تاثیرات پسماندهای حاصل از حفاری چاه‌های نفت و گاز در دریا برمحیط زیست

مقدمه

بدون وجود گلهای حفاری و افزایه‌های آنها، حفاری چاه‌های نفت و گاز میسر نخواهد بود. سیالات حفاری دارای ترکیبات پیچیده و گوناگونی بنام گل حفاری هستند و دارای عملکردهای گوناگونی از قبیل روانکاری مته حفاری، بلبرینگ‌ها و پمپ‌های گل می‌باشند. بویژه عامل جلوگیری از سایش مته در اثر تماس با دیواره چاه، تامین فشار هیدرواستاتیک جهت موتور برای راندن مته حفاری به داخل حفره چاه، تمیزکردن و خنک کردن مته حفاری ، انتقال کنده‌ها به سطح، انتقال سیمان و دیگر مواد به نقاط مورد نظر در چاه، حفظ فشار چاه و جلوگیری از فوران چاه بوسیله خنثی کردن فشار هیدرواستاتیکی چاه می‌باشد.

گل حفاری ترکیبی از بنتونیت و دیگر رس‌ها و یا پلیمرهاست که جهت حفظ چسبناکی یا ویسکوزیته دلخواه به آب افزوده می‌شوند. باریت با فرمول شیمیایی BaSo4 بعنوان ترکیب غالب موجود در سیال حفاری شناخته شده است.

در طی سالیان متمادی شرکت‌های خصوصی و کارشناسان حفاری، فرمول‌های شیمیایی سری را جهت درست کردن انواع گل حفاری با درصد ترکیبات مختلف جهت وضعیت‌های خاص و متفاوت در حفاری، ابداع کرده اند. دستورالعمل کاربرد این مواد براساس تجارب طولانی و مهارت‌های ویژه نیز بدست آمده است. یکی از مشکلات اساسی که در سر راه مطالعه و بررسی اثرات پسماندهای حفاری وجود دارد این است که اغلب مواد تشکیل دهنده گل‌های حفاری با نام‌های تجاری مختلف و عامیانه و با بیان خصوصیات کلی و نه جزیی آنها نامگذاری شده اند، و دسترسی به مواد اصلی و ترکیبات آنها تقریبا غیرممکن و یا بسیار مشکل است. اکثر دستوالعمل‌های نحوه تولید این مواد بصورت محرمانه و بسیار خصوصی نگهداری می‌شود و امکان دسترسی محققان و پژوهشگران به چنین منابعی غیرممکن است.

با توجه به عدم دسترسی به ترکیب اصلی مواد گل حفاری و نیز تغییرات زیادی که در طی سالیان اخیر در آنها داده شده است، کمیسیون اسلو- پاریس از مارس ۲۰۰۰ میلادی اصطلاحاتی را جهت نامیدن این مواد منتشر ساخته است که بدین شرح است:

الف- گل‌ها یا سیالات حفاری پایه آبی یا

ب- گل‌ها یا  سیالات حفاری با فاز مواد عالی که شامل سه دسته زیر می‌باشند:

– گل‌های پایه روغنی

– گل‌ها یا سیالات پایه سنتتیکی

– گل‌های پایه امولسیونی

اصطلاح گل‌های حفاری پایه آبی ممکن است این تصور را ایجاد کند که این نوع گل‌های حفاری آلودگی ندارند، در حالیکه این نوع گل‌ها در تماس با نفت خام درون چاه دارای مقادیری از افزایه‌ها و غلظت‌هایی از هیدروکربن‌ها خواهند شد. تقریبا تمامی گل‌های حفاری با هر پایه‌ای دارای مقادیری از افزایه‌های شیمیایی خواهند بود و این مواد به‌همراه کنده‌های حفاری نفت خام، گاز، آب‌های فراوری شده، فلزات سنگین، بیوسیدها، سورفاکتانت‌ها و دیگر مواد آلی، به سطح سکوی حفاری خواهند آمد.

