Гидродинамические исследования на полигонах закачки промышленных сточных вод

Гидрогеологические опробования на объектах закачки сточных вод в водоносныегоризонты

Значительный вклад в решение проблемы изучения гидродинамики на полигонах захоронения сточных вод внесли исследования В.М.Гольдберга, Н.П.Скворцова, Л.Г.Лукьянчиковой, В.М.Шестакова, И.С.Пашковского, С.П.Позднякова, Б.П.Акулинчева, О.М.Севастьянова, Ю.М.Кондачкова, В.М.Кирьяшкина и др. Поэтому настоящая глава построена с учетом их опыта и многолетней практики, а также рекомендаций В.М. Шестакова, обнародованных на Толстихинских чтениях (Санкт-Петербург, 1999).

При закачке сточных вод в водоносные пласты-коллекторы должны решаться три вида задач:

обеспечение подачи требуемого объема закачиваемых сточных вод (приемистость скважин) в пласт-коллектор;

оценка изолированности пласта-коллектора при возможном перетекании сточных вод в соседние (особенно, вышележащие) водоносные горизонты;

оценка распространения сточных вод в пласте-коллекторе для обоснования управляемого загрязнения подземных вод.

Применительно к решению этих задач должны устанавливаться необходимые гидрогеодинамические параметры, для определения которых проводятся опытно-фильтрационные и опытно-миграционные работы.

Опытно-фильтрационныеработы

Опытно-фильтрационные работы (ОФР) проводятся для установления геофильтрационных параметров водоносных пластов-коллекторов, обусловливающих приемистость скважин, а также разделяющих (покрывающих) пластов, определяющих степень изолированности коллекторов от соседних (главным образом, вышерасположенных) водоносных пластов.

При выборе участка опробования следует исходить из того, что он должен быть:

представительным для объекта;

по возможности расположенным в районе с однородными в плане геофильтрационными свойствами, поскольку плановая неоднородность приводит к осложнению в интерпретации результатов эксперимента;

находящимся в районе с наибольшей проводимостью, обеспечивающей наилучшую приемистость скважин, а также с наименьшей проницаемостью покрывающих отложений.

Специфика глубокозалегающих водоносных горизонтов заключается в их относительно большой однородности по сравнению с вышезалегающими горизонтами, что предпочтительнее для постановки промысловых экспериментов.

При гидрогеологическом обосновании объектов закачки сточных вод в горизонты подземных вод необходимо определять параметры водоносных пластов: проводимость Т, упругую емкость m* и расчетный радиус скважины г_с, характеризующий величину «скин-эффекта». Эти параметры используются в дальнейшем для прогнозирования приемистости скважин и размеров воронки депрессии.

Как известно, для определения этих параметров наиболее достоверные данные дают кустовые опытные опробования (откачки или нагнетания), которые рекомендуются как опорные при разведке на полигонах сточных вод. Однако, учитывая высокую стоимость строительства гидрогеологических скважин в глубоких водоносных пластах, целесообразно тщательно оценить возможности использования для этой цели одиночных опробований с интерпретацией данных нестационарного режима.

При опробовании одиночных скважин в глубоких водоносных горизонтах наиболее приемлемыми для обработки являются данные восстановления напоров после предварительного опробования(откачки или налива) с постоянным объемом Q. При этом обычно используется схема изолированного напорного пласта, применительно к которой удобно проводить обработку данных восстановления напора S* в центральной скважине, исходя из следующего уравнения, справедливого за пределами влияния емкости скважины (С. Р. Крайнев и др.,1988)

S*= (8)

где t и t₀ - значения времени восстановления напора и первоначального опробования.

Обработка данных опробования по уравнению (8) проводится способом «прямой линии» с построением диагностического графика в координатах S*, lgt*, и таким образом находятся значения Т, m*, . Как показала практика расчетов, несколько удобнее обрабатывать именно данные восстановления напора S*, измеряемого относительно напора, достигнутого в конце опробования, а не значения понижений относительно статического уровня, как это рекомендуется по известному способу Хорнера, поскольку в предполагаемом расчете меньше проявляются ошибки задания статического напора.

Упругую емкость m* рекомендуется определять по эмпирической формуле

m* = Am/z_n , (9)

где m - мощность водоносного пласта;

z_n- глубина залегания пласта;

А - параметр, изменяющийся в пределах 5-10^-3 - 9-10^-3. При обработке данных откачки в режиме самоизлива необходимо учитывать изменение расхода излива во времени, обрабатывая опытные данные по прямолинейной зависимости относительного понижения S*/Q от lgt*, для чего в процессе опробования должны быть замерены изменения расхода излива во времени.

