Оценка загрязнения подземных вод

Большинство месторождений нефти расположено в пределах современных артезианских бассейнов различных порядков, которые имеют ярко выраженные гидродинамическую и гидрогеохимическую зональности, взаимосвязан­ные и взаимообусловленные историей развития осадочных бассейнов.

Знание закономерностей зонального строения подземных водоносных толщ необходимо с точки зрения формирования возможностей регионального загрязнения при извлечении и подготовке нефти. Не последнюю роль в этих про­цессах играют также технологические особенности эксплуатации нефтегазо­носных комплексов.

Осадочная толща, начиная от кристаллического фундамента и заканчивая четвертичными образованиями, в той или иной степени водонасыщена, а водоносные горизонты разделены между собой относительными водоупорами. Водоупоры представлены глинистыми, глинисто-карбонатными и галогенными отложениями, они играют роль границ, препятствующих широкому развитию вертикальных инверсий, и формируют выделенные типы вертикальной зональ­ности.

Дифференциация закономерностей формирования подземных вод и их химического состава может быть представлена на примере Предуральского про­гиба (табл. 5.13).

Анализ гидрогеологических условий данного региона интересен тем, что с начала 40-х гг. XX в. здесь эксплуатируется несколько крупных месторождений - Ишимбайская группа, Туймазинское и Шкаповское, месторождения Боль­шого Арлана.

Пресные подземные воды как наиболее ценные воды подземной гидросфе­ры заключены в уфимских (Р₂и), нижнеказанских (P₂kz), верхнеказанских (PjkZj), татарских (P₂tj) отложениях верхней перми и аллювиальных и аллювиально-делювиальных образованиях четвертичного возраста. Районы испытывают острый дефицит питьевой воды из-за повсеместного загрязнения поверхностных и подземных вод за счет засолонения. Устойчивость проявления этого про­цесса обусловлена главным образом техногенными причинами, связанными с эксплуатацией перечисленных выше месторождений.

Таблица 5.13 - Схемы гидродинамической и гидрохимической зональностей Башкирского Предуралья (по [1], с дополнениями)

Влияние техногенных факторов на подземные воды формируется под воздействием ряда причин. На качественных и количественных изменениях по­казателей состояния гидросферы это воздействие проявляется с некоторым запаздыванием во времени. Как следствие, новая гидрохимическая и температурная обстановка, сформированная в подземных водах, сказывается на филь­трационных свойствах пород. Экспериментально показано, что при измене­нии температуры от 20 до 80 °С проницаемость глин возрастает на 1-2 порядка, что обусловливает увеличение скорости латеральной миграции подземных вод и активизацию вертикального обмена и приводит к нарушению естественных условий гидрогеодинамической, гидрогеохимической, газовой и температур­ной зональностей (табл. 5.13).

При фильтрации воды, загрязненной нефтепродуктами, происходит их накопление во вмещающих породах с одновременным разложением органических веществ. Взаимодействие загрязненных вод с вмещающими породами происходит по чрезвычайно сложным законам и зависит от таких факторов, как начальная концентрация нефти в воде, продолжительность воздействия и мощность источника загрязнения, структура фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) вмещающих пород и соответственно скорость фильтрации.

В.М. Гольдберг [18] приводит следующий уникальный пример, который убедительно подтверждает сказанное выше. В ходе эксперимента при нагнетании воды с растворенной нефтью контрольными замерами фиксировалась пло­щадная миграция УВ. На расстоянии 1500 м самоочищения подземных вод не наблюдалось. Через 50 сут. после прекращения нагнетания концентрация УВ в этой точке снизилась на 82 %, а через 180 сут. нефтепродукты в воде не были обнаружены (в пределах чувствительности анализа).

В то же время в работе [31] приводятся данные по расчетам распростране­ния 10 м³ нефти в водоносном горизонте, которые указывают на образование загрязненной зоны протяженностью 6,5 км при площади загрязнения 0,13 км². Время существования этого загрязнения в подземных водах исчисляется в пределах 600-900 лет.

Важно отметить следующие закономерности влияния на подземные воды, типичные для многих месторождений нефти, находящихся на поздней стадии освоения [1].

