В статье автор рассматривает направления минимизации негативных последствий загрязнения атмосферного воздуха в нефтедобывающей отрасли. Как ключевой аспект рассматривается воздействие объектов добычи и подготовки нефти на атмосферный воздух — сделан вывод о его роли как проводника выбросов загрязняющих веществ. Рассмотрены различные технологические решения, управленческие методы снижения общего количества выбросов, а также способы оперативного устранения последствий фактически нанесённого вреда окружающей среде в результате воздействия на атмосферный воздух. Помимо очевидных направлений, таких как повышение энергоэффективности, ставка на «зелёные» производственные процессы, рассмотрены и зарубежные наработки, наиболее подходящие для решения проблемы на нефтяных месторождениях России в тундровой природной зоне как наиболее активно развивающемся районе добычи.
Ключевые слова: минимизация, атмосферный воздух, нефть, добыча, тундра, загрязняющие вещества, воздействие, производственные процессы.
Нефтегазовая отрасль оказывает достаточно мощное воздействие на окружающую среду, причём не только на её природную составляющую, но и на человека. Ключевой частью отрасли, без которой не было бы возможно производство стратегически важной продукции (бензин, асфальтобетон, пластмассы) является нефтедобыча. Во многих случаях залежи нефти находятся на малонаселённых территориях, но в то же время экосистемы этих территорий достаточно хрупки. Как следствие, наибольший фокус в плане охраны окружающей среды там приходится на защиту её природной составляющей. На данный момент наиболее активно развивающиеся районы добычи нефти в России расположены в тундровой природной зоне.
Тундра выполняет очень важную функцию поддержания климатического баланса, а также служит крупнейшим резерватом углерода. В случае нарушения равновесия вся система может достаточно легко выйти из строя и тогда по цепочке начнут происходить изменения во всех тундровых экосистемах и параллельно в остальном мире. Например, если постоянно оказывать отепляющее воздействие на грунты тундровой зоны, многолетняя мерзлота безвозвратно растает. При её отсутствии ничто не будет удерживать огромные объёмы углерода от перемещения в атмосферный воздух, что многократно усилит парниковый эффект, который, в свою очередь, будет способствовать повышению средней температуры на Земле. Нагревание планеты может вызвать гибель посевов, а отсюда — череду продовольственных кризисов и голод [1].
Представленный сценарий — один из множества. Для того, чтобы ни этот, ни другие не сбылись, необходимо прорабатывать наиболее эффективные направления в области минимизации негативных последствий воздействия нефтедобычи на окружающую среду, и, самое главное, реализовывать их.
Для проведения исследования был выбран один из видов воздействия в нефтедобыче — на атмосферный воздух. Выбор не случаен, потому что именно атмосферный воздух является наиболее «сообщающимся» компонентом окружающей среды, больше всего сопряжён с другими компонентами окружающей среды. Воздуху как компоненту окружающей среды не наносится долгосрочный вред, но именно воздушные массы переносят частицы загрязняющих веществ на почвы, поверхностные и подземные воды, объекты животного и растительного мира, провоцируя в них негативные изменения. Конечно, большая часть направлений, предлагаемых к реализации, должна быть технического характера, но не следует ими ограничиваться — необходимо брать во внимание решения по экономии, рационализации ресурсов (например, уменьшение количества побочных продуктов в технологических процессах или энергосбережение). Кроме того, необходимо предусматривать меры на тот случай, когда нужно действовать оперативно, принимать решения по восстановлению уже попавших под негативное воздействие территорий и экосистем, расположенных в пределах данных территорий.
Наиболее очевидным направлением минимизации негативных последствий загрязнения атмосферного воздуха в нефтедобывающей отрасли является проведение регулярных проверок, технического обслуживания и мониторинга объектов добычи и подготовки нефти. Такая практика обеспечивает эффективную работу и предотвращает выбросы избыточного количества загрязняющих веществ в атмосферный воздух.