گل‌های حفاری پایه روغنی در زمانی که گل‌های پایه آبی دارای خصوصیات مدنظر از قبیل روانکاری و غیره نیستند، به کار برده می‌شوند. استفاده از گل‌های حفاری پایه روغنی در کشورهای پیشرفته و در صنعت حفاری از ۱۵ سال پیش بسیار محدود شده است. در آزمایشات گوناگونی که روی تپه‌های مرجانی اعماق دریای شمال صورت پذیرفته است، این نوع از گل‌های حفاری یک منبع جدی آلوده کننده محیط زیست تشخیص داده شده‌اند.

 

 اثرات زیست محیطی تخلیه پساب‌های حفاری

در سال ۱۹۸۰ اجماع بین دانشمندان غربی که در حال مطالعه بر روی اثرات زیست محیطی پساب‌های حاصل از حفاری چاه‌های نفت و گاز بودند، این بود که این اثرات عمدتا بصورت منطقه‌ای و جزیی بوده است. به عقیده آنها اغلب اجزای اصلی سیال حفاری اثرات سمی کمی روی موجودات و ارگانیزم‌های دریایی دارند و از اجزای اصلی سیال حفاری فقط لیگنوسولفات‌های کروم و فروکروم و هیدروکسید سدیم به‌مقدار کمی سمی هستند. این مواد شامل گازوئیل، نمک‌های کرومات، سورفاکتانت‌ها و پارافرمالید بیوسید می‌باشند. در آزمایشات سمیت که بر روی حداقل ۴۰ گونه از جانوران دریایی انجام شد، در اغلب موارد مشاهده شد که موجوداتی که در تماس با گل حفاری بوده‌اند و دچار آسیب زیادی نشده‌اند در مقایسه با آنهایی که دچار آسیب جدی شده‌اند از نظر تعداد تفاوت چندانی ندارد.

گونه‌های حساس شامل مرجان‌ها، خرچنگ‌ها، اسکالوب‌ها و لاروها می‌باشند. زادآوری لاروهای پلانکتونی در رسوب‌های شنی آغشته به گل حفاری، بسیار کاهش می‌یابد. براساس مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در زمینه میزان سمیت گل‌های حفاری، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که ارگانیزم‌ها و موجودات درون ستون آب هرگز بمدت کافی در معرض غلظت بالای سیال حفاری قرار نمی‌گیرند تا اثرات سوء شدیدی به آنها وارد شود. مواد جامد سیال حفاری که ته نشین می‌شوند می‌توانند اثرات نامطلوبی بر روی موجودات دریایی و آبزی داشته باشند. همچنین این مواد در میزان سمیت و تغییر بافت رسوب‌ها و خاک بستر دریا نقش دارند.

