способ захоронения экологически вредных жидких веществ

Формула изобретения

1. Способ захоронения экологически вредных жидких веществ, включающий бурение скважин и заполнение через них проницаемых горизонтов подсолевого комплекса экологически вредными жидкими веществами, отличающийся тем, что заполняются путем слива проницаемые горизонты, залегающие в толще непроницаемых пород между подошвой солей и кристаллическим фундаментом, характеризующиеся аномально низким пластовым давлением (АНПД) и расположенные в пределах складчатых структур.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для захоронения используют проницаемые горизонты с АНПД, характеризующиеся ограниченным распространением на моноклинальных склонах.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для захоронения используют проницаемые горизонты с АНПД в пределах отдельных тектонических блоков, изолированных от других разломами, закрытыми солями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано в качестве методики выбора естественных подземных хранилищ экологически вредных жидких веществ (ЭВЖВ) и для захоронения ЭВЖВ в этих хранилищах структурах, неструктурных ловушках и изолированных тектонических блоках, в строении которых принимают участие проницаемые горизонты подсолевого комплекса с аномально низким пластовым давлением (АНПД).

Основными объектами захоронения ЭВЖВ являются в настоящее время недра и Мировой океан (1). Сброс ЭВЖВ в Мировой океан является вынужденным из-за того, что до сих пор не были предложены относительно дешевые, емкие и надежные хранилища ЭВЖВ в земных недрах.

Наиболее надежными хранилищами жидких и газообразных веществ в настоящее время являются искусственные полости в толщах каменных солей. Но они имеют ограниченные размеры, относительно дорогостоящи. Кроме того, их создание (размыв солей) приводит к местным экологически неблагоприятным последствиям в районах их формирования.

Известны способы захоронения ЭВЖВ в водоносных горизонтах. Наиболее безопасно с экологической точки зрения захоронение жидких отходов в глубокозалегающие межсолевые и подсолевые горизонты (2).

На практике захоронение ЭВЖВ в водоносных горизонтах используются в ряде случаев, в частности на радиохимическом комбинате в Красноярске-26. Недостатком этих способов является прежде всего непредсказуемость последствий захоронения (принудительной закачки) ввиду очевидной возможности миграции вредных веществ в водонапорных системах, возможности перетока загрязненных вод по зонам тектонических нарушений в не предназначенные для захоронения горизонты или даже их выхода на поверхность, как это с опасением обсуждается в случае с комбинатом Красноярск-26. Недостатком является также сложность сети нагнетательных и наблюдательных скважин, хотя это и не гарантирует от возможных негативных последствий. В сущности это сиюминутные решения актуальнейшей проблемы захоронения ЭВЖВ, не определяющие достаточной надежности и длительности производимого такими способами захоронения.

Этих недостатков можно избежать, если для захоронения ЭВЖВ использовать зоны АНПД в подсолевом комплексе.

Технический результат изобретения осуществление надежного захоронения ЭВЖВ за счет предотвращения их миграции в геологической среде за пределы выбранных ловушек, а также удешевление захоронения ЭВЖВ за счет использования простой технологии их слива через скважины в выбранные для этого горизонты.

Сущность изобретения заключается в том, что с целью повышения надежности захоронения ЭВЖВ ведется бурение скважин и через них путем слива осуществляется заполнение экологически вредными жидкими веществами проницаемых горизонтов подсолевого комплекса, залегающих в толще непроницаемых пород между подошвой солей и кристаллическим фундаментом, характеризующихся аномально низким пластовым давлением (АНПД) и расположенных в пределах складчатых структур, или пользующихся ограниченным распространением на моноклинальных склонах, или расположенных в пределах отдельных тектонических блоков, изолированных от других разломами, закрытыми солями.

Использование изобретения исключает возврат вредных веществ на поверхность земли в обозримом геологическом будущем, т.е. течение времени, существенно превышающего, например, период полураспада радиоактивных отходов.

Как вытекает из сказанного выше, сущность изобретения использование для захоронения ЭВЖВ зон с АНПД в соответствующих геологических, гидрогеологических и гидродинамических условиях, гарантирующих надежность захоронения.

Способ осуществляется следующим образом. По данным региональных геологических работ, включающих изучение материалов аэрокосмических съемок, глубокого структурного и разведочного бурения на нефть и газ в пределах солеродных бассейнов выбираются складчатые структуры, неструктурные ловушки или изолированные тектонические блоки, пригодные для захоронения ЭВЖВ, которые должны отвечать следующим требованиям: а) в пределах геологических структур в подсолевой части разреза присутствует один или несколько проницаемых горизонтов, характеризующихся аномально низким пластовым давлением и благодаря этому могут явиться объектами захоронения ЭВЖВ; б) размеры структур позволяют производить захоронение ЭВЖВ в необходимом объеме, исчисляемом обычно миллионами кубических метров.