При определении геофильтрационных параметров коллектора следует исходить из того, что принимаемый одиночной скважиной объем закачки (налива) Q₀ диктуется допустимым избыточным напором (относительно статического) Н₀, который может быть представлен выражением

,(10)

где Т - проводимость пласта;

R -расчетный радиус питания;

r₀ - радиус рабочей части скважины;

- потери напора в прискважинной зоне («скин-эффект»).

Для определения проводимости пласта Т разработан ряд приемов, использующих разные способы обработки данных опытных опробований скважин (откачки, наливы, закачки). Наиболее достоверные данные дают кустовые опытные откачки (закачек), однако для опробования глубоких водоносных пластов они вряд ли могут рассматриваться как основные из-за высокой стоимости.

При интерпретации одиночных откачек (закачек) наиболее полную информацию дают данные нестационарного режима при прецизионных замерах уровней и расходов. Следует подчеркнуть особую значимость требования уникальной прецизионности проведения таких опытных опробований, проводимых на опытной скважине, оборудованной расходомерами, водомерами и измерителями уровней с автоматической фиксацией замеряемых характеристик.

Расчетный радиус питания Rо пределяется геофильтрационной обстановкой (В.М. Шестаков, 1994). В частности, для изолированного однородного пласта

R=1,5 V at, a=T/m*, (11)

где t - время закачки. С учетом перетекания через разделяющий пласт («покрышку») с коэффициентом перетока c = k_p / m_p (k_p , m_p - коэффициент фильтрации имощность покрышки) и постоянным напором в подпитывающем пласте

R=l,5 . (12)

Следует иметь в виду, что при откачке и закачке значения упругой емкости могут отличаться за счет нелинейности деформирования пород, причем значения m* при закачке в принципе должны быть больше, чем при откачке.

Особое значение имеет оценка величины ДН °, связь которой с расходом закачки устанавливается по данным специальных опробований. Характер этой связи обусловливается двумя процессами. С одной стороны, при увеличении давления воды в пласте происходят деформации в виде разуплотнения вплоть до формирования гидроразрыва пласта, при котором резко увеличивается приемистость скважин. С другой стороны, при закачке«чужеродной» жидкости, нередко содержащей гелеобразные и механические взвеси, может происходить процесс кольматации прискважинной зоны, приводящий к значительному сокращению ее проницаемости.

При анализе стабильности происходящих изменений прискважинной зоны целесообразно при каждой закачке проводить кратковременные опыты по восстановлению уровня в скважине. Такие опыты дадут информацию о том, в какой мере изменения приемистости скважины связаны с изменениями проводимости пласта или прискважинной зоны.

Опытные данные показывают, что при закачке могут происходить необратимые изменения прискважинной зоны, существенно влияющей на приемистость нагнетательной скважины. Для оценки этих процессов следует проводить повторные опытные закачки, сначала с увеличением ступеней расхода, а затем с возвращением на ступени с меньшим расходом. Совпадение (или несовпадение) данных при таких повторных опытах будет свидетельствовать об обратимости (или необратимости) деформаций прискважинной зоны.

При интерпретации одиночных опытных откачек полезную информацию о значениях упругой емкости водоносных пластов можно получить, используя характеристику барометрической эффективности, получаемую по данным параллельных изменений микроколебаний уровней. Учитывая простоту таких наблюдений, их целесообразно проводить совместно с гидрогеодинамическими опробованиями.

Для оценки распределения статических напоров и проницаемости в пределах опробуемой части пласта осуществляются интервальные фильтрационные опробования скважин либо с поинтервальной пакеровкой скважин, либо для всей открытой (фильтровой) части ствола скважины.

Опыты с поинтервальной пакеровкой проводятся с одиночным или двойным пакером. В любом варианте этого опыта в пределах пакеруемой зоны определяются статические уровни (напоры) и проводятся опытные опробования (откачки или закачки).

Для всего ствола интервальные опробования ведутся путем расходометрии, осуществляемой в естественных условиях и при различных объемах откачки или закачки. Следует подчеркнуть необходимость обеспечения повышенной достоверности такого опыта, для чего требуются предельная аккуратность и многократные повторения для выявления и исключения технических погрешностей.

Проницаемость относительно водоупорных покрывающих пластов в значительной мере обусловливает возможную интенсивность перетекания закачиваемой жидкости в залегающий выше водоносный горизонт, поэтому ее оценка является одной из существенных гидрогеодинамических задач для объектов закачки СВ. Рассмотрим возможные приемы решения этой задачи

.