شدت اثر سیالات حفاری و کنده‌های حفاری روی موجودات دریازی، رابطه مستقیمی با مقدار مواد تجمعی، مقدار و خصوصیات فیزیکی مواد تخلیه شده شرایط زیست محیطی، زمان و مکان تخلیه، سرعت و عمق آب دارد. زمانی که انرژی زیست محیطی بالاست، مقدار کمی گل و کنده تجمع می یابد و تاثیر کمتری روی موجودات دریازی دارد. اما در مواردی انرژی زیست محیطی پایین است و رسوبگذاری شدید می‌شود، تجمع مواد بیشتر است و امکان کاهش در فراوانی اغلب گونه‌های دریایی وجود دارد. با وجود اینکه گل‌های حفاری پایه آبی بهتر از گل‌های حفاری پایه روغنی و سنتتیکی هستند، این گل‌ها نیز با چشم پوشی از اثرات سمی و اسیدیته آنها، ممکن است باعث خفگی موجودات دریایی شوند و اگر به شکل ذرات بسیار ریز در آب معلق بمانند، می‌توانند وارد مجاری تنفسی موجودات دریایی و ماهی‌ها شوند. ذرات کوچکتر بتدریج در فواصل دورتر پخش می‌شوند. ذرات کوچکتر از ۰۱/ میلی‌متر می‌توانند هفته‌ها و ماه‌ها در ستون آب معلق بمانند که نتیجتا مساحت‌های بزرگتری از لکه‌های تیره رنگ در اطراف دکل‌های حفاری دریایی ظاهر می‌شود. این پدیده هنگامی که عملیات لوله‌گذاری در زیر آب انجام می‌گیرد تشدید خواهد شد. در روسیه قوانین حفاظت از آب ۱۹۹۱ اجازه افزایش ذرات معلق با قطر بیشتر از ۰/۷۵ میلی‌متر را در آب‌هایی که ماهی‌ها در آن وجود دارند، نمی‌دهد. افزایش لکه‌های آلوده، تعادل فرایندهای تولید و تخریب که وابسته به نور و روشنایی می‌باشند را در سطح آب دریا بهم می‌زند که این موضوع می‌تواند باعث اختلال و آشفتگی در سطح اکوسیستم گردد. شواهد تجربی حاکی از آن است که وجود ذرات معلق که قطر آنها بین ۰/۰۱ تا ۰/۰۰۵ میلی‌متر است، اثرات منفی بر روی موجودات ریز دریایی خواهد گذاشت.

یک افزایش کوتاه مدت در غلظت ذرات معلق (بیشتر از ۲ تا ۴ گرم در لیتر) باعث تاثیرات منفی سریع و مرگ و میر تخم و نوزاد ماهی قزل‌آلا و دوزیستان می‌گردد. سیالات حفاری پایه آبی که در نواحی قاره‌ای آمریکا به کار می‌رود، مخلوط فرموله شده‌ای از خاک رس یا پلیمرها، عناصر وزن ده، لیگنوسولفات‌ها و دیگر مواد معلق بهمراه آب، باریم، کروم، سرب و روی است که اغلب بمقدار بیشتر از آن چیزی که در رسوبات طبیعی دریایی وجوددارد، می‌باشند. میزان سمیت بیش از ۷۰ نوع سیال حفاری پایه آبی در بیش از ۴۰۰ آزمایش سمیت بر روی ۶۲ گونه از ارگانیزمهای دریایی آتلانتیک، اقیانوس آرام و  خلیج مکزیک مورد ارزیابی قرارگرفته است. حدود ۹۰درصد از مقادیر Lc50 که بالای ppm 10/000 بود، حاکی از این بودند که گل‌های حفاری پایه آبی عملا غیرسمی هستند و فقط ۲ مقدار Lc50 زیر ppm100 بود. گل‌های حفاری سمی آن دسته از گل‌های حفاری هستند که غلظت بالایی از کروم هگزاوالنت، گازوییل و مواد فعال در سطح دارند. اگر چه ممکن است ترکیبات اصلی گل‌های حفاری پایه آبی شدیدا رقیق شوند، بازهم وجود موادی که در غلظت‌های پایین نیز سمی باشند، حتمی است. بکاربردن فرمول‌های پایه آبی بطور کامل مخاطرات زیست محیطی را کاهش نخواهد داد و یکی از علل آن وجود بیوسیدها و فلزات سنگین موجود در آنهاست. علاوه بر آن گل‌های پایه آبی در مقایسه با گل‌های پایه روغنی قابلیت بیشتری برای رقیق شدن و حل شدن در محیط آبی را دارند و بالاخره اینکه حجم زیادی از گل‌های پایه آبی بدون مرز و محدوده مشخصی در دریا وجود دارند، در حالی‌که گل‌های پایه نفتی دارای مرز و حدود مشخصی در روی آب دریا هستند.

