Автор: Нефедьева Юлия Андреевна
Название работы: Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Классификационный индекс:
Ведущая организация: институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)
Руководитель:
профессор доктор геолого-минералогических наук Ершов Эдуард Дмитриевич;
доцент кандидат геолого-минералогических наук Мотенко Римма Григорьевна;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Минкин Марк Абрамович;
профессор кандидат технических наук Кроник Яков Александрович;
Место защиты: ауд. 415, Геологический факультет МГУ
Дата защиты: 2010-10-15 14:30
Издательство: Москва
Количество страниц: 226
Язык: русский
Содержание работы:
Введение.
Глава 1. Современное состояние вопроса о проблеме загрязнения нефтью и нефтепродуктами грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания).
Глава 2. Характеристика объектов и методика моделирования изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения.
Глава 3. Характеристика объектов экспериментального исследования и использованные лабораторные методики.
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований нефти и состава нефтезагрязненных грунтов.
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств нефтезагрязненных грунтов.
Глава 6. Результаты экспериментальных исследований акустических и электрических свойств грунтов.
Глава 7. Результаты прогнозной оценки изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания под влиянием нефтяного загрязнения.
Выводы.
Основные публикации по теме диссертации.
|
Реферат:
Актуальность работы. Активное развитие нефтедобывающей промышленности приводит к существенному увеличению территорий, отводимых для освоения нефтяных месторождений. При этом
возникает опасность углеводородного загрязнения природных ландшафтов, которая является следствием разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, хранении, транспортировке
и переработке. Нефть, попадая в почвы и грунты, привносит с собой разнообразный набор химических соединений, нарушающих сложившийся геохимический баланс в экосистемах. Процессы
деградации загрязнителей в грунтах осуществляются на фоне их активного взаимодействия с грунтовой массой. Это приводит к направленному изменению свойств грунтов, которое может
быть растянуто во времени не только в результате постепенного проникновения нефти и нефтепродуктов в породы, но и в результате в результате их трансформации.
Большинство исследований свойств нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов, в том числе и теплофизических свойств, на данный момент проводилось на грунтах нарушенного
сложения. А в реальных условиях состав и свойства загрязненных грунтов изменяются во времени, в связи с этим особенно важным является вопрос изучения нефтезагрязненных грунтов
при их естественной трансформации в зависимости от времени и условий загрязнения.
Большая часть месторождений нефти и газа России находится в криолитозоне; в отличие от районов распространения талых пород, нефтяное загрязнение криолитозоны и последующие
изменения свойств грунтов и альбедо поверхности сказывается на температурном режиме и глубине сезонного оттаивания пород. В связи с этим возникает необходимость специального
экспериментального изучения влияния трансформации углеводородного загрязнения на свойства грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, с последующим использованием
полученных результатов для прогноза последствий разливов нефти и нефтепродуктов в конкретных геокриологических условиях.
Цель и задачи работы. Основная цель работы выявление влияния трансформации нефтяного загрязнения на свойства и состав грунтов слоев сезонного промерзания и оттаивания.
В связи с поставленной целью основные задачи состояли в следующем:
1. Ознакомиться с современным состоянием изученности влияния нефтяного загрязнения на свойства и состав дисперсных грунтов, закономерностей изменения состава нефти и ее свойств
во времени.
2. Провести комплексное экспериментальное исследование состава и свойств нефти и нефтезагрязненных грунтов разного гранулометрического состава, включаю-щее в себя: а) отбор
грунтов разного гранулометрического состава естественного сложения в местах нефтяного загрязнения различной длительности и условий его трансформации; б) геохимическое исследование
качественного и количественного состава нефти и нефтепродукта, содержащегося в грунтах; в) исследование гранулометрического и микроагрегатного состава нефтезагрязненных грунтов;
г) исследование теплофизических, акустических и электрических свойств нефтезаг-рязненных грунтов; д) получение закономерностей изменения исследованных свойств в зависимости
от длительности трансформации, степени и условий загрязнения, температуры грунтов; е) сопоставление полученных зависимостей изменения состава и свойств грунтов и нефти от
времени трансформации.