1. Загрязнение пресных подземных вод происходит практически беспрепятственно как сверху - через зону аэрации, так и снизу - напорными водами из глубоко залегающих водоносных горизонтов. Проникновение загрязненных вод сверху контролируется степенью естественной защищенности подземных вод. Поступление вод снизу обусловлено нарушением естественных водоупорных толщ многочисленными скважинами и искусственно созданными нару­шениями сплошности покрышек залежей нефти. Принудительное увеличение пластового давления интенсифицирует проникновение в верхние горизонты рассолов, нефтей, газов через тектонические нарушения и различные по гене­зису литологические окна.

2. Проникновение высокоминерализованных рассолов в зоны пресных вод в результате смешения создает новые гидрохимические типы вод: гидрокарбонатно-хлоридные, хлоридные кальциево-натриевые, магниево-кальциевые и хлоридно-натриевые воды с минерализацией от 8-10 до 30 г/л, а в отдельных пунктах - до 88 г/л.

3. Высокая миграционная способность хлоридных солей приводит к актив­ному насыщению водовмещающих и водоупорных пород, ранее испытывав­ших дефицит такого рода солей. Благодаря этому загрязнение новых порций пресных вод продолжается в течение десятков лет после прекращения дей­ствия источника поступления.

4. Добыча нефти с применением ППД приводит к повышению динамичес­кого уровня пластовых вод на значительных площадях вплоть до зоны интенсивного водообмена с развитием пресных вод. При снятии избыточного давле­ния динамический уровень пластовых вод приходит в естественное состояние, поступление рассолов в зону пресных вод прекращается и гидродинамическая обстановка восстанавливается почти до естественной.

5. Основные объемы рассолов из продуктивных пластов поступают в верх­ние водоносные горизонты по затрубным пространствам скважин, не зацементированным или частично зацементированным, но нарушенным в период экс­плуатации. Причины, предопределяющие такую миграцию рассолов по затрубными пространствам, закладываются на стадии проектирования и пос­ледующих этапах строительства скважин. Избыточное давление, создаваемое в продуктивных пластах, выступает как активная движущая сила.

6. Основной причиной загрязнения подземной гидросферы на нефтяных месторождениях Башкирии явилось контурное заводнение. Эволюция подобного рода воздействий сводится к следующим негативным процессам:

- на начальных этапах происходит эпизодическое изменение химического состава поверхностных вод - появление хлоридных солей и нефтепродуктов в период активного смыва талыми и снеговыми водами;

- с момента начала действия эксплуатационных скважин произошло увеличение дебита родников, находящихся вблизи нагнетательных скважин, по­явление новых родников с нетипичным химическим составом вод;

- исчезновение родников и снижение уровней воды в колодцах, заметное обмеление рек на отдельных участках месторождений;

- резкое изменение химического состава вод родников и колодцев, а также рек в периоды зимней и летней межени.

7. Загрязнение с поверхности происходит активно в первые годы эксплуа­тации через зону аэрации за счет использования естественных понижений на поверхности земли (карстовых воронок, оврагов и суходолов) для сброса извлеченных вод высокой минерализации. Однако объемы этих сбросов и совре­менное поступление загрязнителей с поверхности значительно меньше объе­мов поступления в пресные водоносные горизонты концентрированных вод по затрубному пространству с нижележащих коллекторов.

8. При самых благоприятных условиях нахождения цементного камня в затрубном пространстве скважин его долговечность в агрессивной среде, а именно таковой являются зоны замедленного и весьма замедленного водообмена, не превышает 50 лет. Особенно активно в качестве катализаторов при разрушении тампонажных материалов действуют сульфат-ионы, сероводород, хлориды, соли магния.

9. Локальное загрязнение поверхностных и подземных вод возникает при ремонте скважин, когда проводится откачка и утилизация нефтепромысловых вод. Объемы откачиваемых вод, представляющих реальную угрозу для ОПС. могут достигать десятков и сотен кубометров.

При интенсивном отборе флюидов из продуктивного коллектора происхо­дят нарушения равновесного состояния пластовых вод, являющихся сложны­ми системами. Нарушения возникают вследствие изменения пластовых давле­ний, температуры, при контакте с другими пластовыми водами, отличными по химическому составу, или пресными водами. Изменения состава пластовых вод происходят при закачке больших объемов химреагентов, используемых для повышения нефтеотдачи пластов, и других видах воздействия.

