Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Метод электрических потенциалов фильтрации в решении гидрогеологических и экологических проблем в нефтепромысловых регионах РТ

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Чернышова, Марина Геннадьевна, Казань

/

/

ТАТАРСКОЕ ГЕОЛОГО-РАЗВЕДОЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ (ТГРУ)

КАЗАНСКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ (КГЭ)

На правах рукописи

Чернышева Марина Геннадьевна

УДК 556.3:553.98(470.41)

МЕТОД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ФИЛЬТРАЦИИ В РЕШЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ РЕГИОНАХ РТ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук Э.К.Швыдкин

Казань 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГО ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКЕ НА ЮГО-ВОСТОКЕ РТ................................................................................. 9

1.1. Гидрогеологические условия региона............................. 9

1.2. Качественная характеристика подземных вод

и причины засолонения.......................................................... 12

2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЕСТЕСТВЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА ФИЛЬТРАЦИИ ПРИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ..................................................................... 16

2.1. Традиционные методы гидрогеологических исследований............................................................................ 16

2.2. Нетрадиционные методы гидрогеологических исследований............................................................................ ^ g

2.3. Развитие теоретических аспектов метода естественных потенциалов применительно к гидрогеологическим и экологическим задачам............................................................ 21

2.4. Примеры использования метода ЕП................................ 31

2.5. Комплексирование эколого-геофизических исследований............................................................................ 34

3. МЕТОДИКА ПЛОЩАДНЫХ И ДЕТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДОМ ЕСТЕСТВЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА ФИЛЬТРАЦИИ (ЕПФ)...................................... 36

3.1 Аппаратура и оборудование..............................................36

3.2. Методика й Техника работ.............................................. 36

3.3. Подготовка к проведению площадной съемки ЕП......... 39

3 .4 . Съемка ЕП, обработка и интерпретация результатов..... 40

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРА И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА......... 44

4.1. Естественное электрическое поле фильтрационных потенциалов водонапорного пласта....................................... ^

4.2. Особенности суммарного поля ЕПф при наличии нескольких водоносных горизонтов....................................... 47

4.3. Исследование влияния техногенных факторов

электрохимического происхождения на структуру фильтрационного поля............................................................ 47

5. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ ЕПф ПРИ РЕШЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ,, 58

5.1. Площадные исследования ЕПф при изучении

основных фильтрационных потоков..................................... 58

5.2. Определение динамики подземных вод, исследования воронки депрессии в процессе опытной откачки эксплуатационных скважин.................................................... 74

5.3. Исследования по определению конкретных

источников засолонения на нефтепромыслах........................ 84

5.4. Выявление прорывов трубопроводов.............................. 100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................. 111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................. 113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Подземные воды являются ценнейшим полезным ископаемым, при этом пресные подземные воды - один из основных источников питьевого и промышленного водоснабжения. С резким ростом потребления воды, особенно в обжитых районах, поверхностные водоносные источники уже не в состоянии удовлетворить все возникающие потребности. Развитие промышленности, коммунального хозяйства, интенсификация сельскохозяйственного производства приводят к ухудшению качества речных и подземных вод. По санитарному состоянию или загрязнению вредными веществами они не всегда удовлетворяют требованиям не только хозяйственно-питьевого, но и технического водоснабжения. Возникший дефицит водоснабжения обусловил актуальность разведки эксплуатационных запасов подземных вод питьевого назначения.

В последние годы сложилась критическая ситуация с обеспечением юго-восточного региона РТ питьевой водой, особенно тех населенных пунктов, чье водоснабжение впрямую зависит от состояния качества и количества пресных подземных вод, от состояния вод родников и колодцев.

Большинство городов региона (Альметьевск, Лениногорск, Бугульма, Заинек, Джалиль и др.) получают пресную подземную воду для хозяйственно-питьевых целей из р. Кама с Белоусовского и Набережно-Челнинского водозаборов. В связи с ужесточением норм очистки воды по ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" [38], водозаборы снижают свою производительность. Отпуск питьевой воды в нефтяных районах снизился почти вдвое. В бассейне р. Кама, выше по течению, расположен ряд предприятий химической, нефтяной, горнодобывающей, оборонной и др. отраслей промышленности, надежность очистных сооружений которых вызывает сомнение. На памяти утечка фенола на одном из предприятий Уфы (в мае 1990 г.), который впоследствии попал в р. Белая и р. Кама.

Таким образом, встал вопрос о необходимости изыскания альтернативных местных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов, в первую очередь в районах с развитой промышленностью.

Положение усугубляется тем, что в результате бурного развития Аль-метьевско-Бугульминского промышленного узла на основе развития нефтедобычи десятки лет природная среда подверглась мощному отрицательному техногенному воздействию, 30-40% родников осолонились из-за утечек соленых вод на нефтепромыслах. Развитие нефтяной промышленности по Ф.В. Котлову, приводит к негативным и во многом необратимым последствиям [55]. Запасы пресных подземных вод сократились.

