Загрязнение подземных вод при строительстве скважин

Антропогенное влияние на подземные воды в районах разработки и освоения нефтегазоносных месторождений вследствие интенсивного техногенного воздействия процессов разбуривания и эксплуатации стало особенно заметно в последнее время. При этом наиболее негативное влияние на грунтовые и подземные воды оказывают процессы строи­тельства скважин. Основными причинами проникновения за­грязнителей являются невысокое качество гидроизоляции шламовых амбаров и несоответствие их объемов объемам образующихся отходов, главным образом жидких отходов, из-за своей высокой аккумулирующей способности и под­вижности. Наиболее подвержены загрязнению пресные грунтовые и сравнительно неглубоко залегающие напорные воды, используемые как для питьевых, так и для хозяйственно-бытовых и технических целей. Пресные под­земные воды сконцентрированы главным образом в верхней части земной коры (педосфере), в зоне активного водо­обмена на глубинах до 150 — 200 м, редко глубже; ниже, в зоне замедленного подземного стока, располагаются воды повышенной минерализации.

На изменение естественного природного химического состава пресных подземных вод влияют многие природные и техногенные факторы, основными из которых являются физико-химические свойства и состав загрязненных сточных вод, и физико-химическое взаимодействие с вмещающими породами разнообразного состава и структуры при движении воды от областей питания к участкам разгрузки или понижения водоносного горизонта. Проникновение загрязнителей в водоносные горизонты происходит за счет просачивания технологических стоков через прони­цаемые слои и литологические окна, привлечение речного стока, оросительных систем и др. Характер загрязнения зависит от климатических условий, характера почвенного покрова и растительности, рельефа, густоты и врезанности гидрографической сети.

Поступление в грунтовые воды загрязнителей, содер­жащихся в сточных водах, приводит к изменению прежде всего окислительно-восстановительной обстановки в ареале инфильтрации - к увеличению в воде концентраций сульфатов железа, кальция и магния из-за окисления содержащегося в породах тонкодисперсного пирита. На заторфованных и заболоченных участках вместе с понижением уровня грунтовых вод происходит разложение органического вещества в породах, что способствует увели­чению содержания в воде азотсодержащих веществ и желе­за, выносимого из пород в результате обогащения воды органическими веществами и углекислым газом. Разнообразные органические вещества, фильтрующиеся в водоносные горизонты из отходов, стимулируют интенсив­ный рост и активность микроорганизмов в водоносном гори­зонте, что приводит к дополнительному ухудшению качества воды.

По масштабу влияния на водоносные горизонты выде­ляются локальные и региональные загрязнения подземных вод.

Под локальным источником загрязнения (шламовые амба­ры) формируется ареал загрязнения подземных вод, формы и размеры которого в плане, а также проникновение в глу­бину водоносного горизонта изменяются в широких преде­лах и зависят, во-первых, от интенсивности и характера поступления загрязнений (постоянное, периодическое), хими­ческого состава, плотности и вязкости инфильтрующихся загрязненных вод, во-вторых, от гидрореологических усло­вий участка - литологического строения, гидрогеологи­ческих параметров зоны аэрации и водоносного горизонта, направления и скорости движения подземных вод; в-третьих, от характера проявления процессов физико-химического взаимодействия между загрязняющими компонентами и подземными водами и породами. При многокомпонентном составе фильтрирующихся загрязненных сточных вод (буро­вых сточных вод) формируется сложный ареал загрязнения.

Под действием многочисленных локальных источников, совокупность которых обусловливает площадный характер загрязнения, оно становится региональным. Такое загряз­нение характерно для крупных нефтегазовых месторож­дений, особенно с плотной сеткой разбуривания. При этом основным источником загрязнения подземных вод являются шламовые амбары с содержащимися в них произ­водственно-технологическими отходами бурения и продук­тами освоения скважин. Причиной же загрязнения следует считать, прежде всего, некачественную гидроизоляцию дна и стенок амбаров, особенно сооружаемых в проницаемых породах. Проникновение в почвогрунт загрязнителей происходит при коэффициенте фильтрации грунта бодее 10 ^-5 см/с.

Подземные воды по сравнению с поверхностными в це­лом лучше защищены от загрязнения, так как водоносный горизонт перекрыт более или менее мощной толщей почвы и пород. Однако если покрывающий пласт водопроницаем и имеет небольшую толщину, то инфильтрирующиеся с поверхности загрязненные воды быстро проникают в водоносный горизонт и загрязняют его. Только когда над водоносным горизонтом залегают водо­непроницаемые породы, они могут предохранить его от загрязнения.