Комплексные периодические проверки имеют решающее значение для выявления потенциальных проблем на объектах добычи и подготовки нефти, а также для оценки их общей эффективности и соответствия экологическим нормативам. Проверки должны охватывать все соответствующие аспекты работы объектов, включая источники выбросов, системы управления отходами и эффективность оборудования для борьбы с загрязнением. Обученный персонал, используя надлежащие инструменты должен проводить проверки в соответствии с региональным и федеральным законодательством, а также национальными и международными стандартами и правилами. Все нарушения, выявленные в процессе проверок, должны незамедлительно устраняться для обеспечения эффективного снижения выбросов загрязняющих веществ.
Для надлежащего функционирования всего оборудования на объектах добычи и подготовки нефти необходимо регулярное техническое обслуживание. Для такого оборудования, как факелы, горелки, сепараторы, должны быть составлены графики профилактического обслуживания. Текущее техническое обслуживание должно включать очистку, смазку, регулировку и замену деталей и компонентов по мере необходимости с целью предотвращения неисправностей, неэффективности и отказов, которые могут вызывать аварийные выбросы. Кроме того, немаловажно ведение тщательного учёта по техническому обслуживанию с целью документирования всех действий для анализа деятельности предприятия.
Решающее значение для своевременного обнаружения и устранения отклонений от установленных стандартов имеет постоянный мониторинг рабочих параметров и параметров выбросов. Системы мониторинга должны быть установлены для измерения показателей, к которым относятся: температура, давление, скорость потока газовоздушной смеси, концентрация загрязняющих веществ в выбросах. При мониторинге данные должны предоставляться в режиме реального времени (в случае необходимости можно будет быстро провести корректирующие действия). Использование технологий удалённого мониторинга и автоматизации сможет упростить обнаружение и прогноз потенциальных неисправностей оборудования до того, как они приведут к нанесению ущерба окружающей среде. Кроме того, данные дистанционного мониторинга могут быть использованы для создания реалистичных учебных сценариев, позволяющих работникам на нефтяных месторождения лучше понимать и реагировать на экологические инциденты [2].
Помимо традиционного оборудования для мониторинга «на месте», можно использовать технологии дистанционного зондирования, например, спутниковую съёмку и беспилотные летательные аппараты (БПЛА).
Регулярный анализ данных мониторинга позволит принимать решения по улучшению показателей в области охраны атмосферного воздуха и поиску в производственном цикле «слабых» мест, которые являются наиболее «сильными» вкладчиками в загрязнение атмосферного воздуха.
Снижение загрязнения атмосферного воздуха в нефтедобывающей отрасли можно обеспечить через внедрение энергоэффективных технологий и разработку «зелёных» производственных процессов. Например, на начальном этапе можно применять бурение с регулируемым давлением, бурение на депрессии. Тепло, образующееся при бурении скважин, добыче и подготовке нефти, может быть использовано для производства электроэнергии или для питания других процессов на объекте (посредство рекуперации). Реализация рекуперации тепла возможна при участии парогенераторов, установок, реализующих органические циклы Ренкина и абсорбционных чиллеров. В процесс добычи нефти может быть включена и солнечная энергия (солнечные панели могут быть установлены для питания систем удаленного мониторинга) [3].
Что касается «зелёных» производственных процессов, то в этом случае набор решений включает в себя замену токсичных химикатов, используемых в процессах, на менее опасные альтернативы, а также сокращение образования отходов, газообразных побочных продуктов, глубокую обработку выделяемой смеси веществ перед их выбросом в атмосферный воздух [3].
На нефтяных месторождениях широко используется сжигание попутного нефтяного газа на факелах поскольку некоторые газы, содержащиеся в сырой нефти, могут быть взрывоопасны и их необходимо утилизировать в безопасной среде. Однако при таком подходе в атмосферу выбрасывается большое количество парниковых газов, что способствует изменению климата и сопутствующим экологическим последствиям, а также потенциально негативным последствиям для здоровья людей, находящихся в непосредственной близости от месторождения или на самом месторождении. Для минимизации негативных эффектов загрязнения атмосферы в данном случае можно применить несколько технологических решений [4].
Во-первых, это системы рекуперации газа. Они предназначены для улавливания и утилизации попутного газа, образующегося при добыче нефти, что позволяет сократить сжигание и выбросы. Существуют следующие технологии рекуперации газа:
— сжатие попутного газа с последующим использованием в качестве транспортного топлива или источника энергии для производственных установок;
— конверсия сжиженного природного газа (охлаждение и конденсация попутного газа в жидкую форму, которую можно эффективно транспортировать к потребителям. СПГ может использоваться для производства электроэнергии, транспортировки и различных промышленных применений);
— преобразование газа в жидкость (в синтетическое жидкое топливо) посредством химического процесса, известного как синтез Фишера-Тропша.
Во-вторых, это закачка газа — процесс, при котором уловленный попутный газ закачивается обратно в пласт. К преимуществам этого технологического решения, кроме снижения количества выбрасываемых веществ, можно отнести повышение нефтеотдачи пластов (закачка газа в пласт может повысить эффективность добычи нефти за счет повышения пластового давления или снижения вязкости нефти, что в конечном итоге приводит к повышению уровня добычи нефти).
И, в-третьих, конечно же, попутный газ может быть использован в качестве источника энергии. Такое решение способно не только принести пользу окружающей среде за счет сокращения выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ, но и дать потенциальные экономические преимущества за счёт использования незадействованного ресурса на нужды объектов обустройства месторождения.
Чтобы минимизировать воздействие на атмосферный воздух, очень важно внедрять устройства, снижающие количество веществ «выходящих» в атмосферный воздух после выделения. К наиболее распространённым относятся скрубберы, электростатические фильтры и системы селективного каталитического восстановления [5].
Скрубберы можно разделить на два типа: мокрые скрубберы и сухие скрубберы. Оба типа работают для удаления твёрдых частиц и газообразных загрязняющих веществ из потока отходящих газов. Мокрые функционируют посредством введения мелко распылённой жидкости, обычно воды, смешанной с реагентами, в поток отходящих газов. Капли жидкости взаимодействуют с загрязняющими веществами, заставляя их либо растворяться, либо образовывать более крупные частицы, которые легко задерживаются в жидкости. Затем жидкость собирается и обрабатывается для удаления загрязняющих веществ перед выбросом в окружающую среду или повторным использованием в технологическом процессе. Сухие осуществляют функционирование через введение сухого сорбента (гашеной извести или активированного угля) в поток отходящих газов. Сорбент вступает в реакцию с загрязняющими веществами, образуя твердые частицы, которые могут быть собраны с помощью системы сбора пыли, например, тканевого фильтра или циклона. Оба типа скрубберов очень эффективны при удалении диоксида серы, сероводорода и летучих органических соединений (ЛОС). Однако они также генерируют отходы в виде осадка или сухого остатка, которые требуют надлежащей утилизации или обработки.
Электростатические фильтры (электрофильтры) — ещё одно широко используемое устройство для снижения количества выбрасываемых веществ. Работа, выполняемая электрофильтрами, заключается в приложении электрического поля высокого напряжения к потоку отходящих газов, благодаря чему на твёрдых частицах, присутствующих в потоке, возникает электрический заряд. Заряженные частицы притягиваются к заземлённым электродам и собираются на них, а очищенный газ выбрасывается в атмосферу. Данные фильтры особенно эффективны при удалении мелких твёрдых частиц и их эффективность достигает 99 %. Кроме того, они требуют относительно небольшого технического обслуживания и производят меньше отходов по сравнению со скрубберами.
Системы селективного каталитического восстановления обычно устанавливаются после скрубберов и электростатических фильтров. Процесс восстановления включает в себя впрыск восстановителя, аммиака, в поток отходящих газов. Вся эта смесь проходит через слой катализатора. Катализатор способствует химической реакции между оксидами азота и восстановителем, преобразуя оксиды азота в азот и воду, которые представляют меньшую опасность для компонентов окружающей среды.
Эффективность таких систем может достигать 90 %, но необходимо понимать, что они требую регулярного мониторинга и контроля для предотвращения проскока аммиака — состояния, при котором непрореагировавший аммиак выбрасывается в атмосферу.
Важнейшим аспектом минимизации воздействия на атмосферный воздух при добыче и подготовке нефти является обнаружение и устранение утечек. В зарубежной практике оно реализуется в соответствии со специально регламентированной программой — LDAR (Leak Detection and Repair) [6]. Программа здесь — своеобразный стандарт, но для оперативного применения, определяющий решение конкретных проблем, которые могут возникнуть в оборудовании на нефтяном месторождении. LDAR предназначена для выявления и устранения утечек не только ЛОС, но и других загрязняющих веществ.
К основным целям, ради достижения которых используют LDAR относятся:
— сокращение выбросов опасных загрязнителей воздуха и ЛОС для защиты качества воздуха;
— смягчение потенциальных рисков для здоровья и негативного воздействия на окружающую среду, вызванных выбросами;
— обеспечение соблюдения соответствующих экологических норм и стандартов;
— оптимизация эффективности операций по добыче нефти;
— выявление и устранение утечек и неисправного оборудования для предотвращения аварий и экономических потерь.
Для обнаружения утечек в трубопроводах, клапанах, соединителях и другом оборудовании на месторождении могут применяться различные технологии и методы. К ним относятся:
— оптическая газовая визуализация (инфракрасная технология для визуализации и обнаружения утечек газа, позволяющая выявлять и определять место утечки безлюдным способом и без остановки работ);
— акустико-эмиссионный контроль (обнаружение высвобождения энергии, вызванного утечками, деградацией и износом оборудования — специальные устройства отслеживают ультразвуковые акустические волны, возникающие в указанных случаях);
— использование портативных анализаторов ЛОС для мониторинга выбросов путём размещения зонда вблизи потенциальных источников утечек.
Чтобы программа LDAR была эффективной, она должна включать в себя следующие компоненты и действия:
— комплексный план LDAR с описанием методов обнаружения утечек, оборудования, подлежащего мониторингу, частоты проверок, протоколов ремонта, ведения учета и отчетности;
— обучение и сертификация персонала для безопасного и эффективного проведения проверок оборудования и ремонта;
— проведение регулярных проверок оборудования с использованием соответствующих технологий и методов обнаружения утечек, придерживаясь установленных графиков и протоколов;
— оперативное устранение выявленных утечек с использованием надлежащих методов и материалов (поврежденное оборудование должно быть заменено или отремонтировано);
— документирование (записи о проверках, ремонтах и данных о выбросах, история утечек).
Как известно, процессы добычи и подготовки нефти сопровождаются выбросами больших объёмов углекислого газа. Самый очевидный способ — это улавливать часть углекислого газа и пускать его на различные цели. На сегодняшний день в зарубежной практике применяются т. н. «технологии улавливания, утилизации и хранения углерода» (CCUS). Данные технологии представляют собой перспективный подход к смягчению негативных последствий загрязнения атмосферного воздуха в нефтедобывающей отрасли. Основной целью CCUS является снижение выбросов углекислого газа как парникового газа. Технологии CCUS интегрируют в объекты добычи и подготовки нефти, благодаря чему и становится возможным улавливать, хранить или утилизировать выбросы углекислого газа, предотвращая их распространение в атмосфере [7].
Существует три основных подхода CCUS:
— улавливание после сжигания (CO₂ отделяется от отходящих газов после сжигания, что может быть достигнуто с помощью абсорбции моноэтаноламином, адсорбции и мембранного разделения);
— улавливание до сжигания (преобразование газа в смесь водорода и CO₂ перед сжиганием с последующим отделением CO₂ от водорода с помощью современных методов сепарации, например, технологией комбинированного цикла комплексной газификации);
— сжигание кислородного топлива (сжигание в среде, богатой кислородом, в результате чего образуется дымовой газ, состоящий в основном из CO₂ и водяного пара, которые легче поддаются разделению).
Уловленному углекислому газу необходимо находить применение. Один из вариантов — преобразование его в ценные продукты, такие как химикаты, материалы или топливо. Это не только помогает сократить выбросы CO₂, но и даёт дополнительную экономическую выгоду организациям, эксплуатирующим нефтяные месторождения. К перспективным направлениям использования уловленного углекислого газа относят следующее:
— использование в качестве сырья для производства метанола, муравьиной кислоты, карбамидов и полимеров (например, метанол может быть синтезирован из CO₂ и водорода в условиях высокой температуры и высокого давления);
— закачка CO₂ в нефтяные резервуары для снижения вязкости нефти и увеличения её подвижности, что может способствовать сокращению времени, расходуемого на подготовку нефти.
Углекислый газ не всегда можно использовать сразу после улавливания. Почти во всех случаях профильные производства расположены вдалеке от нефтяных месторождений. Кроме того, часто нефтяные компании просто не заинтересованы в налаживании новых цепочек поставок. В таком случае углекислый газ необходимо направлять на долговременное и безопасное хранение глубоко под землю или в океанские глубины:
— углекислый газ может храниться в нефтяных и газовых резервуарах, соленых водоносных горизонтах или не разрабатываемых угольных пластах (для надежного хранения и предотвращения утечки необходимы геологические формации с низкой проницаемостью и соответствующими условиями герметизации);
— углекислый газ может быть растворен в морской воде или закачан в глубины океана (способ пока экспериментальный и перед применением требует дополнительных исследований на предмет повышения кислотности морской воды).
Ранее было упомянуто, что некоторые способы повышения нефтеотдачи пластов могут одновременно снижать количество выбрасываемых веществ. Кроме представленных закачки углекислого газа и попутного нефтяного газа, для повышения эффективности извлечения сырой нефти, возможно применять закачку пара и чередующуюся закачку воды и газа.
Закачка пара, также известная как паровое заводнение или гравитационный дренаж, снижает вязкость нефти, облегчая её добычу. С точки зрения снижения загрязнения воздуха, современные методы производства пара используют системы на основе природного газа, которые выбрасывают значительно меньше CO₂ и других загрязняющих веществ по сравнению с традиционными системами на основе нефти. Кроме того, использование установок когенерации (комбинированного производства тепла и электроэнергии) позволяет одновременно производить электроэнергию и пар, повышая общую эффективность и еще больше снижая воздействие на атмосферный воздух.
Закачка воды с чередованием газа — это процесс повышения нефтеотдачи, который сочетает в себе закачку воды и газа в чередующихся циклах. Этот метод повышает коэффициент извлечения нефти и снижает выбросы загрязняющих веществ. При закачке в пласт закачивается вода, затем газ, и цикл повторяется. Вода способствует перемещению нефти к добывающим скважинам, а газ выступает в качестве смешивающегося растворителя, повышая эффективность извлечения нефти. Всё это может привести к снижению выбросов загрязняющих веществ за счёт эффективного использования попутного газа, который в противном случае сжигался бы на факелах [8].
Добыча и переработка нефти в тундровой природной зоне приводят к значительному воздействию на атмосферный воздух, а через него — к негативным изменениям в остальных компонентах окружающей среды (включая самый известный — многолетнюю мерзлоту). Иногда необходимо проводить минимизацию последствий воздействий, перенёсшихся на компоненты, сопряжённые с атмосферным воздухом. В данном случае минимизация синонимична максимально возможному восстановлению и ремедиации.
Первое — это рекультивация земель. Речь идёт о восстановлении рельефа до стабильного и близкого к естественному состоянию, в котором экосистемы могут существовать в нормальном режиме [9]. В районах добычи нефти методы рекультивации земель должны быть направлены на:
— удаление загрязненной почвы и замена её «чистым» слоем;
— засыпку котлованов, герметизацию заброшенных скважин и стабилизацию склонов для предотвращения эрозии;
— установку дренажных систем для управления стоком осадков;
— посадка растительности местных видов для повышения стабильности почвенно-растительного слоя.
Второе — это восстановление многолетней мерзлоты. Сохранение многолетней мерзлоты необходимо для стабильности экосистем тундры. Здесь восстановление может включать в себя:
— изоляцию и стабилизацию поверхности земли для предотвращения оттаивания, например, путём добавления слоёв растительности, мульчи или других органических материалов;
— строительство барьеров или буферных зон для защиты участков многолетней мерзлоты от источников тепла (дорог, трубопроводов, иных промышленных объектов) [10].
