CC BY
223ЭКОЛОГИЯ
УДК 504.06+553.065
А.Г. Вахромеев1, e-mail: [email protected]; С.Б. Кузьмин2, e-mail: [email protected]
1 ФГБУН «Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук» (Иркутск, Россия).
2 ФГБУН «Институт географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения Российской академии наук» (Иркутск, Россия).
Технология геологической разведки и освоения месторождений промышленных рассолов бурением, снижающая экологические риски
В статье представлена технология геологической разведки, учитывающая проблемы обеспечения экологической безопасности и снижения экологического риска в бурении при обращении с природными рассолами, продуктами глубокого бурения и другими промышленными стоками, образующимися в цикле геологоразведочных работ и при последующем освоении месторождений. Цель исследований заключается в разработке максимально экологически чистых технологий обращения с отходами производства в процессе бурения на месторождениях промышленных рассолов. В качестве примера рассмотрена комплексная инженерно-экологическая схема утилизации отходов на Знаменском лицензионном участке Ангаро-Ленского месторождения промышленных рассолов, расположенном в центральных районах Иркутской области. При разработке технологических схем используется метод подземного захоронения промышленных стоков в глубокие поглощающие водоносные горизонты земной коры. Для этого водоносный горизонт должен обладать высокой поглощающей способностью (приемистостью) и быть надежно изолированным от других водоносных горизонтов, что не допускает их загрязнения или прямого выхода промышленных стоков на дневную поверхность. Поглощающий водоносный горизонт не должен содержать пресных вод хозяйственно-питьевого назначения, бальнеологических и промышленных вод. Захоронение отходов возможно лишь в водоносные горизонты с непригодной для практического использования минерализованной водой. На этой основе разработан комплекс инженерно-экологических мероприятий для решения проблемных вопросов, возникающих на разных стадиях разведки и освоения месторождения. Впервые для Сибирской платформы предложенная схема реализована в виде опытного полигона захоронения, включающего две специальные нагнетательные скважины, совмещенные с вариантом захоронения через межколонное пространство эксплуатационной скважины. Предложенная схема обращения с отходами в состоянии обеспечить экологическую безопасность и бесперебойность технологических циклов на Знаменском лицензионном участке. Рекомендовано внедрять подобные экологически чистые технологии для других объектов горнопромышленного комплекса Российской Федерации с учетом местных геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий.
Ключевые слова: экологический риск, технология геологической разведки, промышленная экология, обратная закачка, бассейн верхней Лены.
A.G. Vakhromeev1, e-mail: [email protected]; S.B. Kuzmin2, e-mail: [email protected]
1 Federal Publicly Funded Institution of Science "Institute of the Earth's crust Russian Academy of Sciences Siberian Branch" (Irkutsk, Russia).
2 Federal Publicly Funded Institution of Science "Institute of Geography of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences" (Irkutsk, Russia).
Technology of Geological Exploration and Development of Deposits of Industrial Flushes by Drilling, Reducing Environmental Risks
The article presents the technology of the geological exploration, taking into account the problems of ecological safety and reducing environmental risk in drilling for handling natural brines, products of deep drilling and other industrial waste have been generated in the cycle of exploration and subsequent development of deposits. The aim of the research is to develop the most environmentally friendly technologies for handling waste products during drilling at industrial brine fields. It was considered as exemplified from the complex engineering and environmental waste management scheme of Znamenka license area of the Angara-Lena field of industrial brines located in the central districts of
58
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
the Irkutsk Region. When developing technological schemes, the method of underground burial of industrial effluents into the deep absorbing aquifers of the earth's crust is used. For this purpose, the aquifer must have a high absorptivity (capacity) and be reliably isolated from other aquifers, which do not allow contamination or direct exit of industrial effluents to the surface. The absorbing aquifer should not contain fresh water for domestic and drinking purposes, balneological and industrial waters. The disposal of waste is possible only in aquifers with unsuitable for practical use of mineralized water. On this basis, a set of engineering and environmental measures was developed to solve problematic issues arising at different stages of exploration and development of the field. For the first time for the Siberian platform, the proposed scheme is implemented in the form of an experimental landfill, which includes two special injection wells combined with a disposal option through the inter-column space of the production well. The proposed waste management scheme is able to ensure environmental safety and the continuity of the technological cycles at the Znamensky license area.It is recommended to promote such clean technologies to other objects of the mining complex of the Russian Federation, taking into account the local geological, hydrogeological and geotechnical conditions.
Keywords: environmental risk, geological exploration technology, industrial ecology, reinjection, Upper Lena Basin.
При поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых глубокими скважинами особую актуальность получают вопросы обеспечения экологической безопасности, снижения экологического и технологического риска производственных процессов и циклов. Инженерно-экологические мероприятия на буровых площадках позволяют не только избежать аварий и отказов, способных повлечь за собой чрезвычайные ситуации, но и предотвращать загрязнение окружающей среды, осуществлять контроль ее качества, проводить рекультивацию нарушенных земель. Особо актуален в настоящий момент поиск новых способов бурения скважин в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях для изучения трещинно-карстовых природных карбонатных резервуаров, вмещающих высоконапорные флюидные системы - нефть, газ, рассолы, а также альтернативных экологически чистых методов обращения с отходами бурового производства. Традиционно используемые для этого методы складирования отходов на поверхности или их очистка (переработка) не всегда удовлетворяют современным инженерно-экологическим требованиям. Складирование предусматривает отвод значительных площадей для строительства полигонов твердых от-
ходов или специальных бассейнов для жидких стоков. Свободных пространств для такого строительства, особенно в районе населенных пунктов, остается все меньше, а последующая эксплуатация таких полигонов и бассейнов, их рекультивация требуют значительных финансовых вложений. Еще ббльших усилий требует очистка или переработка отходов.
