Организация мониторинга в районах развития нефтегазодобывающей промышленности

Введение

Актуальность исследования. Разработка нефтяных месторождений и строительство нефте- и газопроводов являются важнейшими составляющими национальной стратегии экономического развития России. Продолжающийся рост мирового спроса на углеводороды определяет необходимость поиска новых перспективных направлений добычи нефти и газа.
В настоящее время геологоразведочные работы, проводимые крупнейшими нефтяными компаниями, развиваются в глубинах мирового океана. В новых водах ведутся крупномасштабные геологоразведочные работы и бурение скважин. Около 24% мировой добычи нефти приходится на морские месторождения. Это вызвало ряд экологических, технических и социальных проблем.
Поскольку все океаны России являются открытыми водами, эти проблемы приобрели международный характер. Эти проблемы в основном связаны с безопасностью и состоянием окружающей среды наиболее дорогостоящих сооружений. Поскольку эти сооружения большие и рассчитаны на долгосрочную эксплуатацию, вероятность их разрушения в результате природных явлений значительно возрастает. К таким явлениям относятся сейсмическая тектоническая активность, океанские волны в прибрежных районах, подводные оползни, донные течения.
Кроме того, на данный момент нельзя исключать возможность преднамеренного повреждения трубопроводов (террористические акты), а также непреднамеренного воздействия на людей во время различных занятий (рыбалка, катание на лодках).
В соответствии с Постановлением Совета Министров при Правительстве Российской Федерации от 24 ноября 1993 г. № 1229 «О создании единой национальной системы мониторинга окружающей среды» и Постановлением Правительства Российской Федерации № 177 от 31.03.2003 г. «Об организации и осуществлении национального экологического мониторинга», надлежащее внедрение системы мониторинга является обязательным условием для эксплуатации объектов нефтегазодобывающих компаний на континентальном шельфе Российской Арктики и Южно-Китайского моря. Соответственно, каждая компания (или группа компаний) должна разработать единую стратегию экологической безопасности и комплексного экологического мониторинга, а также направлять свою повседневную деятельность и планирование на будущее.
Степень научной разработанности заключается в том, что данной проблематике посвящено множество видов работ, в частности, это работы: Ковачева С.А., Лобковского Л.И., Крылова А.А., Иващенко А.И., Митягиной М.И., Лавровой О.Ю., Бочаровой Т.Ю.
Предмет исследования: организация мониторинга в районах развития нефтегазодобывающей промышленности.
Объект исследования: мониторинг нефтяных загрязнений.
Цель исследования: проанализировать организацию мониторинга в районах развития нефтегазодобывающей промышленности и разработать рекомендации по его совершенствованию.
Задачи исследования:
1. Рассмотреть понятие и сущность мониторинга зон промышленного освоения нефтегазовой отрасли.
2. Привести теоретический анализ научной литературы мониторинга нефтяных загрязнений.
3. Охарактеризовать нормативно-правовые аспекты мониторинга зон промышленного освоения нефтегазовой отрасли.
4. Привести общую структуру системы мониторинга загрязнения водной поверхности нефтью.
5. Изучить организацию проводной системы мониторинга загрязнения нефтью.
6. Изучить структуру беспроводной системы дистанционного мониторинга нефтяного загрязнения водной поверхности.
7. Осуществить разработку программы производственного экологического мониторинга на примере Наульского месторождения нефти.
8. Рассмотреть геологические и экологические риски в разведке и добыче нефти.
9. Раскрыть организацию геодинамического мониторинга на нефтяном месторождении.
Практическая значимость исследования заключается в том, что данное исследование может быть применено в курсовых, научных и диссертационных работах по схожей проблематике.
Методология исследования: сравнительный метод, метод дедукции, метод сопоставления, исторический метод.
Структура работы состоит из введения, трех глав (теоретической, аналитической, проектной), заключения и списка источников.


