Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эколого-геофизические исследования техногенного воздействия Калужского подземного хранилища газа на компоненты окружающей среды

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Эколого-геофизические исследования техногенного воздействия Калужского подземного хранилища газа на компоненты окружающей среды"

На правах рукописи

Самохин Александр Владимирович

ЭКОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КАЛУЖСКОГО ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ГАЗА НА КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва-2009

003481449

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского государственного университета имени. М. В. Ломоносова

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук,

профессор Богословский Вадим Александрович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Никитин Алексей Алексеевич

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Орлов Михаил Сергеевич

Ведущая организация Институт геоэкологии РАН

имени Е.М. Сергеева

Защита состоится 21 октября 2009 года в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», Геологический факультет, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж).

Автореферат разослан «21» сентября 2009 года. Ученый секретарь диссертационного совета: , Никулин Б. А.

Общая характеристика работы.

Актуальность настоящей диссертационной работы определяется возросшими за последнее десятилетие требованиями по охране окружающей среды при сооружении и эксплуатации подземных хранилищ газа. Эти требования обязывают природопользователей разрабатывать систему мониторинга для проведения контрольных наблюдений состояния компонентов природной среды, необходимых и достаточных для оценки воздействия газового хранилища на окружающую среду и обеспечения заинтересованных организаций оперативной и прогнозной информацией. Подземные хранилища газа (ПХГ) создаются по возможности в пределах промышленных районов в непосредственной близости от крупных экономических и социальных центров. Данное обстоятельство усугубляет требования к экологической безопасности объектов и ставит необходимость перехода от эпизодического контроля к непрерывному мониторингу параметров окружающей среды. Такая необходимость определяется многократным увеличением каналов возможных утечек газа, поскольку, плотность сетки эксплуатационных скважин ПХГ на порядок выше, чем на газовых и нефтяных месторождениях.

Цель работы

Целью работы является оценка и прогноз техногенного воздействия Калужского подземного газохранилища на окружающую среду, а также разработка целевого эколого-геофизического комплекса для выполнения такой оценки.

Основные задачи

При достижении указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

1.Обобщение и анализ априорной геофизической геологической, гидрогеологической информации об объекте исследований.

2. Проведение физико-геологического районирования территории горного отвода КПХГ и построение физико-геологических моделей (ФГМ) Калужского ПХГ.

3. Выявление экологически значимых аномалий геофизических полей и параметров, возникающих в пределах газовмещающей и надпродукгивной толщи в процессе эксплуатации КПХГ.

4. Построение априорных эколого - геофизических моделей (ЭГМ) источников и ввдов техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды (ОС).

5. Выполнение комплексной оценки техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

6. Разработка прогнозных эколого-геофизических постоянно действующих моделей (ПДМ) техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

7. Прогноз динамики техногенного воздействия Калужского ПХГ на окружающую среду.

8. Разработка практических рекомендаций по оптимизации комплекса эколого-геофизических исследований при проведении мониторинга окружающей среды на Калужском ПХГ.

Научная новизна работы

1. Выявлены особенности геолого-гидрогеологического строения Калужского подземного хранилища газа, определяющие техногенное воздействие эксплуатируемого газохранилища на окружающую среду.

2. Выявлены экологически значимые аномалии геофизических полей и параметров, возникающие в пределах газовмещающей и надпродуктивной толщ в процессе эксплуатации КПХГ.

3. Выполнено физико-геологическое районирование территории горного отвода КПХГ и построены физико-геологические модели пяти областей КПХГ с различными геологическими, тектоническими, гидрогеологическими условиями, определяющими особенности воздействия газохранилища на окружающую среду.

4. Построены априорные эколого-геофизические модели (ЭГМ) источников и видов техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

5. Выполнена комплексная оценка техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

6. Построены прогнозные эколого-геофизические постоянно действующие модели и дан прогноз динамики техногенного воздействия эксплуатируемого КПХГ на окружающую среду.

7. На основании предлагаемых моделей разработаны практические рекомендации по составу и условиям применения целевого эколого-геофизического комплекса для повышения эффективности изучения техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

Основные защищаемые положения

Автором защищаются следующие основные положения:

1. Эксплуатация подземных хранилищ газа и элементов их инфраструктуры приводит к возникновению экологически значимых аномалий геофизических и геохимических полей и параметров, наблюдение за которыми может использоваться для оценки влияния газохранилища на окружающую среду.

2. Эколого-геофизические (ЭГМ) модели источников и видов техногенного загрязнения, построенные на основе комплексного представления уровней и пространственных параметров геофизических и геохимических аномалий, а также комплексные прогнозные постоянно действующие модели (ПДМ) Калужского ПХГ позволяют оценить техногенное воздействие газохранилища и его инфраструктуры на компоненты окружающей среды.

3. Эксшого-геофизическая эффективность оценки воздействия Калужского ПХГ на окружающую среду может быть повышена за счет включения в

целевой эколого-геофизический комплекс дистанционных, наземных, аквальных и скважинных методов, применение которых позволит детализировать пространственные параметры и интенсивность техногенного загрязнения.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в разработке методики комплексной интерпретации геофизических, геологических, гидрогеологических и гидрохимических данных и целевого эколого-геофизического комплекса для оценки состояния компонентов окружающей среды на эксплуатируемом газохранилище. Разработанная методика и предложенный целевой комплекс могут найти непосредственное применение при построении системы экологического мониторинга на подземных газохранилищах созданных в водоносных пластах.

Апробация результатов исследований и публикации По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ, а так же 4 работы в сборниках тезисов и докладов на конференциях. Основные положения диссертационной работы были представлены на научных семинарах в МГУ им. М.В. Ломоносова, конференции «Ломоносов - 2005», на первой Международной конференции «Актуальные проблемы экологической геологии». (ЭКОГЕОЛОГИЯ - 2005) и четвертой Международной конференции ЭКОГЕОЛОГИЯ - 2008.

Структура и объем диссертации

Диссертация включает введение, шесть глав, заключение и список литературы, включающий 96 наименований. Объем работы составляет 157 страниц. Материалы диссертации проиллюстрированы 31 рисунком, 17 таблицами и 5 приложениями.

Благодарности

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова в период обучения в аспирантуре под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В.А. Богословского, которому автор выражает свою искреннюю благодарность.

Автор с искренней признательностью отмечает особое внимание к работе доктора геолого-минералогических наук, профессора В.К. Хмелевского, кандидата геолого-минералогических наук Б.А. Никулина, кандидата физико-математических наук Д.К. Большакова.

Автор выражает признательность Е.В. Ивановой за участие в оформлении рукописи и сопутствующей документации.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Калужского и Щелковского управления ООО «Газпром ПХГ» и лично начальнику управления, кандидату физико-математических наук А.П.Зубареву.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, основные цели и задачи работы, дана ее общая характеристика, приведены защищаемые положения, изложена научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Подземные хранилища газа и проблемы их эксплуатации.

В главе рассмотрена отечественная и зарубежная практика развития подземного газохранения.

В первой части главы приводится классификация подземных газохранилищ по типу создания:

- в пустотах горных пород - шахтах, пещерах, рудниках;

- в отложениях каменной соли;

- в истощенных или частично выработанных газовых и газоконденсатных месторождениях;

- в изолированных водоносных пластах.

Рассматриваемое в работе Калужское ПХГ (КПХГ), относится к типу газохранилищ, созданных в водоносном пласте (Рис.1).

Рис.1 Схема типичного хранилища газа созданного в водоносном пласте. Газ поступает в пласт-коллектор 5 по эксплуатационным скважинам 2. Газ, нагнетаемый в пласт-коллектор, оттесняет воду из породы и скапливается в сводовой части структуры под непроницаемой покрышкой 6. Контроль за возможным продвижением газа вверх по разрезу осуществляется с помощью контрольных 1 и наблюдательных 3 скважин, вскрывающих основной пласт-коллектор 5 и контрольные 4 водоносные пласты.

В соответствии с техническими требованиями газохранилище созданное в водоносном горизонте должно иметь следующие характеристики:

- структурная ловушка должна быть герметична, и иметь четкую, непроницаемую покрышку;

- глубина залегания пласта должна быть не более 1000 м., т.к. при большей глубине экономически нецелесообразно сооружать хранилище, и не

менее 300 м., т.к. при меньшей глубине репрессии при закачке газа в пласт малы;

- в среднем проницаемость водоносного пласта не должна быть менее 0,20,3 Дарси, мощность пласта не менее 4-6 метров, пористость не ниже 10-15%.

Проницаемость покрышки, обычно представленной глинами, должна составлять не более сотых долей миллидарси, мощность не менее 20 м.

