Техногенные гидрогеологические аномалии и системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техногенные гидрогеологические аномалии и системы. Геоэкологический мониторинг техногенных гидрогеологических систем

Хорошо известно, что в процессе разработки нефтяных месторождений происходит техногенная метаморфизация пластовых вод (Ф.И.Тютюнова, 1987 г.), а месторождения нефти и газа и прилегающие законтурные части залежей превращаются в техногенные гидрогеологические аномалии. На подавляющем большинстве залежей нефти разработка ведется с заводнением, поэтому при закачке пресных или солоноватых вод в продуктивный пласт (особенно на начальном этапе освоения) происходит резкое снижение минерализации пластовых вод. На последующих этапах разработки уже закачивают смесь инжекционных и пластовых вод (подтоварных), что несколько снижает градиент изменения минерализации.

Рис. - Образование гидрогеологических техногенных аномалий при разработке нефтяных (газовых) месторождений

I. Гидрогеохимическая техногенная аномалия; А - величина минерализации (М), характерная для пластовых вод. II. Гидродинамическая техногенная аномалия; Б - начальное пластовое давление (Рн.пл): а) пластовое давление в залежи при разработке без заводнения; б) то же - при заводнении. III. Гидрогеотермическая техногенная аномалия; В - начальная пластовая температура: а) при заводнении; б) при применении термических методов.

Изменяется и химический состав пластовых вод. Существенно изменяются кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия в водах разрабатываемых залежей. Этот процесс усугубляется применением ПАВ и других реагентов для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов.

Биодеструкция ПАВ приводит к появлению в пластовых водах СО2 и различных токсичных компонентов. Происходят также формирование техногенных микробиоценозов и активизация биохимических процессов. Так, при закачке необработанных (т.е. без антисептической обработки) поверхностных вод в пласт попадают сульфатредуцирующие бактерии, в результате в залежах идет образование сероводорода.

Появление сероводорода сопровождается разрушением обсадных и эксплуатационных труб, а также металлоконструкций в инжекционной системе. Возникают аварийные ситуации, связанные с нарушением колонн и возникновением межпластовых флюидоперетоков. Примером могут служить месторождения Орлан, Жетыбай, Узень и другие. Кроме того, нередко для повышения коэффициента нефтеотдачи применяется щелочное заводнение. Используются также различные термохимические методы. Таким образом, образуются техногенные гидрогеохимические аномалии. Закачка вод изменяет и термические условия. За редким исключением в продуктивные пласты закачивают воды с более низкой температурой, чем пластовые. Это приводит к образованию в пределах залежей и в приконтурной зоне отрицательной геотермической аномалии.

Применение теплофизических методов, связанных с закачкой горячей воды или пара, приводит к формированию геотермической аномалии положительного знака, т.е. возникновению зоны с повышенной температурой.

Наряду с этим отмечается и изменение гидродинамических условий. При эжекционном гидродинамическом режиме происходят образование зон депрессий и истощение отдельных нефтегазоводоносных пластов. Это характерно преимущественно для разработки газовых и лишь в отдельных случаях нефтяных залежей. Подобные явления сопровождаются дегазацией пластовых вод, изменением водопроводящих свойств пород. При этом происходят компрессия глинистых водоупорных толщ, уплотнение, а следовательно, и отжатие элизионных вод в коллектора. Последнее, как отмечалось выше, может сопровождаться искривлением стволов скважин и усадкой грунтов. гидрогеологический аномалия месторождение вода

При инжекционном гидродинамическом режиме возможно образование пьезометрических куполов, появление межпластовых перетоков. Образуются гидродинамические техногенные аномалии в пределах и по периферии разрабатываемых залежей. На начальном этапе разработки они представляют собой локальные участки, часто изолированные друг от друга (рис.47). Но в нефтегазоносных провинциях (Волго-Уральская, Западно-Сибирская, Северо-Кавказская и в других регионах у нас и за рубежом), где нефтяные и газовые месторождения сконцентрированы в пределах крупных структурных элементов и расположены близко друг к другу, постепенно, по мере их эксплуатации, идет слияние отдельных техногенных гидрогеологических аномалий в единую техногенную гидрогеологическую систему или системы. Иногда эти системы охватывают сотни квадратных километров подземной гидросферы (рис.47 II, III).

