Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ МИГРАЦИИ НЕФТИ В ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТУНДРОВЫХ ПОЧВ

Изобретение относится к области геоэкологии, и в частности к охране окружающей среды на Крайнем Севере в районах добычи нефти и может быть использовано для предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв, посредством внесения в них торфа.

Торф обладает уникальными сорбционным свойством (сорбцией 6-10 г нефти на 1 г сухого вещества торфа), вследствие развитой поверхности, и деструктурирующим свойством (в 4-5 раз большей численностью углеводородокисляющих микроорганизмов, чем в почвах). [Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Терещенко Н.Н., Стахина Л.Д., Панова И.И. Перспективы использования торфа для очистки нефтезагрязненных почв // Биотехнология. 2000. №1. С. 58-64].

Заявляемый способ предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв учитывает то, что основным источником поступления нефти в подземные воды путем ее миграции является почва, загрязняемая при аварийных разливах, например, при поиске и разведке, добыче и транспортировке нефти. Как известно, в процессе бурения и эксплуатации скважин нарушается герметичность подземных водоносных горизонтов, изменяется их гидродинамический и гидрохимический режимы и в результате нефть может мигрировать в эти горизонты, либо уже используемые населением для питьевых целей, либо подлежащие использованию в перспективе. Миграция нефти из загрязненной почвы в подземные воды происходит по порам горизонтов (по пустотам, трещинам и полостям), слагающих почвенный профиль. Далее нефть осаждается в зонах капиллярной каймы и сезонного подъема грунтовых вод, а также растекается по их поверхности.

Внесение торфа в загрязненную почву, как средства, обладающего уникальными сорбционным и деструктурирующим свойствами, позволяет предотвратить миграцию нефти по почвенному профилю в подземные воды.

Известен способ защиты грунтовых вод от загрязнения нефтью [Патент РФ №2361041. Способ защиты почв и грунтовых вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Бреус И.П., Бреус В.А., Неклюдов С.А.]. Здесь для защиты грунтовых вод заранее создается противофильтрационный барьер при строительстве нефтепроводов и нефтехранилищ, который предотвращает нисходящую миграцию нефти в почвах и грунтах. С этой целью в верхний слой почвы вносят природные минеральные и/или органические сорбенты, обладающие высокими водоудерживающими свойствами, с последующим увлажнением почвы или грунта до состояния полевой влагоемкости. При этом используют большие массы минеральных сорбентов (цеолиты, глины или доломиты в количестве 1-33% от массы сухой почвы) и органических сорбентов (торф, целлюлозу, лигнин, древесные опилки, измельченную кору, солому, биомассу культурных и дикорастущих растений или резиновую крошку). Минеральные сорбенты вносят в виде смеси с почвой слоем 20-25 см, а органические сорбенты вносят отдельным слоем толщиной 5-20 см, располагающимся под слоем почвы или смеси почвы с минеральным субстратом толщиной 5-20 см.

Существенными недостатками известного способа является технологическая сложность его реализации и высокая стоимость. Это связано с необходимостью формирования многокомпонентного противофильтрационного барьера на всех участках, где потенциально возможно загрязнение нефтью. При этом необходимо проведение обязательного увлажнения почвы до состояния полевой влагоемкости. К тому же создание большого слоя (толщиной 20-25 см) из минеральных и органических субстратов потребует дополнительных финансовых затрат для их доставки в отдаленные районы добычи нефти на Крайнем Севере.

Известен другой способ, связанный с очисткой загрязненных подземных питьевых вод при добыче нефти [Патент РФ №2247195. Способ очистки подземных питьевых вод при добыче нефти. Калмыков Г.И., Галимов Т.Х., Нугаев Р.Я. и др.]. Данный способ очистки подземных питьевых вод при добыче нефти включает ограничение движения загрязнения путем строительства скважин и закачки растворов нейтрализующих реагентов. Здесь по контуру очага возможного загрязнения нефтью строят сетку скважин с управляемым межтрубным и затрубным пространством - компаунд-скважин, расстояние между которыми и количество ступеней выбирают в зависимости от пористости и проницаемости горных пород. Ступени компаунд-скважин располагают перпендикулярно направлению движения естественного потока подземных питьевых вод, а закачку растворов нейтрализующих реагентов производят через затрубное и межтрубное пространство компаунд-скважин одновременно с добычей нефти из продуктивного пласта.