На выбранных участках бурится система скважин (или используется имеющаяся сеть разведочных скважин), вскрывающих проницаемые горизонты с АНПД в подсолевой части разреза, при этом должна быть обеспечена надежная изоляция надсолевых водоносных горизонтов, что в основном необходимо для исключения перетока пластовых вод из вышележащих горизонтов и уменьшения вследствие этого полезной емкости проницаемых подсолевых горизонтов с АНПД.

Поскольку пластовые давления в проницаемых подсолевых горизонтах на несколько МПа ниже условных гидростатических давлений, специальных агрегатов для закачки ЭВЖВ не потребуется, они будут поступать в выбранные горизонты самосливом по простейшей схеме.

Аномально низкие пластовые давления в нашей стране впервые были выявлены на Сибирской платформе (3, 4). По результатам поисково-разведочных работ на нефть и газ зоны АНПД установлены в различных регионах Мира (5).

На Сибирской платформе зоны АНПД распространены особенно широко, как в верхней части осадочного чехла, так и вблизи кристаллического фундамента. Зоны аномально низких пластовых давлений являются наиболее контрастными пьезоминимумами, зонами самых низких значений гидродинамического потенциала.

Причин, обусловливающих возникновение АНПД в земных недрах, достаточно много, но в общем они сводятся к трем основным: a) изменению гипсометрического положения пласта в водонапорной системе, б) увеличению объема порового пространства, в) уменьшению объема подземных флюидов (3), в свою очередь являющимся совокупным результатом воздействия тектонических, физико-географических, геохимических, геотермических и гидрохимических факторов (процессов). В каждом конкретном случае АНПД может быть вызвано одной или несколькими причинами.

В СССР и мире зоны АНПД изучались с точки зрения их связи с нефтегазоносностью и условиями формирования месторождений. Но анализ имеющихся данных позволяет говорить, что зоны АНПД представляют исключительный интерес для захоронения ЭВЖВ, особенно зоны АНПД в подсолевом комплексе Сибирской платформы, поскольку последние удовлетворяют практически всем требованиям которые могут быть предъявлены к захоронению ЭВЖВ (6):

1. Здесь выявлены обширные геологические структуры площадью от нескольких десятков до нескольких сотен квадратных километров, которые позволяют производить крупномасштабное захоронение ЭВЖВ, исчисляемое миллионами кубометров;

2. В пределах этих геологических структур присутствует несколько проницаемых горизонтов, которые могут явиться объектами захоронения ЭВЖВ. То, что объекты находятся в подсолевой части разреза, обеспечивает I степень их надежной изоляции от надсолевых отложений (7) (соль в условиях горного давления является вязко-пластичной породой).

Проницаемые горизонты, наиболее протяженным из которых является ботуобинский, представляют собой выклинивающиеся геологические тела в толще непроницаемых пород (аргиллитов, глинистых доломитов, ангидритов, глинистых сланцев и др. ), что обеспечивает II степень их изоляции. В подсолевых проницаемых горизонтах Сибирской платформы нет обширных инфильтрационных водонапорных систем типа артезианских бассейнах и отсутствует гидравлическая связь этих горизонтов с дневной поверхностью.

3. Обычно пластовые воды этих проницаемых горизонтов имеют плотность 1280 1320 кг/м и более, что позволяет локализовать объекты захоронения более легких ЭВЖВ в наиболее приподнятых участках геологических структур по принципу гравитационного разделения. Это обеспечивает III степень их изоляции. (В случае, если раствор ЭВЖВ обладает большей плотностью, чем пластовая вода, ЭВЖВ могут быть локализованы в опущенных участках структур).

Надежность изоляции еще более возрастает от того, что градиент гидродинамического потенциала (приведенного давления) подсолевой части разреза направлен к фундаменту, поэтому миграция пластовых флюидов, если она даже и сможет происходить, будет иметь направление только сверху вниз, от подошвы солей вплоть до фундамента.

4. Пластовые давления в проницаемых подсолевых горизонтах на несколько МПа ниже условных гидростатических давлений, поэтому не потребуется специальных агрегатов для закачки ЭВЖВ. Они будут поступать в выбранные объекты самосливом по простейшей схеме.

Таким образом, зоны АНПД в подсолевых отложениях удовлетворяют основным требованиям захоронения ЭВЖВ: надежности изоляции и возможности захоронения больших объемов ЭВЖВ, исчисляемых миллионами кубометров при относительно низкой стоимости работ.