Грунтовые воды, не перекрытые водоупорными породами, как правило, защищены значительно меньше, чем ниже­лежащие горизонты напорных подземных вод, и обычно принимают основную часть инфильтрирующихся с поверх­ности загрязнений. Из грунтовых вод загрязнения могут затем проникать в более глубокие напорные и безнапорные горизонты с пониженными напорами – через литологические окна в водоупорах, при перетоке через слабо­проницаемые раздельные горизонты, по заколонному прост­ранству скважин вследствие их некачественного цемен­тирования и т.д.

Степень естественной защищенности подземных вод от поверхностного загрязнения зависит от факторов, опреде­ляющих возможность, скорость и время инфильтрации за­грязнений с поверхности в водоносный горизонт. К таким факторам следует отнести:

- толщина, водопроницаемость пе­рекрывающих пород;

- значение перепада уровней (напоров) между загряз­ненными и подземными водами рассматриваемого водонос­ного горизонта с учетом понижения уровня воды при работе водозабора;

- вид и химический состав загрязнений, интенсивность и характер их поступления в подземные воды;

- физико-химические, в частности сорбционные, свойства перекрывающих пород и загрязняющих веществ, опреде­ляющие возможность полного или частичного поглощения загрязнений данного состава или их трансформацию в безвредное состояние.

При оценке защитной способности глин и глинистых пород, залегающих над используемым водоносным гори­зонтом, следует учитывать, что в зоне аэрации глины часто обладают вертикальной макропористостью и повышенно водопроницаемостью из-за развития корней растений и наличия трещин и макропор усыхания, вызванных усадкой при переменном увлажнении и осушении. По мере увеличения глубины залегания глинистых пород их порис­тость и водопроницаемость уменьшаются. На большой глуби­не в спокойных тектонических условиях глинистые породы характеризуются очень малым коэффициентом, фильтрации (≤ 10^-8 м/сут) и таким образом практически водоупорны.

Разнообразие геолого-гидрогеологических условий, состава и структуры перекрывающих горных пород, а также специфика отдельных видов загрязнений (микробио­логическое, химическое) определяют большие различия в степени естественной защищенности подземных вод. Применительно к вопросам охраны подземных вод от загрязнения в процессах бурения скважин необходима оцен­ка степени естественной их защищенности.

К защищенным относятся напорные и безнапорные меж­пластовые воды, имеющие в рассматриваемом районе сплошную водоупорную кровлю и не получившие здесь как в естественных, так и в нарушенных условиях питания из вышележащих грунтовых вод, рек и водоемов через разде­ляющие слои или гидрогеологические окна. К недостаточно защищенным подземным водам относятся грунтовые воды, получившие питание на площади распространения, а также напорные и безнапорные межпластовые воды, которые в природных условиях получают питание из вышележащих подземных вод через разделяющие слои или гидро­геологические окна, из рек и водоемов при непосредст­венной гидравлической связи.

Наиболее негативными загрязнителями подпочвенных и подземных вод являются нефть и нефтепродукты. Нефть и большинство нефтепродуктов с водой не смешиваются, раст­воримость их невелика. Для жидких парафинов и нафтеновых углеводородов она составляет 40 — 150 мг/л, что во много раз превышает ПДК. Растворимость ароматических углеводородов еще выше и достигает 500 мг/л для толуола и 1800 мг/л для бензола.

При малом количестве разлившихся нефтепродуктов они остаются в зоне аэрации, обволакивая поверхность зерен и трещин в породе, а если достигают капиллярной каймы, то распространяются на некоторое расстояние и в горизон­тальном направлении. При этом загрязнение грунтовых вод растворимыми углеводородами происходит в результате промывания пород зоны аэрации атмосферными осадками. Сезонные колебания поверхности грунтовых вод несколько изменяют высотное положение нефтепродуктов, сосредо­точенных в капиллярной кайме, что увеличивает размеры загрязненной части пород зоны аэрации. Движение нефтепродуктов через зону аэрации сопровождается их частич­ным расслоением, адсорбцией в породах, биохимическим распадом и испарением. При большом количестве проник­ших нефтепродуктов в процессе вертикальной инфильтрации они заполняют всю зону аэрации, капиллярную кайму и расплываются на поверхности грунтовых вод в виде слоя той или иной толщины. Эмульгированные и растворенные угле­водороды вместе с потоком подземных вод мигрируют в водоносном горизонте в направлении движения подземных вод. Линза нефтепродуктов тоже может передвигаться, скорость ее распространения обычно меньше скорости потока подземных вод и зависит от физических свойств нефтепродуктов (вязкость, плотность, поверхностное натя­жение) и водовмещающих проб (гранулометрический состав, трещиноватость, проницаемость, содержание воды).