Потенциальными источниками воздействия на компоненты окружающей среды, являются следующие входящие в состав инфраструктурного комплекса ПХГ, объекты:

- газораспределительные пункты;

- внутрипромысловые и магистральные трубопроводы;

- скважины различного назначения;

- инженерные сооружения и др.

Последний раздел главы посвящен проблемам производственного контроля технического состояния ПХГ и оценке его воздействия на окружающую среду. Приводится анализ публикаций по проблемам подземного газохранения. Рассмотрены такие его аспекты, как герметичность подземного хранилища газа, межпластовые перетоки газа, вызванные природными и техногенными факторами, возникновение вторичных газовых образований, выявление и контроль газопроявлений на территории горного отвода, в т.ч. газовых месторождений и подземных хранилищ газа. Рассматриваются методические и методологические аспекты изучения указанных проблем, ставятся задачи эколого-геофизических исследований.

Глава 2. Особенности геолого-гидрогеологического строения территории Калужского подземного газохранилища.

В начале главы описывается географическое, положение, экологические и социальные функции Калужской области. Отмечается, что экологическая обстановка в регионе определяется уровнем загрязнения окружающей среды, обусловленного хозяйственной деятельностью предприятий, населения и транспортом. Кроме того, на экологическую обстановку в Калужской области оказывает влияние уровень радиационного загрязнения части ее территории в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. В связи с низкой экологической обустроенностью городов и поселков по экологическому состоянию Калужская область занимает 71 место (на 2004 г.) среди 89 регионов России, главным образом из-за низкой степени улавливания загрязняющих атмосферу веществ, переработки промышленных и сельскохозяйственных отходов, низкого качества питьевой воды и малого объема лесовосстановительных работ.

В геологическом отношении территория Калужского ПХГ приурочена к центральной части Восточно-Европейской платформы, в геологическом разрезе которой выделяются два резко отличающиеся между собой структурных комплекса, разделенных крупным угловым несогласием. Нижний комплекс - кристаллический фундамент, сложенный метаморфическими образованиями архейского и раннепротерозойского

возраста. Верхний комплекс - осадочный чехол, представленный горизонтально или слабонаклонно залегающими отложениями верхнего протерозоя (рифея, венда), палеозойской, мезозойской и кайнозойской групп. В 1959 г. в песчаниках гдовского водоносного горизонта валдайской серии верхнего венда было создано КПХГ.

Особенностью тектонического строения района Калужского подземного хранилища газа является то обстоятельство, что Калужское поднятие является частью крупной импактной структуры - Камельгинской астроблемы эйфельского времени. На фоне относительно слабой геодинамической активности Русской плиты район астроблемы характеризуется повышенной тектонической расчлененностью и геодииамической активностью недр, определяемой влиянием, Калужско-Бельского и Рыльско-Кимрского разломов и проявляющейся в виде самоизливов водно-газовых систем и повышенной

Условные обозначения:

ьУз - четвертичные отпожашм (а) и «вестники. __ доломиты среднего карбона (б); ГП • глины, алевролиты нижнего карбона;

• карбонатные отложения ф им некого яруса верхнего дамка

с горнэоитми и вкрапленностью гипса, кремнистого вещества, доломит«; !*»'! • алевролиты, глины, известняки и доломиты франеного яруса верхнего девона;

Г7*1 - гпимы, алевролиты, песчаники среднего девона;

СП - —ноские аргиллиты, песчаники, туффиты с глауконитом,

углеродистым веществом; ('.*! • шейсы, граиито-гнейсы и граниты аркея и нижнего протерозоя;

В • аутигенные брекчии гнейсов, гранито-гнейсов и гранитов;

■ аяиогенные. эксплозивные и лирояластичесяие брекчии с эффужвами среднего и основного состава (а) и флюидиэироваиные брекчии осадочных и других пород « « е ей«идрит-карбонатио-кремиисты и цементом (б); ЕЗ * фосфориты (а) и сульфаты {б), синтетичные с осадочными породами;

• гидротермальна измененные породы;

• залежи бурого утя (а) и гипса |б): Г7") • активные глубинные разломы;

| ) - график содержания гелия в подземных водах.

Рис.2 Проявления глубинных тектонических разломов в геофизических и геохимических полях. Сверху вниз: ход гелия, ход атмосферного электрического поля, ход радона и водорода [по данным Пронин и др., 1996].

Следует отметить, что юго-западная часть Калужского поднятия, охватывающая участок свода, юго-западное крыло и юго-восточную область поднятия не затронута разломами, и представляет дополнительную потенциальную область для закачки газа с целью увеличения производительности КПХГ. Северная и северо-восточная области Калужского поднятия по причине тектонической расчлененности практического значения для развития подземного хранилища газа не имеют.

Заключительная часть главы содержит геолого-геофизическую характеристику пласта-коллектора и его покрышки. Отмечается, что гдовские

гелиеносностью скважин (Рис.2).

песчаники пласта-коллектора залегают в основании Редкинской свиты Валдайской серии на глубинах 630-650 м в сводовой части поднятия и на глубинах 870-930 м на его погружениях. Мощность песчаников по данным ПС колеблется от 25 до 36 м, в среднем по площади составляя 29 м (Рис. 3). Пористость песчаников лежит в интервале 18 - 24% , увеличиваясь в северовосточном направлении в область наилучшей проницаемости. Проницаемость пласта-коллектора, которая определялась в процессе гидродинамических исследований скважин, колеблется в пределах от 100 до 400 мДарси. При этом наибольшие значения проницаемости зафиксированы в северо-восточной части Калужского поднятия.

нгк пс

гк

1500 ЭОЗС 4500 VI/г.......

7500 <5000 нип'им.1 В000 12000 10000 20000

I I

I I Е

I Г

I Г

Рис.З Сводный геофизический разрез гдовского пласта-коллектора.

Основным пластом-покрышкой для газа, закаченного в гдовский песчаник, являются аргиллиты того же возраста. Мощность аргиллитов по ГК лежит в интервале 45-60 м. Несмотря на значительную мощность

покрышки по данным геофизических (барометрия, НГК) и гидродинамических исследований установлена

газогидродинамическая связь гдовского пласта-коллектора с вышележащими

отложениями ряжского,

морсовско-мосоловского и

воробъевского горизонтов.

В главе приведено краткое описание основных

поверхностных водных объектов, и подземных водоносных горизонтов, расположенных в центральной и северо-восточной областях территории горного отвода КПХГ. Отмеченные области характеризуются

повышенной тектонической трещиноватостью, определяемой указанными выше разломами. Они являются потенциально опасными с точки зрения усиления боковой северо-восточной (по пласту-коллектору) и

вертикальной миграции газа с

последующим углеводородным загрязнением поверхностных вод.

Гидрогеологический разрез центральной части Русской плиты представляет собой комплекс этажно-расположенных водоносных горизонтов, разделяющихся водоупорами. Воздействие на водоносные горизонты в процессе циклической эксплуатации КПХГ в первую очередь связано с загазованностью подземных вод этих горизонтов вследствие перетоков газа из пласта-коллекгора, изменением уровня вод горизонтов в процессе цикла отбора и закачки и воздействием на водоупоры за счет повышения и понижения внутрипластового давления.

Глава 3. Геофизический канал в системе производственного контроля КПХГ.

В главе анализируется возможность применения методов скважинной геофизики (НПС, ГК, барометрия, термометрия) и их комплексной интерпретации в системе производственного контроля КПХГ. На основании анализа априорных геолого-гидрогеологических данных и предшествующих работ, описывающих проблемы эксплуатации газовых месторождений и подземных газохранилищ нами выделены три основные потенциальные проблемные области негативного воздействия КПХГ:

- глинистая покрышка и ее герметичность;

- скважина и ее техническое состояние;

- миграция газа в вышележащие отложения и образование вторичных

газовых залежей.

В процессе проведения производственного контроля КПХГ в пределах пласта-коллекгора и перекрывающих пород нами были получены следующие результаты.

Данные гамма каротажа (ГК) характеризуют толщу аргиллитов основной глинистой покрышки (РКзгсО, как надежную и соответствующую требованиям по мощности. Однако по результатам проведения исследований в эксплуатационных скважинах, включающих анализ изменений межпластового давления (барометрия), установлена гидрогазодинамическая связь гдовского пласта-коллекгора с вышележащими проницаемыми породами ряжского и морсовско-мосоловского горизонтов.