 
Глава 1. Теоретические основы мониторинга нефтяных загрязнений
1.1. Понятие и сущность мониторинга зон промышленного освоения нефтегазовой отрасли

Нефтегазовые сооружения, прежде всего, магистральные трубопроводы, промежуточные резервуары нефти и газа, компрессорные станции и т.д., - это очень сложное и ответственное сооружение, и его безопасность и эффективность должны быть гарантированы на длительный период времени, исчисляемый десятилетиями и более. Нарушения в их работе могут сопровождаться очень серьезными последствиями не только для комплекса нефтегазовых объектов, но и для окружающей среды.
Известно множество примеров подобных аварий и экологических катастроф. В настоящее время на территории Российской Федерации проложено более 200 000 километров крупных нефте- и газопроводов. Кроме того, существует большое количество различных трубопроводов в этой области [5].
Среднегодовой ущерб от крупных утечек на трубопроводах составляет:
- загрязнение нефтью сельскохозяйственных угодий - 4 гектара;
- загрязнение важных для рыболовства водоемов = 350 кубических метров.
По аналогичным оценкам, количество разливов со значительным ущербом достигает 7200 в год. В результате 2,15 миллиона тонн нефтепродуктов попадают в почву и загрязняют землю, занимая площадь в 28,8 тысячи гектаров. Разливы нефти объемом до 50 тонн считаются незначительными, но за один год произошло около 1,64 млн тонн утечки.
В целом, ежегодные потери при транспортировке нефти составляют около 3,79 млн тонн.
Когда добыча нефти и газа ведется в Арктике, которая по своей природе является очень хрупкой и трудноизвлекаемой, ситуация имеет тенденцию к ухудшению. Очевидно, что строительство этих сооружений должно осуществляться с использованием специальных технологий.
В настоящее время постепенно накапливается опыт строительства и эксплуатации этого сооружения. В частности, были опубликованы данные о строительстве газопровода «Сахалин» в рамках проекта «Сахалин-2». В то же время было отмечено, что трасса трубопровода проходит через 19 ключевых участков - сейсмических разломов [14].
На основе построенной модели выдвигаются предложения по уточнению предварительных проектных решений (замена проводки, изменение угла пересечения разрывов трубопроводов, расположение частей крана и т.д.). Перед прокладкой трубопроводов поперек разлома подготавливается траншея особой ширины и устанавливается компенсатор сжатия для обеспечения деформироваться и реагировать на возможные изменения в грунте и горных породах в плоскости разлома.
Кроме того, место пересечения трубопровода-разлома герметизируется геомембраной, чтобы предотвратить заполнение траншеи водой, которая в случае замерзания может снизить или полностью исключить необходимую подвижность трубопровода относительно деформированного грунта.
При повреждениях используются трубы с более высокими характеристиками сопротивления, чем в других областях, более толстыми стенками и более совершенной системой испытаний для контроля раскрытия усталостных трещин с помощью различных методов (включая рентгеновское излучение) (рис. 1).

Рис. 1. Мониторинг производственных объектов нефтегазовой отрасли

Система защиты трубопровода от нарушения его целостности была тщательно продумана, и на всем маршруте планируется установить специальные крановые установки. При необходимости участки трубопровода могут быть автоматически разрезаны вблизи каждого сейсмического разлома, чтобы минимизировать последствия гидравлических ударов или других негативных явлений в трубопроводе [17].
Однако при строительстве трубопроводов в условиях высокопрочных горных массивов со слоисто-блочными конструкциями одних только технических и конструктивных защитных мероприятий, по-видимому, недостаточно. Результаты исследований деформационных характеристик этой системы показывают, что под воздействием природных и технических факторов, а также при деформации отдельного структурного блока фактически не происходит потери целостности, и структурные блоки также могут перемещаться при их контакте с соседними блоками (структурная неоднородность).
В то же время, из-за изменения внешних условий, степень активности процесса деформации и перемещения блока может изменяться: ранее активный блок и структурная неоднородность могут стать стабильными, в то время как ранее стабильная и неактивная структурная неоднородность, наоборот, будет участвовать в процессе деформации.
Эти характеристики деформации матрицы и связанное с ними состояние структур делают необходимым осуществление постоянного контроля состояния матрицы и структуры, то есть организацию постоянного геодинамического мониторинга, особенно основной структуры нефтегазового комплекса, включая в первую очередь магистральный трубопровод [8].
Организация геодинамического мониторинга основных структурных состояний нефтегазовых комплексов в первую очередь должна основываться на системном принципе, поскольку эти структуры образуют специфическую «структуру-матрицу» горной системы.
Особенность этих систем заключается в особой ответственности за обеспечение бесперебойной работы сооружения, его длительного существования и линейного расширения. При рассмотрении организации геодинамического мониторинга сооружений в арктических условиях необходимо дополнительно учитывать снижение пропускной способности.
Таким образом, восстановление природной системы повышает степень надежности мер, разработанных для предотвращения возможных аварий.
Общая структура и принципы организации геодинамического мониторинга нефтегазовых объектов представлены на рисунке 2.

