Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геолого-геохимическое и гидрогеологическое обоснование захоронения высокосернистых промстоков газоконденсатных месторождений

ВАК РФ 04.00.13, Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Геолого-геохимическое и гидрогеологическое обоснование захоронения высокосернистых промстоков газоконденсатных месторождений"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕДР

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ, ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(ВНИИгеосистем)

На правах рукописи

КУТЛУСУРИНА ГАЛИНА ВАСИЛЬЕВНА

УДК 550.4:551.2:628.3

ГЕОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЗАХОРОНЕНИЯ ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ ПРОМСТОКОВ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 04.00.13. -"Геохимические методы поисков

месторождений полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Астраханском научно-исследовательском и проектном институте газовой промышленности (АстраханьНИПИгаз)

Научный руководитель: Серебряков Олег Иванович, доктор геолого-минералогических наук (АстраханьНИПИгаз), г.Астрахань).

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор К.Е.Питьева (МГУ, г.Москва) ,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Е.В.Стадник (ВНИИгеосистем, г.Москва).

Ведущее предприятие: ДАО "БУРГАЗГЕОТЕРМ" (г.Москва)

Защита диссертации состоится " 16 " мая 1996 г. в 1Ц часов на заседании Диссертационного совета Д.071.10.01 при Всероссийском научно' - исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем, г. Москва, 113105, Варшавское шоссе, д.8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИгеосистем. Автореферат разослан " 16 " апреля 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

В.С.Лебедев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы заключается в том, что для восполнения возрастающих потребностей сброса промышленных отходов в глубинные геологические недра необходимо решение множества фундаментальных и прикладных проблем нефтегазовой геологии, тектоники, литологии, гидрогеологии, подземной флюидодинамики, геохимии и т.д. Особую актуальность приобретает возможность практического использования результатов анализа разведки, добычи и переработки углеводородного сырья, связанных с геологической изученностью в таких нефтегазодобывающих районах, где традиционные методы утилизации промышленных отходов исчерпаны или даже неприемлемы. К таким районам относятся месторождения углеводородов с высокими концентрациями агрессивных и токсичных компонентов, в особенности сероводорода и углекислого газа .

Так как решение указанных вопросов, а также вопросов, связанных с использованием в практических целях получаемых геологических, теоретических и методических результатов, ранее не проводилось, возникает необходимость в обобщении многолетнего опыта специальных исследований и разработки научных обоснований захоронения промстоков высокосернистых месторождений нефти и газа в глубинные недра. Особую актуальность эти вопросы приобретают для газоконденсатных месторождений - гигантов, какими являются Астраханское, Карачаганакское и другие. Решение указанных вопросов предпринято в настоящих исследованиях.

Цель работы состоит в разработке геологических, геохимических и гидрогеологических основ и практическом использовании геологических моделей для захоронения промышленных сточных отходов нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности на месторождениях с высокими концентрациями сероводорода и углекислого газа.

Основные задачи исследований :

а) анализ современного состояния и содержание проблемы о подземном захоронении промстоков в геологические объекты в качестве составной части теории нефтегазопромысловой геологии;

б) выявление основных условий захоронения промстоков в глубинные недра, разработка генетической типизации геологических объектов, обеспечивающих эффективную приемистость в условиях солянокупольных регионов;

в) типизация гидрогеодинамических и геохимических условий, обеспечивающих изоляцию в обстановке соляных куполов Прикаспийской впадины захороняемых промстоков от окружающей среды;

г) гидрогеохимическое обоснование подземного захоронения промстоков сложного состава на месторождениях с высокими содержаниями сероводорода;

д) установление закономерностей и механизма распространения промстоков в геолого-гидрогеологических объектах, характер влияния геологических и гидрогеохимических параметров на локализацию промстоков;

е) изучение гидрогеохимических особенностей взаимодействия промстоков с геологической средой и влияние индивидуальных компонентов промстоков на функционирование полигонов захоронения;

ж) разработка системы мониторинга состояния геологических и гидрогеохимических объектов при подземном захоронении промстоков .

Научная новизна состоит в следующем:

а) впервые разработаны и уточнены геологические, геохимические и гидрогеологические основы захоронения в геологические глубинные недра промстоков нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности на месторождениях нефти и газа с высокими концентрациями агрессивных и токсичных компонентов;

б) на примере Астраханского газоконденсатного месторождения-гиганта предложены способы утилизации промышленных сточных отходов;

в) дана оценка геологических, геохимических и гидрогеологических факторов, определяющих механизм и масштабы распространения закачиваемых промстоков в недрах, разработаны системы контроля функционирования процессов закачки промстоков в недра.

, Практическая ценность выполненных исследований состоит в том, что изучение геологических, гидрогеологических, литологи-ческих, геохимических и флюидодинамических факторов и предпосылок, а также производственного опыта и практики закачки промстоков в глубинные недра позволяет обосновать геологические условия при оценке возможностей закачки промстоков в глубинные недра с учетом особенностей состава сбрасываемых стоков при добыче и переработке углеводородного сырья с высоким содержанием агрессивных и токсичных компонентов. На примере уни-

кального в мировой практике Астраханского месторождения - гиганта определены направления теоретических и практических исследований по проблеме утилизации промышленных отходов.

Теоретические, методические и практические разработки и предложения, изложенные в работе, использованы при текущем и перспективном планировании разработки Астраханского ГКМ, при контроле функционирования Астраханского Полигона закачки промстоков в глубинные недра, при реконструкции Астраханского газоперерабатывающего комплекса, при обосновании расширения мощностей и объемов закачки промстоков, при обеспечении экологической безопасности геологической Среды.