Данные ГК, полученные в скважинах, находящихся на территории горного отвода, позволили охарактеризовать расположенную выше глинистую толщу черноярского (Оз^с) горизонта, которая при достаточной ее мощности (до 95 м) могла бы служить надежной покрышкой и рассматривалась на стадии проектирования в качестве резервной (Рис.4). Однако данными ГК установлено, что в сводовой части Калужского ПХГ, указанная покрышка (03яс) отсутствует, вследствие чего, газ, поступающий из гдовских песчаников, мигрирует в ряжские и морсовско-мосоловские проницаемые породы и далее проникает в воробъевские пески, образовывая в них вторичную техногенную залежь.

1 3 У 1 ПиУЧ-люШ С»*А;Г;хаМ1 «71 .1,1 л ОТА'-'/Н* иг К] (к 525

■ Ш-.42). шэ- ■ ьзь • пв-- 736--аю- ■азо- Оде 1 ¿г > ** > г £

Ояг э > >

Ояг

Ьщ т Ш- и < ->

о*д — *~т г'-""

РОД ш f ¿1 -г "V

к

РСЬдй "5 л? к л-

Рис.4 Схема сопоставления мощности основной (РЯзгф и резервной (1)}%с) глинистых покрышек гдовского пласта-коллектора по данным гамма каротажа.

Данные нейтронного гамма каротажа (НТК) использовались автором для оценки динамики и характера распространения объемной газонасыщенности. В частности, было установлено улучшение фильтрационно-емкостных свойств (Кпр , Кп , Кг) гдовского пласта-коллектора в сводовой и северо-восточной областях КПХГ. Это явление объясняется изменением типа порового пространства от порового в западной и южной частях хранилища к трещиновато-поровому в сводовой и северо-восточной областях КПХГ. При этом значения проницаемости отложений слагающих пласт-коллектор меняются в интервале (Кпр 100 - 400 мДарси), газонасыщенности (К- 0,570,96), пористости (Кп 18,3- 23,7) в сторону их увеличения в северо-восточном направлении по мере приближения к областям повышенной трещиноватости. Вследствие этого, происходит растекание газовой залежи по коллектору в северо-восточном направлении - к зоне тектонических нарушений, осложняющих северо-восточную часть Калужского поднятия, в область интенсивной вертикальной миграции (Рис.5).

Явление миграции газа в область тектонических нарушений представляется весьма опасным, поскольку может вызвать неконтролируемые потери газа, образование вторичных техногенных залежей и служить потенциальной причиной углеводородного загрязнения водоносных горизонтов, в том числе и питьевых.

Рис.5 Объемная модель газонасыщения гдовского и воробъевского коллекторов по данным нейтронного гамма каротажа.

Перетоки газа, вызванные наличием проницаемых областей в основной глинистой покрышке гдовского пласта-коллектора, проявляются в показаниях барометрии. При проведении барометрии в эксплуатационных скважинах изучалось изменение градиентов давления, которое согласно законам Дарси определяет скорость фильтрации флюидов в пластах.

Автором были проанализированы значения межпластовых давлений, полученных по показаниям барометрии более чем в 50 скважинах. Выборка скважин проводилась из расчета оценки интенсивности межпластовых перетоков по всей территории газохранилища в интервале разреза от гдовского пласта-коллектора до вторично образованной техногенной газовой залежи воробьевского горизонта. Для этого территория ПХГ была разбита на 5 областей: сводовая область КПХГ, северная, восточная, южная и западная области газохранилища.

В соответствии с классификацией интенсивности перетоков газа в вышележащие горизонты, предложенной группой авторов (Бузинов С.Н. и др.) и на основании анализа градиентов межпластовых давлений в надпродуктивной толще отложений автором выделено 3 класса перетоков газа: интенсивные (АР - 0,5-3,0 МПа), умеренные (АР - 0,1- 0,5 МПа), слабые или отсутствие перетоков (АР - 0,0- 0,1 МПа) и построены две модели механизмов межпластовых перетоков газа по разрезу отложений надпродуктивной толщи КПХГ.

Интерпретация данных барометрии в терминах интенсивностей перетоков позволила установить, что наиболее интенсивными перетоками газа характеризуются области сводовой и северо-восточной части поднятия. К областям умеренной интенсивности вертикальной миграции газа относятся

южная и северо-западная части поднятия. Западная и юго-западная области хранилища подвержены слабым перетокам газа или их отсутствию

В работах посвященных изучению механизмов перетоков газа на Касимовском и Щелковском ПХГ рядом авторов был высказан тезис о том, что уязвимым звеном в герметичности хранилища является не только покрышка, но и скважина как искусственное горное сооружение. Для подтверждения этого тезиса нами были использованы наблюдения за тепловым полем в скважинах. По данным термометрии нами были выявлены заколонные перетоки в скважинах, находящихся в области газоносности вторично-образованной воробъевской газовой залежи.

Заколонные перетоки газа, как правило, обусловлены несовершенной технологией бурения скважин в конкретном горизонте и эксплуатационным износом скважинного фонда ПХГ. Автором также было высказано предположение о возможном смещении и разрыве обсадных колонн скважин, обусловленных возможными локальными просадкам земной поверхности, приуроченными к зонам разломов в северо-восточной области поднятия, или техногенно-индуцированной сейсмичностью, спровоцированной циклической (закачка газа - отбор газа) эксплуатацией ПХГ.

Миграция газа является неблагоприятным фактором, поскольку приводит к неконтролируемым потерям газа. Кроме того, скорость перемещения газа по заколонному пространству скважин выше скорости миграции газа по толще горных пород, поэтому при наличии негерметичности скважины газ быстрее попадает в вышележащие отложения или же оказывает непосредственное воздействие на компоненты окружающей среды на поверхности горного отвода ПХГ.

По результатам комплексной интерпретации данных ГИС автором было проведено физико-геологическое районирование территории горного отвода КПХГ, направленное на выявление геологических и гидрогеологических особенностей строения газовмещающей и надпродукгивной толщ, предопределяющих техногенное воздействие КПХГ на ОС в процессе его эксплуатации (Рис.6).

В частности были выделены участки литосферного пространства с различными литологическими, тектоническими и гидрогеологическими условиями. Сводовая и северо-восточная части горного отвода (красный фон на рисунке) характеризуются интенсивными перетоками газа. По данным ГК эти области характеризуются как зоны проницаемости основной и отсутствия резервной глинистых покрышек. По данным НТК установлено, что в указанных областях происходит изменение фильтрационно-емкостных свойств гдовского коллектора в сторону их увеличения и боковая миграция газа. По данным термометрии указанные области характеризуются наличием заколонных перетоков газа в присводовой области вторично образованной воробъевской газовой залежи.

Рис.6 Карта физико-геологического районирования территории горного отвода КПХГ.

К областям умеренной интенсивности вертикальной миграции газа и относительной герметичности глинистых покрышек относятся южная и северо-западная части (желтый фон на рисунке) КПХГ. Западная и юго-западная (зеленый фон на рисунке) области газохранилища подвержены слабым перетокам газа или их отсутствию и характеризуются по данным ГИС наличием обеих глинистых покрышек и отсутствием заколонных перетоков газа.

По результатам интерпретации были построены пять физико-геологических моделей (ФГМ) областей территории горного отвода КПХГ, соответствующие, описанным выше участкам литосферного пространства.

Интенсивность геофизических полей

Основные элементы КПХГ Мощность, м ГК; мр/ч ^НГК; 103им/мин Термометрия; Т„. (ДТ); °С Барометрия Рплас; МПа

Гдовский пласт-коллекгор 36-43 6-9 16,4-16,7 20,8 (5-6) 10,13

Основная глинистая покрышка № гяГ) 54-56 24-26 12,3-12,6 18,9 (4-5) 8,98

Резервная глинистая покрышка (ад. 0-19 8-45 10,6-10,8 14,7 (1,1-1,4) 5,86

Воробъевский горизонт (ЕЬуг), (вториная залежь) 16-26 10-12 15,8-16,0 14,4 (1-2) 5,58

Рис.7 Физико-геологическая модель основных элементов Калужского ПХГ в сводовой области газохранилища.

На Рис.7 приведена ФГМ основных элементов Калужского ПХГ в сводовой области газохранилища.

Глава 4. Проблемы мониторинга окружающей среды в процессе эксплуатации подземного газохранилища.

В главе анализируются проблемы экологического мониторинга окружающей среды в процессе эксплуатации КПХГ. Рассматриваются особенности системы экологического мониторинга КПХГ, осуществляемого органами, уполномоченными в сфере охраны ОС и природопользования. При этом к основным организационным недостаткам существующей системы мониторинга ОС в районе КПХГ автор относит:

- сокращение гидрологических, гидрохимических, гидробиологических наблюдений.