3. На основе полученных результатов исследований провести прогнозные расчеты изменения мощности слоя сезонного протаивания (промерзания) для грунтов различного состава в районах
Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски с оценкой влияния изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств.
Защищаемые положения
1. Реализован комплексный подход к экспериментальному изучению изменения свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения
и его трансформации, состоящий в исследовании количественных и качественных изменений нефти, изучении микроагрегатного состава и теплофизических, акустических и электрических
свойств нефтезагрязненных грунтов.
2. Впервые установленные закономерности изменения теплофизических, акустических, электрических свойств и состава исследуемых грунтов, а также состава нефти в зависимости от
длительности трансформации, степени и условий нефтяного загрязнения, дисперсности и температуры выявили роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов
слоя сезонного оттаивания (промерзания), заключающуюся в снижении значений исследуемых характеристик с длительностью трансформации при количественном уменьшении загрязнения
и подобном характере их изменения и взаимосвязи с изменением состава грунтов и нефти.
3. Установлено влияние нефтяного загрязнения и его трансформации на мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных геокриологических условий, заключающееся
в большем влиянии изменения альбедо поверхности на мерзлые грунты, и более выраженном влиянии изменения теплопроводных свойств на промерзающие грунты из-за более интенсивных
процессов трансформации нефти в них. Изменения глубин сезонного оттаивания и промерзания в нефтезагрязненных песках происходят наиболее интенсивно, чем в суглинках, ввиду
меньшего изменения теплопроводности песков при загрязнении нефтью.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование влияния трансформации нефтяного загрязнения на изменение состава и свойств нефтей и нефтезагрязненных мерзлых
и промерзающих грунтов разного гранулометрического состава.
2. Впервые получены закономерности изменения теплофизических, акустических, электрических свойств и состава исследуемых грунтов, а также группового состава нефти в зависимости
от длительности трансформации:
а) установлено, что через 3 года увеличение содержания асфальтенов в групповом составе нефти и уменьшение коэффициента теплопроводности происходит в ряду: супесь суглинок
- глина; для глины содержание асфальтенов увеличилось в 5 раз и уменьшение коэффициента теплопроводности (λм) составило около 30%;
б) через 5 лет трансформации нефти для суглинков и супесей выявлено увеличение содержания асфальтенов в 7 и 2,5 раза, соответственно, и зафиксировано уменьшение значений коэффициента
теплопроводности (λ), скорости продольных волн (V) и удельного электрического сопротивления (ρ) на 30-50%;
в) в суглинке, слагавшем дно нефтяного амбара, в результате 15-летнего преобразования установлено трехкратное уменьшение коэффициента теплопроводности (λм) при наибольшем
увеличении асфальтеновой фракции (в 10 раз).
3. Выполнен прогноз влияния трансформации нефтяного загрязнения на мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных геокриологических условий, в результате
установлено:
а) при совместном влиянии изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств под влиянием трансформации нефтяного загрязнения увеличение глубины сезонного оттаивания
в исследованных районах составило от 20% (в районах с длительно-устойчивыми типами сезонного оттаивания) до ~70% (в районах с переходными типами сезонного оттаивания пород);
уменьшение глубины сезонного промерзания в исследованных районах составило ~15-20%;
б) при угнетении и исчезновении растительного покрова для всех типов грунтов во всех районах распространения мерзлых пород зафиксировано начало развития процесса многолетнего
оттаивания пород и увеличение его глубины через 5 лет более чем на 2 м;
в) сравнение результатов моделирования с литературными данными по полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны показали их хорошую сходимость.
Практическая значимость работы. Экспериментальные результаты могут использоваться при прогнозировании свойств и состава нефтезагрязненных грунтов, а также являются входными
параметрами для математического моделирования изменения геокриологических условий под влиянием нефтяного загрязнения. Полученные результаты моделирования могут быть использованы
для прогноза негативных геологических процессов и явлений в местах, подвергающихся нефтяному загрязнению; а также при решении ряда инженерных задач: проектировании хранилищ
нефти и нефтепродуктов в толщах мерзлых пород и других сооружений, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой нефти и др. Часть экспериментальных результатов и выводов
применяется в научно-исследовательской работе сотрудников и студентов кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.
