Экологические проблемы бурения и исследования скважин в Антарктиде

В последние десятилетия взаимоотношения человека и окружающей среды находятся в центре внимания всего мирового сообщества. Академик П.Л.Капица еще в середине 1970-х гг. выделил три наиболее значимых аспекта проблемы отношений человека и природы:

1) технико-экономический, связанный с истощением природных ресурсов земного шара;

2) экологический, связанный с биологическим равновесием человека с живой природой при глобальном загрязнении окружающей среды;

3) социально-политический, связанный с необходимостью решения этих проблем в масштабе всего человечества.

Вовлечение все новых и новых природных ресурсов в индустриальное производство, увеличение численности населения, урбанизация и другие факторы выдвигают экологическую проблему как важнейшую.

Особое положение в планетарной системе атмосфера - океан - суша - оледенение занимают обширные районы распространения современных ледников, сосредоточенные в высокогорных и приполярных областях нашей планеты. Занимая площадь 16,1 млн. км² или 10,9% суши, они заключают в себе подавляющую массу пресной воды на Земле и являются одним из наиболее значимых факторов формирования и изменения климата на планете. Наиболее важную роль при этом играют значительные по площади и мощные по толщине современные ледниковые покровы Антарктиды и Гренландии, на которые приходится соответственно 85,3% и 12,1% от общей площади ледниковых покровов.

Изучение ледников и ледниковых покровов имеет первостепенное значение не только для познания законов формирования и развития криосферы Земли в целом, но и занимает важное место при исследовании других глобальных явлений и процессов. Большую ценность для изучения истории развития нашей планеты представляют накопленные в течение десятков и сотен тысячелетий и сохранившиеся в низкотемпературных тысячеметровых ледовых толщах практически без изменений различные включения земного и внеземного происхождения: пузырьки воздуха древней атмосферы, вулканический пепел, метеоритные частицы, земная и космическая пыль, пыльца, споры, бактерии и др.

Ближайшие десятилетия будут характеризоваться качественно новыми процессами в освоении недр Земли. Это вовлечение в производство весьма бедных, но крупных месторождений полезных ископаемых в неосвоенных районах, в том числе и в районах Арктики и Антарктики, а также месторождений морей, океанов и прибрежного шельфа. Истощение сырьевых ресурсов нашей планеты значительно повышает интерес к запасам полезных ископаемых, скрытых ледниками.

В недрах Антарктиды хранятся неисчислимые минеральные богатства гондванского комплекса. По оценке американского геолога Л.Гулда запасов каменного угля на Южнополярном континенте больше, чем на всех остальных континентах, вместе взятых. Богата Антарктида железными рудами, во многих районах Восточной Антарктиды найдены медный колчедан, галенит (минерал, содержащий свинец), касситерит (оловосодержащий минерал) и другие минералы, богатые никелем, хромом, молибденом. На побережье Земли Королевы Мод открыты многочисленные залежи графита, на земле Эндерби - мусковита и флогопита, минералов, используемых для добычи слюды.

В последние десятилетия в ледниковых областях Земли развернулись самые разнообразные научные исследования и, в первую очередь, в Антарктиде и Гренландии. Важность задач и объемы исследований, высокая их стоимость определяют тенденцию к тесному международному сотрудничеству, к кооперированию исследований и концентрации усилий на конкретных тематических проектах, что и обусловило переход от комплексных национальных программ, характерных для 50-х и 60-х годов, к долговременным международным проектам.

Успешное проведение исследований по этим проектам оказалось возможным благодаря созданию и внедрению в практику полевых гляциологических работ новых методов и технических средств, среди которых особое место по информативности и комплексности изучения ледников и ледниковых покровов занимает бурение скважин с полным отбором керна.

Так в начале 80-х годов успешно был завершен Международный проект по исследованию ледникового покрова Гренландии GISP 1, организованный Национальным научным фондом США с участием ряда европейских стран - Дании, Франции, ФРГ, Швейцарии, главным достижением которого было бурение через всю ледниковую толщу скважины глубиной 2038 м. В начале 90-х годов также в Гренландии были успешно завершены два Международных проекта: Проект колонкового бурения в Гренландии (GRIP), организованный Европейским научным фондом с участием Бельгии, Великобритании, Дании, Исландии, Италии, Франции, ФРГ и Швейцарии, и Проект GISP 2, поддерживаемый Национальным научным фондом США. В результате были пробурены две скважины глубиной 3029 м (1992 г.) и 3053 м (1993 г.) и получен керн по всему разрезу ледникового покрова Гренландии в районе его максимальной мощности.