Апробация работы. Основные положения работы и рекомендации апробированы на Всесоюзных и региональных научно-технических конференциях и совещаниях: " XX научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов" (Москва, 1983), "Конференция молодых ученых и специалистов газовой промышленности" (Ставрополь, 1983), "Проблемы охраны окружающей среды в нефтяной промышленности" (Уфа, 1989), "Всесоюзная научно-практическая конференция по проблемам экологии и воздействия природного газа на организм" (Астрахань, 1990), "Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработок" (Москва, 1991), "Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых месторождений России" (Астрахань, 1993) и многих других, на Ученых Советах научно - исследовательских институтов "ВолгоуралНИПИгаз", "АстраханьНИПИгаз" и других институтов, на Научно-технических Советах ВПО "Орен-бурггазпром", ПО "АстраханьГазпром" и других в 1980 - 1996 годах.

Настоящие исследования являются составной частью свыше 50 проектов, рекомендаций, обоснований, отчетов, договоров и других работ, выполненных в рамках индивидуальных и плановых НИОКР системы РАО "Газпром" и Предприятий "Астраханьгазпром", "Оренбурггазпром" и других, по текущему и долгосрочному планированию разработки месторождений газа и конденсата, добычи сероводородного сырья, методике разведки полигонов для захоронения промстоков в условиях наличия агрессивных и токсичных компонентов, в особенности, сероводорода и углекислого газа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать научных печатных работ, несколько работ находятся в печати.

Фактический материал и личный вклад. Развиваемые в работе положения базируются на результатах научных, производственных, экспериментальных и полевых исследованиях автора за период с 1975 года по 1996 год. В основу работы положены материалы, полученные автором в научно-исследовательских институтах "Волго-УралНИПИгаз", "АстраханьНИПИгаз", производственных предприятиях ПО"АстраханьГазпром", "Росгипроводхоз", "Средволгогипровод-хоз" и других организациях. Исследования базируются на десятке тысяч анализов керна и проб пород, более шести тысяч химических анализов подземных вод и промышленных стоков, а также на результатах бурения, геофизических, инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрохимических, геохимических, гидродинамических и других исследованиях, выполненных с участием автора.

Учитывая сложность проблемы и недостаточную изученность рассматриваемых вопросов, автор работы в процессе подготовки и выполнения исследований принимал советы, консультации и конкретную помощь Л.А.Анисимова, Г.И.Амурского, Е.А.Барс, А.А.Га-ева, В.А.Григорова, Л.М.Зорькина, А.Ф.Ильина, В.П.Ильченко, В.М.Корценштейна, О.М.Севастьянова, В.И.Петренко, Ю.И.Кругло-ва, В.Г.Хадыкина, В.Д.Щугорева и многих других, которым диссертант выражает благодарность. Автор считает необходимым отметить, что его научное мировоззрение формировалось под влиянием работ научного руководителя Серебрякова О.И., которому автор выражает искреннюю признательность. Автор постоянно ощущает поддержку геологов, гидрогеологов, геохимиков МГУ, Волго-УралНИПИгаза, ВНИИГАЗа, СевКавНИПИгаза, ИГиРГИ, "Астрахань-Газпрома", РАО "Газпром", АО "Нижневолжскнефть", сотрудничество с которыми осуществляется в течение многих лет.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и основных выводов в заключении. Общий объем работы 190 страниц, включая 176 страниц машинописного текста. Работа иллюстрирована 14 рисунками и содержит 23 таблицы. Список литературы включает 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Мировой и отечественный опыт захоронения промышленных стоков в геологические недра" отмечается, что в России и за рубежом исследователи с различных позиций геологии, геохимии, гидрогеологии, геофизики, гидродинамики и гидрохимии рассматривают и изучают глобальные и локальные природные условия для за захоронения промышленных отходов и возможности глубинных недр для размещения в них различных промстоков: А.Л.Вригт, К.Р.Додсон, Р.Унст, Д.К.Хорнер, М.Хуберт, М.Л.Шелдрик, А.Х.Авакян, В.С.Алексеев, Е.А.Барс, С.С.Бонда-ренко, Б.В.Боревский, Ф.М.Бочевер, Н.И.Воронин, А.А.Гаев, Ю.П.Гаттенбергер, В.Н.Гольдберг, В.И.Горяев, Г.М.Гульянц,. А.А.Карцев, В.М.Корценштейн, Н.П.Куранов, В.С.Лукьянов, Н.Я.Мелентьев, Е.А.Миронов, Н.А.Огильви, К.Е.Питьева, Н.И.Плотников, О.М.Севастьянов, О.И.Серебряков, В.А.Скрынник, И.Е.Слюсарь, Е.В.Стадник, В.П.Теодорович, А.А.Ханин, И.А.Чар-ный, В.М.Шестаков, В.Н.Щелкачев, В.Д.Щугорев, Л.С.Язвин и другие .

Захоронение промышленных стоков в глубинные геологические горизонты получило мировое распространение в зарубежной и отечественной промышленной практике. Еще в 1930-1940 годах зтот метод использовался отдельными фирмами США для закачки сточных вод различных промышленных предприятий. В связи с постоянно расширяющимися масштабами разведочных работ на нефть и газ, добычей и переработкой углеводородного сырья, состав которого с увеличением глубин резко усложняется, отходы промышленного производства в последние годы значительно увеличиваются. Немалую долю в отходах составляют агрессивные компоненты, в особенности сероводород и углекислый газ, в следствии чего утилизация таких сточных отходов методом их удаления с поверхности ноосферы в глубинные геологические Среды является в настоящее время наиболее оптимальным и экономически целесообразным.

В нашей стране жидкие отходы преимущественно сбрасываются в различного рода хранилища, пруды - испарители, накопители и т.п., которые неизбежно становятся источниками загрязнения поверхностных и подземных вод. К примеру, только на Астраханском газовом комплексе, мощнейшем в Европе добывающем и перерабатывающем предприятии, промышленные сточные отходы сбрасываются в емкости сезонного регулирования ( накопители ), на поля ороше-

• ния ( наземные испарители ), естественные озера ( хранилища ), полигон подземного захоронения. При этом на Полигон подземного захоронения направляется всего около 3% промышленных сточных отходов. Широкое внедрение в практику промышленности подземного захоронения жидких отходов в глубокие водоносные горизонты является на сегодня одним из основных способов оздоровления экологической обстановки.