Определение перетекания по распределению температуры и минерализации в разделяющем пласте представлено в ряде работ (И.Т.Гаврилов, В.М. Семенова, 1969; В.М. Шестаков, И.П. Кравченко, Р.Ф. Штенгелов, 1987). В них предлагается определять скорость фильтрации в разделяющем пласте по данным естественного распределения температуры по его глубине, которое использовалось для оценки степени изолированности «покрышек» на объектах захоронения сточных вод. Дальнейший анализ этого метода показал (А.А. Куваев, 1984), что он имеет существенные ограничения. Во-первых, достаточно уверенная интерпретация таких данных может осуществляться только при сравнительно высоких скоростях фильтрации в разделяющем пласте (не ниже, 10³м/сут), которые характерны для условий слабой изолированности залегающих под ними водоносных горизонтов. Во-вторых, эти данные характеризуют лишь весьма локальную зону вокруг термометрической скважины размерами порядка мощности пласта и могут оказаться не представительными для условий перетекания на всей интересующей площади объекта. Особенно нежелательной является вероятность искажения данных термометрии в наблюдательных скважинах за счет неконтролируемого затрубного и внутритрубного перетекания.

Эти ограничения свойственны и аналогичному методу определения скорости перетекания по данным распределения минерализации.

Таким образом, названые методы не могут рассматриваться как опорные для оценки изолированности используемых для закачки водоносных пластов и их применение целесообразно только для предварительных и качественных оценок.

Определение коэффициента фильтрации разделяющего пласта по данным опытных откачек является наиболее надежным.

Куст опытной откачки(закачки) должен включать две-три наблюдательные скважины, располагаемые на различных расстояниях (ориентировочно 200-1000 м от центральной).

Такая откачка должна быть достаточно длительной, чтобы в характере временного прослеживания понижения уровней воды достаточно отчетливо проявилось влияние перетекания. Для оценки требуемого для этого времени t можно пользоваться соотношением -

t_n=. (13)

При реальном времени откачки около 10 сут и характерных значениях m* = 10^-4 - 10^-6можно рассчитывать на определение c=10^-4 - 10^-6 сут^-1, что соответствует порядку значений коэффициента фильтрации разделяющего пласта 10^-3 - 10^-5м/сут.

Следует иметь в виду, что на ход процесса в таких условиях существенное влияние может оказывать профильная и плановая неоднородность, в связи с чем постановка таких откачек требует в каждом случае особого обоснования с проведением разведочного моделирования.

Теоретически можно проводить оценку коэффициента перетока с использованием только данных опробования в одиночной скважине. Однако при этом может возникать существенная неоднозначность интерпретации опытных данных, обусловленная трудно диагностируемым влиянием плановой неоднородности и внутренней гетерогенности водоносного пласта.

Давая рекомендации по проведению опытных откачек из глубоких водоносных горизонтов, содержащих высокоминерализованные воды, следует иметь в виду возможные осложнения со сбросом откачиваемой воды, имеющей обычно некондиционный состав. В тех случаях, когда такие осложнения оказываются трудно преодолимыми, целесообразно переходить от откачки к наливу, условия проведения которого остаются такими же, как это сформулировано для откачки.

При наливе в глубокие водоносные горизонты, содержащие воду высокой минерализации, наливаемая вода может иметь значительно меньшую плотность по сравнению с пластовой. Если такая вода распространяется до наблюдательных скважин, то для определения расчетных значений давления необходимо пользоваться глубинными манометрами либо корректировать замеряемые в скважинах уровни воды, вводя поправки на изменение плотности воды.

Следует отметить ограниченность возможностей изложенных методов опробований для оценки изолированности водоносных горизонтов, в связи с чем решение этих вопросов требует в каждом случае экспертного геолого-гидрогеологического анализа. Для этого, наряду с общими представлениями об условиях формирования глубоких подземных вод, используются различные гидрогеохимические показатели.

На сравнительно небольших объектах закачки СВ по данным опытно-фильтрационных работ дается главным образом обоснование приемистости скважины на основе опробования одиночных разведочных скважин. Такие опробования проводятся при постоянном расходе налива или откачки с прецензионными замерами нестационарного режима напоров воды в скважине.

Особые опробования проводятся для выявления зависимости приемистости скважин от объема налива, причем такие опробования следует по возможности проводить с водным раствором, близким по составу к сточным водам.

Для выделения рабочих интервалов закачки и оценки их относительной проницаемости следует проводить динамическую расходометрию скважин, а при существенно различных напорах в отдельных пластах желательно проводить опробование в каждом из выделенных пластов с пакерной изоляцией их.