Рис.2. Структура геодинамического мониторинга

В то же время разработка структуры системы геодинамического мониторинга, как правило, должна включать следующие этапы [14]:
- определение приоритетности формирования геомеханических моделей контролируемых горных систем и сооружений, включая оценку геомеханических рисков и соответствующее зонирование в соответствующих областях;
- выбор, корректировка и оценка возможных приоритетных значений контролируемых параметров;
- оборудование наблюдательных пунктов (полигонов);
- измерение (определение) контролируемых параметров в полевых условиях;
- формирование крупномасштабных баз данных наблюдений и расчетных параметров;
- обработка и логическая структура данных;
- спецификация или расчет параметров в модели прогнозирования;
- сравнение измеренных значений с расчетными нормативными или прогнозируемыми значениями;
- оценка текущего состояния и прогнозирования контролируемого объекта;
- управленческие решения и превентивные меры;
- мониторинг эффективности превентивных мер.
Кроме того, на данный момент нельзя исключать возможность преднамеренного повреждения трубопроводов (террористические акты), а также непреднамеренного воздействия на людей во время различных занятий (рыбалка, катание на лодках).

1.2. Теоретический анализ научной литературы мониторинга нефтяных загрязнений

Под комплексным мониторингом понимается непрерывный и завершенный процесс наблюдения за состоянием объекта. Сложность мониторинга заключается в систематизации и полноте проводимых исследований, начиная от сбора образцов и заканчивая прогнозированием и оценкой поведения, состояния объекта в целом [19].
Под комплексностью также понимается многофункциональность изучения объектов, то есть использование различных средств и методик исследования от крупномасштабных наблюдений и измерений (волны, уровень моря, скорость ветра, толщина льда, сейсмическая активность) до космического и авиационного мониторинга.
Поисково-разведочные работы, непосредственная добыча и первичная переработка нефти и природного газа, безусловно, сопровождаются нарушениями естественного состояния природной среды и ее загрязнением. Поэтому нефтяные и газовые месторождения, несомненно, являются более опасными объектами, и их всесторонний мониторинг является не столько неотложной, сколько крайне необходимой задачей.
Таким образом, по экспертным оценкам, ежегодные потери нефти в России достигают 5% от добычи, а потери жидкого углеводородного топлива оцениваются в 0,1-0,5% от его потребления. Иными словами, несмотря на реализацию всех экологических программ и мероприятий, площадь загрязнения увеличилась, а количество отходов от добычи и переработки нефти не уменьшилось. В этом смысле не вызывает сомнений актуальность работ по совершенствованию методов выявления и мониторинга нефтяного загрязнения.
Попадание нефти и нефтепродуктов в окружающую среду нарушает протекание практически всех природных процессов. Сложность мониторинга загрязнения нефтью связано не только с масштабами и условиями аварии, но и с уникальностью исследуемого вещества [5].
У каждого нефтепродукта свой химический состав, своя растворимость и способность к биологическому разложению. Для нефти показатель растворимости составляет от 10 до 50 мг/л, а для бензина - от 9 до 505 мг/л.
В связи с этим методы и инструменты мониторинга отбираются в соответствии с несколькими критериями:
- цель и предназначение наблюдения (местное, региональное или глобальное наблюдение);
- природа вещества;
- доступность исследуемой территории;
- природные условия и характеристики геологических формаций;
- время реагирования и другие.
Инфракрасная спектроскопия, ультрафиолетовая люминесценция и газовая хроматография являются наиболее широко используемыми методами количественной оценки уровня загрязнения. Однако, следует учитывать зоны чрезвычайно ситуации (рис. 3).