Анализ экономической эффективности закачки промстоков в глубокие горизонты свидетельствует, что по сравнению с другими способами утилизации этот метод является наиболее рентабельным. В США при нагнетании 250 тыс.м3/год стоимость нагнетания одного кубометра стоков составляет 0,3 доллара. Альтернативные методы утилизации стоков непосредственно на поверхности дают

* затраты не менее одного доллара на один кубометр промстоков. Поскольку в ближайшие 20 - 25 лет, по мнению исследователей и разработчиков, невозможен переход на безотходные технологии в промышленности, то единственный путь - осуществлять исследования возможностей захоронения сточных промышленных отходов в глубинные горизонты.

В главе 2 "Геологические условия Захоронения промышленных стоков на Астраханском газоконденсатном месторождении" развиваются концептуальные представления о геологической среде как о новом направлении "геоэкологии", являющемся той теоретической основой, которая дает возможность связать воедино природные геологические факторы при техногенной нагрузке. Геологическая Среда представляет собой поликомпонентную систему, в состав которой входят твердые, минеральные, геохимические, жидкие, газообразные, органические вещества, а также разнообразные геофизические поля.

Геолого-геохимические исследования захоронения промышленных стоков в глубокие геологические объекты заключаются в оценке устойчивости геологической Среды при массированном и динамическом техногенном воздействии на нее. Геологические объекты должны быть способными сохранять неизменными состав, структуру и состояние под влиянием техногенного воздействия закачкой в них промстоков или же изменять свои параметры в таких пределах, которые не могут привести к нарушению функционирования природно-технической системы или к вредным экологическим последствиям.

Для подземного захоронения промышленных стоков используются различные геологические объекты и- горизонты, которые, исходя из практики мирового и отечественного опыта, возможно группировать в следующие номены: зона аэрации, слабопроницаемые породы, соляные отложения, глубокие водоносные горизонты.

Зона аэрации для подземного захоронения промстоков должна иметь значительные мощности, способные поглощать большие объемы промстоков в течении длительного времени. Этот метод основан на процессах сорбции загрязняющих компонентов песчаНо-глинистыми частицами пород, залегающих выше уровня грунтовых вод.

Захоронение промстоков в слабопроницаемые породы (глины, аргиллиты, сланцы, кристаллические породы и т.д.) осуществляется с помощью гидравлических разрывов пласта, при этом могут захороняться сточные отходы, имеющие большое количество взвесей.

Захоронение в соляные отложения осуществляется складированием сточных отходов в искусственно созданные путем выщелачивания полости в солях. Удаление сильно токсичных и радиоактивных отходов в соляные породы представляет наименьшую опасность ввиду специфических экранирующих свойств солей.

В настоящее время наибольшее применение нашел способ захоронения промстоков в глубокие геологические водоносные горизонты, представленные высоко пористыми значительно проницаемыми коллекторами, которые имеют надежные флюидоупоры и покрышки.

В Прикаспийской впадине особенности литолого - стратиграфического и тектонического строения, геотермического, и барического режимов, а так же фазовая и геохимическая зональность углеводородов и гидрогеохимические особенности пластовых вод в пределах отдельных тектонических и литолого-стратиграфических комплексов, сочетание проницаемых и непроницаемых пород осадочного комплекса позволяют выделить в качестве элементов -объектов для захоронения промстоков пять крупнейших геологических и соответствующих им нефтегазоносных и гидрогеологических этажей: базальный, подсолевой (нижний), соленосный (средний), надсолевой (верхний) и покровный.

Выбор объекта для захоронения в нем промстоков зависит в немалой степени от экономической целесообразности, при прочих равных природных условиях. В регионе Оренбургского газоконден-

сатного месторождения для захоронения промстоков выбраны под-солевые объекты. В юго-западной части Прикаспийской впадины захоронение промстоков осуществляется в объекты надсолевого комплекса. На примере Астраханского газоконденсатного месторождения с высокими концентрациями сероводорода (до 25 %) и углекислого газа ( до 15-20 %) приводятся результаты исследования возможностей сброса промстоков с высокими параметрами агрессивности в геологические объекты надсолевого комплекса.

Геологическое строение Астраханского полигона захоронения промстоков является уникальным. Впервые в мировой практике захоронение промстоков осуществляется не в положительную структуру или в подсолевые породы, а в мульду, представляющую собой отрицательную (перевернутую) структуру между соляными куполами. Ширяевская мульда, к которой приурочен Астраханский полигон захоронения промстоков, представляет собой обширный резервуар - чашу, в мульде отсутствуют тектонические нарушения, способные служить путепроводами для флюидов, что исключает межпластовые перетоки. С запада и востока мульда ограничивается соляными валами. Мульда заполнена кайнозойскими и мезозойскими (преимущественно) породами. Водоупорное ложе мульды сложено галогенно-сульфатными породами кунгурского возраста. В разрезе мульды чередуются пористые песчаники и глины. "Слоеный пирог" запечатан сверху региональным водоупором глин акча-гыльского возраста мощностью до 232 м, который полностью исключает возможность перетоков закачиваемых промстоков в вышележащие горизонты.

В главе 3 "Геолого-геохимическое обоснование пластов для захоронения промстоков" приведены минерало-геохимическая, ли-толого-стратиграфическая и фациальная характеристика пород, а также коллекторские свойства объектов захоронения и особенности экранирующих свойств флюидоупорных горизонтов.

