Нефтяная промышленность оказывает отрицательное влияние на окружающую среду. Освоение, обустройство и эксплуатация месторождений нефти и газа сопровождаются постепенной деградацией почвы, нарушением водного режима, уничтожением лесных растений и загрязнением атмосферы. Влияние на атмосферу возникает в результате сжигания попутного нефтяного газа и характеризуется загрязнением воздуха сернистым ангидридом, углекислым газом, диоксидом и оксидом азота. Разведка, добыча, подготовка, транспортировка и хранение углеводородного сырья сопровождаются значительными выбросами в атмосферу метана, диоксида углерода и диоксида азота, являющихся основными парниковыми газами. Также добыча и переработка нефти связаны с большим количеством выбросов углеводородов, сероводородов и т.д.
Загрязняющие вещества особенно сильно влияют на природу северных регионов вследствие малых интенсивностей продукционно-биоэнергетических процессов, низких восстановительных и самоочистительных возможностей арктических экосистем [1, с. 20–21].
Загрязняющие вещества, содержащиеся в воздухе, могут отрицательно влиять на здоровье человека. Сажа нетоксична, но она может переносить частицы смолистых веществ и металлов с канцерогенными свойствами [2].
Антропогенные примеси переносятся воздушными массами на большие расстояния, а в результате осаждения сухих выпадений и вымывания атмосферными осадками примеси поступают на поверхность. Интенсивность этих осаждений зависит не только от объемов выбросов, но во многом и от таких показателей, как турбулентность, рельеф и характер подстилающих поверхностей. Трансграничные переносы в меридиональном направлении происходят медленнее, чем в широтном направлении. В связи с этим северные и южные полушария обладают своими фоновыми уровнями загрязнения [3, с. 306].
Даже при постоянных объемах и составах промышленных и транспортных выбросов вследствие влияния метеорологических условий уровни загрязнения воздуха могут различаться в несколько раз [4, с. 21].
Примеси, выбрасываемые в атмосферу, переносятся воздушными массами за пределы расположения их источников, причем интенсивность влияния отдаленных источников зависит от множества метеорологических факторов: направления и скорости ветра, температуры воздуха, устойчивости атмосферы, осадков и т.д. [5, с. 92]. Загрязнения распространяются на дальние, значительные расстояния [6]. В Арктике, при низких температурах и слабом облучении воздуха прямыми солнечными лучами, время нахождения загрязняющих веществ в воздухе велико, зимой до 10 дней и больше, при этом возможен их перенос через атмосферу на расстояние до 10 тыс. км [7, с. 475–476].
Целью данной работы является анализ динамики и распространения выбросов сажи в атмосферный воздух со временем от источников нефтегазодобывающей отрасли на территории Южно-Хыльчуюского месторождения. Для этого в работе были проанализированы объемы выбросов черного углерода от источников нефтегазодобывающей отрасли на территории месторождения Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции за 2001–2020 гг., построены и проанализированы карты-схемы потоков сажи от рассматриваемого месторождения.
Материалы и методы исследования
Южно-Хыльчуюское нефтегазовое месторождение находится в Ненецком автономном округе на севере Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, в 120 км к северо-востоку от г. Нарьян-Мар – административного центра округа, и в 80 км к северо-западу от п. Харьягинский. Месторождение классифицируется как крупное с точки зрения извлекаемых запасов нефти (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения Южно-Хыльчуюского месторождения [8]
Его промышленная эксплуатация началась в 2008 г. совместным предприятием «Нарьянмарнефтегаз». Добыча нефти в 2008 г. составила 2,15 млн т, в 2009 г. – 6,99 млн т, в 2010 г. – 6,89 млн т [8].
Данные значений выбросов черного углерода в атмосферу с территории месторождения были получены на сайте «EMEP Centre on Emission Inventories and Projections» [9].
Анализ распространения примеси вследствие переноса воздушными массами от предполагаемого источника в данной работе проведен с использованием метода статистики траекторий переноса воздушных масс. Основа метода заключается в обработке массива данных о траекториях движения воздушных масс от конкретного источника. Траектории движения воздушных масс рассчитывались с помощью траекторной модели HYSPLIT и данных реанализа полей метеорологических характеристик на сайте Air Resources Laborator» (сервер Национального управления океанических и атмосферных исследований США – National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA). Основа метода разработана в Институте физики атмосферы Российской академии наук [10].
Концентрация примеси Cij в приземном воздухе рассматриваемой ячейки географической сетки, созданная в результате выбросов Qij примеси на поверхности в ячейке сетки с координатами (ij), вычисляется по формуле
Cij = Qij × Zij , (1)
где Zij – функция чувствительности к потенциальным источникам примеси в ячейке (ij).
Величина ее рассчитывается по массиву обратных траекторий и определяется не только количеством траекторий, прошедших через ячейку (ij), но и качеством поверхности, над которой происходит перенос примеси, а также зависит от характеристик атмосферы по пути переноса (высота слоя перемешивания, осадки), длины пути и длительности переноса – подробнее в работе А.А. Виноградовой [10].
Все расчеты проводились на сетке 1°×1°.
Анализ характера движения воздушных масс от источника выбросов и основные направления переноса проводился за период 2011–2020 гг.
Кроме того, в работе рассмотрены результаты экологического мониторинга на территории Южно-Хыльчуюского нефтегазового месторождения за 2013–2016 гг.
Результаты исследования и их обсуждение
Рассматриваемое нефтегазовое месторождение находится в специфических условиях климата северных территорий России: экстремально низкие температуры, короткий вегетационный период, многолетнемерзлые породы и др. Это обусловливает высокую чувствительность северной природы к внешним воздействиям.