В водоносном горизонте в процессе анаэробных био­химических реакций происходит окисление нефтепродуктов, которое сопровождается развитием резко выраженной вос­становительной обстановки. В этих условиях из воды исчезают растворенный кислород и нитраты и уменьшается содержание сульфатов, но появляются аммоний, сероводород, увеличивается содержание железа, марганца и свободной углекислоты.

Поступление со сточными водами органических веществ, применяемых в технологических циклах строительства сква­жин, также приводит к загрязнению подпочвенных и под­земных вод. Такие загрязнители под действием микробио­логического фактора почвенной среды подвергаются биодеструкции с образованием безвредных веществ. Однако при большом поступлении органических веществ биологическая активность микроорганизмов настолько интенсифицируется, что приводит к изменению окислительно-восстановительных условий, состава и качества грунтовых и подземных вод.

Главным агентом аэробной биодеградации органических загрязнителей является кислород, находящийся в подземных водах в растворенном виде, а в зоне аэрации - в газообразном состоянии. Роль катализаторов биохимических реакций выполняют ферменты, выделяемые микроор­ганизмами. В ходе биохимической деградации сложные органические вещества последовательно трансформируются в более простые соединения - жирные кислоты, спирты, альдегиды, аммоний и др. На конечной стадии этот процесс может завершиться полной минерализацией с образованием нетоксичных веществ - воды, двуокиси углерода, нитратов, фосфатов, сульфатов.

К аэробным бактериям относятся, в частности, серо­бактерии и теоновые бактерии (окисляют сероводород, сульфиды и серу до серной кислоты), железобактерии (извлекают из воды железо и отлагают его в виде гидрогеля), нитри­фицирующие бактерии (окисляют аммиак до нитратов и нитритов), бактерии-аммонификаторы (способствуют выделе­нию аммиака из органических веществ при их разложении).

Масштабы и глубина естественной биохимической очис­тки вод зависят от состава и количества поступивших загряз­нителей, а также от состава пород и подземных вод, водо­проницаемости пород, скорости фильтрации и других элементов гидрогеологической обстановки.

При большом количестве поступивших в грунтовые и подземные воды органических загрязнений дефицит кисло­рода, затраченного на аэробные превращения незначи­тельной части органических веществ, приводит к возник­новению анаэробных условий и росту анаэробных бактерий. Жизнедеятельность последних сопровождается использо­ванием не только растворенного кислорода, но и кислорода сульфатов и нитратов с появлением вследствие этого сульфи­дов, сероводорода, газообразного азота, аммония и метана, которые являются загрязнителями грунтовых и подземных вод.

Техногенное воздействие сточных вод на объекты педо- и гидросферы приводит нередко к увеличению минерализации и общей жесткости подземных вод, проявляющемуся обычно в возрастании концентрации хлоридов и сульфатов кальция, натрия, магния. Ареалы миграции указанных загрязнителей довольно значительны, так как минеральные соли относятся к самым легкоподвижным веществам.

Наиболее рельефно загрязнение подземных вод проявилось в Западно-Сибирском регионе. Об этом свидетельствует анализ проб подземных вод добы­вающих скважин, выполненный бывшей Тюменской комп­лексной геологической экспедицией ЗапСибНИГНИИ, об­ластной санэпидстанцией и другими организациями. Наиболее характерными загрязняющими компонентами являются нефть и нефтепродукты. Неблагоприятно также высокое содержание в артезианских водах железа (выше ПДК) - до 27 мг/л, особенно в районах произ­водственной деятельности предприятий широтного Приобья Западной Сибири. Отмечается наличие в водах поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Наиболее подвержены загрязнению подземные воды чет­вертичных отложений (самый верхний водоносный гори­зонт), а также подземные воды в краевых частях региона (шаимская группа месторождений и Нижневартовский район), где водоносные горизонты расположены ближе к поверхности, а геологический разрез существенно опесчанивается и отсутствуют мощные глинистые отложения, предохраняющие водоносные горизонты от влияния воздействия процессов бурения.

Наряду с нефтяным загрязнением подземных вод Западно-Сибирского региона наметилась тенденция к усилению хлоридно-сульфатного загрязнения. Согласно принятой классификации загрязненности подземных вод, олигоцен-четвертичные водоносные горизонты по уровню загрязненности хлоридами (до 0,3 г/л) и сульфатами (до 0,25 — 0,35 г/л) следует отнести ко второму классу загряз­ненности. Однако такое загрязнение не представляет серьез­ной опасности.