Рис. - Схема формирования техногенных гидрогеологических систем

I - формирование гидрогеологической аномалии внутри (1) и вокруг (2) разрабатываемой залежи; II - формирование гидрогеологических аномалий внутри (1) и вокруг (2) группы разрабатываемых залежей, близко расположенных друг к другу; III - расширение гидрогеологических аномалий по площади и формирование техногенных гидрогеологических систем.

В 1999 г. В.М.Матусевич и Л.А.Ковяткина опубликовали материал, свидетельствующий об образовании подобных техногенных гидрогеологических систем в Ноябрьском нефтегазодобывающем районе Западной Сибири. Типизация гидрогеологических и инженерно-геологических условий по характеру воздействия на гидрогеологические системы объектов нефтяной и газовой промышленности проведена Ю.П.Гатенбергером (1992). Он предложил рассматривать различные пути воздействия на гидрогеологические системы: «сверху» и «снизу», а также последствия этого воздействия на экологическую обстановку.

Совершенно очевидно, что образование таких техногенных гидрогеологических систем с деформированными гидрогеологическими полями приводит к формированию опасной геоэкологической среды. Настало время организации государственного контроля за ситуацией в нефтяной и газовой промышленности под эгидой Минприроды. Необходимо проводить режимные наблюдения, которые позволят определять динамику изменения контуров техногенных гидрогеологических систем и увеличение или сокращение экологически опасных зон.

С этой целью следует обязать нефтедобывающие организации использовать сеть скважин, специально предназначенных для гидрогеологических наблюдений. Это - периодический отбор проб вод, газов, замеры пьезометрических уровней, температуры и т.д. Следовательно, необходимы режимные наблюдения, позволяющие выявить динамику изменения контуров техногенных гидрогеологических систем и увеличение или сокращение экологически опасных зон. Все гидрогеологические материалы должны передаваться в специальный отдел или организацию, где создается банк данных по всем параметрам подземной гидросферы. Таким образом, в результате системных наблюдений и мониторинга за геоэкологической средой в нефтедобывающих регионах можно предотвратить различные экологические осложнения и аварии.

Образование техногенных гидрогеологических аномалий происходило и при подземных ядерных взрывах. В СССР с 1965 г. по 1988 г. было проведено более 80 подземных ядерных взрывов (ПЯВ). Целью этих взрывов в пределах нефтяных и газовых месторождений было:

а) интенсификация добычи нефти и газа;

б) создание подземных хранилищ углеводородов и захоронение токсичных стоков;

в) глушение фонтанов на месторождениях газа;

г) предупреждение газовых выбросов.

Взрывы производились на месторождениях нефти и газа и на разведочных структурах в 14-ти нефтегазоносных провинциях. Производились они в толщах солей и в криолитозоне. Однако положительных результатов не дали. Вместе с тем, через несколько десятков лет в грунтовых и напорных водах периодически появляются радионуклиды (цезий 137, стронций 90, криптон 85, тритий, углерод 14), свидетельствующие о том, что распространение радионуклидов связано с миграцией вод по зонам трещиноватости и тектоническим нарушениям, образовавшимся в период проведения взрывов. Сегодня ПЯВ не проводятся.

Гидроминеральное сырье НГБ

В настоящее время большую ценность представляют собой воды, добываемые попутно с нефтью и газом, а также воды выработанных нефтяных и газовых месторождений и разведочных площадей.

В нефтегазоносных бассейнах из гидротермального сырья получают калийные, натриевые и кальциевые соединения, магний, бор, бром, йод, литий и т.д.

Концентрация химических элементов в водах изменяется в очень больших пределах - от долей микрограмма до сотен граммов на литр. Минимально допустимые концентрации ценных компонентов в промышленных водах приведены в табл. 8.

Таблица 8 Минимально допустимые концентрации компонентов в промышленных водах (Балашов и др. Посохов и Толстихин)

Из промышленных компонентов термальных вод наиболее выдержаны по степени распространения бром и стронций. При отсутствии в составе вмещающих пород гидрогеологических бассейнов соленосных фаций содержание брома обычно не превышает 0,4-0,6 г/л, а стронция 0,05-0,1 г/л. При наличии в разрезе бассейнов соленосных отложений, с ростом минерализации увеличивается и содержание брома. Так, при минерализации рассолов от 300 до 400 г/л отмечается наличие брома до 2-5 г/л, а в предельно насыщенных рассолах (более 500 г/л) - до 8-12 г/л, например, в Восточной Сибири. По данным А.В.Кудельского среднее содержание йода в подземных водах составляет 0,0001-0,001 г/л.

В подземных водах нефтяных месторождений содержание йода нередко составляет 0,03-0,10 г/л (Предкавказье). В водах Припятского прогиба концентрация йода выше - 0,07-0,233 г/л, в Восточной Туркмении (Шараплы) - 0,10 г/л, концентрация йода 0,550 г/л отмечено в водах источника в Ломбардской впадине в Италии. Причем в водах этого источника кроме йода содержится до 0,625 г/л брома и 0,125 г/л лития при общей минерализации воды 180 г/л.

Требования к промышленным водам, содержащим бром и йод следующие: при извлечении только йода его концентрация не должна быть меньше 0,018 г/л, только брома - 0,250 г/л.

Добыча йода и брома может осуществляться из вод с содержанием йода и брома, соответственно, не менее 0,010 и 0,200 г/л. При наличии не менее 0,010 г/л бора эти воды могут разрабатываться» На основе анализа общих закономерностей распространения подземных вод, содержащих редкие металлы, из зарубежного опыта установлены нижние пределы концентраций элементов, при которых такие воды могут быть отнесены к промышленным в г/л: литий - 0,010, рубидий - 0,003, цезий - 0,0005, стронций - 0,300, германий - 0,00005.

В гидрогеологических и, в том числе, нефтегазоносных бассейнах высокоминерализованные воды и рассолы нередко содержат не один-два полезных для промышленного извлечения компонента, а несколько, причем разнообразных по сочетанию. Это хорошо видно по материалам, приведенным в табл. 9.

Таблица 9 Сочетания полезных компонентов в промышленных водах крупных артезианских бассейнов (С.С.Бондаренко и др., 1988 г.)

Такое сочетание, в свою очередь, предопределяет возможность использования подземных вод в качестве комплексного гидроминерального сырья для извлечения рассеянных элементов, редких металлов и минеральных солей. А это повышает рентабельность предприятий по добыче и переработке промышленных вод.

Следует отметить, что подземные воды промышленного значения широко развиты на территории России и в основном приурочены к глубоким частям крупных гидрогеологических и, в том числе, нефтегазоносных бассейнов.

Известно, что добыча промышленных вод вообще экономически выгодна в силу огромных запасов сырья, особенно в нефтегазоносных бассейнах, где имеются глубокие скважины, уже пробуренные на нефть и газ или для других целей, но не используемые по назначению или ликвидации после выработки залежей углеводородов. Промышленные воды на больших глубинах часто имеют очень высокую температуру, что дает возможность попутно использовать их тепловой потенциал, а также, кроме йода и брома, преимущественно добывающиеся у нас в стране, редкие металлы и одновременно такие соли, как хлориды натрия, калия, магния, кальция и другие.

Так, в США из промышленных вод ежегодно добывалось до 16 тыс.т лития, до 190 тыс.т брома, до 750 тыс.т окиси магния, до 16 млн.т поваренной соли; в Японии - йода до 7,5 тыс.т, в Италии боратов до 36 тыс.т и т.д. В табл. 10 показан процент добычи различных элементов и солей из промышленных вод к общему объему извлекаемой из недр товарной продукции в развитых капиталистических и развивающихся странах.

Таблица 10 Добыча редких элементов и минеральных солей в развитых капиталистических и развивающихся странах

Как видно, он значителен лишь для йода и брома (соответственно 85% и 90%), по остальным элементам не превышает 30%, что говорит о больших резервах реализации гидроминерального сырья. Следует особо отметить, что в США йод, бром, соединения магния, кальция и калия извлекают из нефтяных вод в Эльдорадо (штат Арканзас).

В заключение следует подчеркнуть, что ценность промышленных вод состоит в их огромных запасах. Преимущественно они добываются в скважинах. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности для получения минерального сырья могут использоваться техногенные воды, что значительно снизит себестоимость продукции, а значит, увеличит рентабельность нефтегазовых предприятий.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается техногенная метаморфизация подземных вод?

2. Почему и когда образуются гидрогеологические аномалии:

а) гидрохимические;

б) гидродинамические;

в) гидрогеотермические

3. Почему формируются техногенные гидрогеологические системы?

4. В чем заключается геоэкологический мониторинг?

5. Почему после проведения ПЯВ радионуклиды появляются в грунтовых водах?

6. Какие элементы могут добываться из подземных вод НГБ?

Размещено на Allbest.ru