Личный вклад автора. В процессе работы автором проведено 54 эксперимента по исследованию изменения группового состава нефти в загрязненных дисперсных грунтах, свыше 200 экспериментов
по исследованию теплофизических характеристик и температуры оттаивания грунтов, 44 эксперимента по определению электрических и акустических свойств, 38 определений гранулометрического
и микроагрегатного состава загрязненных дисперсных пород. Выполнены многочисленные серии (около 150 вариантов) прогнозов влияния углеводородного загрязнения на динамику слоя
сезонного промерзания (оттаивания) для грунтов разного состава в районах с различными геокриологическими условиями Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски. Выполнена
оценка влияния изменения альбедо поверхности, теплофизических свойств на глубину сезонного оттаивания и промерзания.
Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы в журналах Вестник МГУ. Серия 4. Геология и Криосфера Земли (2008), а также на шестой международной
конференции Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа /Москва, 2002/, международной научно-практической конференции Техногенная трансформация геологической среды криолитозоны
/Екатеринбург, 2002/, на конференции Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование замораживания грунтов искусственным
холодом /Санкт-Петербург, 2003/, на международной конференции Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения /Пущино, 2003/, седьмой международной конференции Актуальные проблемы
геологии и геохимии нефти и газа/ Москва, 2004/, 7-ом международном симпозиуме по освоению вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2004/, XV-м Российском совещании по экспериментальной
минералогии /Сыктывкар, 2005/, международной конференции Приоритетные направления в изучении криосферы Земли /Пущино, 2005/, третьей конференции геокриологов России /Москва,
2005/, конференции по проблемам вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2006/, международной конференции Криогенные ресурсы полярных регионов /Салехард, 2007/.
Публикации. За время работы по данной теме автором совместно с сотрудниками кафедры и научными руководителями опубликовано 15 научных трудов, 2 из которых опубликованы в научных
журналах, рекомендуемых ВАК Вестник МГУ. Серия 4. Геология и Криосфера Земли.
Структура и объем работы. Работа объемом 226 страниц содержит 92 рисунка, 19 таблиц и состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы, который включает 131 наименование.
Благодарности. В основу работы положены результаты экспериментальных исследований и расчетов, выполненные на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ с 2004 по 2008
г. под научным руководством зав. кафедрой геокриологии, доктора геолого-минералогических наук, профессора Ершова Э.Д. и старшего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических
наук, доцента Мотенко Р.Г., которым автор выражает особую признательность.
Автор выражает искреннюю благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии за ценные советы и внимание к работе, особенно к.г.-м.н., доценту Пармузину С.Ю., д.г.-м.н. Зыкову
Ю.Д., д.г.-м.н., профессору Роман Л.Т. за ценные консультации, помощь в интерпретации полученных данных, содействие при подготовке работы и редакционные советы. Также автор
признателен студентам кафедры геокриологии, участвовавшим в проведении экспериментальной программы: Анисимовой И.В., Гераскиной Е.В, Сазанской Е.В.
Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии, в частности, к.г.-м.н., доцентам Николаевой С.К. и Григорьевой И.Ю., сотрудникам
кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых с.н.с. Кирюхиной Т.А. и инженеру Натитник И.М., а также доценту кафедры геофизических методов исследования земной коры Модину
И.Н. за помощь и консультации, оказанные при проведении экспериментов.
Исследования по теме диссертации поддерживались грантами РФФИ (00-05-64454), РФФИ(04-05-64828) и Университеты России (УР.09.03.002).