- фрагментарность сети и программы наблюдений;

- неполный перечень контролируемых показателей;

На основе базовых принципов теории комплексирования, учитывая масштабность и многокомпонентность воздействия КПХГ, автором предлагается система геоэкологического мониторинга, состоящая из двух подсистем. Первая подсистема контролирует воздействие КПХГ на геологическую среду и описывается пространственными и физическими параметрами пласта-коллектора, перекрывающей его покрышки, вышележащих горных пород и техническим состоянием скважин. Вторая подсистема контролирует влияние «наземной» части газохранилища и описывается пространственными, физическими и геохимическими параметрами воздействия преимущественно инфраструктурного комплекса.

Первая подсистема мониторинга источников воздействия на природную среду включает режимные наблюдения за герметичностью ПХГ; за процессами в пластах-коллекторах и техническим состоянием скважин.

Вторая подсистема мониторинга объединяет режимные наблюдения за состоянием поверхностных и подземных вод; за источниками загрязнения атмосферного воздуха и оценку состояния почвешюго покрова.

Автором выделяются компоненты ОС, на которые, по его мнению, подземное газохранилище наносит наиболее значимые воздействия. Это геологическая среда (литосферное пространство); почвы и почвенный покров подверженные воздействию в ходе строительства, бурения скважин и прокладки коммуникаций; поверхностные и подземные воды, меняющие свои химические и физические свойства в процессе закачки и отбора газа; атмосферный воздух, подверженный влиянию КПХГ вследствие эмиссии метана с территории горного отвода ПХГ и в результате аварийных утечек газа из объектов инфраструктурного комплекса.

В работе используется принцип средового подхода к оценке техногенного влияния КПХГ на компоненты окружающей среды, суть которого заключается в условном разделении «наземного» и «подземного» воздействия газохранилища на компоненты ОС. При этом подчеркивается синергия процессов, происходящих во всем пространстве газохранилища. Учитывая глубинность и многосредность источников воздействия газохранилища, автор предлагает рассматривать ПХГ как природно-техногенную систему, сместив тем самым точку зрения на процесс газохранения с промыслово-

технологических позиций в сторону экологической интерпретации геологической, гидрогеологической, геофизической, геохимической информации о процессах возникающих в природной среде в результате влияния ПХГ.

Подчеркивая важную роль геофизических методов в изучении природных и техногенных механизмов воздействия ПХГ в литосферном пространстве, автор выделяет значимость гидрогеологических и гидрогеохимических исследований в качестве дополнительного инструмента для построения эффективной методики экологического мониторинга, за счет развития «этажности» комплекса, путем введения в него методов с различной физической и эколого-геологической основой.

Для обоснования эколого-геофизической эффективности предлагаемой системы оценки воздействия КПХГ на ОС автор использует параметры построенных им априорных эколого-геофизических моделей (ЭГМ) источников и видов техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды (Рис.8).

Виды и источники воздействия Типы воздействия Пространственные параметры воздействия; м Расчетные физические параметры среды

Кг;% К„;% К„р;мДарси ДР; МПа ДТ;°С

Закачка газа в пласт-коллектор термобарическое; химическое -900 - 870 57-96 18-24 100-400 10,157,9 20-22

Отбор газа из пласта-ксяшекгора термобарическое; химическое -900 - 870 57-96 18-24 100-400 10,157,9 20-22

Перетоки газа из пласта-коллек-ра термохимическое -900 -{-450) - - - аномалии 0,301,34 -

Закаленные перетоки газа термохимическое -450- (-350) - - - - аномалии 0,5-2

Изменение пластовых дав-ий и темпер. термобарическое -900-(-450) - - - 10,154,43 21-11,4

Зоны тектонических нарушений химическое; -900-860 до 96 до 24 до 400 - -

Рис.8 Априорная эколого-геофизическая модель источников и видов техногенного воздействия Калужского ПХГ на геологическую среду.

Параметрами данных моделей являются непосредственно сами компоненты ОС, источники и виды природного и техногенного воздействия, создаваемые ими аномалии геофизических и геохимических полей, пространственные параметры воздействия, описывающие вероятные интервалы воздействия, их площадные проявления и вероятные уровни аномалий физических и химических полей.

Данные параметры предопределяют выбор оптимального геофизического и экологического комплекса методов при исследовании техногенеза и позволяют обосновать практические рекомендации по составу и условиям применения целевого эколого-геофизического комплекса с целью повышения эффективности изучения воздействия КПХГ на компоненты ОС.

Глава 5. Оценка воздействия Калужского подземного хранилища газа на компоненты окружающей среды.

В первой части главы проведена оценка техногенного воздействия «наземной части» КПХГ в т.ч. его инфраструктуры на компоненты ОС. Оценивалось техногенное влияние эксплуатируемого КПХГ на атмосферный воздух, почвенный покров, поверхностные и подземные воды.

Загрязнение атмосферного воздуха на территории газохранилища определяется массой и спектром загрязняющих веществ, поступающих с выбросами из источников, входящих в инфраструктуру КПХГ и за счет эмиссии метана с территории горного отвода. Наиболее значимое воздействие КПХГ на атмосферный воздух осуществляется за счет эмиссии метана, связанной с миграцией газа из пласта-коллектора в вышележащие отложения. Распределение областей эмиссии метана в атмосферу по площади горного отвода КПХГ различно в разные сезоны, однако, нами были выявлены закономерности юменения ее интенсивности по площади, приурочгнные к различным областям КПХГ, характеризующимся разной интенсивностью межпластовых перетоков газа. Выявлена тесная корреляция интенсивности перетоков газа, установленных по данным ГИС и годовой динамики эмиссии метана с территории горного отвода.

Наилучшая корреляция изменений градиента пластовых давлений, определяющих интенсивность перетоков газа, с пространственным распределением эмиссии метана, наблюдается в сводовой и северо-восточной областях КПХГ в летнее время года.

Указанные области характеризуются данными ГИС (ГК, НТК, барометрия), как зоны интенсивной вертикальной миграции метана и приурочены к участкам отсутствия резервной глинистой покрышки гдовского горизонта.

Было отмечено, что в весенне-летний период, когда газохранилище эксплуатируется в режиме закачки, газ в пласте-коллекторе находится под максимальным давлением. Это может интенсифицировать вертикальньв перетоки газа за счет превышения пластового давления над гидростатическим. В течение зимнего времени происходит постоянный отбор газа из газохранилища. По данным ГИС установлено, что внутрипластовое давление газа в пласте-коллекторе в течение этого времени постепенно снижается. При этом динамика эмиссии метана с территории горного отвода КПХГ падает.

Концентрация в приземной атмосфере основных загрязняющих веществ окиси углерода, окислов азота и углеводородов, входящих в состав компонентов технологической цепочки инфраструктуры КПХГ не превышает ПДК и не образует устойчивых аномалий.

При оценке воздействия КПХГ на почвенный покров использовались данные геофизических наблюдений в скважинах на территории горного отвода, а также результаты геохимического и биохимического опробования. Рассматривалась способность почв к окислению и сорбции метана мигрирующего из газоносных пластов, специфическими видами микроорганизмов.

В процессе химического, механического и теплового воздействия на почвы в результате бурения скважин, рекультивации наблюдается усложнение почвенного покрова и формирование техноземов - антропогенно-преобразованных почв. В работе показано, что на трансформированных почвах

(техноземах) горного отвода КПХГ биогеохимическое окисление техногенного метана замедляется, а эмиссия метана в атмосферу увеличивается, вследствие чего происходит преобладание процессов сорбции метана почвами над процессами окисления.

Наиболее ярко сорбция имеет место в установленных по данным ГИС зонах в сводовой, и северо-восточной частях КПХГ. По мнению автора, это связано с наиболее мощным воздействием на почвы в процессе бурения, наличием объектов инфраструктуры КПХГ и населенных пунктов. Под влиянием указанных источников и видов воздействия происходит трансформация почв и образование техноземов. Это в свою очередь приводит к снижению активности бактериального окисления и увеличению концентрации метана в припочвенной атмосфере.

При изучении воздействия КПХГ на поверхностные и подземные воды принималось во внимание, что оно осуществляется через сброс сточных вод, и в процессе бурения вследствие попадания буровых растворов в подземные воды. Однако оказалось, что наиболее значимым воздействием является химическое загрязнение водоносных горизонтов в результате миграции газа из пласта-коллектора.

