Инновационные технологии геологоразведки, добычи и переработки нефти в рамках устойчивого экологического и экономического развития России

Природные ресурсы России, такие как нефть и газ, сегодня являются одним из ведущих и конкурентоспособных отраслей промышленности экономического развития России. Сегодня, Россия является одним из ведущих экспортёров нефти и газа в мире. В 2016 году ведущие лидеры стран Евразийского экономического союза одобрили концепцию единого рынка развития углеводородов с 2025 года. В ближайшее время будет утверждена общая программа рынков нефти, нефтепродуктов и газа. По мнению экспертов Института экономических стратегий ООН РАН общий рынок нефти и газа позволит решить многие важнейшие задачи: поддерживать курс национальной валюты, развивать транспортную инфраструктуру, реализовывать важнейшие социальные программы [11; 8]. В настоящее время, глобальность использования природных ресурсов достигается за счёт развития инновационных технологий, но экономическое развитие и повышение конкурентоспособности страны возможно благодаря соблюдению экологической безопасности, в рамках международной концепции устойчивого развития Geo5 – Global Environment Outlook (Environment for the future we want). Глобальная экологическая политика и устойчивое развитие нефтяного рынка подразумевают экологизацию процессов геолоразведки, бурения, добычи и переработки нефтепродуктов, в интересах экономического развития страны и сохранения её окружающей среды.

Инновационные технологии в геолоразведочных работах позволяют обнаружить залежи нефти, максимально точно изучить закономерности размещения, условий образования, особенностей строения и состава месторождений, благодаря им, многим компаниям удается существенно повысить качество таких работ.

Например, нефтедобывающая компания ОАО «Газпром нефть», проводит геологоразведочные работы с минимальными экологическими рисками для окружающей среды. Сегодня, чаще всего объектами поиска залежей нефти являются труднодоступные места с неблагоприятными климатическими условиями, поэтому компания применяет самые современные технологии: бассейновое моделирование – «историческое» воссоздание геологических слоев и процессов формирования, накопления и перераспределения углеводородов, высокоплотную сейсмосъёмку UniQ – позволяющую детализировать исследуемые места геологии нефти, что существенно повышает надёжность работ по её добыче. Среди многих современных технологий геологоразведки, можно выделить «Зелёную сейсмику». В отличие от традиционных сейсмических работ, технология основана на применении беспроводных датчиков в труднодоступных местах, при этом сохраняется лесной массив, что является крайне важным в деле сохранения экологии окружающей среды [11].

Технологии добычи нефти, сегодня, прежде всего, направлены на увеличение нефтеотдачи, но, при любом, даже самом современном высокотехнологичном способе возможны, геологические и геодинамические явления, которые в глобальном масштабе могут повлечь экологические катастрофы.

Например, при вертикальном бурении, при более глубоком заложении нефтепласта, риск возникновения тектонических явлений выше, чем при многоствольном бурении. Хотя критическая глубина бурения до 9 км, залежи пластовых флюидов неоднородны по глубине, поэтому, такой метод бурения, создает возможность вскрытия газоводонефтенасыщенных, пластов и пропластков, что может привести к фильтрации пластовых флюидов, и изменению локального геомагнитного фона [2]. Кроме того, различные пластовые флюиды (газоконденсаты, нефть, нефтегазоконденсаты и др.) определяют уровень фонтаноопасности при бурении, эксплуатации и ремонта скважины [1]. Экологическая опасность для человека и окружающей среды зависит от физико-химических свойств пластового флюида: плотности, взаиморастворимости, вязкости, наличия примесей, токсичности и т.д. [1]. Токсичность пластового флюида определяет степень его вредного воздействия на человека и окружающую среду. Например, сернистый ангидрит (SO₂) окисляясь, превращается в серный, растворяясь в атмосферной воде, он выпадает в виде кислотных осадков (дождей). Кислотные дожди подкисляют почву, угнетают её микрофлору, изменяют структуру и свойства гумусовых веществ, приводя к снижению её природоохранной функции [9]. Кислотные осадки приводят к снижению рН водоёмов, рек, прудов, поверхностных и подземных вод. При достижении рН 5,5 – 6 погибают водные растения, снижается количество кислорода, бурно развиваются водоросли, происходит заболачивание водоёма. В дальнейшем погибают донные бактерии, планктон, происходит деградация водной экосистемы. Повышенная кислотность воды способствует вымыванию особо токсичных тяжелых металлов из донных отложений и почв. Сернистый газ приводит к хлорозу растений, особенно чувствительны к нему хвойные растения, при поступлении серной кислоты в атмосферу более 0,3 мг/м³ (максимально–разовая ПДК) у человека возможно развитие острого отека лёгких с возможным летальным исходом.

Образование сероводорода может происходить в результате восстановления серной, серни­стой и серноватистой кислот под действием особых десульфофицирующих бактерий. Сероводород – токсичный газ, попадая в атмосферу, вступает в реакцию с кислородом и озоном, образуя сернистый газ. При окислении в воздушной среде – образуется сернистый газ, при окислении в воде – элементарная сера. В почве сероводород приводит к развитию гнилостной микрофлоры, которая приводит к гибели, произрастающей на ней растительности [5].

В процессе добычи нефти в атмосферу поступает значительное количество метана. Метан – важнейший парниковый газ, его активность в 28 раза сильнее, чем у углекислого газа. Использование метана для производства биогаза является экологически обоснованным и эффективным проектом развития альтернативной энергетики для сохранения экологии окружающей среды [3].