Подземное размещение отходов в глубоко залегающие пласты горных пород является одним из видов пользования недрами, имеющим целью предотвращение загрязнения земной поверхности, открытых водоемов и пресных подземных вод. Объекты подземного размещения промышленных стоков при строгом соблюдении соответствующих технологий не оказывают негативного воздействия на окружающую среду, а их эксплуатация направлена на обеспечение экологической безопасности. Практика размещения отходов в глубоких изолированных горизонтах земной коры из ныне существующих рассматривается как наиболее технологически и экологически рациональная, рентабельная, доступная и надежная [1-3]. Геологоразведка, разработка, эксплуатация и экологическая политика применительно к месторождениям промышленных рассолов в высоконапорных глубоких горизонтах земной коры име-
ют особую технологическую специфику. Главными отходами производства здесь являются:
• буровые и тампонажные растворы;
• шлам;
• буровые сточные воды;
• пластовые минерализованные воды;
• материалы для утяжеления и обработки буровых и тампонажных растворов;
• хозяйственно-бытовые сточные воды. Большинство отходов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду, образуются в жидкой форме. В такой ситуации риск производственных циклов бурения и последующей отработки месторождений увеличивается. Для утилизации отходов требуется либо дополнительное производство по их очистке или переработке, либо отведение земель под строительство специальных бассейнов-хранилищ. Потребуются организация системы экологического мониторинга за состоянием нарушенных земель, паспортизация объектов очистки и переработки промстоков и других отходов, последующая рекультивация.
В последнее время стал активно применяться относительно экологически чистый метод подземного захоронения отходов бурового производства. Для его реализации потребуется разработка комплексной схемы по обращению с отходами. Она предполагает затраты
Для цитирования (for citation):
Вахромеев А.Г., Кузьмин С.Б. Технология геологической разведки и освоения месторождений промышленных рассолов бурением, снижающая экологические риски // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 4. С. 58-67.
Vakhromeev A.G., Kuzmin S.B. Technology of Geological Exploration and Development of Deposits of Industrial Flushes by Drilling, Reducing Environmental Risks. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 4, P. 58-67. (In Russ.)
ЭКОЛОГИЯ
на применение технологий эффективного извлечения промышленных компонентов из рассолов и необходимость возврата в недра значительных их объемов, из которых изъяты отдельные элементы. Разработка такой комплексной схемы будет рассмотрена на примере Знаменского лицензионного участка Ангаро-Ленского месторождения промышленных рассолов в Иркутской обл.
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПРОЦЕДУРА ИССЛЕДОВАНИЙ
В целях оптимизации процесса обращения с жидкими отходами на месторождениях полезных ископаемых используется метод подземного захоронения промышленных стоков в глубокие поглощающие водоносные горизонты земной коры [4, 5]. Для этого водоносный горизонт должен обладать высокой поглощающей способностью (приемистостью) и быть надежно изолированным от других водоносных горизонтов, что не допускает их загрязнения или прямого выхода промышленных стоков на дневную поверхность. Поглощающий водоносный горизонт не должен содержать пресных вод хозяйственно-питьевого назначения, бальнеологических и промышленных вод.Захоронение отходов возможно лишь в водоносные горизонты с непригодной для практического использования минерализованной водой. Поглощающий горизонт должен быть надежно изолирован не только на участке полигона захоронения, но и в пределах всей области изменения гидродинамического режима, вызванного закачкой промстоков. Между ним и эксплуатируемым водоносным горизонтом должен иметься буферный пласт, толща из водоупорных пород. Поскольку в поглощающем горизонте возможны сильные латеральные миграции промстоков, буферный пласт (флюидоупор) по площади должен значительно превосходить область гидродинамических возмущений. Это позволяет предотвратить выход промстоков на поверхность или в вышележащие слои по вертикальным каналам миграции. В других случаях в качестве поглощающих горизонтов могут использоваться глубокие водоносные горизонты или пласты-коллекторы, искусственно соз-
данные посредством разрыва сплошности горных пород в скважинах на значительных глубинах. Для глубоких водоносных горизонтов характерны низкие гидравлические градиенты, высокая протяженность путей фильтрации, фациальная изменчивость водоносных пород. Горизонт захоронения, закачки должен проектироваться под регионально выдержанным флюидо-упором.Это ограничивает латеральное движение подземных вод, и главную роль начинает играть вертикальное перемещение. В еще большей степени это характерно для искусственных пластов-коллекторов. Поэтому важную роль в обеспечении инженерно-экологической надежности подземной утилизации промышленных стоков будет играть изучение тектонических нарушений и современных тектонических движений в районе полигона захоронения промстоков.
Подземное захоронение промышленных стоков начало применяться как сброс попутно добываемых промысловых вод при разработке нефтяных месторождений в СССР и США еще в 1950-1960-х гг. Нагнетание осуществлялось на выведенных из эксплуатации скважинах в горизонты, ранее содержавшие нефть, или в вышележащие поглощающие горизонты. Позднее этот опыт стал активно использоваться на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии, а также для захоронения радиоактивных отходов. Однако к конструкции, качеству сооружения и режиму эксплуатации таких скважин, а также надежному геологическому обоснованию захоронения специальные требования не предъявлялись, тем более не прорабатывались вопросы охраны окружающей среды. В итоге зачастую происходили загрязнение неглубокозалегающих пресных вод, потеря приемистости скважины в результате кольматации пласта-коллектора, возникновение затрубных перетоков и другие неблагоприятные явления. Это в значительной мере дискредитировало технологию глубинного захоронения промстоков и привело в ряде случаев к необоснованному отказу от ее применения [6, 7]. В последние годы наметился возврат к использованию данной технологии,
которая основывается сегодня на должном геологическом обосновании, надежном контроле и оптимизации эксплуатации полигонов захоронения. Широкое развитие современных технологий разработки сланцевой нефти и сланцевого газа еще более обострило проблему утилизации стоков в процессе бурения горизонтальных стволов при гидравлическом разрыве пластов и закреплении трещин.
