ГИС-технологии в оценке миграции элементов в техногенных почвах при газодобыче
ГИС-технологии в оценке миграции элементов в техногенных почвах при газодобыче
Аннотация
Исследованы геохимические особенности почв в районе газоконденсатного месторождения, характеризующиеся формированием ореолов загрязнения почв на основании ГИС-технологий. Выявлены доминирующие загрязнители почв — марганец Mn, никель Ni, мышьяк As и направления их миграции. В результате критического анализа применяемых технологий и установок показано, что превышения содержаний марганца Mn, никеля Ni в почвах связана с регулярными производственными работами, в частности, сваркой и поступлением тяжелого аэрозоля в почвы. В случае мышьяка As не выявлено промузлов и технологий, которые могли быть источником загрязнения почв этим элементом. Превышение ПДК по мышьяку в почвах обусловлено наследованием геолого- геохимической особенности Прибайкальской природной территории с повышенным содержанием этого металлоида, а также составом привозного грунта для планировки территории месторождения, обогащенного мышьяком.
1. Введение
В результате долговременной эксплуатации газоконденсатных месторождений возникает горнопромышленная природно-техногенная система с доминированием техногенной составляющей. Причем границы такого воздействия значительно превышают территорию непосредственного района освоения , .
Несмотря на ряд работ по изучению территорий в зоне добычи газа, исследование геоэкологических аспектов и проведение локального экологического мониторинга в высокочувствительных северных регионах, а также перспективы техногенного воздействия на почвы остаются актуальными , , . Важную роль в сохранении геоэкологического равновесия играют такие геохимические процессы, как аккумуляция элементов-загрязнителей и их миграция в почвенном слое . Необходимо учитывать, что при высоком уровне загрязнения, превышающем емкость почвы к связыванию токсикантов, может произойти накопление загрязняющих веществ в почвенном профиле.
Поэтому разработка новых подходов геоэкологической оценки динамично изменяющихся природных систем о воздействии усиливающегося техногенеза является актуальной проблемой , . В данной работе основной акцент сделан на исследование состояния почвенного покрова, который является естественным депо при поступлении всех загрязняющих веществ в процессе работы промузлов при добыче газа.
Так, оценка состояния техногенных почв в зоне Ковыктинского газоконденсатного месторождения после 12 лет активного функционирования не проводилась. Распространение элементов загрязнителей в зоне добычи также не изучалось. Наиболее эффективным и наглядным приемом с этой целью является использование ГИС технологий, позволяющее с высокой степенью информативности оценить изменение состояния территории, в том числе почв, прогнозировать развитие ситуации в условиях техногенеза.
Цель исследования: с использованием ГИС технологий и геохимических параметров почв оценить геоэкологическое состояние территории и миграцию марганца Mn, никеля Ni, также мышьяка As- в техногенно-трансформированных почвах на Ковыктинском газоконденсатном месторождении.
Задачи исследования:
1. Выявить потенциальные источники техногенного поступления загрязнителей почв на промплощадке месторождения, в том числе тяжелых металлов и мышьяка.
2. Получить ГИС распределение (карты-ореолы) контролируемых элементов в почвах на территории месторождения, выявить геохимические ассоциации, а также направления миграции загрязнителей.
2. Методы и принципы исследования
Объект исследования – техногенные почвы на территории Ковыктинского газоконденсатного месторождения, расположенного на севере Иркутской области (рисунок 1).
Карта расположения Ковыктинского газоконденсатного месторождения и промышленные установки на промплощадке
3. Основные результаты
Пространственный ГИС анализ подтвердил результат технологического анализа промузлов на промплощадке: в одном случае это природное поступление элемента As, который распространен по всей территории месторождения. Mn преимущественно аккумулируется в почвах в зоне трубопроводов и там, где регулярно происходит сварка: свариваются по 700 метров труб в сутки, до 5 000 м в неделю. При сварке образуется сварочный аэрозоль в зоне дугового разряда с оксидами марганца и никеля из покрытий электродов. ГИС-распределение никеля Ni может быть также связано с производством постоянного метало-ремонта, сварки труб и истиранием деталей машин от большого потока транспорта. В пике работ ежедневно на месторождении проходит 100–300 единиц транспорта, включая 50–100 грузовиков и 20–50 единиц спецтехники, что эквивалентно 3000–9000 в месяц.
4. Обсуждение
Для реализации хозяйственной деятельности за период эксплуатации Ковыктинского месторождения задействовано более 7,5 тыс. км2 земель, что при интенсивной добыче газа и негативном воздействии на почвы неизбежно приводит к деградации почв. Суглинистые почвы на территории сформировались как техноземы, которые распространены по всей промплощадке. Почвогрунты для обустройства Ковыктинского газоконденсатного месторождения для всей промплощадке завозились с близлежащих карьеров и заимок в пределах Иркутской области, в частности, из районов Жигаловского и Казачинско-Ленского районов, с карьеров Ярактинского месторождения.
В почвах исследуемой территории месторождения было выявлено превышение содержания валовых форм марганца Mn-до 1700 мг/кг (ПДК-1500 мг/кг), мышьяка As — до 11–14,4 мг/кг (ПДК — 2 мг/кг), никеля Ni до 85 мг/кг (ПДК — 40 мг/кг). Значение рН водной вытяжки составляет от 4,2 до 5,5, что характеризует существенное закисление поверхностного почвенного слоя в зоне промплощадки. Это может приводить к увеличению подвижности тяжелых металлов, поступающих при бурении из недр в виде попутных элементов, и к их иммобилизации в почве.
Проведен критический анализ промузлов на промплощадке с позиции потенциального поступления загрязняющих веществ в почвенный слой.
Газовые скважины. В почву при работе скважины в почву попадают буровой шлам, нефтепродукты, конденсат, метанол-как ингибитор гидратообразования, рапа богатая тяжелыми металлами и солями, ухудшающими структуру грунта и подавляющими микрофлору, буровые жидкости , .
Газосборный коллектор. Загрязнителями от протечек может быть газовый конденсат и углеводороды, метанол, рапа, богатая тяжелыми металлами и солями, просачивающимися в грунт при коррозии или повреждениях металла .
Установка низкотемпературной сепарации. Технология заключается в отделении жидкости от газа, отделения конденсата и водометанольного раствора путем его охлаждения до -40°C. Утечки приводят к поступлению в почву легких углеводородов, метана и хладагентов, метанола.
Компрессорная станция. Загрязняющие вещества в результате протечки — смазки, масла, газа и конденсата, загрязняющие почву.
Установка стабилизации конденсата. Отходы от утечек — сырой конденсат, пропан-бутановая фракция, проникающие в грунт.
Установка регенерации метанола. Протечки содержат метанол и примеси воды с солями.
Парк хранения метанола. Утечки вызывают просачивание метанола в почву, приводя к токсичному загрязнению территории.
Парк хранения газового конденсата. Основные отходы, поступающие в почву при коррозии или переливах — это сырой конденсат, бензиновые фракции.
За период 2019 г по 2025 год проведен сравнительный анализ аналитических определений тяжелых металлов в почвах по всем указанным технологическим участкам. По сравнению с кларками почв мира в изученных почвах на уровне и выше накопления находятся следующие элементы: мышьяк As, марганец Mn, никель Ni (коэффициент накопления Кк ≥1.5). В ассоциацию околокларковых входят медь Cu, цинк Zn (Кk-0.8–1.5), с дефицитом содержания Kk≤0.7 фиксируются элементы свинец Pb, кобальт Cо. При этом использовались медианные значения для сравнительной геохимической характеристики относительно мировых кларков (Кларки почв мира по Виноградову — As-5 мг/кг, Ni-40/кг, Mn-850 мг/ кг.)
Выявлена динамика повышения содержаний для трех элементов Мn, As, Ni с начала функционирования месторождения по годам. Получены гистограммы (усы), позволяющие наглядно оценить зависимости между интенсивностью освоения территории в зоне добычи газа и уровнем негативного воздействия в виде поступления этих элементов от промышленных узлов (рисунок 2).
Рисунок 2 - Динамика содержаний Mn, Ni, As в почвах промплощадки относительно средних значений
2023 год — интенсивные сварочные работы и установка оборудования.
С 2024 года — период максимальной мощности добычи и наращивания производственных мощностей.
С 2025 года этап стабилизации технологических процессов и выход на проектируемые параметры.
Показано, что почвы характеризуются не только кислой и слабокислой средой, но также низким содержание органического у углерода и низким обогащением азота: Сорг=10%, общий азот Nобщ=0,6%. Закисление почвы и отсутствие необходимого количества органики и азота в почве может обусловливать подвижность некоторых тяжелых металлов и мышьяка, что способствует миграции элементов.
Постоянные сварочные работы, особенно на трубопроводах, которые проложены по всей территории промплощадки, обусловливают активное поступление марганца в почвы. При этом также выявлено большое содержание общего железа до 45 000 мг/кг в техногенных почвах. Это обусловило аккумуляцию Mn в почвенном слое на геохимическом барьере в виде окислов железа и его конкреций. Причем показано, что практически независимо от концентрации Mn геохимический барьер в виде окислов железа в почве эффективно выполняет свою аккумулятивную роль (Рисунок 3).
Рисунок 3 - Зависимость содержания Mn от Fe
Рисунок 4 - Зависимость содержания Ni от Fe
Зависимость содержания As от Fe
Обнаружена отрицательная корреляция (статистически значимая связь) между содержанием железа Fe и мышьяка As c коэффициентом детерминации R2=0.5636 означает, что в отличие от марганца Mn и никеля Ni мышьяк слабо сорбируется на твердой железистой фазе даже с повышением концентрации. Причиной наблюдаемого эффекта может быть высокая чувствительность этого металлоида к рН среды: он максимально закрепляется с высокой степенью окисления (V) в щелочной среде по сравнению с кислой. А поскольку наблюдаемая рН почвенной среды промплощадки кислая рН=4-5, поэтому мышьяк не иммобилизуется на гидроксидах железа
Получены ГИС распределения доминирующих элементов-загрязнителей в почвенном слое на примере 2025 г. (рисунок 6).
ГИС распределение: a) Mn; б) Ni; c) As в почвах на территории промплощадки Ковыктинского газоконденсатного месторождения
1 – куст газовых скважин; 2 – установка низкотемпературной сепарации; 3 – центральная дожимная компрессорная скважина; 4 – установка стабилизации конденсата; 5 – установка регенерации метанола; 6 – парк хранения метанола; 7 – парк хранения стабильного конденсата
5. Заключение
Получены ГИС распределения доминирующих элементов загрязнителей Mn, Ni, As, позволяющие выявить ореолы их распространения и направления миграции. Показано, что пространственное распределение техногенных элементов Mn, Ni преимущественно связано с технологическими процессами, регулярными производственными работами и сваркой.
В случае As превышение ПДК может быть обусловлено наследованием геолого-геохимической особенности Прибайкальской природной территории с повышенным содержанием этого металлоида в составе привозного грунта для планировки территории.
Интеграция ГИС технологий с результатами геохимических исследований является эффективным инструментом комплексной оценки территории в зоне техногенеза и служить основой для создания эффективного современного геоэкологического мониторинга.