|
Библиография:
1. Кирюхина Т.А., Мотенко Р.Г., Натитник И.М., Нефедьева Ю.А. Изучение свойств загрязненных нефтью грунтов Ромашкинского нефтяного месторождения. Материалы шестой международной конференции Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. М.: МГУ, 2002, с. 227-230. 2. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г., Журавлев И.И., Анисимова И.В., Нефедьева Ю.А. Изменение свойств мерзлых грунтов при загрязнении их нефтью. Материалы Международной научно-практической конференции Техногенная трансформация геологической среды криолитозоны. Екатеринбург, Изд.-во УГГГА, 2002, с. 177-180. 3. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г, Нефедьева Ю.А., Журавлев И.И., Анисимова И.В. Углеводородное загрязнение как фактор изменения физических свойств грунтов в криолитозоне. Материалы международной конференции Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения. Пущино, 2003, с. 213-214. 4. Мотенко Р.Г., Нефедьева Ю.А. Влияние сложения на теплофизические свойства мерзлых и промерзающих нефтезагрязненных пород. Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование замораживания грунтов искусственным холодом: Материалы конференции под ред. д.т.н., профессора В.В. Улитина. Спб.: СпбГУНиПТ, 2003, с. 52-56. 5. Мотенко Р.Г., Кирюхина Т.А., Натитник И.М., Нефедьева Ю.А. Влияние продуктов нефтезагрязнения на теплопроводность мерзлых и промерзающих пород. Материалы седьмой международной конференции Актуальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа. Москва, изд-во ГЕОС, 2004, с.348-351. 6. Rimma G. Motenko, Yulia A. Nefedieva. The Influence of Addition on Thermal Properties of Oil Contaminated Frozen Soils of Different Ground-size Composition. Journal of Glaciology and Geocryology. Vol.26.Suppl. Aug.2004. P.56-59. (The Sixth International Symposium on Permafrost Engineering, September 5-7, 2004, Lanzhou, China). 7. Мотенко Р.Г., Кирюхина Т.А., Нефедьева Ю.А., Гераскина Е.В., Натитник И.М. Комплексное экспериментальное исследование теплофизических свойств и состава продуктов нефтезагрязнения дисперсных горных пород. Сыктывкар, Материалы XV Российского совещания по экспериментальной минералогии. 2005, с.485-490. 8. Мотенко Р.Г., Нефедьева Ю.А., Гераскина Е.В. Преобразование физических свойств нефтезагрязненных мерзлых грунтов. Пущино. Тезисы международной конференции Приоритетные направления в изучении криосферы Земли. 2005, с. 65-66. 9. Ершов Э.Д., Мотенко Р.Г., Нефедьева Ю.А., Пармузин С.Ю. Влияние нефтяного загрязнения на глубину сезонного протаивания мерзлых грунтов. Тезисы международной конференции Приоритетные направления в изучении криосферы Земли. Пущино, 2005, с. 61-62. 10. Ершов Э.Д., Зыков Ю.Д., Чувилин Е.М., Мотенко Р.Г., Роман Л.Т., Шевченко Л.В., Журавлев И.И., Анисимова И.В., Козлова Е.В., Нефедьева Ю.А., Волохов С.С., Микляева Е.С. Проникновение нефти в мерзлые грунты и изменение их свойств в результате загрязнения. Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.1. М.: Изд-во МГУ, 2005, с.45-52. 11. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г., Анисимова И.В., Нефедьева Ю.А., Кирюхина Т.А.,. Натитник И.М. Преобразование нефти в породах и его влияние на теплофизические и акустические свойства мерзлых грунтов. Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.1. М.: Изд-во МГУ, 2005, с.52-60. 12. Ershov E.D., Motenko R.G., Nefedieva Yu.A., Parmuzin S.Yu. Influence of Petroleum Pollution on Seasonal Thawing and Freezing Depth of Soils. Asian Conference on Permafrost. Abstracts. Lanzhou, China, August 7-9, 2006, p. 87-88. 13. Ершов Э.Д., Нефедьева Ю.А., Мотенко Р.Г., Пармузин С.Ю. Оценочный прогноз изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания под влиянием нефтяного загрязнения. Тезисы международной конференции Криогенные ресурсы полярных регионов. Салехард, 2007. 14. Ершов Э.Д., Нефедьева Ю.А., Мотенко Р.Г., Пармузин С.Ю. Прогноз изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения. Вестник МГУ. Серия 4. Геология, 6, 2008, с. 47-51. 15. Нефедьева Ю.А., Мотенко Р.Г., Зыков Ю.Д. Роль трансформации нефтяного загрязнения в формировании акустических, электрических и теплопроводных свойств промерзающих грунтов. Криосфера Земли, т. XII, 4, 2008, с. 36-42.
|
|