По результатам гидрогеохимических, геофизических и гидродинамических исследований подземных водоносных горизонтов проведенных с участие автора на территории КПХГ было установлено, что в ее северо-восточной части дизъюнктивные нарушения обеспечивают газогидродинамическую связь гдовских песчаников с вышележащими горизонтами. Об этом свидетельствуют данные нейтронного каротажа и барометрии, а также выявленное по данным режимных наблюдений направление распространения газовой залежи. По данным НГК нами было установлено, что растекание газовой залежи по коллектору происходит в северо-восточном направлении в сторону области интенсивной вертикальной миграции и зоны тектонических нарушений, осложняющих северо-восточную часть Калужского поднятия. Наличие такой связи явилось причиной появления углеводородных компонентов в водах среднего девона (ряжского [содержание углеводородного компонента 91,67%] и морсовско-мосоловского [97,83 %] горизонтов) в присводовых частях Калужского ПХГ.

По данным гидрогеохимических исследований, барометрии и НГК установлено, что закачиваемый газ локально присутствует во всех водоносных горизонтах среднего и верхнего девона, вплоть до данково-лебедянского [32,34 %], а так же в упинском [2,31 %] горизонте нижнего карбона. Максимальное газонасыщение водоносных горизонтов концентрируется в сводовой и северовосточной частях КПХГ, а в отложениях воробъевского горизонта скопления газа [94,21-95,11 %] образовали вторичные залежи, подтвержденные НГК.

Воздействие инфраструктурного комплекса КПХГ на состав поверхностных вод не проявляется. Единственным фактом, значительного превышения ПДК (до 20 ПДК) является содержание железа в воде поверхностных объектов, расположенных в зоне возможного влияния сточных вод спромплощадок КПХГ.

Во второй часта главы автором рассматриваются принципы организации эколого-геофизического мониторинга и вопросы построения прогнозных эколого-

геофизических постоянно действующих моделей (ЦДМ). При построении ПДМ автором используются методы оценки воздействия техногенного объекта на компоненты ОС, предложенные Беккеле и Леопольдом. Эти методы позволяют проводить анализ воздействия источников в терминах: экспозиции; обратимости; направленности; кумулягивности и синергетичности воздействия.

Основой формирования ПДМ, позволяющих установить последствия эксплуатации газохранилища, являются описанные выше априорные эколого-геофизические модели техногенного воздействия КПХГ, построенные автором на основе проведения комплекса производственного контроля и гидрогеохимических исследований.

При построении ПДМ рассматривалось воздействие КПХГ и его инфраструктуры на компоненты ОС. В моделях отображались: источники и виды воздействия; пространственно-временные параметры воздействия; типы воздействия; уровни природно-техногенных геофизических и геохимических аномалий, создаваемых источниками воздействия.

При выделении наиболее важных видов и источников техногенного воздействия КПХГ на компоненты ОС мы руководствовались их экологической значимостью. Учитывались пространственно-временные параметры источников. В первую очередь глубинность, масштабность и периодичность воздействия и как следствие, вероятное синергетическое влияние с другими компонентами окружающей среды.

На основе априорных ЭГМ для каждого компонента ОС и источника воздействия нами выделены шесть типов воздействия газохранилища на ОС: температурное; электромагнитное; акустическое; вибрационное; гравитационное; химическое.

Каждому типу воздействия соответствуют уровни воздействия, оказываемого рассматриваемым источником. Уровни воздействия определяются значениями геофизических и геохимических полей, которые соответствуют расчетным и априорным физическим и химическим параметрам априорных эколого-геофизических моделей для каждого компонента ОС.

Ранжирование источников воздействия КПХГ относительно влияния на компоненты ОС и характер взаимодействия источников (синергетичность воздействия) проводится в соответствующих весовых коэффициентах (по Леопольду): экспозиции (масштаб, длительность, периодичность), обратимости, направленности, кумулятивности и синергетичности воздействия.

Указанные коэффициенты подчеркивают связи между природными и антропогенными факторами окружающей среды и служат для выявления воздействий второго порядка (косвенные, синергетические и тд.).

Присвоив расчетный коэффициент выбранному источнику, модели способны давать прогнозную оценку по классу: обратимости; слабой обратимости и необратимости экологических последствий техногенного воздействия. В свою очередь это позволяет прогнозировать состояние экосистем по классам: нормы; риска; кризиса; бедствия.

Воздействие ПХГ на литосферное пространство

ГГОСТГЛСТЮОЮ

•ГВОМК игДКППКПМ! (ОЗЯВСТШ)

Г:

«г л»

•ост»

мот тесям

послеяств*» ■огдеиспш ш. люсисти»

аыим эююгмеседя оцени

ЭИХ-*СТН*Ы

ИОМЫГГОРМИГД ИСТОЧММГОЕ

юзжейств»«

СОСТАВ

тетсчсв

1ЮМ1СТОРИНГА

I (1001)

1-М001)

• <100«)

• (Ю00)

•.(.1001)

• (.1000)

ЛВ

• ■<■1000)

0-(-1000)

0,5 9.8

0.5

4.0

0.5 2.0

1,5 2.0

• •«т. жгма

ста***!«*«*-

«9Я1МИ ^(ШЦЧМЬМ

(■цхим*

ПК -Ц

ЛсТ

(ИИ

иа>|им. подИъкк.

(МИ 1ЯЬГИН

поцИъкк

Легенда к модели техногенного воздействия ПХГ на компоненты окружающей среды

Условные обозначения: Г) - площадное Л - локальное ЛВ - линейно-вытянутое

Рис.9 Комплексная прогнозная эколого-геофизическая постоянно действующая модель воздействия Калужского ПХГ на литосферное пространство

На основе ПДМ, построенных для каждого компонента ОС автором дается прогноз динамики техногенного воздействия Калужского подземного хранилища газа на геологическую среду, почвенный покров, поверхностные и подземные воды. На Рис.9 представлена одна из эколого-геофизических ПДМ, характеризующая воздействие Калужского ПХГ на литосферное пространство.

Исходя из построенных эколого-геофизических моделей и полученных результатов комплексных исследований, автором даются практические рекомендации по оптимизации комплекса эколого-геофизического мониторинга окружающей среды на Калужском ПХГ (Рис.10).

КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ типывозда£твия РАГРЯЗЮМЯ] СПЕЦ43И<А МОШТСРИГА ИСТСЖЙКОЭ воздаствия СОСТАВ ЮТОДОЗ 1КШТСРИГА

Атассфсршй воздух (шмкш • стадом рмыя • юеиш • макциммя п«п

По<«ы и п реенны л покров Тшии • ДИПМЦИСШЫЯ - мЗряеасмм сини

Пояерздэстные и псдавмше водны« сбъекты X ■ т И ( • р и а а • * в • казеиьм • ншиий - тми чуиваэггемделив -ВЭЗ, ДЗЗ

Литосфермое пространство Нснмпмм! мб;|цмн*м 1! -■рвфвила • п сдан част юисиим -ГГК-П • адотчюяй ирадтта

Рис.10 Рекомендуемый комплекс эколого-геофизических исследований.

В частности предложено включить в целевой эколого-геофизический комплекс радоновый мониторинг ослабленных зон литосферного пространства КПХГ, дистанционный метод инфракрасной съемки, комплекс методов «русловой геофизики в составе придонной резистивиметрии, водного варианта ЕП, термометрии придонных отложений, электроразведку методом сопротивлений (ВЭЗ, ДЭЗ), режимную гравиметрическую съемку территории хранилища и методы широкополосного акустического каротажа.

Заключение

Основные результаты исследований, проведенных автором в процессе работы над диссертацией, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен анализ и обобщение геофизической, геологической, гидрогеологической и геохимической информации полученной в районе Калужского подземного хранилища газа с целью построения системы эколого-геофизического мониторинга его техногенного воздействия на компоненты окружающей среды.

2. Изучены возможности комплекса ГИС, включающего НТК, ГК, термометрию, барометрию при изучении техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

3. По данным режимных наблюдений комплексом ГИС выполнено физико-геологическое районирование территории горного отвода КПХГ.

4. На основании физико-геологического районирования территории горного отвода и сведений об уровнях и пространственных параметрах физического и химического загрязнения построены априорные физико-геологические (ФГМ) и эколого - геофизические модели (ЭГМ), техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

5. На основании априорных физико-геологических и эколого-геофизических моделей территории Калужского ПХГ, обоснована система экологического мониторинга окружающей среды с применением методов каротажа и гидрогеохимических исследований.

6. По данным ГИС, гидрогеологическим и гидрогеохимическим наблюдениям на территории горного отвода КПХГ выполнена комплексная оценка его воздействия КПХГ на литосферное пространство, почвы, атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды.

7. Разработаны комплексные прогнозные эколош-геофизические постоянно действующие модели (ПДМ) техногенного воздействия Калужского ПХГ на компоненты окружающей среды.

8. Разработаны практические рекомендации по составу и условиям применения целевого эколого-геофизического комплекса в целях повышения эффективности изучения техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

Публикации по теме диссертации.