Возможность осуществления предлагаемого способа захоронения ЭВЖВ рассмотрим на примере солеродного бассейна Сибирской платформы, точнее одной из его частей Непско-Ботуобинской антеклизы, как представляющей наибольший интерес для захоронения ЭВЖВ по своим гидрогеологическим и гидродинамическим условиям.

Солеродный бассейн Сибирской платформы охватывает громадную территорию. Северная граница его проходит по широте верховьев р.Вилюй устья р.Нижняя Тунгуска. Западная и Юго-западная границы проходят от устья р.Нижняя Тунгуска по среднему течению р.Енисей до устья р.Подкаменная Тунгуска, далее на г.г.Тайшет, Иркутск. Юго-восточная граница проходит западнее оз.Байкал, вдоль Патомкого нагорья по Предпатомскому прогибу до меридиана, отстоящего на 1000 км к восток от линии Ленск-Мирный-Айхал (8).

Зона АНПД в подсолевом комплексе приурочена к восточной и юго-восточной части солеродного бассейна. Она охватывает площадь более 500 000 кв.км. Территориально в нее входят следующие крупные геологические структуры: Мирнинский и Непско-Пеледуйский своды, а также Вилючанская седловина Непско-Ботуобинской антеклизы, северная часть Предпатомского прогиба, западная часть Мархинской (Ыгыаттинской) впадины и восточная часть Курейской антеклизы.

В подсолевых пластовых резервуарах Непско-Ботуобинской антеклизы выявлены многочисленные залежи углеводородов как в жидкой (нефть), так и в газообразной фазе. Эти залежи сохранялись в подсолевой толще в течение продолжительного геологического времени, возможно сотен миллионов лет.

Известно, что история геологического развития Сибирской платформы сопровождалась беспрецедентными масштабами траппового вулканизма, активнейшей разломной тектоники. В условиях столько мобильной тектоники месторождения углеводородов тем не менее сохранились.

Их сохранность была обусловлена отрицательным градиентом приведенного давления, направленного к фундаменту, который превышал (и превышает в настоящее время) силу всплывания нефти и даже газа в водонасыщенном коллекторе.

Результаты глубокого бурения в различных регионах Якутии выявили наличие трех основных типов гидрогеологических разрезов по распределению гидродинамического потенциала (9).

Разрез первого типа представляет переход от зоны АНПД в верхней части к нормальным гидростатическим давлениям в средней и зоне аномально высоких пластовых давлений (АВПД) в нижней его части. Это обуславливает положительное, т. е. увеличивающееся с глубиной изменение гидродинамического потенциала. Вектор градиента приведенного давления при этом направлен вверх, а направление миграции пластовых флюидов к дневной поверхности. Таким типом гидрогеологического разреза характеризуются все площади Хапчагайского мегавала.

Разрез второго типа представляет переход от зоны АНПД в подмерзлой части к нормальному гидростатическому давлению в остальной части. Гидродинамический потенциал по разрезу приблизительно одинаков. Миграция здесь осуществляется по гравитационным законам. Таким типом гидрогеологического разреза характеризуются площади Сюгджерской седловины за границей распространения солей, а также западного борта Вилюйской синеклизы.

Разрез третьего типа характеризуется близким к нормальному гидростатическим давлением в верхней части и зоной АНПД (со все увеличивающейся с глубиной аномальностью пластового давления) в нижней части. Это обуславливает отрицательно, т. е. уменьшающееся с глубиной изменение гидродинамического потенциала. Вектор градиента приведенного давления при этом направлен вниз, направление миграции пластовых флюидов к поверхности фундамента. Таким типом гидрогеологического разреза характеризуются площади Непско-Ботуобинской антеклизы и сопредельных структур.

В Иркутской части Непско-Ботуобинской антеклизы (Аянская, Марковская, Ярактинская и др. площади) встречен еще один тип гидрогеологического разреза, который характеризуется развитием нормальных гидростатических давлений в верхней части, зоной АВПД средней части (на уровне осинского горизонта) и близкими к нормальным гидростатическими давлениями или зоной АНПД в нижней части.

Это обуславливает положительное значение градиента гидродинамического потенциала в верхней части разреза до уровня осинского горизонта и отрицательное от уровня осинского горизонта до фундамента.

Естественно, что гидрогеологические разрезы двух последних типов являются самыми надежными как для сохранности залежей углеводородов, так и для захоронений ЭВЖВ.