. Минералогический состав пород поглощающих объектов предопределяет направление физико-химических процессов, происходящих в них при закачке промстоков. Эти процессы возможно подразделить на химические (растворение, выщелачивание, сорбция, ионный обмен, образование осадков и др.) и физические (диффузия, смешение, рассеяние, гравитационная дифференциация, поглощение и др) . Экспериментальными исследованиями установлено, что захоронение промстоков, содержащих сульфаты, гидрокарбонаты, хлориды и другие компоненты, а также растворенные сероводород

и углекислый газ, способствует разложению ряда минералов, в особенности карбонатных. Если же поглощающие породы содержат повышенное количество минералов кальция и магния, при закачке в них аналогичных промстоков приводит к дополнительному осадкообразованию и ухудшению фильтрационных свойств поглощающих пород.

Степень сорбции загрязняющих компонентов находится в прямой зависимости от величины рН. Повышение минерализации стоков приводит к уменьшению поглощающей способности пород. Сорбцион-ные способности и катионообменные явления возрастают с увеличением количества глинистых частиц полевошпатового состава.

Песчаники юрского рабочего горизонта на 70 % состоят из кварца, устойчивого к техногенным воздействиям. Другими компонентами песчаников являются глауконит (до 4 %), слюды (до 4 %) , полевые шпаты (менее 2 %) и пирит (менее 2 %) . Минералы тяжелой фракции содержатся в количестве до 1,6 %, они представлены ассоциацией терригенных материалов (рудные, устойчивые метаморфические и др.) и аутигенных (пирит, лимонит, фосфаты) .

Минералогический состав пород оказывает влияние на фильтрационные свойства объектов захоронения. Наибольшее влияние на эти свойства оказывают минералы группы монтмориллонита, содержание его в количестве 2 % в крупнозернистых песках снижает проницаемость в 30 раз. В то же время песчаники с содержанием каолинита от 2 до 5 % являются хорошо проницаемыми породами.

На фильтрационные свойства рабочих объектов влияет состав цемента. Карбонатный цемент при закачке кислых промстоков (низкие значения рН) ухудшает проницаемость пород вследствии растворимости цемента и образовании при этом рыхлой низкопроницаемой субстанции, препятствующей закачке промстоков.

Повышенной катионообменной способностью обладают такие минералы, как лимонит, мусковит, фосфорит, халцедон и др. Наибольшей поглощающей способностью обладают глинистые минералы, наименьшей - кварцевые.

Надсолевой этаж пород представлен отложениями от верхнепермского до неогенового и четвертичного возраста включительно. Верхнепермские породы, с перерывом залегающие на кунгур-ских соленосных отложениях, представлены толщей плотных аргиллитов мощностью до 840 м. Для захоронения промстоков эти отложения не представляют интереса. Триасовые породы представлены

в нижней части песчанистыми, а в верхней - песчано-глинистыми разностями мощностью до 356 м. Практического интереса для захоронения промстоков они не представляют.

Юрские породы, как свидетельствуют результаты исследований геологического строения и гидрогеологических условий района работ, являются наиболее пригодными для захоронения промстоков с высокими концентрациями агрессивных компонентов, представляющих собой промышленные отходы добычи и переработки высокосернистого газоконденсатного сырья Астраханского ГКМ. Песчаники нижнемелового возраста (апт-неокомский и альбский горизонты) являются резервными резервуарами для захоронения промстоков .

Вышележащие верхнемеловые известняки и мергели с прослоями глин, суммарная мощность которых достигает в мульдах 2800 м и более, являются буферным комплексом. На этом комплексе пород залегает мощная (до 130 м) пачка глин палеогенового возраста. На них с перерывом лежит мощная пачка глин акчагыльского возраста (до 232 м) , представляющая собой покровный региональный флюидоупор. Покровный чехол'представлен отложениями четвертичного возраста и современными образованиями.. Отложения четвертичной системы возможно использовать для складирования в них промстоков в хранилищах (озерах), накопителях (технические емкости ЕСР), полях-испарителях (зона полей орошения ЗПО).

Рабочие поглощающие объекты полигона весьма разнообразны по своим фильтрационно-динамическим параметрам. Пористость пород песчаников достигает 20 - 29 %. Вследствие этого начальный градиент фильтрации, по экспериментальным данным, проявляется более чем в 50 -60 %. Эти параметры подтверждены материалами лабораторных и геофизических исследований.

В главе 4 "Гидрогеологические и гидрогеохимические условия захоронения промышленных стоков" обосновывается, что наиболее оптимальными для закачки являются гидрогеологические объекты, характеризующиеся замедленным водообменом или застойным режимом глубоких водоносных комплексов, содержащие высокоминерализованные воды, не представляющие промышленного интереса.

Оценка гидрогеохимических условий захоронения необходима для установления естественного гидрохимического фона всех водоносных комплексов, установления соответствующих гидрохимических коррелятивов и идентификации природных вод, определения степени закрытости отдельных объектов полигона, оценки интен-

сивности водообмена между пластовыми водами и закачиваемыми промстоками, гидрохимической совместимости между ними, контроля изменения водоносных систем и прогноза распространения промстоков в глубинных недрах, а также для установления критических параметров (предельно допустимых концентраций ПДК) содержания загрязняющих компонентов в закачиваемых промстоках.

В соответствии с Системой гидрогеологического районирования территории России по гидрогеологическим условиям захоронения промышленных стоков в глубокие водоносные горизонты, Астраханский полигон относится к Прикаспийской впадине, участок которой по номенклатуре индексируется как А116, т.е. как район, благоприятный для поисков глубоких водоносных горизонтов-коллекторов при захоронении в недрах промышленных стоков.

Прикаспийский гидрогеологический бассейн, вследствие особенностей своего геологического строения, является сложной синтезированной системой. Подсолевой гидрогеологический этаж представляет собой древний погруженный элизионный бассейн с метастабильным режимом подземных вод, энергия которых обеспечивается процессами выдавливания внутренних (поровых) вод из горных пород. Области питания и явной разгрузки подземных вод в этом этаже отсутствуют. Однако по экономическим причинам этот этаж не всегда благоприятен для захоронения в нем промышленных стоков.