Наиболее масштабные воздействия на подземные водоносные системы отдельных продуктивных коллекторов обусловлены возникновением гидравли­ческой связи между соседними по разрезу пластами. Такие связи были зафик­сированы при анализе эффективности заводнения Туймазинского и других месторождений в Предуральском краевом прогибе [64, 79 и др.]. Сосредото­ченные перетоки жидкости происходят через литологические окна, представ­ляющие собой слияние двух или более пластов, либо по зонам тектонических нарушений. Признаками возможности взаимодействия пластов являются:

- отсутствие глинистого раздела между пластами или наличие в глинистом разделе зон с повышенной проницаемостью;

- появление воды в скважинах верхнего пласта, расположенных внутри контура сплошной нефтеносности;

- возникновение аномально высоких пластовых давлений (АВПД) в верхнем пласте внутри зоны отбора;

- аномально высокое положение водонефтяного контакта (ВНК) по нижнему пласту;

- изменение химического и газового составов попутно добываемых вод, типичных для нижнего пласта;

- отсутствие реакции добываемой продукции на методы увеличения нефтеотдачи пласта.

Нарушение равновесного состояния пластовых вод и качества добываемой нефти с применением методов увеличения нефтеотдачи пластов происходит в первую очередь за счет охлаждения пластов от закачиваемой воды; биозаражения чуждыми микроорганизмами аэробных условий; подачи в пласт в условиях восстановительной геохимической обстановки вод, свойственных окислитель­ным условиям; заноса механических и органических примесей. Перечислен­ные процессы сопровождаются ростом обводненности продукции. При этом объемы закачиваемых и извлекаемых вод, как правило, несопоставимы.

При воздействии на пласт химреагентами наиболее часто применяются отходы производства серной кислоты, щелочи, ПАВ и другие сильнодействую­щие жидкости. В результате таких воздействий происходит обогащение нефти серой, парафинами, асфальтенами и смолами, уменьшение содержания легких фракций в составе нефтей, снижение газового фактора и давления насыщения растворенным газом, не говоря уже о происходящих изменениях состава воды в пласте. Этот факт достаточно адекватно отражается на химическом составе добываемой одновременно с нефтью и ПНГ воды. Кроме увеличения кислот­ности воды происходит рост содержания таких соединений серы, как сульфиды, меркаптаны, сероводород, сульфоксиды, сульфокислоты и др. Все эти соеди­нения при попадании в природные среды на поверхность земли представляют реальную экологическую опасность.

Напомним, что реальные объемы закачиваемых агрессивных жидкостей могут составлять многие десятки тысяч тонн. Например, по Абрахмановской и Восточно-Сулевской нефтеносным площадям (Татарстан) начиная с 1972 г. было закачано более 100 тыс. т промышленных отходов серной кислоты [79]. Очевидно, что такие объемы закачек высокоагрессивной по отношению к нефтесодержащим коллекторам и подземным водам жидкости не могли не сказаться на гидрогеохимической обстановке пласта. В частности, кроме возрастания коррозионной активности вод произошло усиление процессов гипсообразования, что отрицательно сказывается на фильтрационных характе­ристиках пластов.

Изменение влаги, содержащейся в горных породах (всех разновидностей, от гравитационных до химически связанных), приводит к изменениям напряженного состояния массива пород или минеральной матрицы, в которой про­исходит движение подземных вод.

Вместе с реагентами для повышения нефтеотдачи в пласт вводятся различ­ные по составу ингибиторы коррозии, деэмульгаторы, соляная и плавиковая кислоты, которые также оказывают влияние не только на пористую или трещинную среды, но и на подземные воды, циркулирующие в этих средах. Так, применение вышеперечисленных веществ приводит к разрушению цементно­го субстрата терригенных коллекторов и, следовательно, к деформациям филь­трационных полей.

Подземные воды являются универсальным информативным компонентом, реагирующим практически на все процессы, происходящие в геологической среде. С этих позиций представляет интерес классификация техногенных процессов и явлений при освоении месторождений нефти, предложенная в работе [5], с некоторыми изменениями (табл. 5.14).

Гидрогеологические исследования по оценке масштабов развития техноген­ных процессов и явлений, перечисленных в табл. 5.14, наиболее часто прово­дятся при помощи среднемасштабной гидрогеологической съемки месторож­дения. Съемка сопровождается широким комплексом гидрогеофизических, гидрогеохимических и других видов работ.

При этом особое внимание уделяется следующим работам:

- изучению защитных свойств пород зоны аэрации - определяются ее мощность, состав пород, сорбционные показатели, геохимическое состояние пород и водопроявления, возможные параметры миграции ЗВ по разрезу и в плане;

- оценке интенсивности инфильтрационных поступлений ЗВ в водоносные горизонты - определяются динамика влажности пород зоны аэрации, опыт­но-фильтрационные параметры;

- определению характера взаимосвязи шламохранилищ с подземными вода­ми на основании проведения буровых, геофизических и гидрогеохимичес­ких исследований;

Таблица 5.1 - Классификация техногенных процессов и явлений при освоении месторождений нефти

- оценке характера деградации мерзлоты в районах объектов добычи и под­готовки нефти, вспомогательных объектов постановкой режимных геотермических исследований;

- определению изменений химического состава поверхностных и подземных вод в зоне влияния на основе детального опробования;

- оценке фильтрационных свойств слабопроницаемых отложений, разделяющих водоносные горизонты и комплексы, условий перетекания (данные гео­физических исследований, лабораторные измерения, данные пьезометри­ческих наблюдений);

- картографированию техногенных изменений подземной гидросферы на основе геофизических (ВЭЗ, ВЗЗ, ВП), буровых и гидрогеологических методов, а также методов ИК-тепловой и радиотепловой (СВЧ) аэросъемок;

- оценке роли техногенных нарушений подземной гидросферы в изменении компонентов ландшафтов (поверхностного стока, растительности и др.).

При оценке воздействия в первую очередь рассчитывается возможность вертикальной миграции ЗВ на территории горного отвода или на наиболее уязви­мых участках, а также отдельных объектов - потенциальных загрязнителей буровых площадок, РВС, складов ГСМ, эстакад и др.).

Оценка распространения ЗВ базируется на расчетах гидрогеохимической миграции или пространственно-временном их перемещении в системах, образуемых подземными водами и техногенными средами. Процессы миграции ЗВ протекают под воздействием компонентов сред, что приводит к качественно-количественным изменениям их состава. Для оценки таких изменений в под­земных водах используются достаточно сложные математические модели. Од­нако на первом этапе оценок поступления ЗВ в грунтовые воды и миграции в них загрязнителей используют более простые методы.

В общем случае защищенность подземных вод оценивается на основе четырех показателей: глубины залегания грунтовых вод или мощности зоны аэратхии, строения и литологического состава слагающих пород этой зоны, мощности и распространенности слабопроницаемых отложений над грунтовыми водами и фильтрационных свойств пород над уровнем грунтовых вод. Наибольшее влияние на скорости и объемы инфильтрующихся загрязненных вод оказывают два последних признака, а глубина залегания грунтовых вод имеет подчиненное значение. Поэтому при предварительных оценках категорий за­щищенности пользуются параметром мощности зоны аэрации и расчетами глу-5нн и скоростей инфильтрации загрязненных вод. При более детальных оценках з расчеты или прогнозные модели вводят такие параметры, как поглощающие, сорбционные свойства пород и соотношения уровней водоносных горизонтов с целью оценки горизонтальных направлений и объема миграции загрязненных вод по латерали. На этом же этапе наряду с природными необходим «чет техногенных физико-химических процессов (свойства жидкости).

В качестве примера можно привести расчет возможностей инфильтрации нефти при прорыве внутрипромыслового нефтепровода в аллювиальный водоносный комплекс, содержащий грунтовые воды с низкой степенью естествен­ной защищенности. Комплекс представлен песками, супесями и суглинками, бегающими на глинах.

К категории плохо защищенных подземных вод наиболее уязвимых участке: с суммой 4 балла (по классификации В.М. Гольдберга, 1987) относятся участкам прибрежных полос рек и приустьевых частей, впадающих ручьев, а также хорошо проницаемые отложения с мощностью 4-6 м и уровнем залегания вод, близ­ким к поверхности, с отсутствием слабопроницаемого перекрытия.

Согласно приведенным критериям естественной защищенности от поверхностного загрязнения для подземных вод можно принять в среднем первую, наименее благоприятную категорию защищенности (4-7 баллов) и провеет?: ориентировочную оценку возможных последствий аварийных разливов нефти

Вертикальное распространение нефтепродуктов при вышеприведенных дан­ных до уровня грунтовых вод может произойти в первые сутки, что значитель­но меньше времени распада этих загрязнителей в почвогрунтах.