مطالعات و تجربیات نشان می‌دهند که اثرات سمی حاد و شدید گل‌های پایه آبی را فقط در غلظت‌های بالای آنها می‌توان تعیین کرد و چنین غلظت‌هایی فقط در نزدیکی نقاط تخلیه (به شعاع چندین متر) وجود دارند. تحقیقات نشان می‌دهد که حساسیت موجودات دریایی نسبت به

ذرات معلق موجود در فاز گل حفاری بیشتر از حساسیت آنها نسبت به فاز آبی آنهاست و به نظر می‌رسد که ذرات معلق موجود در سیالات حفاری، ممکن است نقش بیشتری در میزان سمیت آنها داشته باشند.

ذرات معلق بزرگتر، سریعتر ته نشین می‌شوند و تجمع این مواد از دو راه منجر به تغییرات اکولوژیکی می‌شوند: یکی از طریق ایجاد تغییر در اندازه رسوب‌ها و نهشت‌های دریایی و دیگری از طریق ایجاد خفگی در موجوداتی که قادر نیستند سریع از منطقه دور شوند. جوامع دریایی که در زیر لوله‌های تخلیه قرار دارند سریعا نابود می‌شوند و آنهایی که در نزدیکی لوله‌ها قراردارند، ضعیف خواهند شد و با افزایش فاصله از محل تخلیه این اثرات کمتر خواهد شد.

اگر غلظت سیالات حفاری پایه آبی در عرض چند دقیقه به ۲ الی ۱۵ میلی‌گرم در لیتر برسد، باعث ایجاد اختلال در تنفس و ضربان ماهی قزل‌آلا می‌شود و اگر غلظت آن طی ۱۰ الی ۳۰ روز به ۵ میلی گرم در لیتر برسد باعث مرگ و میر ماهی‌های Cod و Flounder می‌شود. تحقیقات دانشمندان روسی نشان می‌دهد اگر ماهی قزل‌آلا و دوزیستان، بمدت ۴۸ تا ۹۶ ساعت در معرض سیال حفاری آمونیم و لیگنوسولفات پایه آبی با غلظت ۵ تا ۲۲ میلی گرم بر لیتر قرارگیرند، مرگ و میر این گونه‌ها به ۵۰% خواهد رسید. آزمایشاتی که بر روی ماهی‌های Copepod, Amphipods و تخم‌های ماهی Cod صورت گرفت، نشان داد که درغلظت ۱۰ الی ۱۰۳ میلی گرم بر لیتر گل پایه آبی، اثرات سوئی مشاهده نشده است.

۳- تصفیه پساب‌های حفاری

با توجه به اثرات مخرب و طولانی مدت پسابهای حاصل از حفاری به دریا و تاثیرات منفی آنها بر روی اکوسیستم‌های دریایی، دولت‌ها، صنایع و سازمان‌هایی که درخصوص محیط زیست فعالیت می‌کنند، درصدد یافتن راهکارهایی جهت کاهش حجم پساب‌های حاصل از حفاری به روش‌های مختلف از قبیل ترزیق دوباره پساب‌ها به سنگ‌های زیر بستر دریا و یا درصورت امکان تصفیه آنها، برآمدند. در سال ۱۹۹۵ میلادی انستیتوی نفت امریکا^۱۶ روش‌های مختلفی را جهت تصفیه پساب‌های حاصل از حفاری مورد بررسی قرارداد. در گزارش‌های منتشر شده، عوامل آلاینده که در میزان سمیت پساب‌ها نقش دارند به این شرح اعلام گردید:

ذرات بسیار ریز معلق، شوری بالای ۹۰%، ترکیبات فرار، مواد آلی قابل استخراج (اسیدی، پایه‌ای و طبیعی)، محلول و بخارات آمونیاک و هیدروژن سولفور.

در گزارشات ارایه شده از طرف API، کاهش آلودگی پساب‌ها تاحد قابل قبول از طریق ترکیب روش‌های مختلف پیشنهاد شده است. در انتخاب روش تصفیه پساب‌ها، برآورد هزینه امری ضروری است و یکی از عوامل تاثیرگذار در تعیین روش تصفیه می‌باشد. در جدول ۱ روش‌های مختلف تصفیه پساب‌های حاصل از حفاری آورده شده است.