На крупных объектах закачки СВ, где предполагается устройство группы взаимодействующих скважин, целесообразно проводить кустовые опробования (наливы или откачки), используя эксплуатационные скважины. Задачей таких опробований является уточнение определения проводимости коллектора и сопротивления прискважинной зоны с учетом неоднородности и гетерогенности пласта, включая характеристики зон тектонических нарушений.

Опытно-миграционныеработы

Опытно-миграционные работы включают полевые гидрогеодинамические опробования, направленные на определение геомиграционых параметров. Для полигонов захоронения сточных вод эти параметры необходимы для обоснования режима закачки и прогнозирования продвижения их по пласту.

На объектах закачки к основным геомиграционым параметрам, используемым для прогноза распространения"сточных вод в пласте-коллекторе, относятся вместимость, пористость, проницаемость и т.д.

Эти параметры могут определяться двумя альтернативными способами - по керну (в лабораторных условиях) или трассерными опытами. В первом случае определяется емкость матрицы пород (емкость блоков при гетерогенно-блоковом строении), во втором существует возможность определения также и трещиноватости, которая в ряде случаев играет значимую роль в формировании суммарных фильтрационно-емкостных свойств пласта.

Гетерогенность пород(слоистая, блоковая или лизновидная) обусловливает процессы дисперсии, влияние которой может быть весьма значимым при опытных работах, но обычно существенно уменьшается при длительных закачках. Соответственно, параметры дисперсии с позиций прогнозирования требуют оценки только для правильной интерпретации опытного опробования.

При определении геомиграционных параметров на их величину будут оказывать влияние процессы массообмена.

Применительно к условиям опытно-миграционных работ в качестве основной теоретической модели для определения геомиграционных параметров целесообразно рассматривать модель переноса в квазиоднородной среде, предполагающей наличие системы двух емкостей(каналов и блоков), причем массообмен между этими системами может осуществляться по схемам неограниченной и сосредоточенной емкости.

Естественно, наиболее существенными для прогноза распространения СВ в пласте являются фильтрационно-емкостные свойства. Также существенным для прогнозных геомиграционных расчетов является профиль проницаемости в пласте-коллекторе, который определяет дисперсию скоростей фильтрации.

Остальные параметры играют подчиненную роль при решении прогнозных задач, но определение их значений необходимо для интерпретации данных эксперимента.

Основным методом изучения вертикальной фильтрационной неоднородности пласта является динамическая расходометрия скважин.

Для определения геомиграционных параметров используются трассерные опробования. Обоснование такого опробования требует решения следующих вопросов: выбора участка проведения опыта, интервала опробования, параметров опыта, включая вид трассера, реализацию его входного сигнала и способов регистрации.

Планирование опытов должно проводиться на основе проведения модельных экспериментов путем подбора оптимальных параметров (времени, объемов закачки, откачки). Концентрация трассера, подаваемого в центральную скважину (входной сигнал), может поддерживаться постоянной в течение всего времени опыта или промежутка времени(режим «пакет»).

Способ поддержания постоянной концентрации на входе в скважину является наиболее информативным, однако требует приготовления больших объемов трассерного раствора, которые можно уменьшить, если использовать схему смешивания, при которой приготавливается трассер с гораздо большей минерализацией, чем необходимо для опыта, а при подаче приготовленный раствор смешивается с пресной водой, подаваемой из водотоков, водоемов или вышележащих водоносных горизонтов. Проблема приготовления трассера снимается, если в качестве его используются воды смежных водоносных горизонтов.

Пакетный запуск является экономически и практически более разумным при длительных опытах, когда возникают проблемы поддержания постоянной концентрации во входном сечении.

Трассерные исследования нашли широкое применение при гидродинамических исследованиях на Совхозном, Степновском и Северо-Ставропольском подземных хранилищах газа (С.А.Варягов,1999).

Закачка сточных вод впоглощающие горизонты базируется (как показано выше) на полевых и лабораторных исследованиях, выполняемых в значительном объеме. Вместе с тем получение необходимой исходной информации зачастую крайне затруднено (особенно в обжитых районах) требованиями экологической защиты. В качестве примера можно привести откачку пластовых вод. Действительно, в ряде мест сброс большого количества высокоминерализованных вод, содержащих токсичные компоненты, невозможен. Альтернативой откачкам служат наливы и закачки. Вместе с тем и они могут привести к кольматации пласта. Известны случаи, например, когда пласт «не принимал»обратно собственные воды после охлаждения и выделения растворенного газа. Единственным выходом из создавшегося положения является изучение процессов ,протекающих в недрах при закачке (откачке), методами математического моделирования. Путем многовариантного математического моделирования представляется возможным определение геофильтрационных параметров с максимальным приближением к пластовым условиям.