В последние десятилетия эта проблема повсеместно обсуждается в США в связи с активным освоением сланцевой нефти и газа методами горизонтального бурения и гидравлического разрыва. В США подземное захоронение отходов разрешено законодательством большинства штатов. Более половины зарегистрированных скважин приходится на химические, фармацевтические и нефтехимические предприятия. В Германии насчитывается несколько десятков полигонов подземного захоронения сточных вод предприятий калийной, химической, нефтяной и газовой промышленности. Закачка сточных вод производится в карбонатные и терри-генные породы на глубину до и более 1100 м. Объем закачки составляет 1204800 м3/сут на скважину с устьевым давлением 1,0-2,0 МПа. На юго-западе Великобритании промышленные сточные воды закачиваются уже в течение 60 лет в отложения мелового возраста, для чего используются 19 нагнетательных скважин. Известно расположенное относительно близко к поверхности, на глубине около 50 м хранилище - пещера объемом 25 тыс. м3 на о. Джерси (пролив Ла-Манш). Из хранилища сточные воды перекачивают на очистные сооружения или сбрасывают в море через глубинный рассеивающий выпуск. Во Франции первая поглощающая скважина пробурена в 1970 г. в 60 км от Парижа в районе Грандпюи. Воды объемом 1100 м3 при устьевом давлением 1,0 МПа ежесуточно закачиваются в юрские известняки на глубину 1950-1980 м. В Канаде имеется несколько десятков поглощающих скважин для подземной закачки промышленных сточных вод. Только в провинции Онтарио насчитывается 16 таких скважин. В провинции Альберта ежесуточно захоранивается
60
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ECOLOGY
Иркутская область Irkutsk region
оз. Байкал Lake Baikal
Знаменский лицензионный участок Ангаро-Ленского месторождения промышленных рассолов на карте Иркутской обл.
Znamensky license area of the Angara-Lena industrial brine deposit on the map of Irkutsk region
более 30 тыс. м3 сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. В Японии осуществляется подземное захоронение многих разновидностей промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Так, на одном из медных рудников на о. Хонсю на востоке страны в течение многих лет производится закачка кислых дренажных вод в 150 скважин глубиной 35-60 м, пробуренных из шахты в толще андезитов, подстилающихся песчаниками. Объем закачки составляет 13 тыс. м3/сут [8]. Захоронение промстоков в глубокие горизонты осуществимо при технически обоснованной невозможности или эко-лого-экономической нецелесообразности их обезвреживания на поверхности земли. Учитывают совместимость стоков с пластовыми водами и вмещающими породами пласта-коллектора. На закачку сточных вод в подземные горизонты следует получить разрешение природоохранных органов. Строгое соблюдение всех инженерно-геологических и инженерно-экологических требований на полигонах захоронения промстоков позволяет считать, что эта система обращения с отходами является эффективной и экологически безопасной. Наиболее методически разработано и практически перспективно захоронение промышленных стоков в глубокие горизонты земной коры на платформах. Этому условию соответствует рассматриваемый в качестве примера Знаменский лицензионный участок Ангаро-Ленского месторождения промышленных рассолов.
Интерес к использованию гидроминерального сырья для добычи лития появился в Российской Федерации в связи с истощением сырьевой базы традиционного алюмосиликатного сырья (сподумена), что послужило основанием для импорта австралийского сподумена и чилийского карбоната лития. В связи с распадом СССР остро встал вопрос подготовки сырьевой базы брома, так как основные освоенные источники сырья оказались за пределами России (Украина, Азербайджан, Туркмения). До 2004 г. значительная часть промышленного производства брома в России осуществлялась на Краснокамском месторождения йодо-бромных вод (Пермский край).
В рассолах Сибирской платформы содержание лития, брома, магния и других элементов в десятки раз превышает их концентрации в промышленно перерабатываемом сырье. Это единственная гидроминеральная провинция мира, где в парагенезисе находятся литий - до 0,7 кг/м3 и бром - до 13,6 кг/м3, а фонтанирующие скважины выносят на поверхность до 10 т хлористого лития и до 70 т брома в сутки. Научное обоснование дискуссионных аспектов гидрогеологии глубоких горизонтов осадочного чехла платформенных областей, поиск новых эффективных технологий разведки, скважинной добычи, переработки и утилизации рассолов хлоридного кальциевого и магниево-кальциевого типа, выбор наиболее экономичного пути их промышленного использования весьма актуальны.
Дефицит брома и солей лития в России создают благоприятные предпосылки для выхода как на отечественный, так
и на внешний рынок. В поставках брома и бромпродуктов заинтересованы ОАО «Омскхимпром», ОАО «Алтайхим-пром», японские фирмы Tosoh и Mitsui. В гидрооксиде лития остро нуждаются Новосибирский завод химических концентратов и Красноярский химико-металлургический завод, химические предприятия ФРГ, Китая. Хлорид лития - это производство сверхлегких сплавов. Тепловые реакции дейтерий -тритий - будущее в производстве энергии. Литиевые добавки многие годы эффективно используются в производстве первичного алюминия. Сегодня их готовы применять алюминиевые заводы Братска, Красноярска, Иркутска.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Знаменский лицензионный участок (ЗЛУ) расположен в Жигаловском районе Иркутской области (рисунок). Все Ангаро-Ленское месторождение охватывает территории Жигалов-
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 April 2018
61
ЭКОЛОГИЯ
ского, Качугского, Усть-Ордынского, Усть-Удинского, Усть-Кутского, Каза-чинско-Ленского и Братского районов Иркутской обл. Цель разработки месторождения состоит в обеспечении сырьем химической промышленности области и сопредельных регионов. Рассолы по химическому составу уникальны и в мировой практике встречаются редко. Химический анализ проб показал следующие результаты: общая минерализация - до 560 г/л, плотность - до 1,3-1,4 г/см3, кислотность - 2,00-4,35 рН, окислительно-восстановительный потенциал -от 35 до -145 ЕНЬк Содержание основных химических элементов превышает промышленные кондиции: брома - в 30-50 раз, лития - в 25-40 раз, стронция - в 20 раз, марганца - в 5-10 раз, рубидия - в 9 раз [9]. История открытия Ангаро-Ленского месторождения промышленных рассолов и Знаменского лицензионного участка тесно связана с бурением скважин на нефть и газ в южных районах Сибирской платформы. Многие скважины дали притоки рассолов, иногда само-изливом. Самый крупный фонтан рассола объемом 7000 м3/сутки получен в 1986 г. на Знаменской площади из скв. 3-Р с глубины 1818 м. Затем дебит рассолов в результате многократных це-ментажей снизился до 1500 м3/сут и был ликвидирован только после спуска обсадной колонны. В результате аварийного выброса рассолов под большим давлением произошло загрязнение р. Илги и окружающих ландшафтов. В рамках программы геологоразведочных работ Знаменского лицензионного участка в 1995 г. усилиями ООО «Брайн-сиб» в 750 м от скв. 3-Р пробурена вертикально-наклонная скв. 3-А. Она вскрыла знаменский горизонт с аномально высоким расчетным пластовым давлением (423 атм). Дебит перелива рассола при спуске лифта составил 2780 м3/сут, удельный вес - 1,42 г/см3. В пределах буровой площадки 3-А также пробурены две нагнетательные скважины - 3-Б и 3-В (глубиной 680 и 710 м, соответственно) для исследования возможностей закачки отработанного рассола в верхнеангарскую свиту. В 1997-1999 гг. проводились