Рис. 3. Схема мониторинга обстановки и окружающей среды

Для анализа с помощью инфракрасной спектроскопии требуется небольшое количество веществ любой молекулярной массы в любом агрегатном состоянии.
Все органические вещества имеют свои собственные спектры поглощения в ИК-диапазоне. Для ИК-анализа углеводородов этот диапазон составляет от 0,7 до 25 мкм. Дальний инфракрасный диапазон в основном используется для обнаружения источника загрязнения и определения типа масла [16].
Наиболее перспективным методом экологического мониторинга нефтегазовых загрязнений считается дистанционный метод (это связано с условиями проведения исследований и скоростью обработки). Таким образом, дистанционный мониторинг заключается в наблюдении за территорией на расстоянии.
Основным источником являются данные дистанционного зондирования Земли (данные дистанционного зондирования или данные космического мониторинга). Они также могут быть классифицированы по типу датчиков:
1. Пассивные (основанные на регистрации отраженного солнечного излучения). К ним относятся тепловизионные системы, мультиспектральные сканеры и другие. Синтезируя мультиспектральные или гиперспектральные данные с течением времени, можно определить новые места загрязнения нефтью, диффузию и наличие нефтепродуктов.
Чтобы оценить изменения любой области с течением времени, достаточно создать многовременную композицию или многовременное изображение.
Кроме того, изображения в оптическом и тепловом диапазонах позволяют оценить концентрацию хлорофилла и взвеси, а также температуру поверхности, скорость направления ветра, аномалии поверхности моря и другие показатели.
Благодаря применению различных методов обработки пространственной информации, визуальной или экспертной расшифровки, а также сопоставлению данных подземных пользователей, можно быстро составить карту мест, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.
2. Активные (на основе данных о собственном излучении). Преимуществом этого вида съемки является возможность снимать в любую погоду и в любое время суток (в отличие от пассивной фотосъемки). Однако сложность заключается в обработке полученного изображения (устранении пятнистых шумов, шероховатостей и других).
К активным датчикам относятся лидары, основанные на принципе комбинированного рассеивания.
Нефть и нефтепродукты обладают сильной флуоресценцией при воздействии ультрафиолетового излучения. Поэтому флуоресцентные лидары обычно используются при мониторинге загрязнения морской поверхности нефтью и газом [23].
Кроме того, лидар позволяет не только обнаружить загрязнение нефтепродуктами вокруг платформы, но и оценить толщину нефтяной пленки, что позволяет рассчитать объем утечки.
Спутниковые радиолокационные наблюдения позволяют получать реальные изображения всей территории с пространственным разрешением до нескольких метров. Кроме того, радар значительно дешевле лидара [7].
Радарные изображения, такие как лидарные, используются не только в качестве основного источника данных для обнаружения нефтяных и газовых загрязнений, но и для измерения толщины пленки.
На изображении нефтяная пленка отображается в виде черных пятен или полировки пленки (гладкая область). На поверхности океана образуется область с уменьшенной дисперсией, которая может быть использована в качестве индикатора наличия нефтяного загрязнения в океане или на поверхности океанской воды. Кроме того, разливы нефти обычно имеют правильную геометрию и их размер невелик (обычно это крупные пятна естественного происхождения, например, скопления водорослей).
Радиолокационный мониторинг осуществляется не только в том месте, где происходит добыча нефти и аварии танкеров, но и в том месте, где происходит транспортировка нефти, то есть по маршруту следования нефтяных танкеров. Поскольку обычно суда выгружают топливные отходы вблизи порта,

1.3. Нормативно-правовые аспекты мониторинга зон промышленного освоения нефтегазовой отрасли

Цели мониторинга определены Федеральным законом «Об охране окружающей среды». Согласно статье 63, экологический мониторинг включает в себя наблюдение за состоянием окружающей среды, в том числе за состоянием окружающей среды в районе, где расположены источники антропогенного воздействия, и за воздействием этих источников на окружающую среду.
Положение об оценке воздействия планируемой хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду Российской Федерации (утверждено Приказом Государственной экологической комиссии Российской Федерации от 16 мая 2000 г. № 372) предусматривает обязательное проведение оценки воздействия на окружающую среду, целью которой является: предотвращать или смягчать воздействие такой деятельности на окружающую среду и связанные с этим социальные, экономические и другие последствия.
Регламент предусматривает, что исследование по оценке воздействия планируемой хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду должно включать:
- подготовку рекомендаций для программ экологического мониторинга и контроля на всех этапах осуществления планируемой хозяйственной деятельности;
- разработку рекомендаций по результатам послепроектного анализа.
Цели и задачи национального экологического мониторинга определены в «Положении об организации и осуществлении национального экологического мониторинга» [14].
Федеральный закон «О континентальном шельфе Российской Федерации» предусматривает, что национальная экологическая экспертиза континентального шельфа является обязательной мерой по охране окружающей среды, включая защиту морской среды и сохранение природных ресурсов континентального шельфа (статья 31).
Согласно статье 33, национальный мониторинг континентального шельфа является неотъемлемой частью единой национальной системы мониторинга окружающей среды Российской Федерации. Это система для регулярного наблюдения за состоянием окружающей среды, включая морскую среду и донные отложения.
Среди немногих новых документов следует отметить ГОСТ Р53241-2008 «Морская геологическая разведка. Требования к защите морской среды при разведке и эксплуатации месторождений нефти и природного газа на континентальном шельфе, территориальных морях и прибрежных зонах». Спецификация: