Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания

Введение.

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 (λ_м) 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 (λ_м) 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).