экспериментальные работы по испытанию продуктивного пласта в скв. 3-А и полигона захоронения в скв. 3-Б в целях получения информации для расчета параметров пластов [10]. В целях реализации программы геологоразведочных работ, создания сети скважин для подсчета запасов, а также для бесперебойного обеспечения сырьем проектируемого завода по переработке гидроминерального сырья запроектировано бурение двух разведочно-эксплуатационных скважин в пределах продуктивного поля. Буровые площадки под скважины отведены в 500 и 300 м от скв. 3-Р Знаменской площади. Объем добычи согласован в размере 1250 м3/ч. Вид скважин - вертикально-наклонный. Для геологического изучения полигона подземного захоронения отработанных рассолов в объемах до 1400 м3/сут и попутного поиска залежей газа запроектировано бурение специальной разведочно-эксплуатационной скважины глубиной 3000 м [11]. С момента начала геологического изучения ЗЛУ вариант обращения с промышленными стоками посредством их закачки в поглощающие горизонты осадочного чехла земной коры Сибирской платформы был фактически безальтернативным, исходя из региональной экономической и экологической ситуации. Этому способствовала и благоприятная геологическая обстановка. Осадочные породы Сибирской платформы в районе ЗЛУ вскрыты глубокими скважинами до кристаллического фундамента (таблица). Сам кристаллический фундамент платформы вскрыт только одной скважиной - 1-СП на Тыптинской площади, расположенной в 25 км на юго-запад от Знаменской (глубина вскрытия - 3137 м). Осадочный чехол платформы в районе исследований сложен породами протерозойского, кембрийского, ордовикского и четвертичного возрастов. В отложениях выделяются три структурных этажа:
• подсолевой - ушаковская, мотская и часть усольской свиты;
• солевой - часть усольской свиты от подошвы осинского горизонта до ее кровли, бельская, булайская, ангарская и литвинцевская свиты;
• надсолевой - верхоленская свита, отложения ордовика [12]. Протерозойские отложения представлены осадочными породами, подвергшимися метаморфизации. Образования кембрия расчленяются на нижний и верхний отделы. Разрез нижнекембрийских отложений, достигающий мощности 3000 м, изучен по данным глубокого бурения. Естественных выходов этих отложений на поверхности нет. Среди них выделены снизу вверх: ушаковская, мотская, усоль-ская, бельская, булайская и ангарская свиты. Нижние части разрезов сложены песчано-глинистыми породами и фиксируют начальные этапы трансгрессии нижнекембрийского моря - ушаковская и нижняя часть мотской свиты. Выше залегают тер-ригенно-карбонатные, карбонатные и карбонатно-соленосные породы средней и верхней частей мотской свиты, которые свидетельствуют о морских и лагунных условиях осадконакопления. На доломитах мотской свиты залегает соленосная толща нижнего кембрия, именуемая усольской (каменная соль с пластами карбонатных и сульфатно-карбонатных пород, сильно засо-лоненных). В результате подтока соляных масс к осевой части Жигаловского вала мощность свиты непостоянна: от 688 м в Знаменской скв. 3-А, пробуренной на юго-восточном крыле вала, до 1500 м и более в осевой части вала. Вышележащая карбонатная толща пород бельской, булайской и ангарской свит фиксирует наличие морских осадков, которые иногда сменяются осадками лагунного типа. Отложения верхнего кембрия имеют основное распространение на Знаменской площади и расчленены на две свиты - верхоленскую и илгинскую. Верхоленская свита, сложенная песчано-глинистыми породами лагунно-континентального и континентального типов, подразделена на нижнюю, среднюю и верхнюю подсвиты. Разрез верхнекембрийских отложений венчает илгинская свита, сложенная терригенными и терригенно-карбо-натными породами лагунно-континен-тального и мелководно-морского типа. Отложения ордовикского возраста распространены в основном на водо-
62
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Геологический разрез скважины 3-А на Знаменском лицензионном участке Geological section of the well 3-A on the Znamensky license area
Стратиграфические подразделения Stratigraphie unit Краткая литологическая характеристика Summary LithoLogicaL characteristics Глубина, м Depth, m Мощность, м Thickness, m
Четвертичная система Quaternary period Пески, супеси, галечник Sands, sandy Loams, gravel 0-10 10
Средний-верхний кембрий Middle-Upper Cambrian
Верхоленская свита Upper Lena suite Доломиты, мергели, песчаники, аргиллиты Dolomites, marls, sandstones, mudstones 10-430 420
Нижний-средний кембрий Lower-Middle Cambrian
Литвинцевская свита Litvintsevskaya suite Доломиты, каменная соль Dolomites, salt rock 430-570 140
Нижний кембрий Lower Cambrian
Ангарская свита Angara suite 570-1125 555
Верхнеангарская подсвита Verkhneangarskaya subsuite Переслаивание каменной соли с прослоями доломитов Intercalation of rock salt with interlayers of dolomites 570-935 365
Нижнеангарская подсвита Nizhneangarskaya subsuite Переслаивание доломитов, каменной соли, доломито-ангидритов Intercalation of dolomites, rock salt, dolomite-anhydrites 935-1125 190
Булайская свита Bulaiskaya suite Доломиты Dolomites 1125-1265 140
Бельская свита Belskaya suite 1265-1675 410
Верхнебельская подсвита Verkhnebelskaya subsuite Переслаивание доломитов, каменной соли, доломито-ангидритов Intercalation of dolomites, rock salt, dolomite-anhydrite 1265-1410 145
Нижнебельская подсвита Nizhnebelskaya subsuite Известковистые доломиты с прослоями ангидритов Calciferous dolomites with interlayers of anhydrite 410-1675 265
Усольская свита Usolye suite Переслаивание каменной соли и доломитов Intercalation of rock salt with dolomites 1675-2365 690
Пласт-коллектор Reservoir bed Доломиты Dolomites 1В1В-1В3В 20
Забой Borehole bottom 2000
разделах и, постепенно погружаясь в северном направлении, приобретают большое развитие к северо-западу от исследуемой территории, достигая мощности 210-240 м. Они расчленены на две свиты - усть-кутскую и ийскую, которые сложены карбонатно-терри-генными породами, сформированными
в мелководно-морском бассейне в области шельфа.