Надежность захоронения ЭВЖВ в такого типа разрезах заключается в том, что при любых неожиданностях (например, землетрясениях с образованием или обновлением разломов) растворы ЭВЖВ никогда не попадут в верхнюю часть разреза. Существенный отрицательный градиент гидродинамического потенциала заблокирует всякое движение раствора ЭВЖВ вверх. Поэтому они могут оставаться только в подсолевой части разреза.

Теория этого процесса достаточно простая (10), и легко показать, что условия равновесия при закачке раствора ЭВЖВ в подземный резервуар, заполненный пластовой водой, определяется равенством градиента замеренных давлений между выбранными уровнями (пластами) и градиента давления раствора ЭВЖВ (т. е. скоростью изменения давления раствора ЭВЖВ с глубиной). Если градиент замеренных пластовых давлений окажется больше градиента давления раствора ЭВЖВ, будет наблюдаться восходящая фильтрация последнего, если меньше фильтрация раствора ЭВЖВ при гидравлической связи проницаемых пластов будет нисходящей.

В подсолевом комплексе Непско-Ботуобинской антеклизы градиенты замеренных давлений в различных интервалах разреза всегда меньше градиента давления нефти (плотность ее около 850 кг/м), часто меньше градиента давления пластового газа (плотность около 100 кг/м), бывают равны нулю и даже мене нуля (когда пластовое давление в нижнем горизонте меньше по величине пластового давления в верхнем горизонте). Их величины колеблются от +0,0054 до -0,0373 МПа/м (11).

Естественно, что в этих условиях при гидравлической связи проницаемых пластов возможна только нисходящая фильтрация любого раствора с плотностью более 850 кг/м.

Таким образом, в условиях солеродного бассейна Сибирской платформы могут быть выбраны объекты, гидродинамическая характеристика которых позволяет производить надежное захоронение ЭВЖВ.

Объектами захоронения ЭВЖВ могут быть:

1) структурные ловушки, заполненные углеводородами (УВ), которые после извлечения углеводородов можно считать наиболее надежными хранилищами ЭВЖВ, так как самим существованием залежей УВ проверены основные параметры этой ловушки: ее размеры, объем порового пространства, геологическая модель, а главное надежность как изолированного в пространстве замкнутого объекта;

2) Структурные ловушки, заполненные пластовой водой. Пригодность этих ловушек обуславливается разностью плотностей раствора ЭВЖВ и пластовой воды. Гравитационное разделение двух жидкостей по плотностям позволит раствору ЭВЖВ как более легкой жидкости занять замкнутую сводовую часть ловушки. В статических гидрогеологических условиях контакт двух жидкостей будет горизонтальным. В динамических гидрогеологических условиях контакт двух жидкостей будет наклонным, причем величину наклона контакта легко определить по величинам перепада напоров и разности плотностей двух жидкостей;

3) Отдельные изолированные блоки. Результаты поисково-разведочных работ и дешифрирование материалов аэрокосмических съемок показали большую дизъюнктивную нарушенность территории, причем существует большое количество блоков, совершенно изолированных от других закрытыми соями разломами. Закрытость разломов доказывается разновысотным положением контактов газ-нефть на структурах блокового строения (Таас-Юряхская, Талаканская и др.), а также самим фактом неравенства гидродинамического потенциала по подсолевому разрез. Отдельные водонасыщенные блоки могут представлять интерес как объекты захоронения ЭВЖВ;

4) Литологически ограниченные участки коллекторов. В пределах Непско-Ботууобинской антеклизы выявлены многочисленные ловушки так называемого неструктурного типа, обусловленные ограниченным распространением коллекторов на моноклинальных склонах (Чаяндинская зона, Талаканский свод). Особенно часто такие участки встречаются в юго-западной (Иркутской) части Непско-Ботуобинской антеклизы. Такие литологически ограниченные участки коллекторов следует относить к наиболее надежным потенциальным хранилищам ЭВЖВ, так как они со всех сторон окружены неколлектором, а потому миграция раствора ЭВЖВ за пределы хранилищ невозможна.

Поскольку аномально низким пластовым давлением характеризуются водонапорные системы (пласты) в целом, при расчетах объемов закачки ЭВЖВ следует учитывать объем порового пространства и величину АНПД как выбранной для закачки ловушки, так и всего водоносного пласта (горизонта, линзы и т.д.).

Обобщая изложенные данные, можно еще раз подчеркнуть, что Непско-Ботуобинская антеклиза является весьма благоприятным районом для надежного и долговременного (на геологическое время!) захоронения ЭВЖВ. Несомненно, что по предлагаемой методике подобные объекты могут быть выявлены и выбраны и в других солеродных бассейнах нашей страны и мира.