Глубину распространения нефтепродуктов Н (м) до уровня грунтовых вол можно оценить с помощью формулы

, (5.13)

где V - объем инфильтрованной нефти, м³; F - площадь поверхностной инфильтрации, м²; я - параметр проницаемости, для мелкозернистых песков и легких суглинков его можно принять равным 30-40.

Для оценки последствий разлива рассмотрим случай, когда он произошел в условиях рельефа рассеивающего типа и нефть полностью впиталась в почву на площади 50 м²:

, (5.13)

Результат расчетов свидетельствует, что среднестатистическая авария с разливом нефти объемом 0,181 м³/сут., произошедшая вблизи ручья или реки, где глубина залегания грунтовых вод минимальна, повлечет загрязнение не только грунтовых, но и поверхностных вод.

Скорость инфильтрационного просачивания V (м/сут.) в зоне аэрации определяется по формуле Н.Н. Биндемана:

где - полная влагоемкость, доли ед.; W - инфильтрационное питание. м/сут.; k_ф - коэффициент фильтрации, м/сут. Для типичных условий средней полосы РФ величина W² изменяется от 30 до 120 мм/год, или 8,22*10 ⁵-3,29*10⁴ м/сут., что связано не столько с многолетней изменчивостью осадков, сколько со строением зоны аэрации.

А.П. Белоусова (2002) приводит следующие скорости инфильтрации для различных типов пород, слагающих зону аэрации (табл. 5.15).

Значение параметра V приведено с учетом инфильтрации жидкости разной плотности. В нашем случае расчет произведен для хлоридно-натриевого рассола, вытесняющего пресные воды. При данном процессе развивается грави­тационный градиент за счет различий плотности:

Таблица 5.15 - Значение скорости инфильтрационного просачивания

Порода	Значение параметров
	kф, м/сут.	W, м/сут.	V, м/сут.
Пески Супеси Суглинки	0,4 0,3 0,3	1,0 0,35	3,29-10"4 8,22-10 5 3,29-10"4 8,22-Ю-5 3,29-Ю-4 8,22-Ю-5	0,037 0,015 0,016 6,3 Ю-3 0,011 4,4-10-3

, (5-15)

где k_в - коэффициент влагопереноса; п_а - активная пористость, y₁ - плотность рассола, у₂ - плотность грунтовых вод. Для приближенных рассолов k_в принимается аналогично W, а n_а- 0,26, у, = 1,126 г/дм³, у₂- 1 г/дм³. Расчеты по этому методу показывают, что при глубине уровня грунтовых вод 3,5-5 м при макси­мальной инфильтрации 0,016 м/сут. расчетное время миграции рассола составит около 60 сух, а с учетом диффузии этот процесс может растянуться на 3-5 лет. Для приближенной оценки горизонтального распространения загрязненных потоков грунтовых вод можно использовать соотношение:

R=T*V, (5.16)

где R - расстояние, проходимое потоком за время распада загрязняющего вещества, м; Т - время распада загрязняющего вещества, год (для нефти - несколько лет); V - скорость перемещения фронта загрязнения в естественном потоке грунтовых вод; для распространенных в регионе категорий грунтов эту величину можно принять равной в среднем 30-50 м/год.

Принимая Т=5 годам и V=40 м/год, получаем, что на расстоянии до 200 м от места разлива нефти возможно загрязнение грунтовых вод. Если учесть инфильтрацию атмосферных осадков, то перемещение фронта загрязнения мо­жет происходить и на более далекие расстояния, а с учетом процессов диспер­сии, происходящих во вмещающей среде, загрязнение новых порций незагрязненных подземных вод, подходящих к месту разлива, может растянуться на несколько лет.

Необходимо отметить, что исследования по оценке влияния добычи нефти на подземную гидросферу являются необходимым этапом геолого-экологичес­ких исследований и должны проводиться с момента поисково-разведочных работ (опережающие исследования). При наращивании объемов добычи не­фти сфера таких исследований должна охватывать негативные последствия воздействий как с поверхности земли, так и из глубоких горизонтов. После ликвидации скважин или инфраструктуры месторождения наблюдения за изменением гидрогеологических показателей должны проводиться продолжительное время, для того чтобы убедиться в пространственно-временной локализа­ции негативных явлений или в их релаксации.