Четвертичные образования, достигающие мощности 15-20 м, представлены аллювиальными отложениями и приурочены к долинам рек и ручьев. В тектоническом отношении объект геологоразведочных работ - Знамен-
ская залежь рассолов - находится в пределах северо-восточной части Ангаро-Ленской ступени Сибирской платформы. Осадочные породы платформенного чехла имеют моноклинальное залегание с пологим наклоном на север. Усложнение разреза и структуры наблюдается в зоне Жигаловского вала. Его дислокации захватывают комплекс пород нижнего палеозоя и связаны с разломами кристаллического фундамента. По осевой части вала проходит разлом, образовавшийся в структуре тектонических блоков, имеющих северо-восточное простирание. Эти дислокации явились причиной образований соляного ядра усольской свиты и способствовали развитию приразломных складок в вышележащих толщах горных пород. Тектонические движения земной коры привели к активизации зон разломов Жигаловского вала, дислокации которого располагаются в 10-15 км севернее Знаменского лицензионного участка в Тыптинской впадине. По авторским материалам, результатам дешифрирования аэрофотоснимков и многолетних полевых исследований активные разломы непосредственно в районе самого ЗЛУ не выявлены. В целом сейсмичность территории оценивается в VI баллов, зоны Жигаловских дислокаций - в VIII, а самого района исследований - в VII баллов [13]. По СНиП П-7-81 [14] в районах, где отсутствуют карты сейсмического микрорайонирования, допускается определять сейсмичность согласно категориям грунтов по сейсмическим свойствам, строению рельефа и особенностям проявления физико-геологических процессов. Площадки разведочного и кустового бурения ЗЛУ расположены в долинах рек на маломощных рыхлых необводненных грунтах пологих склонов, на прочных скальных грунтах уплощенных предгорий, где отсутствуют неблагоприятные геологические процессы. Грунты на одних площадках по сейсмическим свойствам относятся к 2-й категории (для них расчетная сейсмичность будет равна исходной сейсмичности
VI баллов), на других - к 1-й категории (для них при исходной сейсмичности
VII баллов расчетная сейсмичность равна VI баллам).
ЭКОЛОГИЯ
Магнито- и гравиразведочными исследованиями установлено, что магнитное поле в районе ЗЛУ отрицательное. Форма аномалий пологая, расплывчатая, с выраженным простиранием с юга на север. Складки в фундаменте имеют в основном северное простирание. Его кровля испытывает пологое погружение с запада на восток. В этом же направлении возрастает мощность осадочных тол щ, для которых хара ктер н ы пологие линейно вытянутые складки северо-восточного простирания. На фоне моноклинального погружения пород илгинской и верхоленской свит выделяется ряд линейно вытянутых зон антиклинальных и синклинальных складок. В районе Знаменской площади выделяется Инагдинская синклиналь шириной 3 км и протяженностью 14 км, Каченьская синклиналь шириной до 10 км и протяженностью до 60 км, и между ними - Чичекская антиклиналь шириной 5-6 км и протяженностью до 25 км. Все структуры ориентированы с юго-востока на северо-запад [12].
Рассмотренные черты геологического строения в целом благоприятствуют захоронению промстоков в глубокие горизонты. Поглощающие интервалы приурочены к следующим стратиграфическим комплексам:
1) карбонатным породам соленосной толщи отложений нижнего кембрия;
2) терригенным породам подсоленосной толщи отложений мотской и ушаковской свит нижнего кембрия;
3) зонам развития трапповых интрузий. Наибольший интерес представляют интервалы, находящиеся под перекрытием мощных пачек солей, что обеспечивает экологическую безопасность захоронения отходов.
Для ЗЛУ обобщены данные по конструкциям пробуренных скважин. Это позволило определить варианты технологических схем захоронения промстоков с учетом реальных конструкций, объектов поглощения, их гидродинамических характеристик как для уже пробуренных, так и для проектируемых скважин. При разработке схем закачки промстоков для скважин с притоком промышленных рассолов предусмотрено разобщение поглощающих и водопроявляющих
интервалов. Разработаны следующие варианты:
1) с системой разделяющих пакеров в подсоленосном комплексе;
2) с закачкой в заколонное пространство 8-дюймовой скважины в зону гидроразрыва пласта с получением притока флюида по внутреннему пространству 5-дюймовой колонны;
3)с запасной скважиной,пробуренной на интервал поглощения с последующей интенсификацией методом гидроразрыва пласта;
4) для варианта, при котором ожидаемое поглощение зоны в отмеченном интервале разреза отсутствует [15]. Схема полигона захоронения на ЗЛУ включала следующие основные виды деятельности:
1) прием и подготовку отходов для захоронения в соответствии с регламентными нормами;
2) нагнетание отходов в пласт-коллектор в регламентных режимах;
3) мониторинг процесса захоронения и распространения отходов в недрах, а также технического состояния инженерных сооружений;
4) оптимизацию эксплуатации полигона на основании мониторинговых данных. Подготовка промышленных отходов, обезбромленных и несколько разбавленных природных рассолов к захоронению обеспечивает:
• совместимость их с горными породами и пластовыми водами пласта-коллектора;
• предупреждение кольматации (заиливания) прифильтровой зоны пласта-коллектора содержащимися в отходах взвесями;
• исключение образования слаборастворимых соединений, снижающих фильтрационные свойства пласта-коллектора;
• предотвращение коррозионного разрушения конструкционных элементов скважин и интенсивного растворения пород пласта-коллектора.
