нефтяного загрязнения каждый год в течение 5 лет на основе данных полевых наблюдений за динамикой распределения нефтяного загрязнения в слое сезонного оттаивания [Ананьева и др , 2003] Блокам присваивались численные значе-

До разлива

t год

таивание мерзлых грунтов Этот процесс продолжается, и в будущем, через пять лет после разлива нефти, глубина многолетнего оттаивания составит более 2 м

На рис 4 показана динамика изменения глубины сезонного оттаивания грунтов (¡;стс) для района пос Хоседа-Хард Наибольший эффект от воздействия нефтяного загрязнения наблюдается

при удалении растительного покрова При измене-Рис 3 Динамика глубины сезонного оттаивания грунтов (у при по- ^едо поверхности И сопутствующем удале-

им ТГРТНРИ тймпепятипы пнринпи пгтепхнпгти ня 4С. тт.лр.лстгтр. ^ ии^р/ши»!.. ч ^ 1

I талый грунт

мерзлый грунт

вышении летней температуры дневной поверхности на 4°С вследствие изменения альбедо поверхности Район г Тарко-Сале

0,0 1,0 2,0 3,0

До разлива

А 3

1 ...................I ' I ' . -;

^стс, м 0,0

До ра.шива

1,0

2,0

3,0

^стс. М

Рис 4 Динамика изменения глубин сезонного оттаивания суглинков в районе п Хоседа-Хард А — без удаления растительного покрова, Б — с удалением растительного покрова, 1 — естественные условия, 2 — при изменении альбедо поверхности, 3 — при изменении альбедо поверхности и теплофизических свойств, 4 — при изменении альбедо поверхности и удалении растительного покрова, 5 — при изменении альбедо поверхности и теплофизических свойств и удаленном растительном покрове

ния теплофизических свойств, соответствующих загрязненному и незагрязненному фунтам Принималось, что температура начала замерзания грунта и содержание незамерзшей воды в нем не изменяется при его загрязнении нефтью

Результаты расчетов представлены в табл 1 и 2 Они показывают, что через 5 лет для мерзлых фунтов при уменьшении альбедо поверхности при зафязне-нии нефтью глубина сезонного протаивания увеличивается от 30—40% для Уренгоя до почти 2-кратного увеличения для Усть-Усы (чем суровее климат, тем меньше влияние альбедо) А для районов г Тарко-Сале, пос Хоседа-Хард и с Усть-Уса повышение температуры поверхности пород в летние месяцы на 4° С за счет изменения альбедо повлечет за собой многолетнее оттаивание пород В качестве примера на рис 3 показана динамика изменения глубины сезонного оттаивания грунтов (^стс) для района г Тарко-Сале Повышение среднелетней температуры пород происходит только за счет уменьшения альбедо поверхности Изменение теплофизических свойств грунтов при их нефтяном загрязнении в данном варианте расчета не учитывалось Как видно на этом рисунке, уже через год после разлива нефти начинается многолетнее от-

нии растительного покрова глубина сезонного оттаивания мерзлых фунтов увеличивается на 2 м и более

Влияние изменения теплофизических свойств мерзлых грунтов при их зафязнении нефтью сказывается в меньшей степени и направлено в сторону уменьшения глубины сезонного протаивания (вариант 3 в табл 1 и 2) Так, при совместном рассмотрении влияния изменения альбедо поверхности и теплофизических характеристик (вариант 4) видно, что увеличение глубины сезонного оттаивания будет на 9—13% меньше, чем в варианте без учета теплофизических свойств

Изменение теплофизических характеристик при изменении альбедо поверхности и удаленном покрове на глубину сезонного оттаивания повлияет незначительно (вариант 6) Значения глубины сезонного протаивания окажутся чуть меньше, чем в варианте 5

Увеличение глубины сезонного оттаивания для обоих типов фунтов г Уренгоя сопоставимо с данными полевых экспериментов американских исследователей для фунтов Аляски [Collins et al, 2003] Это была одна из немногих попыток моделирования крупных разливов нефти в субарктичес-

Таблица 1

Результаты расчетов изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения для площадок европейского Севера

Номер варианта Район г Хоседа-Хард Район г Усть-Усы Район г Ухты

Глубина сезонного оттаивания фунтов, 4СТС, м Глубина сезонного промерзания грунтов, qCMC, м

суглинок песок суглинок песок суглинок песок

1 1,10 3,22 1,30 3,46 0,93 1,51

2 1,86 4,36 2,55 4,93 0,80 1,32

3 0,96 3,06 1,12 3,28 0,92 1,48

4 1,60 4,13 2,23 4,32 0,85 1,29

5 3,14 5,66 3,74 6,04 0,71 1,18

6 2,69 4,93 3,29 5,13 0,69 1,13

Примечания 1 — естественные условия, 2 — при изменении альбедо поверхности, 3 — при изменении теплофизических свойств, 4 — при изменении альбедо и теплофизических свойств, 5 — при изменении альбедо и удалении растительности, 6 — при изменении альбедо, теплофизических свойств и удалении растительности

Таблица 2

Результаты расчетов изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения для площадок Западной Сибири

*См примечания к табл 1

кой зоне, эксперимент длился 15 лет В случае летнего разлива через 5 лет увеличение глубины сезонного оттаивания составило также около 30—40 см (рис 5) Нефтяное загрязнение меньше влияет на промерзающие грунты Так, для районов г Ханты-Ман-сийск и г Ухта при уменьшении альбедо поверхности при загрязнении нефтью глубина сезонного промерзания уменьшится на 11—14%

Наибольший эффект от воздействия нефтяного загрязнения для промерзающих грунтов наблюдается при изменении альбедо поверхности и сопутствующем исчезновении растительного покрова, так как в этом случае, в отличие от мерзлых грунтов, уменьшение коэффициента теплопроводности будет работать, как и увеличение альбедо, в сторону уменьшения глубины сезонного промерзания В целом уменьшение составит 26% (23—40 см)

Заключение Итак, вследствие изменения альбедо поверхности нефтяное загрязнение способствует увеличению глубины сезонного оттаивания мерзлых

о

1976 78 80 82 84 86 88 90 92 Время наблюдения, годы

дев 1 —■— 2 —з

Рис 5 Сравнение расчетных данных с данными, полученными в результате полевых исследований 1 — данные полевых экспериментов американских исследователей для грунтов Аляски [СоШш е1 а1,1993], 2 — расчетные данные, полученные для суглинков Уренгоя в естественных условиях, 3 — расчетные данные, полученные для суглинков Уренгоя с учетом изменения альбедо поверхности

грунтов в исследованных районах от 30% до почти 2-кратного увеличения, причем везде, за исключением г Уренгоя, одновременно начинается процесс их многолетнего оттаивания Уменьшение глубины сезонного промерзания составило 11—14% Наибольший эффект достигается при удалении растительного покрова, увеличение глубины сезонного оттаивания при этом составляет более 2 м Влияние изменения теплофизических свойств мерзлых грунтов при их загрязнении нефтью сказывается в меньшей степени и направлено в сторону уменьшения глубины сезонного протаивания и промерзания

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании хранилищ нефти и нефтепродуктов в толщах мерзлых пород, а также других сооружений, связанных с добычей, транспортировкой и переработкой нефти, при прогнозировании и обследовании уже сформировавшихся негативных экзогенных геологических процессов и явлений в местах техногенных разливов нефти и нефтепродуктов

Номер варианта Район г Уренгоя Район г Тарко-Сале Район г Ханты-Мансийска

глубина сезонного оттаивания фунтов, ¡;стс, м глубина сезонного промерзания грунтов, ¡;смс, м

суглинок песок суглинок песок суглинок песок

1 1,00 1,93 1,27 2,13 0,84 1,44

2 1,32 2,71 2,21 3,32 0,73 1,26

3 0,87 1,76 1,15 1,96 0,83 1,41

4 1,28 2,37 1,97 2,85 0,71 1,23

5 3,21 4,36 3,47 5,14 0,64 1,12

6 2,60 3,49 3,20 4,33 о" 1,07

I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I ' I

4Q ~

контрольная площадка летнии разлив

■ Г^о --------

зимний разлив

Ы-. ------о^оН

160Р

2001—L_l__l_I_I_I ' I_I_I_I_I_I_L

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Ананьева ГВ, Дроздов ДС, Инстанес А, Чуви-лин ЕМ Нефтяное загрязнение слоя сезонного оттаивания и верхних горизонтов многолетнемерзлых пород на опытной площадке "мыс Болванский" в устье р Печора // Кри-осфера Земли 2003 Т 7 № 1 С 49-59

2 Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов / Под ред Е С Мельникова, С Е Гречищева М ГЕОС, 2002

3 Ершов ЭД Принципы и приемы управления сезонным оттаиванием—промерзанием пород на примере Анадырского района Автореф канд дис М , МГУ, 1968

4 Зверев В П, Варварина О Ю, Путилина В С Массо-потоки нефтепродуктов в природных водах России // Геоэкология 1996 № 2

5 Мотенко РГ, Кирюхина ТА, Нефедьева Ю А и др Комплексное экспериментальное исследование теплофизических свойств и состава продуктов нефтезагрязнения дис-

персных горных пород // Материалы XV Российского совещания по экспериментальной минералогии Сыктывкар, 2005 С 485-490

6 Программа расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами "Тепло" (Е Н Емельянов, Г П Пустовойт, С В Яковлев, Л Н Хрус-талев) Свидетельство № 940281 РосАПО, 1994

7 Collins CM, Racine СН, Walsh ME Fate and effects of crude oil spilled on subarctic permafrost terrain in interior Alaska Fifteen years later USA Cold Regions Research and Engi-neenng Laboratory//CRREL Report 2003 Vol 13 P 1-20

8 http //dataplus m/Industnes/50il_Gas/170i] htm

Поступила в редакцию 24 04 2007