Существенными недостатками известного способа являются его технологическая сложность выполнения, высокая стоимость реализации и эксплуатации. Так же возникают геоэкологические риски, связанные со строительством специальной сети скважин по контуру очага возможного загрязнения нефтью и закачкой в подземные воды растворов нейтрализующих реагентов. А это включает потенциальную опасность проявления токсикологических свойств реагентов при питьевом использовании подземных вод.

Известен способ охраны подземных пресных вод при очистке загрязненных водоносных пластов при скважинной разработке нефтяных месторождений [Патент РФ №2107129. Способ ликвидации загрязнения подземных вод. Бикбулатов И.Х., Айдашев Н.Ф., Шаяхметов Ш.К., Бикбулатов И.И.]. В данном способе после определения области загрязнения в пласте, осуществляют закачку очищающей воды через нагнетательные скважины, отбор загрязненной воды, контроль ее качества и количества. При сооружении скважин для отбора загрязненной воды, бурением дополнительно вскрывают глубинный нижележащий утилизационный пласт, в который направляют загрязненную воду. Одновременно создают депрессию на загрязненный и репрессию на утилизационный пласты. При этом нагнетательные скважины сооружают за контуром загрязнения пласта.

Существенным недостатком способа является технологическая сложность выполнения, высокая стоимость исполнения и эксплуатации. При этом возникают геоэкологические риски, связанные с сооружением системы нагнетательных скважин и проблемой утилизации загрязненной углеводородами воды при разработке нефтяных месторождений. В частности, захоронения загрязненной углеводородами воды в утилизационном пласте без учета его гидрологической характеристики, что, благодаря возможности водообмена с другими водоносными пластами, может вызвать их загрязнение.

Известен способ прогнозирования исчезновения нефти из почвы под действием различных факторов с помощью математической модели [Водопьянов В.В., Киреева Н.А., Онегова Т.С., Жданова Н.В. Моделирование биодеградации нефти в почве микроорганизмами // Нефтяное хозяйство. 2002. №12. С. 128-130].

Существенным недостатком известного способа является сложность использования данной математической модели для прогнозирования части нефти, исчезающей из почвы под действием физико-химических факторов (например, улетучивания). В полевых условиях при аварийных разливах нефти оказывается нереальной идентификация и учет различных, якобы несущественных физико-химических факторов, а, следовательно, и расчет соответствующих параметров. Исчезновение нефти из почвы, особенно при внесении торфа происходит главным образом микробиологическим путем, т.е. под действием углеводородокисляющих микроорганизмов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение является предотвращение миграции нефти в подземные воды с участка загрязненных тундровых почв, подготовка его к последующей рекультивации и оценка срока предотвращения миграции нефти в подземные воды с участка загрязненной почвы.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что производят отбор усредненного образца почвы на загрязненном участке для определения в ней исходной концентрации нефти у₀ и глубины ее проникновения в грунт. Затем, для предотвращения миграции нефти, равномерно вносят на загрязненный участок торф и заделывают его в загрязненный грунт путем перемешивания с почвой.

Для оптимизации процесса, на незагрязненном участке, близком к месту загрязнения нефтью, отбирают усредненный образец почвы из верхнего гумусово-аккумулятивного горизонта мощностью до 30 см для определения ее полной влагоемкости и гранулометрического состава. Одновременно производят оценку глубины проникновения нефти в грунт на загрязненном участке и его площадь. По этим данным (полная влагоемкость не загрязненного грунта и его гранулометрический состав, глубина проникновения нефти в грунт на загрязненном участке и его площадь) определяют необходимое для внесения на загрязненный участок количество торфа. После чего указанное количество торфа доставляют и равномерно распределяют по всей поверхности загрязненного участка, и затем заделывают в грунт путем перемешивания с загрязненным слоем почвы.

После заделки торфа в грунт, через каждые 10 суток на загрязненном участке отбирают усредненные образцы почвы и определяют в них остаточную концентрацию у нефти. Эти исследования проводят вплоть до выявления статистически доказанной тенденции снижения концентрации нефти в почве. Этот момент фиксируют как время t с начала процесса рекультивации.

После этого производят прогнозирование срока предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненной почвы путем расчета времени t_ОДК достижения ориентировочно допустимой концентрации нефти y_ОДК для тундровых почв. Прогнозирование осуществляют, например, по формуле экспоненциальной зависимости у=y₀e^-kt, используя исходную концентрацию нефти у₀ на загрязненном участке и остаточную концентрацию нефти у в почве на момент времени t.

На фиг. 1 показана схема отбора 5 проб почвы из 5 условных точек на загрязненном нефтью участке и отдельно на смежном незагрязненном участке методом «конверта» для составления усредненных образцов путем их смешивания.

