способ захоронения жидких отходов в подземной слоистой среде

Формула изобретения

1. Способ захоронения жидких отходов в подземной слоистой среде с чередующимися проницаемыми песчаными и слабопроницаемыми глинистыми слоями, включающий использование для захоронения проницаемых песчаных слоев путем закачки в них отходов через скважины, отличающийся тем, что для захоронения используют также слабопроницаемые глинистые слои посредством создания принудительной фильтрации в них отходов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при трехслойном строении подземной среды в зоне захоронения, состоящей из двух песчаных слоев и разделяющего их глинистого слоя, с проведением закачки отходов в один из песчаных слоев ведут откачку подземных вод из другого песчаного слоя, причем места откачки отнесены в плане к периферии зоны захоронения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при пятислойном строении подземной среды в зоне захоронения, состоящей из трех песчаных слоев и разделяющих их двух глинистых слоев, закачивают отходы в два крайних песчаных слоя и откачивают подземные воды из среднего в этой зоне песчаного слоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пуск в работу новых нагнетательных скважин в процессе проведения захоронения осуществляют после прохождения фронта распространения отходов через места расположения их фильтров.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при линейном расположении нагнетательных скважин, через которые отдельно ведется закачка в два песчаных слоя, разделенных глинистым слоем, скважины, подающие отходы в один из песчаных слоев располагаются в средней части расстояний между скважинами, подающими отходы в другой песчаный слой.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при закачке отходов в проницаемый слой, включающий в себя отдельные глинистые слои малой мощности и протяженности, фильтры нагнетательных скважин располагают вблизи одной из границ проницаемого слоя.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что проницаемый песчаный слой создают в глинистом слое посредством проведения гидроразрыва пласта, подачи в трещину разрыва водопесчаных смесей, после чего в искусственно созданный песчаный слой ведут закачку отходов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации глубоких хранилищ (полигонов захоронения) промышленных жидких отходов в слоистой подземной среде, представляющей собой чередующиеся слои проницаемых песчаных и песчано-глинистых отложений со слабопроницаемыми до практически непроницаемых (водоупорных) глинистых отложений.

Известны различные способы подземного захоронения промышленных отходов. К наиболее известным из них относятся: закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты; захоронение отходов в искусственно созданные емкости в слабопроницаемых глинистых и соленосных породах (с помощью механической выемки пород, гидроразрыва пласта, подземных взрывов, растворения соли); захоронение в рыхлых породах зоны аэрации большой мощности за счет использования сорбционной емкости пород; захоронение в отработанные горные выработки (шахты, рудники); использование отдельных видов сточных вод в системе заводнения на нефтяных пластах [1, с. 5].

Общим основным недостатком этих способов является неэффективное использование подземного пространства для размещения в нем отходов.

Известен также способ, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому и поэтому принимаемый за прототип, включающий сооружение нагнетательных скважин с расположением их фильтров в двух различных пластах проницаемых песчано-глинистых пород в слоистой подземной толще и закачку в эти пласты жидких отходов [2, с. 168-225]. В соответствии с этим источником термины пласт и слой являются синонимами [2, с. 40].

Закачка отходов в несколько пластов в слоистой подземной среде повышает эффективность использования недр, но в недостаточно полном объеме. Другим недостатком этого способа, как и для большего числа аналогов, является размещение отходов в проницаемых частях слоистой толщи, т.е. в тех частях, для которых характерны высокие скорости естественного движения подземных вод. Поэтому имеется опасность преждевременного выхода загрязненных отходами подземных вод на поверхность земли или к близко расположенным водозаборам подземных вод.

Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего наиболее полное использование подземного пространства для захоронения отходов с локализацией их в тех частях этого пространства, где естественные миграционные процессы протекают с наименьшей интенсивностью.

Решение этой задачи достигается в способе захоронения жидких отходов в подземную слоистую среду, включающем использование для захоронения проницаемых песчаных и песчано-глинистых слоев (далее - песчаных) путем закачки в них отходов через скважины и отличающемся тем, что для захоронения используют также слабопроницаемые глинистые слои посредством проведения принудительной фильтрации через них отходов с учетом равномерного заполнения ими порового пространства этих слоев.

Для этого при трехслойном строении подземной среды в зоне захоронения, состоящей из двух песчаных слоев и разделяющего их глинистого слоя, ведут закачку отходов в один из песчаных слоев и откачку подземных вод из другого песчаного слоя, причем места откачек отнесены в плане к периферии зоны захоронения.

При пятислойном строении подземной среды в зоне захоронения, состоящей из трех песчаных слоев и разделяющих их двух глинистых слоев, закачивают отходы в два крайних песчаных слоя и откачивают подземные воды из среднего в этой зоне песчаного слоя.

При закачке отходов в какой-либо один из песчаных слоев слоистой подземной толщи пуск в работу новых нагнетательных скважин в процессе проведения захоронения осуществляют после прохождения фронта распространения отходов через места расположения их фильтров.

При линейном расположении нагнетательных скважин, через которые отдельно ведется закачка отходов в два песчаных слоя, разделенных глинистым слоем, скважины, подающие отходы в один из песчаных слоев, располагаются в средней части расстояний между скважинами, подающими отходы в другой песчаный слой.