Другой, не менее важной проблемой на сегодняшний день стала охрана и оздоровление питьевых вод - поиск и локализация источников загрязнения. Выделение источников загрязнения, особенно подземных вод, вызывает боль-

шие трудности. Непригодность родника обнаруживается, когда значительная площадь водоносного, питающего горизонта уже загрязнена.

Сложности возникают при значительном удалении источника загрязнения от выходов водоносного горизонта в местах разгрузки. При наличии естественных путей фильтрации флюидов (тектонических трещин, литологических "окон" и т.п.) задача определения источников загрязнения становится чрезвычайно сложной.

В различных отраслях науки появляются свои "экологии". И это не могло не коснуться и геофизики, расширившей традиционный круг за счет включения в него вопросов, связанных с изучением состояния природной среды.

Учитывая, что существенная доля загрязнителей подземных вод связана с нефтедобычей, в 1990г. объединением АО "Татнефть" была принята программа "Экология" и начаты работы по оздоровлению подземных и поверхностных вод в районах деятельности НГДУ с наиболее загрязненными территориями. Именно тогда начинались первые работы по выявлению источников загрязнения водоносных горизонтов и по прогнозу распространения зоны загрязнения. При этом подавляющая часть исследований базировалась на результатах гидродинамических и гидрохимических работ в специальных экологических скважинах (пробные откачки, скважинные гидрогеологические, опытно-фильтрационные работы и т.п.)[8,18,31,34,42,50,52,58,104].

Из методов полевой геофизики наиболее широко были использованы методы сопротивлений (ВЭЗ, СЭП, ДП, ДЭЗ и др.) [14,17,44,48,59,71], а также методы нестационарного электромагнитного поля (ЗС, МПП и др.) [16,80,89,94, 101,113]. По определению аномально низких зон удельного электрического сопротивления строят карты засолоненности территории, на которых отражается изменение минерализации воды и состава вмещающих пород, при чем надежнее устанавливается граница между пресными и солеными водами [59,68,69, 74,76,84,88]. По полученным данным говорить о причине загрязнения, о конкретном источнике поступления соленых вод можно только предположительно, базируясь на визуальные поверхностные изливы сточных вод. Так же невозможно определить ликвидирован скрытый источник засолонения подземных вод, или действует и в данный момент.

Резко возросшая в последнее время стоимость буровых работ, слабая информативность скважинных методов разведки контуров очагов загрязнения и, особенно, конкретизация источников загрязнения скважинного происхождения, поставили вопрос о необходимости поиска методологии, позволяющей, с одной стороны оптимизировать схему экологического бурения, а с другой - выявлять источники поступления нефтепромысловых вод в питьевые горизонты.

Решение поставленных вопросов возможно применением достаточно распространенного в 30-40х годах, всем хорошо известного, но незаслуженно забытого электроразведочного метода измерения естественных электрических потенциалов фильтрации (ЕПф). Перспективность метода видится в том, что измеряемые на поверхности электрические поля являются прямым проявлением на поверхности электрокинетических явлений, возникающих в водоносном

пласте в процессе фильтрации [2,23,63,64,65,78,79,97]. Однако для решения площадных гидрогеологических (разведка водозаборов) а, тем более гидроэкологических задач метод до настоящего времени на территории республики Татарстан не применялся. Существующая сложность интерпретации естественного фильтрационного поля в условиях высокого уровня техногенных и естественных помех, отсутствие способов привязки к основному аномалиеобразую-щему объекту, технологическая дешевизна метода, низкие затраты разработки -все это не способствовало развитию метода.

Цель работы. Изучение возможностей и разработка методологии использования метода электрических потенциалов фильтрации с целью повышения эффективности гидрогеологических и гидроэкологических исследований.

Основные задачи исследований.

1. Изучение характера распределения ЕПф над водоносными объектами и исследование соответствия измеряемых на поверхности электрических полей внутрипластовым фильтрационным процессам.

2. Изучение динамики изменения полей ЕПф в процессе пробной эксплуатации водозаборов.

3. Изучение особенностей распределения ЕПф над очагами и источниками осолонения подземных вод нефтепромысловыми стоками.

4. Выработка предложений по комплексированию метода ЕПф с виброакустическим методом исследования скважин с целью повышения эффективности геоэкологических исследований.

Научная новизна.

1. Развиты и практически реализованы методы анализа данных ЕП на стадиях разведки, опытной откачки и промышленной эксплуатации подземных водозаборов.

2. Выявлена регрессионно-корреляционная связь ЕП фильтрации с кровлей аномалеобразующего водоносного объекта и с абсолютными отметками статического уровня водоносного горизонта.

3. Впервые на примере юго-востока РТ доказана высокая информативность метода ЕПф при выявлении и оценке источников загрязнения водоносных горизонтов.

4. Разработана методика определения заколонных перетоков и направления ("сверху", "снизу"), включающая съемку ЕПф в прискважинной зоне в комплексе с определением качества цементирования.

Достоверность результатов.

Результаты полевых геолого-геофизических исследований, проведенных на площади 2 водозаборов ( стадиях - разведки, опытной откачки и промышленной эксплуатации), на более чем 30 участках засолонения пресных подземных вод подтверждены анализом совместных данных ЕПф, ВЭЗ, родниковой гидрохимической съемки, а также виброакустической цеметометрией элементов конструкции скважины в интервале кондуктора.

Результаты интерпретации данных наземной съемки ЕПф подтверждаются опытно-фильтрационными данными и гидрохимическими лабораторными исследованиями качества подземных вод.

Основные защищаемые положения работы.

1. Планы распределения ЕПф над водоносными объектами характеризуют структуру подземных потоков и направления их фильтрации.

2. Отрицательные аномалии ЕПф над очагами осолонения подземных вод определяют зону поступления сточных вод и области интенсивной инфильтрации, к которым приурочены местоположения источников загрязнения (скважин, трубопроводов, амбаров и т.д.).

3. Аномалии ЕПф в прискважинной зоне характеризуют наличие зако-лонных перетоков, а их характер (положительная или отрицательная) определяет направление перетока («сверху», «снизу»).

Научная и практическая значимость работы.

Разработанная методика проведения и интерпретации результатов съемки ЕПф может быть использована для оперативного контроля за состоянием подземных флюидов. Поэтапное измерение потенциалов фильтрации в процессе эксплуатации водозабора позволяет оценивать с поверхности структуру подземного потока, изменения процессов фильтрации, связанные с воронкой депрессии.

Появилась возможность на поверхности определять не только очаги осолонения, но и действующие скрытые источники загрязнения подземных вод.

Результаты исследований позволяют рационально использовать средства при поисково-разведочных работах на месторождениях пресных подземных вод, при составлении экологической программы по постановке ремонтных и профилактических работ.

Реализация результатов. Проведены комплексные исследования по разведке очагов и источников засолонения подземных вод на землях НГДУ "Актюбанефть" (Зеленогорская площадь), НГДУ "Альметьнефть" (в районе с.Васильевка), НГДУ "Лениногорскнефть" (в районе н.п. Александровка), на Киенгопской площади Чутырско-Киенгопского месторождения НГДУ "Ижевскнефть". В результате выявлены конкретные зоны и объекты, являющиеся реальными или перспективными источниками загрязнения. Работы вошли в составление проекта разведки водозабора, экологической программы, включающей конкретные ремонтные работы.

Исходные материалы и личный вклад автора. В основу работы положены полевые исследования естественных электрических полей на территории действующих в настоящее время водозаборов (Лесной Зай, Арский). Исследования на территории водозаборов с целью оперативного контроля за изменением воронки депрессии в процессе эксплуатации проводились трижды: на естественном режиме, в процессе опытной эксплуатации и в процессе активной откачки. Проведены региональные и детальные съемки поля ЕПф. При изучении экологического состояния подземных вод на участках нефтепромыслов НГДУ Лениногорскнефть, Альметьевнефть, Азнакаевнефть, ОАО Удмуртнефть, детальной

съемкой ЕПф исследовано более 30 участков загрязнения подземных вод. Автор принимал участие в выполнении полевых исследований, является одним из инициаторов применения метода ЕПф в геоэкологических исследованиях в РТ. Автором выполнен основной объем работ по интерпретации полученных данных, обобщены материалы по использованию метода ЕПф при гидрогеологических и геоэкологических исследованиях, обоснованы теоретические предпосылки качественной интерпретации полевых наблюдений методом ЕПф при исследовании процессов засоления пресных подземных вод.

Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на Республиканской пермской конференции к 100-летию со дня рождения профессора Миропольского JI.M. , г.Казань 1996 г.; на первой Всероссийской конференции ^'Мониторинг геологической среды: активные эндогенные и экзогенные процессы", Казань 1997 г.; на научно-практическом семинаре "Питьевое водоснабжение Удмуртской республики в III тысячелетии: проблемы и перспективы", г.Ижевск 1997 г. Материалы диссертационной работы использованы в 8 производственных отчетах, переданных заказчикам. Итоги работ неоднократно обсуждались на заседаниях геолого-технического совета Татарского геологоразведочного управления.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем работы_машинописных страниц,_рисунков. В списке использованной литературы_наименований.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность за научное руководство, постоянное внимание к работе и ценные советы на протяжении всей работы над диссертацией доктору г-м.н. Швыдкину Э.К.. Автор приносит свою искреннюю благодарность к.т.н. Смерковичу Е.С., к.г-м.н. Близееву А.Б. за возможность выполнения работы, за научные консультации, ценную критику и помощь, оказанную при корректировании рукописи диссертации; Меньшикову С.Ю., Козлову А.В., Давыдову P.M. за помощь в проведении полевых исследований; Пикуль М.В., Гусеву Т.В. за выполнение чертежной работы.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКЕ НА ЮГО-ВОСТОКЕ РТ

1.1. Гидрогеологические условия региона

В соответствии с гидрогеологическим районированием для Государственного водного кадастра, юго-восточный регион Татарстана расположен в пределах Восточно-Русского сложного бассейна пластовых и блоково-пластовых вод и непо