На этапе геологоразведочных работ в качестве перспективного объекта для захоронения был принят бильчир-ский горизонт ангарской свиты нижнего кембрия, залегающий на глубине 800-850 м. Разработано техническое решение по захоронению отходов
через эксплуатационную скважину. При проведении поискового бурения скв. 3-А вскрыты и опробованы пласты-коллекторы бильчирского горизонта. По результатам опробования горизонт характеризовался низкими фильтрационными параметрами вследствие широко развитых процессов вторичной кольматации галитом (МаС1). Проведено вторичное воздействие на пласт-коллектор методом гидроразрыва, после чего осуществлена пробная закачка сначала пресной воды, затем рассола. Приемистость пласта-коллектора признана удовлетворительной. Последующее перекрытие этого интервала обсадной колонной и поднятие за колонной цемента в цикле крепления до зоны гидроразрыва, интервала поглощения позволило полностью реализовать спроектированное техническое решение по захоронению отходов. Несмотря на полученные положительные результаты, предложенная схема не соответствовала нормативным документам контрольных органов Госгор-технадзора. Были высказаны следующие опасения: в случае кольматации поглощающего интервала при закачке отработанных рассолов или промстоков теряется возможность дальнейшего захоронения, поскольку не предусмотрено дублирующего варианта, скважины-дублера, невозможны спуск насо-сно-компрессорных труб и прокачка жидкости (пресная вода, кислота, ПАВ). Поэтому дополнительно пробурены специальные нагнетательные скважины глубиной около 800 м для закачки в тот же бильчирский горизонт. В скважинах, специально оборудованных лифтовыми трубами, возможность прокачки жидкости остается, что обеспечивает постоянный процесс захоронения. Специфика бурения на ЗЛУ показала, что наиболее эффективно параллельное использование предложенных вариантов. Поэтому при вскрытии продуктивного высоконапорного рас-солопроявляющего интервала с дебитом до 10 тыс. м3/сут необходимо располагать: 1) промежуточным объемом парка емкостей, в которые можно принять фонтанирующую рапу (рассол) в расчетном объеме 400 м3; 2) аварийным котлованом с объемом не менее
64
№ 4 апрель 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
20 тыс. м3/сут; 3) подземным природным резервуаром, пригодным для захоронения, - глубокой поглощающей скважиной с расчетными параметрами приемистости не менее 50-100 м3/ч; 4) резервным поглощающим сооружением либо апробированным вариантом возврата отходов в межколонное пространство буровой скважины. При разработке технологии геологоразведочных работ создана единая система обвязки устья скважин и межколонного пространства. Необходимы следующие требования к обвязке устья:
1) вскрытие рассолопроявляющего пласта должно идти под вращающимся превентором либо на перелив при наличии в обвязке трех превенторов (один - с глухими плашками, два - с плашками на 114 и 140 мм);
2) перекрытие любого из трех превенторов должно дать возможность перекачивать под расчетным давлением 190 атм предпроектные предполагаемые объемы рассола в промежуточную емкость (котлован) с последующей закачкой в поглощающий интервал насосами;
3) в случае засоления линии движения на устье обвязка должна дать возможность перепустить рассол по вспомогательной схеме, а рассаливающая жидкость в расчетных объемах и режимах должна подаваться в засолившийся блок задвижек и труб;
4) в случае отказа закачивающих насосов и возникновения аварийной ситуации обвязка должна позволить запустить продуктивный рассолопро-являющий пласт напрямую в поглощающий горизонт под собственным давлением.
Последнее подтверждается следующим: фактически замеренное давление продуктивного пласта составляет 187 атм на устье; расчетное давление гидроразрыва поглощающего пласта -115-130 атм; расчетное давление закачки - 85 атм.Поэтому продуктивный пласт под собственным давлением флюидной системы должен «рвать» поглощающий пласт. При этом обсадные колонны в скважинах рассчитываются на разрыв и смятие в интервале 0-850 м [15].
Для исключения риска аварийных ситуаций в алгоритме бурения глубоких геологоразведочных и эксплуатационных скважин на ЗЛУ предусмотрен переход с турбинного способа бурения на роторный за 50-100 м до кровли продуктивного пласта для исключения эффекта поршневания компоновки низа бурильной колонны. Такая модель системы «долото - забойная компоновка» позволит дать расчетную циркуляцию в трубном и затрубном пространстве в момент вскрытия, т. е. резкого скачка давления на устье. В случае работы скважины на все отводы через спроектированную обвязку предусмотрена возможность подъема бурового инструмента (с «управляемым переливом») с последующим закрытием верхнего превентора (глухие плашки). При этом собственно конструкция зумпфа ниже трех превенторов, и включение в нее вертикального шламового насоса, который будет откачивать из зумпфа попавшие туда при переливе рассолы, позволяет исключить попадание их на рельеф. Площадь под буровой уста-
Нефтегазовый форум
технологий и инвестиций
14-15 ноябпя Г >1 г- Нижневартовск
^ пилиКЛ I Двооеи Искусств, ул. Ленина. 7
Дворец Искусств, ул. Ленина, 7
МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
НИЖНЕВАРТОВСК
НЕФТЬ. ГАЗ-2018
Организаторы: Администрация г. Нижневартовска,
Нижневартовская торгово-промышленная палата, ООО "Выставочная компания Сибэкспосервис", г, Новосибирск
(В
| Телефон/факс: \"Э E-mail: [email protected]
I {383)335-63-50 М JEfVKE www.ses.net.ru
ЭКОЛОГИЯ
новкой цементируется с наклоном в сторону зумпфа.
Анализируя изложенный алгоритм технологии геологоразведочных работ бурением, можно сказать, что наиболее эффективным является вариант с закачкой на специальных нагнетательных скважинах в бильчир-ский горизонт, что и осуществляется сегодня на скв. 3-Б с одновременным использованием схемы захоронения через межколонное пространство эксплуатационной скв. 3-А.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
Главным условием экологической безопасности, снижения риска производственных циклов и надежной безаварийной эксплуатации нагнетательных скважин и самого полигона захоронения отработанных рассолов на ЗЛУ является производственный инженерно-экологический мониторинг. Опираясь на авторский опыт по Ковык-тинскому газоконденсатному месторождению [16, 17], в схемах организации мониторинга можно выделить следующие основные типы. Мониторинг нагнетания отходов. Фиксируются параметры нагнетания и состав отходов, их соответствие регламентным нормам. Главные контролируемые параметры:давление и расход нагнетания, химический состав природных либо отработанных рассолов (после селективного извлечения брома, лития и др.) и их физические характеристики. Из основных физико-химических характеристик регистрируются содержание мелкодисперсных взвешенных твердых веществ, кислотность или щелочность, содержание солей, нестабильных компонентов или компонентов, вступающих в реакции с подземными водами с образованием слаборастворимых соединений. Все данные непрерывно регистрируются, предусмотрена систе-
ма раннего оповещения о достижении критических значений контролируемых параметров.
Мониторинг состояния недр включает несколько видов наблюдений:
• гидродинамический контроль - определение полей напоров пластовых жидкостей в пласте-коллекторе и контролируемых горизонтах;
• гидрогеохимический контроль - определение состава подземных вод, компонентов отходов и физико-химических показателей, характеризующих процесс захоронения отработанных рассолов или промстоков;
• геофизический контроль - определение изменений физических полей в недрах (температуры и электросопротивления пластовых жидкостей). Мониторинг технического состояния скважин. Методы гидродинамического, гидрохимического (определение напоров и компонентов отходов в вышележащем горизонте в районе контролируемой скважины) и геофизического контроля - термометрия, расхо-дометрия, акустическая цементометрия, опрессовка обсадных колонн, контроль давления закачки и качества крепления обсадных колонн. Эти виды наблюдений позволяют выявлять осложнения и предотвращать следующие аварийные ситуации: ухудшение затрубной изоляции, нарушение герметичности обсадных колонн, образование песчаных пробок, снижение фильтрационных свойств пласта-коллектора.
Для организации сети производственного и инженерно-экологического мониторинга полигона захоронения на ЗЛУ предусмотрено оборудование наблюдательных скважин, которые располагаются в соответствии с направлениями основных прогнозных линий тока захороненных отходов. Внешний контур наблюдательных скважин полностью покрывает прогнозируемый ареал распространения захороняемых рассолов
и промстоков. Скважины вскрывают как сам пласт-коллектор, так и подстилающие горизонты-коллекторы в горных породах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье рассмотрена новая технология геологической разведки глубоким бурением месторождений промышленных рассолов, технически решающая проблему одновременной утилизации обезбромленных рассолов с неизменным химическим составом по макрокомпонентам, а также жидких отходов продуктов бурения и других промстоков посредством их захоронения в глубоких поглощающих горизонтах земной коры. Это открывает возможность экологически безопасного проведения циклов геологоразведочных работ и последующего освоения залежей промышленных рассолов. С учетом особенностей геологического строения района ЗЛУ Анга-ро-Ленского месторождения промышленных рассолов разработан комплекс инженерно-экологических мероприятий для решения проблемных вопросов, возникающих на разных стадиях разведки и освоения месторождения. Впервые для Сибирской платформы предложенная схема реализована в виде опытного полигона захоронения, включающего две специальные нагнетательные скважины, совмещенные с вариантом захоронения через межколонное пространство эксплуатационной скважины. Авторский опыт экологического сопровождения проектов разработки крупных месторождений показывает, что при соблюдении инженерно-экологических норм метод подземного захоронения отходов производства на буровых месторождениях промышленных рассолов способен обеспечить экологическую безопасность и снизить риск геологоразведочного и добывающего производственного процесса.
Литература:
1. Болтыров В.Б., Медведев О.А. Подземное захоронение жидких промышленных отходов как технология обеспечения экологической безопасности территорий Уральского региона // Технологии гражданской безопасности. 2010. Т. 7. Вып. 4 (26). С. 98-101.
2. Гаев А.Я., Абукова Л.А., Нестеренко Ю.М. и др. Об экологическом значении глубоких поглощающих горизонтов // Проблемы региональной экологии. 2010. № 1. С. 72-76.
3. Грабовников В.А., Татарчук Ю.С., Шипулин Ю.К. Условия обеспечения экологической безопасности подземного захоронения токсичных отходов // Разведка и охрана недр. 1999. № 4. С. 41-44.
4. Гидрогеологические исследования для обоснования подземного захоронения промышленных стоков / Под ред. В.А. Грабовникова. М.: Недра, 1993. 335 с.
5. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П., Лукьянчикова Л.Г. Подземное захоронение промышленных сточных вод. М.: Недра, 1994. 282 с.
6. Егоров Н.Н., Блажнов Я.Н., Иванова Н.Ф., Еременко А.Н. Критерии и принципы составления карты условий захоронения опасных твердых и отверж-денных промышленных отходов // Разведка и охрана недр. 2008. № 10. С. 11-16.
7. Зобнин И.В., Ананьев А.Н., Лиховидов А.В. Утилизация отходов бурения путем закачки в пласт // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2004. № 2. С. 22-25.
8. РД 51-31323949-48-2000. Гидрогеоэкологический контроль на полигонах закачки промышленных сточных вод / Под ред. В.П. Ильченко. М.: ИРЦ «Газпром», 2000. 121 с.
9. Вахромеев А.Г. Глубокое бурение и освоение залежей промышленных рассолов с аномальными параметрами на Сибирской платформе // Изв. Сибирского отделения секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2010. № 1. С. 117-128.
10. Вахромеев А.Г., Кузьмин С.Б., Абалаков А.Д. и др. Опыт обеспечения экологической безопасности и безаварийности вскрытия и освоения высоконапорных рассолоносных горизонтов // Разведка и охрана недр. 2001. № 5. С. 43-48.