В настоящее время этими фондами, а также национальными фондами Австралии, КНР и Японии продолжаются интенсивные исследования Антарктического ледникового покрова, в которых активное участие принимает и наша страна. В рамках отечественной национальной программы по изучению глубинного строения, состава и динамики ледникового покрова в центральной части Антарктиды, а также целого ряда совместных программ сотрудничества по данной тематике с Францией и США на внутриконтинентальной станции Восток успешно выполняется проект глубокого бурения через всю ледниковую толщу. В 1998 г здесь был достигнут абсолютный рекорд по бурению глубоких скважин в ледниках - 3623 м.

Антарктида и Гренландия как потенциальные объекты практического освоения характеризуются сочетанием наиболее экстремальных природно-климатических условий: почти сплошной ледяной покров на суше и тяжелые льды на шельфе, низкие отрицательные температуры, чрезвычайная отдаленность от пунктов снабжения, специфические транспортные условия, полное отсутствие инфраструктуры и др. Поэтому до сих пор ряд вопросов, касающихся технологии проходки и исследования скважин во льдах и в подледниковых отложениях, является нерешенным.

В первую очередь это относится к созданию экологически безопасных технологий, так как строительство разнообразных горных сооружений - карьеров, шахт, траншей, буровых скважин - связано с изменением (главным образом, ухудшением) практически всех составляющих окружающей среды: атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, ландшафта, растительности и животного мира. Главным источником экологической опасности при бурении является наличие в используемых промывочных средах и их отходах веществ, вызывающих активизацию химико-физических процессов в атмосфере, гидросфере, геосфере и биосфере.

Промывочная среда, как правило, специальная низкотемпературная жидкость, заполняющая ствол глубокой скважины, выполняет целый ряд функций, из которых наиболее важными с технологической точки зрения являются очистка забоя от продуктов разрушения и обеспечение устойчивости ствола скважины. Специфические условия бурения скважин во льду предъявляют особые требования к промывочной жидкости:

а) регулируемая плотность в пределах от 900 до 950 кг/м³;

б) морозостойкость (температура льда достигает - 57° С в Центральной Антарктиде и - 32° С в Гренландии);

в) низкая вязкость, необходимая для проведения спуско-подъемных операций в скважине со скоростью не ниже 1 м/с;

г) высокая стабильность;

д) инертность к различным материалам, используемым в буровом оборудовании и инструменте, а также в скважинных устройствах и приборах;

е) соответствие нормам и требованиям безопасности (производственной, противопожарной, санитарной и экологической);

ж) доступность и относительно небольшая стоимость.

Требование экологической чистоты, предъявляемое к промывочным жидкостям, имеет особое значение, так как последствия воздействия на окружающую среду в полярных районах, имеющих уникальное сочетание природных условий, может иметь катастрофический необратимый характер.

В практике бурения скважин во льдах использовались только три типа органических жидкостей: 1) углеводородные жидкости, содержащие различного рода утяжелители; 2) водные растворы спиртов; 3) сложные эфиры (рис. 1). Возможно в перспективе использование кремнийорганических жидкостей.

Рис. 1. Классификация промывочных жидкостей для бурения скважин во льдах

Углеводородные жидкости представляют собой сложные смеси ароматических углеводородов, нафтенов, олефинов и парафинов. Для приготовления промывочных жидкостей, предназначенных для бурения скважин во льдах, применяются жидкости типа керосина: дизельное топливо арктического сорта DF-A, авиационные топлива различных марок (ТС-1, Jet A1, JP-8) и растворители (типа Exxol, IP-1620).

В токсикологии керосины относятся к особо опасным веществам, оказывающим сильное отравляющее действие на различные формы жизни. В состав авиационных топлив типа керосина входит 20-22 % ароматических углеводородов, которые относятся к наиболее токсичным и быстродействующим органическим соединениям. Даже при малых концентрациях (более 1 мг/м³) они оказывают отравляющее действие ни низшие формы жизни в водоемах и водостоках. Менее токсичными являются органические растворители типа Exxol, так как в них содержится не более 0,5 % ароматических углеводородов. Углеводороды, входящие в состав керосинов, трудно подаются биологическому разложению.