Особый экологический риск для окружающей среды представляют различные методы повышения нефтеотдачи пласта (ПНП). Например, закачка в пласт высокомолекулярных химических реагентов. В зависимости от свойств пласта и технологических условий разработки могут использоваться различные реагенты. Например, реагенты ингибиторы уменьшают поступление пластовой воды, снижают и стабилизируют вязкость раствора. Реагенты деэмульгаторы представлены ионогенными и неиногенными поверхностно-активными веществами (ПАВ) в состав которых входит метанол и его производные. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) улучшают смачивающие свойства воды, снижают поверхностное натяжение воды на границе с нефтью. В настоящее время получены патенты на использование биофункциональных ПАВ, анионных ПАВ на основе сульфата гидрофобного эфира, ПАВ на основе модифицированного лигнина и другие. Эти ПАВ очень эффективны при повышении нефтеотдачи, но в больших количествах они оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Например, попадая в почву молекулы ПАВ, встраиваются в супермолекулы гумусовых веществ, приводя к изменению водоустойчивости почвы. Под воздействием ПАВ происходит её высушивание, снижается активность биологических катализаторов, меняется фракционный состав гумусовых веществ [14].

Методы ПНП с применением термополимеров предназначены для повышения охвата неоднородных пластов. Технология основана на изменении объёмных и релаксационных свойств полимера под действием температуры. Термополимеры снижают вязкость нефти и увеличивают охват пласта вытеснением [12]. Кроме того, термополимеры вытесняют те остатки нефти, где больше всего сосредоточены формы серы (сероводород, сульфиды, меркаптаны, свободная сера), которые оказывают токсическое воздействие на живые организмы. Этот метод хорошо справляется с возникновением сернистости, особенно в почвах с избыточным увлажнением.

Увеличению нефтеотдачи способствует закачка в пласт СО₂, при этом объём нефти может увеличиться в 1,5–1,7 раза, особенно повышается нефтеотдача, однородных пластов содержащих маловязкие нефти. Однако, так же как и метан, в больших количествах СО₂ оказывает значительное влияние на изменение климата.

С экологической точки зрения весьма интересен микробиологический метод повышения нефтеотдачи. Микроорганизмы способны расти в широком диапазоне температур, давлений, солёности вод, в аэробных и анаэробных условиях, способны использовать для роста и жизнедеятельности разнообразные источники питания и энергии: от H₂, CO₂ до нефти. При этом они образуют самые разнообразные метаболиты: газы (CH₄, CO₂, N₂, H₂), органические и жирные кислоты, растворители, поверхностно-активные вещества, ферменты, разнообразные полимеры, в том числе полисахариды. Ферменты микроорганизмов увеличивают пористость и проницаемость пород, снижают вязкость нефти, в сочетании с биофункциональными ПАВ снижают поверхностное натяжение на границе вода – нефть, способствуя отделению пластовой воды от нефти. Главные достоинства этого метода – минимальные затраты, возможность извлечения остаточной нефти и экологическая чистота [12].

Гидродинамические методы ПНП, направлены на увеличение охвата залежи заводнением малопроницаемых нефтенасыщенных объёмов пласта. Технологии включают в себя: создание высоких давлений нагнетания, в скважину, изменение направлений фильтрационных потоков, циклическое заводнение. Однако эти методы не современны, так как они повышают нефтеотдачу всего на 3–5% [12; 10]. Кроме того, в результате воздействия на пласты, они приводят к снижению пластового давления, в результате которого происходит перераспределение нагрузки, что приводит к деформациям земной коры и изменением в рельефе. Фильтрация флюидов в образовавшиеся пустоты, приводит к перераспределению сейсмических напряжений, что может спровоцировать возникновение сильных землетрясений с глубокими очагами [2; 7].

Технологии нефтепереработки, направлены на модернизацию нефтеперерабатывающих заводов и разработке технологий повышения качества нефтепродуктов, увеличению объема светлых фракций, получению высокооктанового экологичного бензина. Для этого разрабатываются новые способы переработки нефти и нефтепродуктов. Например, вторичная переработка нефти включает в себя разные виды «крекинга». На кинетику, которых кроме химических веществ (ПАВ, присадки и т.д.) можно воздействовать и физическими полями (тепловыми, электромагнитными, кавитационными и др.)

Для высоковязких нефтей успешно применяется технология (ТИРУС). Процесс основан на ультразвуковой обработке нефтепродуктов в условиях максимальной акустической активности кавитации и приводит к изменениям их фракционного, углеводородного, группового и элементного состава [4; 6]. Модифицированный термокрекинг или висбрекинг позволяет получить жидкий продукт, содержащий на 90% меньше металлов, на 50–60% серы, с повышением индекса API на 7–16 градусов [6].

Технология радиационно-термического гидрокрекинга, совмещает термический крекинг с ионизацией, в результате такой переработки получается «синтетическая нефть». Синтетическая нефть – это высококачественные нефтепродукты премиум-класса. Такая нефть имеет низкое содержание серы, низкое содержание тяжёлых фракций, плотность такой нефти менее 870–850 кг/м3, что позволяет считать её экологичной и энергоёмкой. Самой высокотехнологичной технологией для переработки нефтей, по-видимому, является применение наноразмерных частиц катализаторов, благодаря которым эффективность переработки возрастает в десятки раз, до 500 тыс. тонн сырья в год, и качество получаемых моторных топлив соответствует требованиям стандарта Евро-4 и Евро-5 [13].

Таким образом, сегодня, успешно развиваются и показывают свою эффективность новые технологии добычи и переработки нефти, и как показывает практика, их усовершенствование направлено на получение экологически чистых продуктов (топливо, смазочные материалы, кокс и т.д.) с минимальной себестоимостью на его производство. В заключении отметим, что технологии геологоразведки, добычи и переработки нефти сегодня, действительно многообразны и каждая по-своему эффективны, но необходима их глобальная экологическая оценка, которая позволить заложить основы устойчивого экономического и экологического развития России.