И, наконец, третье — восстановление растительности тундры. Восстановление растительности тундры имеет решающее значение для долгосрочного поглощения и связывания парниковых газов [11]. Стратегии для достижения этой цели могут включать:
— засеивание повреждённых участков местными видами растений, уделяя особое внимание видам с высокой способностью поглощения углекислого газа (лишайники, мхи);
— мероприятия по сохранению местных видов, которые адаптированы к климатическим условиям тундры;
— внедрение адаптивных методов управления, учитывающих изменение климата и другие изменения окружающей среды, для обеспечения долгосрочного успеха усилий по восстановлению растительности.
В данной статье были рассмотрены приоритетные направления минимизации воздействия объектов добычи и подготовки нефти на атмосферный воздух. Как и упоминалось, такое воздействие негативно сказывается на всём остальном. В основном были рассмотрены технологические направления, такие как внедрение энергоэффективных технологий, сокращение сжигания попутного газа, отдельные программы и стратегии. Но также было уделено внимание и важности регулярных проверок и мониторинга, сделан упор на применение передовых методов (в частности, систем удалённого мониторинга и цифровизации). Единый подход к решению обозначенной проблемы, даже в тех случаях, когда она уже привела к негативным последствиям в окружающей среде, поможет не только снизить выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов, но и привести к долгосрочной устойчивости нефтедобывающей отрасли, обеспечивая сохранение экосистем и здоровье людей. Конечно, принятие и поддержка этих мер и технологий требует планирования, инвестиций и политической поддержки, но в долгосрочной перспективе принесёт значительные экологические и экономические выгоды.
Литература:
1. Гагут, Л. Л. Ноосферное развитие экономики и общества / Л. Л. Гагут. — М.: Алгоритм, 2018. — 240 с.
2. Каракеян, В. И. Экологический мониторинг. Учебник для академического бакалавриата / В. И. Каракеян, Е. А. Севрюкова. — М.: Юрайт, 2016. — 397 с.
3. Ибрагимов, Н. Г. Инновационные технологии добычи нефти / Н. Г. Ибрагимов // Георесурсы. — 2012. — № 4 (46). — С. 9–11.
4. Смородова, О. В. Энергоэффективное использование попутного нефтяного газа / О. В. Смородова // Инновационная наука. — 2016. — № 4. — С. 154–156.
5. Ветошкин, А. Г. Инженерная защита окружающей среды от вредных выбросов / А. Г. Ветошкин. — Вологда: Инфра-Инженерия, 2017. — 416 с.
6. Базарбаев, Ш. Е. Обзор внешних методов обнаружения утечек нефти в трубопроводах / Ш. Е. Базарбаев // Вестник науки. — 2021. — № 6 (39). — С. 269–274
7. Салаватов, Т. Ш. Использование диоксида углерода в качестве химического сырья / Т. Ш. Салаватов, А. С. Байрамова, К. А. Воробьёв // Вестник евразийской науки. — 2021. — № 2. — С. 1–9
8. Чертенков, М. В. Методы повышения нефтеотдачи пластов и извлечения остаточной нефти / М. В. Чертенков, Э. А. Мамедов, А. Р. Аубакиров. — М.: ИЦ РГУ нефти и газа, 2018. — 127 с.
9. Арчегова, И. Б. Биологическая рекультивация на Севере (вопросы теории и практики) / И. Б. Арчегова, Н. П. Акульшина, Дегтева С. В. — Сыктывкар: Коми науч. центр УрО РАН, 1992. — 104 с.
10. Тумель, Н. В. Геоэкология криолитозоны / Н. В. Тумель, Л. И. Зотова. — М.: Юрайт, 2023. — 204 с.
11. Радченко, Т. А. Экологические основы природопользования: луга и тундры / Т. А. Радченко, Л. М. Морозова, Д. В. Веселкин. — М.: Юрайт, 2020. — 85 с.