1. Самохин A.B., Возможности скважинной термометрии при мониторинге углеводородного загрязнения на эксплуатируемых подземных хранилищах газа. Вестник Московского университета, серия №4, Геология, 2007.

2. Самохин A.B., Попов A.A., Богословский В.А. Комплексные геологические и геофизические исследования при изучении подземных хранилищ газа. «Геология и эволюционная география»/под ред. Е.М. Нестерова - СПб: Изд-во «Эпиграф, 2005», с.96-100.

3. Самохин A.B., Попов A.A. Эколого-геофизические исследования подземных хранилищ газа. 12-я Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005». Тезисы докладов. Москва, 2005.

4. Самохин A.B., Богословский В.А. Эколого-геофизические модели техногенного воздействия подземного хранилища газа на окружающую среду. Четвертая Международная конференция «Актуальные проблемы экологической геологии. Тезисы докладов, СПб - 2008.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Самохин, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОДЗЕМНЫЕ ХРАНИЛИЩА ГАЗА И ПРОБЛЕМЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ (ОБЗОР).

1.1 Общие сведения о ПХГ. 9 1.2. Характеристика подземных хранилищ в водоносных пластах. И

1.3 Инфраструктурный комплекс подземного хранилища газа.

1.4 Проблемы производственного контроля технического состояния ПХГ и оценки их воздействия на окружающую среду.

2. ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ КАЛУЖСКОГО ПОДЗЕМНОГО ГАЗОХРАНИЛИЩА.

2.1. Общие сведения о районе Калужского подземного хранилища газа.

2.2 Общая характеристика геологической среды территории Калужского подземного хранилища газа.

2.3 Особенности тектонического строения района Калужского нодземно! о хранилища газа.

2.4 Структурно-лнтологическая характеристика пород пласта - коллектора, глинистой покрышки и надпродуктивной толщи Калужского подземного газохранилища.

2.5 Поверхностные водные объекты.

2 5.1 Речная сеть и описания рек

2.5 2 Озера.

2.5.3 Болота.

2.6 Основные водоносные горизонты.

3. ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КАНАЛ В СИСТЕМЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО КОНТРОЛЯ КПХГ.

3.1 Задачи скважинных геофизических исследований.

3.2 Комплексная интерпретация данных методов ГИС в системе производственного контроля подземного хранилища газа.

3.2.1 Возможности использования данных ядерно-физических методов ГИС при проведении производственного контроля подземного хранилища газа.

3.2.1.1 Гамма-каротаж (ГК).

3.2.1.2 Нейтронные методы.

3.2.2 Интерпретация данных термометрии.

3.2.2.1 Факторы, формирующие тепловое поле в скважине.

3.2.2.2 Выявление не1ерметичпости обсадных колонн и перетоков по заколонному пространству.

3.2.3 Интерпретация данных барометрии

3.3 Фнзнко-1еологическое районирование территории горного о 1 вода КПХГ

4. ПРОБЛЕМЫ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ГАЗОХРАНИЛИЩА.

4.1 Принципы организации мониторинга окружающей среды на эксплуатируемом ПХГ.

4.2. Проблемы комплексироваиия многоуровневых эколого-геофизнчеекпх исследований при изучении возденствия подземного газохранилища на окружающую среду.

4.3 Анрнорные эколого-геофизические модели источников п видов техногенного воздействия КПХГ иа окружающую среду. 94'

5. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ КАЛУЖСКОГО ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ГАЗА НА

КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

5.1. Воздействие Калужского подземного хранилища газа на атмосферный воздух.

5.1.1 Источники загрязнения атмосферного воздуха на территории КПХГ.

5.1.2 Оценка эмиссии метана в атмосферу на территории Калужского подземного хранилища газа.

5.2. Оценка воздействия Калужского подземного хранилища газа на почвы. 111 5.2.1 Изменение метанорегулирующих свойств почв в ходе эмиссии метана на территории Калужского подземно! о хранилища газа.

5.3 Оценка воздействия Калужского подземного хранилища i аза на поверхностные и подземные воды.

5.4 Комплексные прогнозные эколого-геофизические модели техногенного воздействия Калужского подземного хранилища газа нд окружающую среду. '

5.4.1 Принципы построения прогнозных эколого-геофизических моделей техногенного воздействия ПХГ на компоненты окружающей среды

5.4.2 Прогноз динамики техногенного воздействия Калужского подземного хранилища газа на компоненты окружающей среды.

5.5 Рекомендации по оптимизации комплекса эколого-геофизического мониторинга окружающей среды на Калужском ПХГ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Эколого-геофизические исследования техногенного воздействия Калужского подземного хранилища газа на компоненты окружающей среды"

Подземные хранилища природного газа (ПХГ) являются узловым* элементом единой системы газоснабжения и создаются для регулирования сезонной неравномерности газоснабжения потребителей, компенсации недопоставок газа в чрезвычайных условиях и повышения надёжности экспортных поставок.

Актуальность настоящей диссертационной работы определяется возросшими за последнее десятилетие требованиями по охране окружающей среды при сооружении и эксплуатации подземных хранилищ газа. Эти требования обязывают природопользователей разрабатывать систему мониторинга для проведения контрольных наблюдений состояния компонентов природной среды, необходимых и достаточных для оценки воздействия газового хранилища на окружающую среду и обеспечения заинтересованных организаций оперативной и прогнозной информацией. Подземные хранилища газа (ПХГ) создаются по возможности в пределах промышленных районов в непосредственной близости от крупных экономических и социальных центров. Данное обстоятельство усугубляет требования к экологической безопасности объектов и ставит необходимость перехода от эпизодического контроля к непрерывному мониторингу параметров окружающей среды. Такая необходимость определяется многократным увеличением каналов возможных утечек газа, поскольку, плотность сетки эксплуатационных скважин ПХГ на порядок выше, чем, к примеру, на газовых и нефтяных месторождениях.

Сложные техногенные объекты, обладающие пространственно-временной изменчивостью структуры и размеров, разнообразием физических свойств, сложно количественно описать по данным одного геофизического метода. Качественное же описание сложного объекта по одному методу встречает затруднения именно в силу того обстоятельства, что признак, лежащий в основе метода, может не полностью характеризовать объект. В связи с этим в структуру эколого-геофизических исследований ПХГ заложен принцип комплексирования методов с различной физической основой.

Формирование целевых эколого-геофизических комплексов определяется возможностью одновременного применения физических полей и параметров различной природы, использования взаимосвязи между экологическими, геологическими и геофизическими параметрами ПХГ. Значимый вклад в истолкование получаемой информации могут внести данные эколого-геохимических, биоэкологических и медико-экологических исследований[84].

Целью работы является оценка и прогноз техногенного воздействия Калужского подземного газохранилища на окружающую среду, а также разработка целевого эколого-геофизического комплекса для выполнения такой оценки.

При достижении указанной цели в работе решались следующие задачи:

1.Обобщение и анализ априорной геофизической геологической, гидрогеологической информации об объекте исследований.

2. Проведение физико-геологического районирования территории горного отвода КПХГ и построение физико-геологических моделей (ФГМ) Калужского ПХГ.

3. Выявление экологически значимых аномалий геофизических полей и параметров, возникающих в пределах газовмещающей и надпродуктивной толщи в процессе эксплуатации КПХГ.

4. Построение априорных эколого - геофизических моделей (ЭГМ) источников и видов техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды (ОС).

5. Выполнение комплексной оценки техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

6. Разработка прогнозных эколого-геофизических постоянно действующих моделей (ПДМ) техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

7. Прогноз динамики техногенного воздействия Калужского ПХГ на окружающую среду.

8. Разработка практических рекомендаций по оптимизации комплекса эколого-геофизических исследований при проведении мониторинга окружающей среды на Калужском ПХГ.

Научная новизна.

1. Выявлены особенности геолого-гидрогеологического строения Калужского подземного хранилища газа, определяющие техногенное воздействие эксплуатируемого газохранилища на окружающую среду.

2. Выявлены экологически значимые аномалии геофизических полей и параметров, возникающие в пределах газовмещающей и надпродуктивной толщ в процессе эксплуатации КПХГ.

3. Выполнено физико-геологическое районирование территории горного отвода КПХГ и построены физико-геологические модели пяти областей КПХГ с различными геологическими, тектоническими, гидрогеологическими условиями, определяющими особенности воздействия газохранилища на окружающую среду.

4. Построены априорные эколого-геофизические модели (ЭГМ) источников и видов техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

5. Выполнена комплексная оценка техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

6. Построены прогнозные эколого-геофизические постоянно действующие модели и дан прогноз динамики техногенного воздействия эксплуатируемого КПХГ на окружающую среду.

7. На основании предлагаемых моделей разработаны практические рекомендации по составу и условиям применения целевого эколого-геофизического комплекса для повышения эффективности изучения техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

Автором защищаются следующие основные положения:

1. Эксплуатация подземных хранилищ газа и элементов их инфраструктуры приводит к возникновению экологически значимых аномалий геофизических и геохимических полей и параметров, наблюдение за которыми может использоваться для оценки влияния газохранилища на окружающую среду.

2. Эколого-геофизические (ЭГМ) модели источников и видов техногенного загрязнения, построенные на основе комплексного представления уровней и пространственных параметров геофизических и геохимических аномалий, а также комплексные прогнозные постоянно действующие модели (ПДМ) Калужского ПХГ позволяют оценить техногенное воздействие газохранилища и его инфраструктуры на компоненты окружающей среды.

3. Эколого-геофизическая эффективность оценки воздействия Калужского ПХГ на окружающую среду может быть повышена за счет включения в целевой эколого-геофизический комплекс дистанционных, наземных, аквальных и скважинных методов, применение которых позволит детализировать пространственные параметры и интенсивность техногенного загрязнения.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке методики комплексной интерпретации геофизических, геологических, гидрогеологических и гидрохимических данных и целевого эколого-геофизического комплекса для оценки состояния компонентов окружающей среды на эксплуатируемом газохранилище. Разработанная методика и предложенный целевой комплекс могут найти непосредственное применение при построении системы экологического мониторинга на подземных газохранилищах созданных в водоносных пластах.

Апробация результатов исследований и публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ, а так же 4 работы в сборниках тезисов и докладов на конференциях. Основные положения диссертационной работы были представлены на научных семинарах в МГУ им. М.В. Ломоносова, конференции «Ломоносов - 2005», на первой Международной конференции

Актуальные проблемы экологической геологии». (ЭКОГЕОЛОГИЯ - 2005) и четвертой Международной конференции ЭКОГЕОЛОГИЯ - 2008.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает введение, шесть глав, заключение и список литературы, включающий 96 наименований. Объем работы составляет 157 страниц. Материалы диссертации проиллюстрированы 31 рисунком, 17 таблицами и 5 приложениями.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Самохин, Александр Владимирович

Основные результаты исследований, проведенных автором в процессе работы над диссертацией могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен анализ и обобщение геофизической, геологической, гидрогеологической и геохимической информации полученной в районе Калужского подземного хранилища газа с целью построения системы эколого-геофизического мониторинга его техногенного воздействия на компоненты окружающей среды.

2. Изучены возможности комплекса ГИС, включающего НТК, ГК, термометрию; барометрию при изучении техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

3. По данным режимных наблюдений комплексом «ГИС выполнено физико-геологическое районирование территории горного отвода КПХГ.

4. На основании физико-геологического районирования территории горного отвода и сведений об уровнях и пространственных. параметрах физического и химического загрязнения* построены априорные физико-геологические (ФГМ) и эколого - геофизические модели (ЭГМ), техногенного воздействия КПХГ на компоненты окружающей среды.

5. На основании априорных физико-геологических и эколого-геофизических моделей территории Калужского ПХГ, обоснована система экологического мониторинга окружающей среды с применением методов каротажа и гидрогеохимических исследований.

6. По данным ГИС в скважинах, гидрогеологическим и гидрогеохимическим наблюдениям на территории горного отвода КПХГ выполнена комплексная оценка его воздействия КПХГ на литосферное пространство, почвы, атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды.

7. Разработаны комплексные прогнозные эколого-геофизические постоянно действующие модели (ПДМ) техногенного воздействия Калужского ПХГ на компонешы окружающей среды.

8. Разработаны практические рекомендации по составу и условиям применения целевого эколого-геофизического комплекса в целях повышения эффективности изучения техногенного воздействия КПХГ на окружающую среду.

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Самохин, Александр Владимирович, Москва

1. Агишев А.П. Межпластовые перетоки газа при разработке газовых месторождений. М., «Недра», 1966, 204 с.

2. Аксютин O.E. Оценка состояния окружающей среды и разработка экологического контроля» при эксплуатации подземных хранилищ газа (На примере Северо-Ставропольского ПХГ): Диссертация, канд. геол.-мин. наук : Ставрополь, 2003, 312 с.

3. Аксютин O.E. Разработка стандартов системы управления окружающей средой. Нефтяное хозяйство. №1, 2008, с. 98-99.

4. Аксютин. O.E. Система экологического менеджмента ООО «Кавказтрансгаз». Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе №1, 2008, с. 48-49.

5. Аксютин O.E. Стратегия управления природоохранной деятельностью на предприятиях газовой отрасли. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. №3, 2008, с.48-52.

6. З.Богословский В. А., Жигалин А. Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика. МГУ, 2000

7. Будзуляк Б.В., Зубарев А.П. Производственный отчет по комплексу исследований в эксплуатационных и геолого-разведочных скважинах Калужского ПХГ, 2003 2004 г., 57 с.

8. Будзуляк Б.В., Зубарев А.П. Производственный отчет по комплексу исследований в эксплуатационных и геолого-разведочных скважинах

9. Калужского ПХГ, 2004 2005 г, 51 с.

10. Бузинов С.Н., Раабен В.Н. Подземное хранение газа. Сборник трудов ВНИИГАЗа «Геология, разработка, транспорт, хранение и переработка природного газа». -М., ВНИИЭгазпром, 1973, №5, с. 66-74.

11. Бузинов С.Н. Оптимизация управления ПХГ, «Газовая промышленность» №8, 1998г.

12. Бузинов С.Н., Парфенов В.И. Подземное хранение газа в России: современное состояние, проблемы и перспективы развития. Сборник научных трудов «50 лет ВНИИГАЗу 40 лет ПХГ», -М., ВГНИИГАЗ, 1998, с.5-16.

13. Бузинов С.Н., Михайловский A.A., Соловьев А.Н., Парфенов В.И, Щелковское подземное хранилище газа: проблемы, решения и перспективы. Обзорная информация. Серия: «Транспорт и подземное хранение газа». -М., ООО «ИРЦ Газпром», 2003, 59 с.

14. Быков И.Н., Семенов О.Г., Солдаткин Г.И., Казаков П.Е. Результаты исследований работы Калужского подземного хранилища газа. «Газовая промышленность», №1, 1971, с. 20-22.

15. Быков И.Н., Солдаткин Г.И Мероприятия по сокращению межпластовых перетоков при эксплуатации ПХГ. Сборник научных трудов «Проблемы подземного хранения газа в СССР». М., ВНИИГАЗ, 1982, с. 57-61.

16. Временный регламент проведения промыслово-геофизических исследований на действующих подземных хранилищах газа. -М-., ГГК «Газпром», ПО «Союзбургаз», 1990.

17. Гергедава Ш.К., Жардецкий A.B., Полоудин Г.А. Геолого-геофизический мониторинг ПХГ. Доклады на международной конференции по • подземному хранению газа. Москва, Россия, 11-16 сентября? 1995 г. Стендовые доклады. Часть 1.-М., 1995, с. 42-48.

18. Горбачев В.Ф., Гриценко А.И., Ермаков В.И., Жабреев И.П., Козлов А.Л. Поиски и возможности» разработки техногенных залежей. «Геология нефти и газа», 1984, №7, с. 21-27.

19. Горбачев Ю.И. Геофизические исследования скважин. — М.: Недра, 1990.

20. Горбачев Ю.И. Лекционный курс «Геофизические исследования скважин», МГУ, 2003

21. Гридин В.А., Варягов С.А., Вершовский В.Г., Шамшин В.И., Модель формирования коллектора. «Газовая промышленность» №1, 2001г.

22. Грицаенко В.Г., Бондаренко Н.В., Бутковский Ю.М., Эдиашвили H.A., Гидрогеологические исследования при проектировании ПХГ. «Газовая промышленность» №11, 1999г.

23. Гриценко А.И., Научные основы создания ПХГ. Теория и практика, Доклады на Международной конференции по ПХГ, Секция Е, Москва, 1995г.

24. Гусев Э.Л., Сорокин А.П., Мясников Ю.А., Соколова Н.Д. Методы поиска и ликвидации последствий утечек газа из Осиповичского ПХГ в вышележащиегоризонты. Сборник научных трудов «Проблемы подземного хранения газа в СССР». М., ВНИИГАЗ, 1987, с. 14-21.

25. Дабижа А.И., Федынский В.В. Геофизическая характеристика метеоритных кратеров. Метеоритные структуры на поверхности планет., М.:Наука, 1979, с. 99-116

26. Егурцов H.A., Овчинников В.П., Поваров И.А., Хан С.А. Опыт эксплуатации ПХГ в неоднородных коллекторах. Обзорная информация. -М., ВНИИЭгазпром, 1991, с. 35.

27. Ефремов А.Н., Кандауров П.М. Минерально-сырьевая база калужской области. -М.: Геос, 1997.

28. Журавлев Е.Г., Зубарев А.П., Королев Д.С., Хан С.А. Импактная модель геологического строения Калужского ПХГ. Газовая промышленность , №.11, 2006, с. 84-88.

29. Зубарев А.П., Одеров В.В. Производственный отчет «Поверхностная газовая съемка и гидрогеохимические исследования территории Калужского ПХГ» ООО «Мосгазгеофизика», 2004, 30 с.

30. Зубарев А.П., Одеров В.В. Производственный отчет «Поверхностная газовая съемка и гидрогеохимические исследования территории Калужского ПХГ» ООО «Мосгазгеофизика», 2005, 32 с.

31. Игнатенко Ю.К., Зиновьев В.В., Аксютин O.E. и др. Выбор рациональной плотности сетки скважин ПХГ. ИРЦ ОАО «Газпром», НТС «Транспорт и подземное хранение газа». №3, 2002, с. 45-49.

32. Ильченко В.П., Гончаров B.C., Кирьяшкин В.М., Левшенко Т.В., Семашев Р.Г. Перспективы развития гидрогеологических технологий в решении г задач газовой отрасли, «Газовая промышленность» №8, 1998г.

33. Каримов М.Ф., Эксплуатация подземных хранилищ газа, Москва, изд. «Недра», 1981г.

34. Киселев А.И., Сергеев A.B. Технологическое проектирование и опыт сооружения подземного хранилища газа. Научно-технический обзор. Серия: «Транспорт и подземное хранение газа». -М., ИРЦ Газпром, 1978, 40 с.

35. Козлова Н. С., Рудаков В. П., Шулейкин В. Н., Войтов Г. И., Баранова Л. В. Эманационные и электрические эффекты в атмосфере подпочв над Калужскойимпактной кольцевой структурой. Российский журнал наук о Земле; №6,- 1999, с. 503-510

36. Комаров В.С!, Горбачев В.Ф., Техногенные залежи нетрадиционный источник дополнительной добычи газа. Геодинамика и нефтегазоносные системы. Тезисы 3-й Международной конференции «Крым - 2001», Крым, Гурзуф, 17-21 сентября: Симферополь, 2001, с. 77-78.

37. Левыкин Е.В., Технологическое проектирвание хранения газа.в водоносных пластах, изд. «Недра», 1973г.

38. Маракушев А. А. Импактиты. Изд-во МГУ, Москва, 1981, с. 240

39. Масайтис В. Л. Астроблемы на территории СССР: Сов. Геология, Часть II; -М. Недра, 1975, с. 52-64

40. Масайтис В.Л. Основные черты геологии астроблем СССР. Метеоритные структуры на поверхности планет., М.: Наука, 1979, с. 173-191.56.\Матвеенко Л.М., Возмущение недр при бурении скважин и добыче нефти. «Геология нефти и газа», 1991г.

41. Никитин Б.А., Потапов А.Г., Гноевых А.Н., Состояние техники и технологии заканчивания скважин, «Газовая промышленность» №7, 2000г.

42. Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка. — Л.: Недра, 1989.

43. Правила создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых пластах, Москва, 1993г.

44. Правила геофизических исследований и работ в нефтяных и газовых скважинах, Москва, 1999г.

45. Пронин А. П., Башорин В.Н., Звонилкин Б.Д., Геологическое строение и флюидная активность Калужской кольцевой структуры. ДАН, Часть 1, 1997 с. 78-82.

46. Резник Б.А., Об этапах и стадиях геологоразведочных работ для создания подземных газохранилищ в водоносных пластах, ВНИИГаз, Доклады на Международной конференции по ПХГ, Секция А, Москва, 1995г.

47. Севастьянов О.М. Рекомендации по созданию системы контроля вторичной загазованности над углеводородными залежами. Тезисы докладов конференции

48. Создание новых высокоэффективных технологий и технических средств, обеспечивающих повышение извлечения конденсата и нефти». -М., ВНИИЭгазпром, 1988, с. 27-29.

49. Ремизов В.В., Гриценко А.И., Зотов Г.А., Тер-Саркисов P.M., Газовые геотехнологии XXI в., «Газовая промышленность» №7, 2000г.

50. Ремизов В.В., Парфёнов В.И., Бузинов С.Н., Подземное хранение газа: состояние, проблемы и их решения, «Газовая промышленность» №12 1997г.

51. Севастьянов О.М., Захарова Е.Е. Техногенные газовые залежи. Тезисы докладов 2-го международного симпозиума «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения». 22-27 июня 1997 г., Санкт-Петербург, 1997, с. 158-160.

52. Семенович В.В., Максимов С.П., Панкина Р.Г., Мехтиева В.Л., Гуриева С.М. Генезис сероводорода Даулетабад-Донземского газового месторождения. «Геология нефти и газа», №6, 1983, с. 32-37.

53. Семенов В.А., Семенова И.В. Водные ресурсы и гидрогеология Калужской области. Обнинск, 2002

54. Семенов О.Г., Солдаткин Г.И. Опыт обнаружения и ликвидации межпластовых перетоков газа при создании и эксплуатации газохранилищ в водоносных пластах. Научно-технический обзор, серия «Транспорт и хранение газа». -М., ВНИИЭгазпром, 1974, 53 с.

55. Семенов О.Г. Применение гидрогеологических методов исследований при создании и эксплуатации хранилищ газа. Обзорная информация, серия: «Транспот и хранение газа». -М., ВНИИЭгазпром, 1979, 37 с.

56. Силин И.И. Экология, и экономика природных ресурсов Калужской области. Калуга, 2003.

57. Смирнов А.К. Подземные хранилища газа в водоносных пластах. Учебное пособиедля вузов. -М.: «Компания Спутник+», 2003 г., 115 стр.

58. Смирнов А.К., Яремченко С.М., Повышение экологической безопасности подземных хранилищ газа в Центральном районе России, «Безопасность труда в промышленности», №11, 2002г.

59. Снегирев Н.П. Заколонные газопроявления при проводке скважин на подземных хранилищах газа. Информационный сборник. Серия: «Разработка иэксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений». — М., ВНИИЭгазпром, 1970, №5, с. 26-31.

60. Бб.Солдаткин Г.И., Боткилин А.И. Новые методы предотврвщения утечек газа из подземных хранилищ (зарубежный опыт). Тематический научно-технический обзор. Серия «Транспот и хранение газа». -М., ВНИИЭгазпром, 1972,39 с.

61. Солдаткин Г.И., Хаецкий Ю.Б. Анализ результатов поиска причин перетока газа на ПХГ. Экспресс-информация, серия «Транспот и хранение газа». —М., ВНИИЭгазпром, 1987, с. 19-22.

62. Солдаткин Г.И. Методы контроля герметичности и эксплуатации подземных хранилищ с наличием перетоков газа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. ВНИИГАЗ, -М., 1999, 197 с.

63. Солдаткин Г.И. Методы контроля герметичности и эксплуатации подземных хранилищ. Научно-технический обзор, серия «Транспот и хранение газа». —М., ООО «ИРЦ Газпром», 2000, 37 с.

64. Типовые и обязательные комплексы геофизических исследований скважин, РД-51-1-93., Москва, 1993г.

65. Тышляр И.С., Гаспарян В.Р., Бренц А.Д., Экономика подземного хранения газа, Москва, изд. «Недра», 1991г.

66. Ширковский А.И., Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатныхместорождений, «Недра», 1987г.

67. Чариый И.А., Астрахаи Д.И., Власов A.M., Хранение газа в горизонтальных и пологопадающих пластах, Москва, изд. «Недра», 1968г.

68. Черночуб И.П., Рациональная эксплуатация и развитие региональных газовых сетей, «Газовая промышленность» №8, 1999г.

69. Шайкин А.Б., Кулигин А.П., Александров А.Н. Принципы оценки воздействия на окружающую среду: Учебное пособие обучающего курса. — Екатеринбург: Центр экологического обучения и информации, 1998

70. Экологическая экспертиза. Учебное руководство. /Пер. с английского под ред. С.М.Говорушко. — М.: Экопрос, 1995.

71. Вторжение в природную среду. Оценка воздействия. М.:Прогресс.1983.

72. ПЛАСТОВЫЕ ДАВЛЕНИЯ В СВОДОВОЙ ОБЛАСТИ КАЛУЖСКОГО ПХГ