11. Вахромеев А.Г. Закономерности формирования и локализации месторождений промышленных рассолов в карбонатных каверново-трещинных резервуарах кембрия юга Сибирской платформы (по данным глубокого бурения, испытания скважин и полевой геофизики). Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2015. 248 с.
12. Объяснительная записка к геологической карте СССР масштаба 1:25 000. Лист N-48^. М.: Недра, 1967. 46 с.
13. Карта сейсмического районирования Восточной Сибири и Монголии. Под редакцией Н.А. Логачева и В.С. Хромовских. Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 1996.
14. СНиП П-7-81*. Строительство в сейсмических районах (с изм. и доп.) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200000291 (дата обращения: 26.04.2018).
15. Вахромеев А.Г., Кузьмин С.Б., Абалаков А.Д. и др. Экологически чистые технологии: подземное захоронение отходов производства на месторождениях промышленных рассолов // Инженерная экология, 2000. № 4. С. 41-49.
16. Кузьмин С.Б., Абалаков А.Д. Оценка воздействия Ковыктинского газоконденсатного месторождения на геологическую среду и обеспечение экологической безопасности // Проблемы региональной экологии. 2001. № 1. С. 39-52.
17. Кузьмин С.Б., Вахромеев А.Г. Геоэкологические исследования на Лено-Ангарском плато. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. 122 с.
References:
1. Boltyrov V.B., Medvedev O.A. Underground Dumping Of Liquid Industrial Waste as Technology of Providing Ecological Security of the Ural Region Territories. Tekhnologiya grazhdanskoi bezopasnosti = Civil Security Technology, 2010, Vol. 7, No. 4 (26), P. 98-101. (In Russian)
2. Gayev A.Ya., Abukova L.A., Nesterenko Yu.M., et al. About Ecological Function of Deep Absorbing Levels. Problemy regional'noi ekologii = Regional Environmental Issues, 2010, No. 1, P. 72-76. (In Russian)
3. Grabovnikov V.A., Tatarchuk Y.S., Shipulin Y.K. Terms of Ensuring the Environmental Safety of the Underground Burial of Toxic Waste. Razvedka i okhrana nedr = Prospect and Protection of Mineral resources, 1999, No. 4, P. 41-44. (In Russian)
4. The Hydrogeological Study to Justify the Underground Disposal of Industrial Effluents. Ed. by V.A. Grabovnikov. Moscow, Nedra, 1993, 335 p. (In Russian)
5. Goldberg V.M., Skvortsov N.P., Lukyanchikova L.G. Underground Disposal of Industrial Wastewater. Moscow, Nedra, 1994, 282 p. (In Russian)
6. Egorov N.N., Blazhnov Ya.N., Ivanova N.F., Eremenko A.N. Map of Site Suitability for Subsurface Disposal of Solid Andsolidified Hazardous Industrial Waste Criteria and Principles of Compilation. Razvedka i okhrana nedr = Prospect and Protection of Mineral resources, 2008, No. 10, P. 11-16. (In Russian)
7. Zobnin I.V., Ananiev A.N., Likhovidov A.V. Drilling Waste Disposal by Injection into the Reservoir. Zatshita okruzhayutshei sredy v neftegazovom komplekse = Environmental Protection in Oil and Gas Complex, 2004, No. 2, P. 22-25. (In Russian)
8. Methodological Guide RD 51-31323949-48-2000. Hydrogeoecological Control at Landfills and Industrial Waste Water Injection. Ed. by V.P. Ilchenko. Moscow, Publishing and Editorial Center "Gazprom", 2000, 121 p. (In Russian)
9. Vakhromeev A.G. Deep Drilling and Mining of Industrial Brines Deposits with Abnormal Parameters on Siberian Platform. Izvestiya Sibirskogo otdeleniya sektsii nauk o Zemle RAEN. Geologiya, poiski I razvedka rudnykh mestorozhdeniy = Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences of the Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits, 2010, No. 1, P. 117-128. (In Russian)
10. Vakhromeev A.G., Kuzmin S.B., Abalakov A.D., et al. The Experience of Environmental Safety and Accident-Free Opening and Development of Brine Horizons. Razvedka i okhrana nedr = Prospect and Protection of Mineral resources, 2001, No. 5, P. 43-48. (In Russian)
11. Vakhromeev A.G. Patterns of Industrial Brine Deposits Formation and Localization in Cambrian Carbonated Viggy-Fractured Rocks Reservoir of South Siberian Plate (According to Deep Drilling, Well Testing and Field Geophysics). Irkutsk, Irkutsk State Technical University Press, 2015, 247 p. (In Russian)
12. The Explanatory Note to the Geological Map of the USSR Scale of 1: 25 000. Sheet N-48-XV. Moscow, Nedra, 1967, 46 p. (In Russian)
13. The seismic Zoning Map of Eastern Siberia and Mongolia. Ed. by N.A. Logacheva and V.S. Khromovskikh. Irkutsk, Publishing House of the Earth's Crust SB RAS, 1996. (In Russian)
14. Construction Standards and Regulations (SNiP II-7-81*). Construction in Seismic Regions (amended and revised) [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200000291 (Access date - April 26, 2018). (In Russian)
15. Vakhromeev A.G., Kuzmin S.B., Abalakov A.D., et al. Environmentally Friendly Technologies: Underground Disposal of Waste Products in the Fields Of Industrial Brine. Inzhenernaya ekologiya = Engineering Ecology, 2000, No. 4, P. 41-49. (In Russian)
16. Kuzmin S.B., Abalakov A.D. Assessing the Impact of the Kovykta Gas-Condensate Field on the Geological Environment and Ensuring Ecological Safety. Problemy regional'noi ekologii = Regional Environmental Issues, 2001, No. 1, P. 39-52. (In Russian)
17. Kuzmin S.B., Vakhromeev A.G. Geoenvironmental Study on the Lena-Angara Plateau. Irkutsk, Irkutsk State Technical University Publishing House, 2003, 122 p. (In Russian)