Надсолевой гидрогеологический этаж рассматривается как наложенный гидрогеологический бассейн артезианского типа. Областями питания этого этажа являются Воронежский щит на западе, Уральская складчатая система на востоке, Токмовский и Татарский своды на севере. Областями разгрузки подземных вод этой системы служат акватория Каспийского моря, а также внутренние водотоки и водоемы. Соляные купола и массивы, прорывающие водоносные комплексы практически на всю их мощность, усложняют латеральное перемещение пластовых вод. В районе Астраханского полигона (юго-западная часть впадины) развиваются латерально закрытые соляными массивами межкупольные мульдовые гидрогеологические районы с застойным режимом водоносных систем. К одной из таких межкупольных закрытых впадин в надсолевом гидрогеологическом бассейне приурочен Астраханский полигон захоронения промстоков газового комплекса. Всвязи с изложенными особенностями гидрогеологического строения впадины, в районе работ основную роль с точки зрения промышленного захоронения пром-

стоков играют надсолевые отложения, среди которых практический интерес представляют юрский, апт-неокомский и альбский водоносные комплексы. Именно в них сбрасывает свои стоки Астраханский газовый комплекс.

Юрский водоносный комплекс изучен по результатам опробования в разведывательных скважинах. Статический уровень пластовых вод отмечается на глубине 97,6 м, что весьма благоприятно для закачки в них промстоков, т.к. создает динамический запас прочности в 10 атм. При откачке дебиты вод составляют 172 м3/сут при снижении уровня на 140 м. Температура пласта 42°С, плотность воды 1,19. Минерализация вод до 312 г/л, состав солей хлоридный натриевый и тип хлоркальциевый. При закачке воды в пласты под давлением 3,5 МПа скважины принимают до 384 м3/сут.

Нижнемеловой апт-неокомский комплекс при откачке производил до 259 м3/сут. воды. Минерализация вод достигала 294 г/л при плотности 1,17. Опытная закачка при устьевом давлении 1 МПа подтвердила приемистость скважин до 4 56 м3/сут.

Альбский водоносный комплекс содержит природные воды с минерализацией до 272 г/л и плотностью 1,16. Температура пласта 38°С. Уровень пластовых вод на глубине 69-70 м. Состав вод хлоридный натриевый, гидрохимический тип хлоркальциевый. При понижении уровня на 124 м дебит вод достигает 320 м3/сут. При опытном нагнетании давление на устье 1,185 МПа обеспечивает приемистость пласта до 616 м3/сут.

Комплексные гидрогеологические исследования подтверждают, что фактические параметры функционирования полигона промстоков на АГКМ соответствуют расчетным, полученным в результате научно-исследовательских работ. Контрольные наблюдательные гидрогеологические скважины, обеспечивающие систему наблюдений всего геологического разреза от рабочего юрского водоносного комплекса до самого верхнего четвертичного водоносного горизонта, позволяют делать вывод о том, что все системы Астраханского полигона функционируют в проектном режиме и экологических отклонений не наблюдается.

В главе 5 "Гидрогеохимические процессы захоронения" исследованы различные геохимические процессы, происходящие в составе пластовых вод и закачиваемых промстоков при подземном захоронении жидких отходов. Произведена типизация промышленных отходов по составу и источникам. По составу и фазовому состоянию

промотходы подразделяются на три основные типа: промышленные, сельскохозяйственные и бытовые. Эти типы отходов, в свою очередь, подразделяются, как правило, на твердые, жидкие и газообразные виды. Последние характеризуются специфическим набором химических компонентов, в особенности, микрокомпонентов.

Закачиваемые на Астраханском полигоне промышленные стоки имеют разнообразный состав, что отражается прежде всего на изменении Среды от кислой ( рН до 4 ) до щелочной ( рН до 10 и выше). Промстоки минерализованные, минерализация в пределах от 1-4 г/л до 20-50 г/л при минерализации фоновых пластовых вод до 140-150 г/л и более. Промстоки хлоридно-натриевого типа. Среди анионов преобладают хлориды ( до 43,9 %-экв ), содержание сульфатов от 0,4 %-экв до 7,3 %-экв. Концентрация бикарбонатов не более 3 %-экв. Катионы в промстоках представлены натрием ( до 46 %-экв ), кальцием { до 39 %-экв ) и магнием ( до 7,6 %-экв ). Количество сероводорода в промстоках нестабильно и меняется в широких пределах - от полного отсутствия до 2334 мг/л. Количество сульфидов достигает 2561 мг/л. Концентрация взвешенных веществ в промстоках колеблется в сотни раз, достигая 4627 мг/л. Такая же тенденция наблюдается и в содержании нефтепродуктов, максимальное их количество составляет 510 мг/л.

При закачке промстоков в геологические объекты, содержащие природные воды с гидрогеохимическим составом, резко отличном от геохимического состава промышленных стоков, в системе "пластовые воды - промышленные стоки - вмещающие породы" происходят различные геохимические процессы между всеми частями этой системы. Одним из важнейших исследуемых параметров при обосновании закачки промстоков в недра - геохимическая совместимость между различными частями геолого - технологических систем. Под этим подразумевается способность смеси сохранять геохимический состав и свойства, не выделяя из раствора твердые или иные неорганические соединения. Поэтому при подземном захоронении промстоков формируются различные по геохимическим свойствам и физическому характеру миграционные системы. В пределах миграционных систем возникают дополнительные смещения параметров: изменения состава, количественных показателей динамической системы, формирование температурных зон, смещение газовых полей. При этом может происходить выпадение в осадок солей, как правило, сульфатов или карбонатов кальция и магния.

Одновременно происходит растворение пород. Так, в условиях Астраханского полигона в результате взаимодействия трех сред пластовой системы образуется до 3,6 кг осадка на 1 кубометр промстоков.

Исследованы процессы осаждения и сорбции при закачке промстоков. Повышенное содержание кальция, магния, сульфатов и гидрокарбонатов "в промстоках является предпосылкой образования осадков, которые способствуют кольматации призабойной зоны пласта. Образование осадков происходит в случае перенасыщения в смесях указанных ионов. Количество осадков зависит от конкретной минерализации смешиваемых жидкостей и их геохимического состава. В работе дается материальный геохимический баланс солей промстоков, которые в смесях с пластовыми водами дают осадок. Образование осадков в виде карбоната кальция возможно при смешивании промстоков состава С130^а с подземными водами состава НС03Ыа 304С1 СаЫа. Садка сульфатов кальция возможна при взаимодействии промстоков состава С1СаИа и 304 С1Ыа с пластовыми водами состава С1ЫаСа или С1СаЫа, а также при смешивании промстоков состава С1 Б04Ыа, С1СаИа с' водами состава БО^Са или 304Ка.

Сорбция компонентов, растворенных в промстоках, осуществляется глинистыми породами, в которых отсутствуют соответствующие поглощающие комплексы. К таким компонентам относятся микрокомпоненты и ряд макроэлементов. Из макроэлементов на Астраханском полигоне происходит поглощение глинами кальция промстоков, т.к. существует неравновесное состояние по кальцию между породами и промстоками. Глины представлены полевошпатовыми минералами.

При закачке промышленных стоков развиваются две группы процессов: растворение и выщелачивание. Растворению подвергаются сульфатные породы, сульфаты переходят в растворы промстоков. Промстоки хлоридного состава с повышенной ионной силой выщелачивают не только сульфаты, но и карбонатные минералы. В результате формируются хлоридно - сульфатные натриево - кальциевые водные смеси. Слабо взаимодействуют с сульфатными породами промстоки с высокими концентрациями сульфат - иона.

Гидрогеохимические процессы при закачке промстоков оказывают влияние на приемистость пласта, в который закачивают эти промстоки. Приемистость пласта зависит от его фильтрационных свойств, степени гидродинамического совершенства скважины,

плотности промстоков, их химического состава, физических компонентов, давления нагнетания. Снижение приемистости наблюдается практически при повышении содержания всех ингредиентов в сточных водах. Это требует дополнительных материальных затрат и оборудования на подготовку промстоков к закачке.

В главе 6 "Расчетные параметры, количество наблюдательных и нагнетательных скважин при захоронении промстоков" количество нагнетательных скважин определяется в зависимости от суммарного объёма нагнетаемых промстоков и приемистости пласта в каждой отдельной скважине.

На примере Астраханского полигона приемистость поглощающего горизонта принята равной 200 м3/сут в каждой из скважин. Давление закачки принято от 2 МПа до 4 МПа, по техническим причинам оно не должно превышать 5 МПа. Параметры промстоков являются технологическими нормативами. При изменении параметров промстоков, влияющих на приемистость поглощающих горизонтов, необходимо проведение научно-исследовательских гидрогеологических и технологических исследований по сохранению дорогостоящих нагнетательных скважин, поддержанию приемистости поглощающих горизонтов, способной обеспечить захоронение промстоков в коллекторах. Для этих же целей предусматривается резерв нагнетательных скважин.

Для контроля функционирования Полигона захоронения промстоков, распространения этих стоков в недрах и экологического состояния производственно-технологической системы предусматривается сеть наблюдательных скважин, которые должны охватывать всю территорию полигона и смежные районы. Наблюдательные скважины имеют различные глубины и контролируют все основные водоносные и рабочие горизонты до самого верхнего включительно. На Астраханском полигоне сеть включает 16 скважин. В качестве наблюдательных используются также резервные нагнетательные скважины.

Глубины и конструкции наблюдательных скважин обусловлены предназначением объекта контроля. Большой резерв заключается в оборудовании наблюдательных скважин пакерными системами и двойными компрессорными трубами для контроля' одной скважиной двух - трех объектов.

В главе 7 "Прогноз долгосрочности функционирования полигона захоронения промышленных стоков" обосновывается, что прогноз распространения промстоков в пределах геологических и техноло-

го-санитарных границ осуществляется на базе гидрогеологических исследований, при которых на основе гидравлических закономерностей устанавливается максимальная величина распространения сточных загрязнений и обеспечивается определенный "запас надежности" . При оценке величины распространения промстоков за расчетное принимается время, за которое произойдет снижение концентраций загрязняющих компонентов на границе "промстоки -пластовые воды" до предельно допустимых норм (ПДК). На эти нормативы рассчитывается время, в течении которого должен производиться сброс промстоков в рабочие объекты полигона.

Основными геохимическими и гидрогеологическими параметрами рабочих пластовых систем полигона промстоков являются коэффициент проницаемости, эффективные мощности поглощающих горизонтов, водопроводность этих пластов, коэффициент пьезопровод-ности, эффективная пористость. При гидрогеологических исследованиях нагнетательных и наблюдательных скважин способом дискретного прослеживания динамики давлений закачки определяются текущие и конечные избыточные напоры в поглощающих горизонтах в условиях неограниченного пласта по формуле упругого режима в виде, после апроксимирования логарифмических функций( Антонен-ко и др., 197 6 ):

4тс х кш г2

где: Рн —изменение пластового давления, МПа;

<3 - среднесуточная закачка, мЗ/сут;

кш - водопроводимость поглощающего горизонта, м2/сут;

Т - время закачки, сут.;

г - расстояние от скважины до точки, в которой измеряется изменение пластового давления, м;

У - плотность закачиваемых стоков;

а - коэффициент пьезопроводности.

Гидродинамические расчеты подтверждают, что на Астраханском полигоне изменения пластовых давлений при закачке промстоков объемом 200 м3/сут осуществляются от 0,2 МПа на расстоянии 500м до 0.15 Мпа на расстоянии 2 км от усредненной нагнетательной скважины.