 

جدول ۱ روش های مختلف تصفیه پساب های حاصل از حفاری

کنولوژی	فرایند	مزایا	معایب	هزینه
جذب کربنی	سیستم پیمانه‌ای کربن فعال	حذف هیدورکرین و ترکیبات اسیدی، پایه‌ای و طبیعی – نیاز به حداقل انرژی –عملکرد بالا نسبت به سایر روش‌ها	رسوب ذرات کربن و تولید ضایعات- نیاز به تصفیه مقدماتی	متوسط
هوادهی	ورود حباب‌های هوا به داخل پساب‌ها در برج‌های مخصوص	حذف ۹۵% ترکیبات فرار و نیزبنزن، تولوئن، نفتالین، فنانترین، پیرین و فنل – حذف H2S و آمونیاک درصورت تنظیم PH، افزایش دما باعث تسریع در حذف ترکیبات نیمه فرار می‌شود. – ابعاد کوچک، وزن کم و حداقل انرژی لازم است.- آسان بودن کار	امکان آلودگی به نفت – خطر تشکیل آهن و کلسیم – ایجاد پسابی که نیاز به تصفیه دوباره دارد.	سرمایه کم و هزینه کم عملیاتی شدن – ۰۲/ دلار آمریکا یا ۰/۱ دلار در هر ۱۰۰۰ گالن بعلاوه ۵/۰ دلار تا ۱/۵ دلار برای ۱۰۰۰ گالن درصورتی که نیاز به استفاده از کرین فعال باشد.
فیلتراسیون	استفاده از صافی بسیار ریز	حذف موثر ذرات و امولسیونه نفت – ابعاد کوچک – وزن کم – حداقل انرژی مورد نیاز – توان عملیاتی بالا	عدم حذف ترکیبات فرار و نامحلول- عدم تاثیر بر روی شوری نفت – سولفید و باکتری‌ها باعث کثیف شدن صافی و خرابی آن می‌شود که بایستی روزانه تمیز شود. – وجود مواد رادیو اکتیو در پساب‌ها – نیاز به تصفیه مقدماتی	سرمایه‌گذاری کم، هزینه پائین عملیاتی (مانند سیستم هوادهی)
اشعه ماوراء بنفش	تابیدن اشعه بوسیله لامپ‌های UV	تخریب مواد عالی غیرمحلول و ترکیبات فرار و غیرفرار شامل بیوسیدهای آلی – عدم تولید ضایعات- کاربرد در شرایطی که حجم کار بالاست	عدم تاثیر بر آمونیاک و قطرات نفتی پخش شده، فلزات سنگین یا نمک‌ها- نیاز به انرژی نسبتا زیاد – کثیف شدن لامپ‌های UV – بجا ماندن ضایعات سمی به سبب استفاده از پراکسیدها – نیاز به تصفیه مقدماتی	سرمایه‌گذاری شبیه به سرمایه گذاری برای روش اکسیداسیون شیمیایی با ازن ، اما هزینه عملیات آن به سبب نبود پسماند پائین تر است.
اکسیداسیون شیمیایی	اکسیداسیون ازن و یا پراکسید هیدروژن	حذف H2S و ذرات ریز- تصفیه هیدروکربن‌ها، مواد آلی اسیدی، پایه‌ای و طبیعی ، مواد فرار و غیرفرار – نیاز به انرژی کم درصورت استفاده از سیستم پراکسید	نیاز به انرژی زیاد جهت سیستم ازن -آغشته شدن عوامل کاتالیزور به نفت – امکان ایجاد لجن و پسماندهای اسیدی- نیاز به تصفیه مقدماتی	هزینه متوسط
تصفیه بیولوژیکی	سیستم هوازی با نصب پرده‌های ثابت در برج‌های مخصوص	تصفیه با قابلیت تجزیه پذیری بیولولوژیکی هیدروکربن‌ها و ترکیبات آلی ،H2S ، اغلب فلزات و تا حدودی آمونیاک تحت شرایط طبیعی- نیاز به انرژی نسبتا کم، قابلیت انجام کار در حجم‌های مختلف	نیاز به تجهیزات بزرگ برای مدت زیاد – تجمع نفت یا آهن ممکن است مانع فعالیت بیولوژیکی گردد- ممکن است عمل هوادهی باعث تشکیل کلسیم گردد- امکان تشکیل گاز و لجن که نیاز به تصفیه دارند- نیاز به تصفیه مقدماتی	برآورد دقیقی انجام نشده است.