Керосины оказывают раздражающее воздействие на кожный покров человека и предположительно являются канцерогенными веществами. Основное воздействие на человека происходит через органы дыхания: запах керосина ощущается уже при концентрации 0,6 мг/м³. Рекомендуемая Национальным институтом безопасности и здоровья США (NIOSH) предельно допустимая концентрация паров керосина в воздухе закрытых помещений составляет 100 мг/м³. Для растворителей типа Exxol предельно допустимая концентрация выше: 600 мг/м³. При превышении пороговой концентрации наблюдается появление сонливости, тошноты, рвоты, головокружения, а также отмечается возбужденное состояние и галлюцинации.

Плотность жидких нефтяных топлив и растворителей (800-850 кг/м³ при -30 ° С) в 1,1-1,2 раза ниже плотности льда, поэтому при заполнении ими скважин не обеспечивается полная компенсация горного давления ледяной толщи. Для утяжеления столба жидкости в практике бурения применяются различные добавки классов этиленовых углеводородов и фторуглеродов (рис. 2).

Рис. 2. Утяжелители углеводородных промывочных жидкостей (в скобках указан год, в котором утяжелитель был впервые использован при бурении скважин)

Все применяемые разновидности утяжелителей являются не воспламеняющимися жидкостями. Этиленовые углеводороды являются высокотоксичными жидкостями: предельно допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений составляет лишь 10 мг/м³. Эти жидкости являются канцерогенными и тератогенными соединениями. Они являются сильными раздражителями кожного покрова и слизистой оболочки глаз. При превышении пороговой концентрации этиленовые углеводороды вызывают сильнейшие поражения центральной нервной системы (анестезию, галлюцинации, нарушение координации и т.д.), поэтому в настоящее время их применение с точки зрения экологической безопасности является нецелесообразным.

Фторуглероды являются относительно безвредными по отношению к организму человека соединениями: предельно допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений в соответствии с различными нормативными актами составляет 3800-5600 мг/м³. Однако, в середине 1970-х гг. Ш.Роуленд и М.Молина (США) установили, что хлорфторуглероды способствуют разрушению озонового слоя Земли. Несмотря на то, что существует значительная группа ученых, опровергающих техногенно-фреоновую гипотезу разрушения озонового слоя, международным сообществом в 1987 г. в Монреале и в 1990 г. в Лондоне были приняты протоколы, согласно которым производство и использование хлорфторуглеродов, которые способны разрушать озоновый слой, должны быть сокращены на 50 % к 1995 г. и полностью прекращены к 2000 г.

Экологические свойства фторуглеродов оцениваются при помощи специальных показателей: потенциала истощения озонового слоя ODP (Ozone Depletion Potential) и потенциала глобального потепления GWP (Global Warming Potential). Оба показателя для CFC 11 приняты за единицу (табл. 1).

В качестве заменителя CFC 11 и CFC 113 рекомендуется использовать озонобезопасные марки фторуглеродов, такие как HCFC 141b, HCFC 123, HCFC 225ca. Однако, применение и этих жидкостей в соответствии с Протоколом, принятым в 1992 г. в Копенгагене, должно быть полностью прекращено к 2030 г.

Наряду с рассмотренными выше жидкостями в практике бурения скважин во льдах известно применение этиленгликоля, этилового спирта и n-бутилацетата. Причем применение первых двух соединений связано с растворением образующегося в процессе бурения ледяного шлама или расплавленной воды.

Негативным фактором использования подобных жидкостей является растворение льда из стенок скважины вплоть до равновесной концентрации, которая может изменяться под воздействием тепла, выделяемого при работе буровых снарядов. Подобное снижение концентрации спиртов в растворе при понижении температуры в скважине приводит к вымерзанию из нее излишней влаги и образованию шуги, препятствующей нормальному проведению спуско-подъемных операций.

Этиленгликоль является высокотоксичным тератогенным соединением: предельно допустимая концентрация, установленная администрацией США (OSHA), составляет 130 мг/м³. При незначительном превышении пороговой концентрации пары этиленгликоля вызывают головные боли, тошноту, общую анестезию, нарушение дыхания, при увеличении дозы происходят необратимые изменения печени и почек. Попадание этиленгликоля на кожный покров и слизистую оболочку глаз приводит к серьезным раздражениям.

Токсичность паров этанола при их вдыхании и раздражающий эффект на кожу и слизистую оболочку являются относительно невысокими: предельно допустимая концентрация паров этанола составляет 1000 мг/м³. Несмотря на то, что пары этанола обладают сильным наркотическим действием, концентрации вызывающие этот эффект практически не встречаются при проведении буровых работ. Этанол легко подается биологическому разложению.

n-Бутилацетат является высокотоксичным соединением, поэтому его применение в качестве промывочной жидкости с точки зрения экологии крайне нежелательно. Предельно допустимая концентрация, установленная администрацией США (OSHA), 710 мг/м³, значительно выше аналогичного показателя, регламентированного на территории России (ПДК=10 мг/м³).

По данным специалистов Университета Аляски (лаборатория PICO) максимальная концентрация паров n-бутилацетата в буровом здании составляет 0,13 %, что более чем в 10 раз превышает пороговую концентрацию (0,015 %). Личные сообщения буровиков, работавших при проходке глубоких скважин в Гренландии и Антарктиде с использованием n-бутилацетата, показывают, что после восьмичасового рабочего дня происходит поражение центральной нервной системы средней тяжести (головные боли, тошнота, головокружения).

n-Бутилацетат является агрессивным растворителем, все без исключения типы резины в той или иной степени подвергаются разрушению при контакте с этой жидкостью. Аналогичное воздействие отмечается и на полимеры. Так, при бурении глубокой скважины в Гренландии после трехлетней работы в скважине, залитой n-бутилацетатом, изоляция грузонесущего кабеля, изготовленная из полимера Кевлар, была разрушена.

Приведенный выше обзор промывочных жидкостей показал, что ни одна из используемых жидкостей не удовлетворяет требованиям экологически безопасного бурения скважин во льду. В Санкт-Петербургском государственном горном институте совместно с Университетом Копенгагена был проведен поиск промывочной жидкости, не вызывающей ухудшение экологической обстановки в районе проведения буровых работ.

В результате совместных работ предложено использовать низкотемпературные полиметилсилоксановые соединения (ПМС-р), относящиеся к классу кремнийорганических жидкостей. В промышленности эти соединения используются в качестве охлаждающих и гидравлических жидкостей, способных длительно работать при температурах от -60 до -100 ° С (табл. 2).

* при температуре 20 ° С

Жидкости типа ПМС-р относятся к полимерам невысокой молекулярной массы; они бесцветны, характеризуются низкой температурой застывания, обладают гидрофобностью и физико-химической инертностью, сохраняют текучесть в широком интервале температур. Эти жидкости имеют высокие диэлектрические показатели, коррозионностойки, абсолютно нетоксичны и безопасны по отношению к различным формам жизни. Основным отличием жидкостей типа ПМС-р от других кремнийорганических жидкостей является малая зависимость вязкости от температуры.

Особая актуальность проблемы выбора экологически чистой промывочной жидкости связана с открытием озер под ледниковым покровом Антарктиды. В настоящее время в Центральной Антарктиде при помощи радарных и сейсмических исследований открыто 67 подледниковых озер. В частности, под российской антарктической станцией Восток обнаружен крупнейший подледниковый водоем, имеющий максимальную протяженность 230 км, а площадь - около 14 тыс. км². Мощность ледника в этом месте составляет 3750 м, а слой воды подо льдом - 670 м (рис. 3).

Рис. 3. Схема "вскрытия" подледникового озера:1 - снежно-фирновые отложения; 2 - ледовая толща; 3 - вскрываемое озеро Восток; 4 - донные отложения; 5 - коренные горные породы; 6 - обсадная колонна; 7 - кремнийорганическая жидкость.

На дне озера наблюдается слой, отождествляемый с донными отложениями, которые имеют сложное строение и суммарную мощность от 90 до 330 м.

В настоящее время интерес как российских, так и зарубежных ученых проявляется не столько к дистанционным методам изучения озера Восток, сколько к разработке специальных способов непосредственного проникновения в озеро. Бурение скважины на станции Восток остановлено в 1998 г. на отметке 3623 м приблизительно в 130 м над поверхностью подледникового озера, так как смесь авиационного топлива ТС-1 с фторуглеродом HCFC 141b, заполняющая скважину, может в случае проникновения в озеро вызвать необратимое загрязнение подледниковой воды.

Выход в озеро может быть произведен бурением скважины, заполненной низкотемпературной кремнийорганической жидкостью. При непосредственном контакте жидкости с подледниковой водой исключается попадание в водоем современной микрофлоры и обеспечивается сохранение жизнеспособности микроорганизмов, возможно существующих в озере Восток.

Настоящая работа финансируется грантом РФФИ N 98-05-65573.