Centre on Emission Inventories and Projections (CEIP) собирает данные о выбросах подкисляющих загрязнителей воздуха, тяжелых металлов, твердых частиц и фотохимических окислителей от Сторон Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, готовит базы данных в качестве исходных данных для моделей дальнего переноса. Данные «ЕМЕР» об эмиссиях веществ в атмосферу представлены в виде суммарных эмиссий за год на градусной сетке. В работе были обобщены данные с территории Южно-Хыльчуюского месторождения с 2001 г.
Согласно данным CEIP средние значения выбросов черного углерода с рассматриваемой территории до начала эксплуатации месторождения составляли 3,8 т/год. Эти выбросы связаны с особенностями методики предоставления данных о выбросах, а именно необходимостью распределения на сетке выбросов от рассредоточенных источников: транспорт, прочие стационарные источники, авиация и т.д.
После ввода месторождения в эксплуатацию от источников на территории Южно-Хыльчуюского месторождения выбросы сажи в атмосферный воздух за период 2008–2020 гг. составляют 160,6 т/год, или 5,1 г/с. При этом можно выделить два периода. В 2008–2014 гг. объемы выбросов составляли 189,7–260,6 т/год. С 2015 г. объемы выбросов сажи в атмосферу с территории месторождения значительно снизились и не превышали 76,7 т/год. Одной из вероятных причин снижения выбросов может являться снижение объемов добычи. Первоначально доказанные запасы нефти на месторождении составляли более 74 млн. т. В 2009 и 2010 гг. на месторождении было добыто 7 и 6,9 млн т нефти соответственно. Переоценка запасов месторождения привела к снижению доказанных запасов нефти до 20 млн т нефти на конец 2011 г., что привело к снижению объемов добычи [8] (рис. 2).
Газ, полученный при добыче нефти на месторождении, подлежит утилизации или переработке. Одним из простых методов утилизации попутного нефтяного газа является его сжигание в факелах. На производственном участке месторождений устанавливаются факельные установки. От сжигания попутного нефтяного газа в факельных установках в атмосферный воздух поступает огромное количество загрязняющих веществ: частицы сажи и другие вредные вещества.
С увеличением объемов добычи нефти увеличились объемы его сжигания и, следовательно, выбросы сажи в атмосферу.
По данным проведенных расчетов модельных потоков сажи с территории Южно-Хыльчуюского месторождения была построена карта-схема распространения сажи, в том числе потоков сажи из атмосферы вследствие выбросов от источников с территории Южно-Хыльчуюского месторождения за 2011–2020 гг. (рис. 3). Согласно представленным данным наибольшее распространение сажи происходит в сторону севера и северо-востока, т.е. на акватории морей Северного Ледовитого океана в большей степени в меридиональном направлении.
Максимальных значений, 16 мкг/м2 в месяц, среднегодовые потоки достигают непосредственно на территории месторождения. Среднегодовая концентрация сажи в воздухе при этом будет равна 0,007 мкг/м3.
Рис. 2. Динамика выбросов сажи с территории Южно-Хыльчуюского месторождения (график построен авторами по данным CEIP)
Рис. 3. Карта-схема распространения потоков сажи от источников нефтегазодобывающей отрасли на территории Южно-Хыльчуюского месторождения за 2011–2020 гг.
Сезон года оказывает существенное влияние на распространение примесей от источников месторождения, так как изменяется характер перемещения воздушных масс. В холодное время загрязняющие вещества распространяются через атмосферу на большие территории и преимущественно в направлении севера и северо-востока. Это также можно объяснить тем, что в Арктике при низких температурах и слабой инсоляции воздуха, время жизни загрязняющих веществ в воздухе велико, зимой до 10 дней и больше [7, с. 475]. В летний период распространение примесей от месторождения будет меньше. Но при этом осаждение сажи вблизи месторождения увеличится.
На территории Южно-Хыльчуюского месторождения по данным 2013–2016 гг. отбор проб атмосферного воздуха ведется в двух пунктах режимных наблюдений: первая точка в 50 м на запад от центрального пункта сбора нефти (ЦПС), вторая точка расположена в 300 м на юго-восток от ЦПС. Отбор проб воздуха производится 1 раз в год.
Согласно экологическим отчетам, содержание сажи в пробах воздуха практически ежегодно находится ниже предела обнаружения: < 0,03 мг/м3. Наличие сажи в воздухе было определено лишь в 2013 г. на уровне 0,15 мг/м3.
Заключение
Согласно данным CEIP поступление черного углерода с рассматриваемой территории до начала эксплуатации месторождения составляло 3,8 т/год, т.е. это минимальный объем, не связанный с разработкой месторождения. За период эксплуатации Южно-Хыльчуюского месторождения (с 2008 г.) с территории рассматриваемого месторождения количество выбросов заметно сократилось с 2015 г. В среднем выбросы сажи в атмосферный воздух за 2008–2020 гг. составляют 160,6 т/год.
Распространение примесей от источников нефтегазодобывающей отрасли на территории Южно-Хыльчуюского месторождения в основном происходит в северном и северо-восточном направлениях, поэтому лучше ситуацию загрязнения окружающей среды через атмосферу на территории Южно-Хыльчуюского месторождения будут отражать отборы проб атмосферного воздуха в направлении севера и северо-востока от месторождений. Содержание сажи по экологическим отчетам в пробах воздуха находится в пределах нормы.
Также можно отметить, что отбор проб 1 раз в год недостаточен, так как атмосферный воздух является наиболее динамичной и сложной средой, а также потому, что отбор двух проб в одном направлении от ЦПС 1 раз за год не улавливает все выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух.