Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геолого-экологические критерии создания подземных емкостей в соляных телах для хранения углеводородных продуктов

ВАК РФ 04.00.24, Экологическая геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Твердохлебов, Иван Иванович, Волгоград

АСТРАХАНСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ ГАЗА " АСТРАХАНЬНИПИГАВ !!

На правах рукописи

Т8ЕРДОХЛЕБОВ ИВАН ИВАНОВИЧ

ШШГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЕМКОСТЕЙ В СОЛЯНЫХ ТЕЛАХ ДЛИ ХРАНЕНИЯ УГЛЕВСЗДОРОДЩДХ ПРОДУКТОВ (НА ПРИМЕРЕ АСТРАХАНСКОГО ГШ)

Специальность: 04,00.24 - Экологическая геология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата, геологе-минералогических наук "

Волгоград - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ .......... ..... ..... ...... 4

1. МИРОВОЙ И ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ РАЗМЕЩЕНИЯ ХРАНИЛИЩ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ........... ........ 9

1.1. Захоронение в зону аэрации ............. 10

1.2. Захоронение в слабопроницаемые отложения ...... 16

1.3. Захоронение в глины, скальные породы-и каменные

соли ........................ 17

1.4. Захоронение в глубокие водоносные горизонты .... 19

2. ГЕ0Л0Г0-ТЕКТОНИЧЕСКАЯ И ГЙДРОГЕОХИМИЧЕСКАЯ. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ ........... 24

3. ТИПИЗАЦИЯ СОЛЯНЫХ СТРУКТУРНЫХ ФОРМ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЕМКОСТЕЙ. ................... 40

3.1. Генезис хемогенных солей и их куполов. ....... 40

3.2. История формирования солянокупольных структур. ... 44

3.3. Закономерности развития внутрнсолевых рапонооных

линз и горизонтов. ................. 48

3.4. Геоморфологическая типизация солянокупольных структур пригодных для строительства подземных емкостей. ...................... 50

3.5. Физико-механическое и геохимическое обоснование пригодности соляных структур под строительство подземных емкостей ................. 89

4. ЗКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ШВДОДИНАМИЧЕСКИЕ И

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СООРУЖЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ЕМКОСТЕЙ..................... 90

4.1. Флюидодинамические процессы. ............ 90

4.2. Геохимические процессы .............. .107

4.3. Оценка экожого-геожогшеских процессов засоления и подтопления. ................... .110

5. ОБОСНОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНОЙ СРЕДЫ ............... 113

5.1. Определение направления подземного водотока, областей питания и разгрузки ........... .115

5.2. Гидрогеохимические процессы при захоронении

жидких токсичных промышленных отходов. ...... .118

5.3. Местоположение контрольно-наблюдательных скважин

для мониторинга подземной среды. ......... .125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................ 128

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............. 130

ВВЕДЕНИЕ

Восстановление природного равновесия, нарушенного человеком, является одной из актуальнейших задач современности и ближайшего будущего. И недра, ранее использовавшиеся только для извлечения полезных ископаемых, должны сыграть в этом определенную роль.

Актуальность проблемы. Крупнейший в мире Астраханский газохимический комплекс (АГХК), развивающийся на базе Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) с высокими концентрациями высокотоксичных и агрессивных компонентов? в особенности сероводорода и углекислого газа (Р.Д.Маргулов, Р.И.Вяхирев и др., 1988) на современном этапе оказывает техногенное воздействие на окружающую среду. Возросшие после пуска второй очереди АГХК объемы токсичных промышленных отходов, необходимость длительного хранения углеводородных продуктов для стабильной работы АГХК, требуют создания крупных и надежных хранилищ, способных не только принять углеводородные продукты, но к длительные сроки (300 лет и более) хранить токсичные отходы»

Разработка способов управления состоянием массивов горных пород в связи с решением экологических проблем отдельных территорий является одной из приоритетных задач экологической геологии (В. Т. Трофимов. Д.Г.Вшшнг, 1994).

Следует отметить, что термин "экологическая геология" впервые был использован в 1992 г. (Н.Ж.Плотников и др.). По мнению авторов, это "комплексная и очень сложная по своему содержанию наука, охватывающая геологические аспекты (гидрогеологические, инженерно-геологические и др.) общей проблемы охраны биосферы, и прежде всего человека, от негативного влияния тех-

- о -

ногенеза". Она изучает геологические аспекты техногенных изменений, происходящих в окружающей среде и биосферных условиях под влиянием инженерной деятельности человека,

Конечной целью экологической геологии как у любой экологической науки является социальный аспект, а именно - сохранение жизнеообеспечивающей продуктивной окружающей среды, необходимой для существования человека, развития жизни на земле (В,И.Осипов, 1994).

После того как в 1888 г. Д.И.Менделеев обосновал возможность подземной газификации угля и в 1915 г. в США было впервые предложено хранение под землей горючего газа, промышленная эксплуатация пустотного пространства недр стала находить особо широкое применение. Объем эксплуатируемых в мире подземных хранилищ, предназначенных для хранения углеводородного сырья, радиоактивных и химических отходов и других целей, исчисляется сейчас многими миллионами кубометров (В.А.Мазуров 1982).

В настоящее время подземные резервуары строятся в самых различных геологических условиях.

С точки зрения экономики и экологической безопасности для создания подземных емкостей (ПЕ) с целью хранения углеводородных (УВ) продуктов наиболее предпочтительной средой являются породы каменной соли. Залежи каменной соли имеют широкое распространение в различных странах. Каменная соль монолитна в ней можно сооружать резервуары больших объемов (до 300 тыс.м'-3). В соляных массивах отсутствуют мигрирующие воды, они пластичны, и нарушенные структуры в них могут самозалечиваться (В.А,Мазуров, 1982).Массив каменной соли максимально приближен к дневной поверхности за счет различных структурных форм (купола, штоки,конусы и т.п.), что позволяет закладывать скважины малой глубины,

а значит и низкой стоимости. Над такими структурами находится минимальное количество проницаемых и водоносных пластов, что значительно сокращает количество контролируемых объектов.

В этой связи становится актуальной проблема зколого-геоло-гического обоснования создания ПЕ в соляных структурах для хранения углеводородных продуктов,

Цель работе: обосновать зколого-геологические критерии создания подземных емкостей в соляных телах для хранения углеводородных продуктов на месторождениях с содержанием кислых компонентов более 401

Основные задачи исследований;

а)разработка эколого-геологических критериев создания подземных емкостей в соляных структурах;

б)выделение соляных структур, пригодных по геологическому возрасту, размерам, форме, глубине залегания, и химическому составу солей для строительства ПЕ с целью хранения углеводородных продуктов;

в)выявление гидродинамических закономерностей миграции и механизма выжимания техногенных загрязнений из подземных емкостей соляных куполов;

г)обоснование системы (мониторинга) контроля зколого-гео-логического состояния объектов при хранении углеводородных продуктов в подземных емкостях на соляных куполах,

Научная новизна состоит в том, что впервые проведена типизация соляных структур с точки зрения их пригодности по геологическому возрасту, форме, глубине залегания, размерам и химическому составу солей для строительства ПЕ с целью хранения углеводородных продуктов.

Выявлены механизм и закономерности миграции техногенных

загрязнений из ПЕ, расположенных в солях.

Установлены масштабы распространения и зколого-геологичес-кого воздействия техногенных загрязнений на флюиды водоносных горизонтов.

Обоснована система контроля объектов хранения углеводородных продуктов, расположенных в соляных структурах.

Практическая ценность. Результаты исследований использованы при составлении: Проектно-сметной документации на ремонт-но-восстановительные /ликвидационные/ работы по объектам 14Т и 1ST; Проектно-сметной документации на строительство контрольно-наблюдательной скважины: "Разработка и внедрение инженерно-технических решений по извлечению колонны из скважины N 9Т"; "Разработка комплекса опытно-экспериментальных работ по отработке инженерно-технических решений для консервации технологической скважины ST; ТЭО "Комплекс технических решений по закрытию подземных емкостей и ликвидации технологических скважин, обеспечивающих радиационную безопасность на длительный период времени, с выбором оптимальных решений" и многих других.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 18 научных статьях, а также доложены на Научно-технической конференции "Геолого-геофизические методы поиска и разведки нефтегазовых месторождений на больших глубинах"(Баку,1984); IV научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "ШЕЛЬФ - 88й (Баку,1986 г.);VI всесоюзном совещании "Повышение достоверности определения параметров сложных коллекторов и флю-идоупоров" (Львов, 1987 г.); научно-практической конференции "Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых месторождений России" (Астрахань.1993 г,); научно-техническом совещании "Экологическая ситуация на объекте "BETA" АГНМ, прог-

ноз и проблемы мониторинга" (Астрахань. 1994 г.);школа-семинар "Зшжзго-гидрогеологические и гидрогеологические исследования природно-техногенных систем в районах газовых и газоконденсат-ных месторождений" (Астрахань, 1998 г.).

Фактический материал и личный вклад. В основу работы положены материалы, разработанные лично автором в научно-исследова,-тельских институтах ГосНИПИГипроморнефтегаз"(г. Баку) инАст-раханьНИПИгаз"(г, Астрахань) и производственных предприятиях.

Исследования базируются на результатах бурения, геофизических, инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрохимических и других материалах, полученных автором в Ш "Астрахань-газпром'% ПБР "Астраханьбургаз", НИС НПО "Радиевый институт им. Хлопина", ПО "Каспморнефть".

Структура и объем работа. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Общий объем - 141 страница. Работа иллюстрирована 10 рисунками и содержит 14 таблиц. Список литературы включает 116 наименования.

- 9 -

1. МИРОВОЙ И ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ РАЗМЕЩЕНИЯ ХРАНИЛИЩ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

С целью обеспечения надежной работы Астраханского газохимического комплекса расположенного на АГКМ и плановой добычи углеводородной продукции, а также охраны окружающей среды, требуется создание резервуарного парка для нестабильного газового конденсата,

Конденсат является выскоагрессивной средой. Традиционные способы хранения жидких углеводородов в наземных стальных резервуарах с объемом в десятки и даже сотни тысяч кубических метров практически неприменимы в связи с огромной металлоемкостью конструкций и дефицитностью стали, возможностью аварийных ситуаций, необходимостью отвода больших площадей пахотных земель, возможностью значительного загрязнения окружающей среды и, наконец, по причине высоких капитальных и эксплуатационных затрат /12/.

Сооружение хранилищ необходимо также и для изоляции отходов переработки УВ продукции от окружающей среды.

Следовательно, на территории АГКМ существуют проблемы сооружения подземных хранилищ УВ продукции и размещения их в геологической среде.

С экологической и экономической точек зрения подземное хранение углеводородных продуктов и отходов их переработки наиболее приемлемо. Только в этом случае возможно обеспечить удаление хранилищ из биосферы, использования естественных защитных свойств горных пород, добиться надежной защиты хранилищ от внешних динамических воздействий ( возможных разрушений, выз-

ванных5 например, падением летательных аппаратов или космических тел; военные действия, в том числе с применением ядерного оружия, и, наконец проведения террористических актов ) /41, 42/, Накопленный к настоящему времени мировой и отечественный практический опыт свидетельствует, что для размещения хранилищ промышленных продуктов используются глубокие водоносные горизонты, залегающие ниже зоны дренирующего влияния поверхностных водотоков, искусственно созданные подземные емкости в соляных, глинистых или других слабопроницаемых отложениях, а также хранилища, к проницаемые пласты в зоне аэрации. Перечисленные вместилища промышленных продуктов опробированы в различной степени. Выбор зоны размещения хранилищ производится с учетом геологического строения и гидрогеологических условий района, санитарных требований к безопасности хранилищ, объема и состава хранимых продуктов,

Учитывая токсичные и агрессивные свойства УВ продукции АГКМ (НаЗ до 25 %, СОЕ - 18 %) /48/, рассмотрены хранилища различных производств (нефтегазовой, химической, атомной и др.) и размещение их в геологической среде.

1.1. Захоронение в зону аэрации

Зона аэрации для хранения УВ продуктов использовалась еще в XIX веке, На нефтепромыслах г, Баку добытую нефть сливали и хранили в специальных земляных амбарах. Позже, хранение УВ продуктов осуществляется в закрытые металлические резервуары.

В конце сороковых - начале пятидесятых годов жидкие отходы атомных предприятий сбрасывались в существующие водоемы и водотоки, хранились в специальных сооружениях.

В Челябинской области на, ПО "Маяк" жидкие радиоактивные отходы (РАО) первоначально сбрасывались в р. Теча. В последующем отходы стали направляться в существующие водоемы, в том числе в озеро-болото Карачай.

На Сибирском химическом комбинате были созданы бассейны- хранилища.

На предприятиях атомной промышленности США применялись подобные способы обращения с отходами. Однако вместо создания поверхностных открытых хранилищ было более распространено хранение жидких отходов в резервуарах различного типа» Сброс отходов в неглубокозалегающие грунты производился через поглощающие траншеи, отстойники, колодцы (кривы) /84/.

Очень скоро выяснилось, что такое обращение с отходами приводит к весьма неприятным последствиям: радиоактивное загрязнение приземных слоев атмосферы непосредственно в районе предприятий, например ПО "Маяк", было на 90% обусловлено аэрозольным уносом с водной поверхности водоемов и береговой черты, сдувками из емкостей-хранилищ.

Позже имел место ветровой унос с береговой черты оз. Карачай и загрязнения 1,8 тыс.кв.км. Эти события показали необходимость особого отношения к токсичным отходам, побудили принять срочные меры по предупреждению вредного воздействия отходов на людей, окружающую природную среду /65/.

В зону аэрации захораниваются также твердые радиоактивные отходы. Хранилища выполняются в виде земляных траншей заполненное контейнерами с отходами. Пустоты засыпаются извлеченным грунтом. Сверху траншеи закрываются землей вынутой при рытье траншеи. Позже конструкция траншей усовершенствуется. Траншеи выполняются бетонированными и после заполнения закрываются бе-

тонными плитами. Поверхность таких сооружений засыпается землей и асфальтируется во избежании просачивания атмосферных осадков.

Захоронения в зону аэрации твердых высокотоксичных отходов в хранилища типа траншей осуществляется практически во всех странах.

ВЕЛИКОБРИТАНИЯ - все низкоактивные отходы (НАО) удаляются в единственное в стране централизованное хранилище, расположенное в Дригге в 7-10 км от перерабатывающего комплекса в Оелла-филде, граф. Камберленд. Тип хранилища - приповерхностные траншеи.

Исходя из социально-политической ситуации, сложившейся в стране к середине 1980 гг., для захоронения среднеактивных отходов, принята концепция глубокого захоронения и, кроме того, сделано заключение о целесообразности совместного захоронения низко- и среднеактивных отходов /86.111/. В настоящее время рассматриваются три возможных варианта такого многоцелевого хранилища /82,91,95/:

- хранилище, расположенное на континенте, с использованием для этой цели выведенных из эксплуатации шахт или специально сооруженных на глубине полостей:

- хранилище, расположенное в твердых грунтах прибрежной полосы морского дна, сооружаемое и эксплуатируемое с берега через тоннель;

- хранилище, расположенное ниже морского дна, сооружаемое

с платформы по типу буровых установок и эксплуатируемое с моря.

С 1987 года идет модернизация хранилища в Дригге. включающая сооружение трех новых траншей. В отличие от существующих новые траншеи будут полностью бетонированы /94/.

США - практика окончательного удаления низкоактивных отхо-

дое заключается в захоронении соответствующим образом подготовленных отходов в приповерхностные хранилища,

ХРАНИЛИЩЕ В ЕАРНУЗЛЛЕ - верхний слой почвы на площадке захоронения состоит из песка (1-1,5 м), под ним расположен массив глины, смешанной с песком. Грунтовые воды находятся на глубине около 8,5 м, движутся в направлении на юг и на расстоянии 330 м от площадки попадают в ручей. Минимальное время движения грунтовых вод от площадки до ручья оценивается в 50 лет /92,105,109,113/, Варнуэлл расположен во влажном районе США, колличество осадков достигает 1170 мм/год. Это обстоятельство, а также близость грунтовых вод к поверхности земли, привели к тому, что в начале 80-х годов под дном траншей был обнаружен тритий, а �