Полезная емкость пластов, занимаемая промстоками с начала закачки, определяется по зависимости:

Е = РхРхтхРиз, где Е - емкость пласта;

(3 - коэффициент упругоемкости пласта, 1/ат;

И- площадь хранилища;

ш - эффективная толщина водонасьпценных пород, м;

Риз- избыточное давление закачки, зависящее от приемистости скважин и плотности закачиваемых промстоков.

Расстояние Н от скважины, на которое распространяются промстоки, определяется по зависимости:

н = ЗхТ + Ш. ,

2х пхЛхм л

где: Л - расстояние между непроницаемыми границами, м; п- средняя пористость, доли.

На Астраханском полигоне за 10 лет его функционирования промстоки распространились практически на 2 60 м, ас учетом "динамических языков'^ - на расстояние до 440 м.

Экспериментальные исследования геохимических процессов, сопутствующих закачке промстоков, свидетельствуют, что в результате взаимодействия миграционных систем из 1 кубометра промстоков образуется до 3,6 кг осадков.

Один кубометр промсточных смесей заполняют три кубометра пород. При закачке промстоков на единицу мощности рабочего горизонта приходится осадка, кольматирующего поры:

3,6 кг х 0,2 = 0,7 кг

Эта кольматирующая масса осадка имеет объем, при плотности 2, порядка 0,00035 м3. За одни сутки объем кольматирующей массы геохимических осадков, при производительности одной скважины 200 м3/сут составляет 0,07 м3. При мощности рабочего горизонта порядка 50 м на единицу фронта пласта при закачке промстоков выпадает 0,0014 м3 осадка. Следовательно, один объем коллектора рабочего горизонта полностью кольматируется за 714 дней, или в целом за 2 года.

Экспериментальные геохимические прогнозы долгосрочности функционирования полигона на Астраханском ГКМ подтверждаются

практикой работы нагнетательных скважин. Периодически один раз в год в эксплуатационных скважинах при сверхнормативном повышении давления нагнетания осуществляются работы по проведению соляно-кислотных обработок (СКО) для интенсификации нагнетания в скважинах и восстановления приемистости пласта.

В главе 8 "Контроль продвижения промстоков, функционирования полигона и экологического состояния" обосновывается, что контроль подземного захоронения промышленных стоков имеет три основные задачи.

Первая задача заключается в контроле функционирования полигона захоронения промстоков с целью учета объемов закачки стоков и давлений нагнетания, параметров закачиваемых промстоков, технологии подготовки промстоков к закачке, состояния наблюдательных и нагнетательных скважин, оборудования полигона в соответствии с нормативными и проектными документами.

Вторая задача заключается в контроле возможных проникновений промстоков в вышележащие водоносные горизонты и геологические объекты, а также в поверхностные водные природные системы.

Третья задача заключается в контроле и прослеживании текущего контура распространения промстоков в поглощающих рабочих горизонтах и степени заполнения поглощающего резервуара закачиваемыми промстоками для принятия возможных мер по регулированию этих процессов, либо по своевременному переводу нагнетания в резервные поглощающие горизонты.

Для функционирования контроля Полигона захоронения промстоков должны выполняться следующие виды исследований: непрерывный учет объемов закачки промстоков, учет давлений закачки и температуры промстоков на устье нагнетательных скважин, отбор на устье скважин проб закачиваемых стоков в соответствии с требованиями нормативных документов, аналитические лабораторные исследования состава промстоков, замеры текущих забоев скважин, изучение технического состояния колонны и оборудования скважин, обследования наземного оборудования полигона, научные исследования влияния качества закачиваемых промстоков на приемистость нагнетательных скважин.

Для контроля перетоков технических вод выполняются следующие виды исследований: замеры уровня вод в наблюдательных скважинах, замеры забойных либо устьевых давлений, замеры температуры забойной и устьевой, отбор пластовых вод с забоя и

устьевых проб воды природной, замеры газонасыщенности вод, отбор водорастворенных газов, определение парциальных давлений и давлений газонасыщенности пластовых вод, химический анализ состава пластовых вод, определение степени сообщаемости водоносных объектов со стволом скважины, научный анализ возможных отклонений компонентного состава вод и растворенных газов от их фоновых значений.

При контроле распространения промстоков осуществляется оценка количества закачиваемых стоков с начала работы полигона и за текущий период, оценка состояния термобарической системы полигона, определение площади распространения промстоков, разработка рекомендаций и мероприятий по оптимальному функционированию полигона.

Широко должны применяться комплексы геофизических работ: АКЦ, термометрия, глубинный расходомер, РК, ДСИ, изотопия и т.д.

В Заключении работы обобщены и сконцентрированы выводы по обоснованию возможностей захоронения промышленных стоков в глубинные недра.

Полученные результаты геологических исследований сводятся к

следующему:

1. Обоснован оптимальный тип ловушек для фактического расположения полигона захоронения промстоков. Установлено, что в соляно-купольных областях наиболее эффективно использовать не антиклинальные, как обычно практикуют, а синклинальные отрицательные ловушки типа межсолевых мульд, образующие изолированные соляными массивами природные резервуары.

2. Выяснены граничные условия и особенности распространения глубоких горизонтов-коллекторов и надежных покрышек как в вертикальном разрезе, так и по площади развития, выявлена роль региональных и локальных разломов, ограничивающих функционирование полигона.

3. Исследованы емкостные свойства объектов полигона захоронения промстоков; обоснованы такие параметры, как пористость, трещиноватость, мощности и площади распространения, а также упругие свойства водовмещающих пород.

4. Дана оценка экранирующих свойств водоупорных отложений и покрышек на полигоне захоронения промстоков, а также характеристика пластовых фильтрационных параметров объектов полигона.