Поставленная техническая задача решается поэтапно.

Первый этап. На загрязненном участке определяют глубину миграции нефти и отбирают усредненный образец почвы до зафиксированной глубины миграции данного вещества. Одновременно, на смежном незагрязненном участке отбирают усредненный образец почвы до такой же глубины. Усредненные образцы получают путем смешивания отдельных 5 проб, отобранных с каждого участка методом «конверта» (см. фиг. 1).

Усредненный образец почвы из загрязненного участка используют для определения исходной концентрации нефти у₀, г/кг, например, методом инфракрасной спектрофотометрии. Для этого осуществляют предварительную подготовку проб для анализа, например, экстракцией нефти четыреххлористым углеродом (CCl₄) в экстракторе (Экрос-8000). Полученный экстракт отстаивают и пропускают через хроматографическую колонку с Al₂O₃ и на концентратомере определяют содержание нефти в почве. [См. Концентратомер нефтепродуктов ИКН-025, Руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург, 2005. 13 с.].

Усредненный образец из смежного незагрязненного участка используют для определения гранулометрического состава почвы, например, пирофосфатным методом. [См. Практикум по почвоведению, М.: Колос, 1980, с. 73-87].

Второй этап. Определяют количество торфа, которое необходимо внести на загрязненный участок. Для этого оценивают объем грунта на загрязненном участке. Затем, в зависимости от гранулометрического состава почвы (см. табл. 1), определяют рациональную дозу торфа по соотношению торф : почва для внесения на загрязненный нефтью участок. [См. Патент РФ №2491137. Способ контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством анализа активности дегидрогеназы. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Маклюк О.В., Припутина И.В.].

Определенное таким образом количество торфа завозят на участок, равномерно распределяют по всей его поверхности и заделывают, путем перемешивания с загрязненным слоем почвы, мощностью не менее глубины проникновения нефти.

Третий этап. На загрязненном участке (после внесения в его почву торфа), через каждые 10 суток отбирают усредненные образцы почвы для определения в них остаточной концентрации нефти у, г/кг. Отбор производят вплоть до выявления статистически доказанной тенденции снижения концентрации нефти в почве на момент времени t.

Четвертый этап. Осуществляют прогнозирование срока предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненной почвы. Прогнозирование реализуют путем расчета времени t_ОДК достижения ориентировочно допустимой концентрации нефти у_ОДК, составляющей для тундровых почв 0,7 г/кг. Расчет осуществляют, например, по формуле экспоненциальной зависимости у=у₀е^-kt, где у₀ - исходная концентрация нефти; у - остаточная концентрация нефти в почве на момент времени t; е - основание натурального логарифма; k - константа скорости разложения нефти в почве, которую вычисляют по формуле, где ln - логарифм натуральный:

Вычисление t_ОДК нефти в почве производят по формуле:

Ориентировочно допустимая концентрация нефти в тундровых глеевых суглинистых и глинистых почвах и тундровых болотных почвах составляет 0,7 г/кг. [См. Пиковский Ю.И., Геннадиев А.Н., Чернянский С.С., Сахаров Г.Н. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами // Почвоведение. 2003. №9. С. 1132-1140].

В качестве примера, на участке, загрязненном нефтью, проводился анализ ее содержания в почве через каждые 10 суток, и только на 40 сутки от начала наблюдения была установлена статистическая доказанная тенденция снижения концентрации нефти в почве после внесения торфа в соотношении торф : почва 1:7, согласно табл. 1. Соотношение торф : почва 1:7 выбиралось по результатам анализа гранулометрического состава почвы, которая оказалась тяжелым суглинком.

Далее, по исходной концентрации нефти у₀ и остаточной концентрации у нефти в почве на момент времени t, была вычислена константа скорости разложения нефти в почве k по формуле (1), а затем вычислено время t_ОДК достижения ориентировочно допустимой концентрации нефти y_ОДК по формуле (2). В результате расчетов оказалось, что внесение торфа в соотношении 1:7 позволяет снизить t_ОДК нефти в 1,8 раза по сравнению с контролем, т.е. благодаря внесению торфа разложение нефти ускоряется в 1,8 раза (см. табл. 2).

Заявляемое техническое решение позволяет предотвратить миграцию нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв при использовании простой, экономически эффективной и геоэкологически безопасной технологии с использованием торфа и корректно прогнозировать время t_ОДК достижения ориентировочно допустимой концентрации нефти y_ОДК в почве на территориях интенсивной добычи нефти.