خلاصه بحث

۱- در اکثر کشورها تخلیه گل‌های حفاری پایه آبی و کنده‌های حفاری آلوده به این گل‌ها، درصورتیکه منابع تخلیه دارای گواهی و شرایط مورد نظر از قبیل کاهش حجم مواد نفتی در حد استاندارد باشند، بلامانع است. در اکثر کشورهای آمریکایی و اروپایی تخلیه گل‌های پایه روغنی از سال‌ها پیش متوقف شده است. در ایالت متحده امریکا تخلیه گل‌های پایه سنتتیکی قانونی است.

۲- تخلیه پساب‌ها حفاری به داخل آب‌های سطحی و آب‌های کم عمق در امریکا و کشورهای اروپایی ممنوع شده است.

۳- استفاده از گل‌های پایه آبی رو به افزایش است واین موضوع بدلیل این است که گل‌های پایه سنتتیکی انتظارات مورد نظر را در خصوص حفاظت محیط زیست برآورده نکرده است.

۴- علیرغم این موضوع که گل‌های پایه آبی دارای سمیت کمتری نسبت به گل‌‌های حفاری پایه نفتی و سنتتیکی هستند، گل‌های پایه آبی توان ایجاد اثرات اکولوژیکی خطرناکی را بر روی محیط زیست دارند. به‌ویژه اینکه اثرات ذرات معلق ریز موجود در آبها بخوبی شناخته نشده و ممکن است باعث ایجاد صدمات جدی در مراحل ابتدایی رشد ماهی‌ها گردند.

۵- کنده‌های آلوده به گل‌های پایه آبی معمولا دارای مقادیری از بقایای مواد سمی هستند که ترکیب شیمیایی آنها کاملا سری است و این مواد بوسیله تجهیزات فعلی موجود بر سر دستگاه‌های حفاری قابل حذف نیستند. تاثیر این مواد بر روی موجودات دریایی و بر بستر دریا کاملا مورد بررسی قرارنگرفته است.

۶- تزریق مجدد^۲۱ کنده‌های آلوده حفاری به لایه‌های زیرزمینی بطرق گوناگون انجام می‌گیرد. یکی از این راه‌ها نصب تجهیزات ویژه بر روی دکل‌های حفاری، سکوها و کشتی‌های حفاری، و دیگری حمل پسماندهای دریایی و انتقال آنها به خشکی جهت تزریق در لایه‌های زیر زمین می‌باشد. راه‌های جایگزین پیشنهادی نیز شامل تصفیه، بازیافت و سوزاندن و مدفون کردن کنده‌های آلوده حفاری، می‌باشند.

۷- آبهای فراوری شده از تاسیسات نفتی و گازی می‌توانند مهمترین منبع آلودگی‌های نفتی و فلزات سنگین، رادیواکتیو، افزایه‌های سیالات حفاری و هیدروکربن‌های پلی آروماتیک، بشمار آیند.

۸- در حال حاضر در کشورهای اروپایی و آمریکای شمالی، بر روی دکل‌های دریایی روش‌هایی جهت تزریق مجدد آب‌های فراوری شده و همچنین تصفیه آنها در حد بالای استاندارد وجود دارد.