5. Изучен минеральный и химический состав горных пород объектов полигона, предопределяющий физико-химические свойства вмещающих отложений, их сорбционные и обменные свойства, а также совместимость горных пород и закачиваемых промстоков.

6. Осуществлена детализация структурного, литолого - стратиграфического и тектонического строения полигона захоронения промстоков; выявлены условия формирования геологической модели полигона.

Гидрогеологическими исследованиями установлено следующее:

1. Выявлено оптимальное региональное строение гидрогеохимического бассейна, обоснованы тип водоносного режима в нем и расположение областей питания и разгрузки подземных вод, соотношение территории полигона с региональным гидрогеологическим бассейном.

2. Дана оценка параметров водообмена между объектами полигона и гидрогеологическими горизонтами выбранной ловушки для промстоков, степени закрытости водоносных комплексов, выявление литологических и тектонических зон внутрипластовой разгрузки .

3. Исследованы гидрогеохимические характеристики и свойства пластовых вод полигона, установлена гидрохимическая зональность полигона по разрезу и площади, выделены гидрохимические маркеры.

4. Изучены гидродинамические условия полигона, пластовые давления и напоры, характер движения и пути фильтрации подземных вод, гидравлические градиенты, определены расчетные динамические параметры и скорости фильтрации вод глубоких горизонтов, водопроницаемость, пьезопроводность и фильтрационных свойств основных и резервных объектов полигона, дана оценка приемистости пластов и скважин.

5. Исследованы газовый фактор и компонентный состав водо-растворенных газов, масштабы биохимических процессов, осуществлена оценка степени закрытости объектов полигона.

6. Изучена геотермическая характеристика полигона и дана оценка коэффициента диффузии и скорости массообмена, теплофи-зических параметров пород и пластовых вод.

7. Разработана гидрогеологическая модель полигона захоронения промышленных сточных вод.

Лабораторно-технологическими и геохимическими исследованиями установлено следующее:

1. Изучены химический состав и свойства закачиваемых промстоков. Исследована совместимость промстоков с горными породами и пластовыми водами полигона.

2. Разработана технология подготовки промстоков к закачке, обоснован выбор деэмульгаторов и флокулянтов.

3. Предложена технология строительства нагнетательных скважин и вскрытия поглощающего коллектора.

4. Обоснованы технологические особенности освоения нагнетательных скважин, условия испытания на приемистость и выбора величины депрессии.

5. Разработана система контроля за техническим состоянием скважин и геофизического контроля.

6. На основании комплекса геологических, гидрогеологических, геохимических, геофизических и лабораторно - технологических исследований установлены расчетные параметры и режим функционирования полигона, количество и размещение нагнетательных и наблюдательных скважин на полигоне захоронения промстоков.

7. Разработаны требования для организации системы мониторинга функционирования полигона захоронения промышленных стоков, продвижения промстоков и экологического состояния полигона захоронения промстоков.

Завещаемые положения диссертации заключаются в следующем:

1. Впервые обоснованы геологические, гидрогеологические, геохимические и технологические условия захоронения промышленных стоков сложного состава в отрицательные структуры межсолевых мульд.

2. Разработан комплекс гидрогеологических и геоэкологических исследований, обеспечивающих надёжное захоронение промстоков сложного состава на полигонах солянокупольной тектоники.

3. Впервые предложена технология мониторинга природно -техногенной системы полигонов и их элементов на различных стадиях функционирования в условиях солянокупольных регионов, базирующаяся на многоуровневом комплексе геохимических и гидрогеологических исследований.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Гидрогеологические условия водоснабжения Карачаганакско-го газоконденсатного промысла. - ЭИ.Сер. Геология, бурение и

разработка газовых месторождений. - М. : ВНИИЭгазпром, 1982. -Вып.2. - С.3-7 (совместно с Севастьяновым О.М.).

2. Характеристика подземного хранилища промстоков Астраханского газоперерабатывающего завода. - В кн.: Рациональное использование и охрана водных ресурсов в Нижнем Поволжье. - Материалы V-ой науч.-практич.конф. - Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1986. - С.57-59 (совместно с Захаровой Е.Е.).

3. Изменение гидрогеологических и инженерно-геологических условий района Астраханского газового комплекса в процессе его эксплуатации. - В кн.: Проблемы охраны окружающей среды в нефтяной промышленности. - Материалы Всесоюзного совещания. Уфа: ВНИНИ ТБ и промсанитарии, 198 9. - С.20.

4. Контроль состояния подземных вод на территории подземного хранилища промстоков Астраханского ГПЗ. - В кн.: Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки. - Материалы конф. - М. : ВНИИПРОМГАЗ, 1991. -С.46 (совместно с Ильиным А.Ф. и Глущенко Т.Д.).

5. Геолого-гидрогеологическое обеспечение исследований для подземного захоронения промстоков на Астраханском ГКМ. - В кн.: Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки. - Материалы конф. - М. : ВНИИПРОМГАЗ, 1991. - С.47 ( совместно с Ильиным А.Ф. и Глущенко Т.Д.).

6. Состояние геологической Среды в условиях техногенной нагрузки объектов Астраханского газового комплекса. - В кн.: "Экологические проблемы при разработке высокосернистых месторождений природного газа", - М.: ВНИИГАЗ, 1992. -С.88-90 (совместно с Глущенко Т.Д.).

7. Условия защищенности подземных вод от загрязнения объектами АГК. - В кн.: Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых месторождений России. - Материалы 2-ой международной конф. - Астрахань: Газпром, 1993. - С. 37 (совместно с Глущенко Т.Д.).

8. Результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик песков в основании сооружений АГПЗ. - В кн.: Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых месторождений России. - Материалы 2-ой международной конф. -Астрахань: Газпром, 1993. - С.37 (совместно с Глущенко Т.Д.).

9. Флюидодинамика загрязненных рассолов из закрытых подземных хранилищ. - В кн.: Строительство газовых и газоконденсат-