При закачке отходов в проницаемый пласт, включающий в себя локальные глинистые слои малой мощности и протяженности, фильтры нагнетательных скважин располагают вблизи одной из границ проницаемого пласта.

При наличии глинистых слоев большой мощности целесообразно создание в них искусственных проницаемых песчаных слоев посредством проведения гидроразрыва пласта, подачи в трещину разрыва водопесчаных смесей с последующей закачкой во вновь образованный песчаный слой жидких отходов.

Применение перечисленных операций обуславливает появление следующего ряда новых положительных достоинств у заявленного изобретения.

1. Согласно вышеизложенной сущности изобретения к первому и главному его отличию относится использование для захоронения жидких отходов слабопроницаемых глинистых пород, к которым относя породы с коэффициентом фильтрации, находящимся обычно в пределах 10^-3-10^-6 м/сутки [см., например, упомянутый выше источник информации - 2, с. 50]. Из-за низкого значения коэффициента фильтрации слои пород с такими коэффициентами фильтрации относят также к категории водоупорных [там же, с. 40].

В практике подземного захоронения отходов целенаправленного использования глинистых пород для размещения в них отходов не известно. Больше того, существуют прямые указания на то, что пласты с коэффициентом фильтрации менее 0,001 м/сутки не пригодны для использования в качестве коллекторов, т.е. пластов, сосредотачивающих в себе отходы [3, с. 29-30]. Глинистые породы при этом рассматриваются в основном как породы, обладающие только экранирующими свойствами [там же, с.41].

Однако при незначительной проницаемости глинистых отложений относительно песчаных с коэффициентами фильтрации более 0,1 м/сутки, пласты которых обычно используются в качестве пластов-коллекторов для захоронения жидких отходов, все же имеются технические и технологические возможности для создания достаточно интенсивных фильтрационных потоков также и через глинистые слои, сопоставимых с потоками в песчаных слоях. Тем самым реализуется возможность размещения в глинистых слоях жидких отходов, вошедших в эти слои вместе с фильтрационными потоками.

В этом случае среди достоинств этой технологии захоронения с использованием глинистых слоев следует отметить такие наиболее значимые, как увеличение емкости подземного хранилища отходов и повышение надежности удержания отходов в пределах заданных границ.

Увеличение емкости глубокого хранилища отходов (или полигона захоронения) при равных исходных площадных размерах их с использованием глинистых слоев, относительно хранилища без такого использования, происходит за счет порового пространства, находящегося в глинистых слоях, и которое практически не отличается от содержащегося в песчаных слоях равной мощности, и за счет высокой сорбционной способности глинистых частиц. В ряде случаев за счет последней происходит очистка отходов от основных загрязняющих компонентов в количествах, многократно превышающих их количество, содержащееся в объеме, равном объему пор глинистого пласта, что не столь характерно для песчаных пластов. Это означает, что при равном объеме вовлеченного для захоронения глинистого грунта с песчаным, совместная их емкость относительно размещения отходов в песчаном грунте возрастет более чем в 2 раза.

Повышение надежности удержания отходов, размещенных в глинистых слоях, в пределах заданных границ после окончания их подачи в эти слои обуславливается, главным образом, низкими коэффициентами фильтрации глин и малыми градиентами напора подземных вод в них, наблюдаемыми в природных условиях. Больше того, градиенты напора на большей части распространения слоистых глинопесчаных толщ становятся практически незаметными из-за совпадения направлений слоистости с направлением движения подземных вод, в этом случае градиент напора подземных вод поперек слоистости очевидно близок к нулю.

В этом же направлении становится близкой к нулю и скорость фильтрации отходов, что и определяет возможность практически неограниченно долгого удержания отходов в глинистых слоях. Таким образом, в большинстве случаев вовлечение в процесс захоронения отходов таких слоев способствует существенному увеличению емкости их хранилищ без увеличения опасности выхода загрязнений за установленные границы. В любом случае экранирующие свойства глинистых слоев, окажутся они заполненными отходами или нет, остаются неизменными.

2. При трехслойном строении подземной среды в зоне захоронения эффективным вариантом создания фильтрационного потока в промежуточном между песчаными глинистым слоем является закачка отходов в один из песчаных слоев и откачка подземных вод из другого песчаного слоя. При этом места откачек отнесены в плане к периферии зоны захоронения, т.е. геометрического объема подземной среды, предусмотренного для размещения (захоронения) в нем отходов.

Эффективность такого решения задачи при данном строении подземной среды выражается получаемым рядом положительных эффектов. К основным из них относятся такие, как равномерное заполнение зоны захоронения отходами, малое воздействие на окружающую среду за пределами зоны захоронения и рациональное использование водных ресурсов района захоронения.

Равномерное заполнение отходами всех трех слоев в зоне захоронения обеспечивается удалением друг от друга мест закачек и откачек в песчаных слоях. Чем дальше находятся эти места друг от друга, тем меньше отличаются средние скорости движения отходов в различных струйках фильтрационного потока, создаваемого закачками-откачками подземных вод, и тем более равномерно идет по ним заполнение отходами зоны захоронения. Равномерность же заполнения определяет эффективность использования недр и, в конечном счете, определяет экономическую эффективность капитальных вложений на проведение захоронения.

Для сравнения можно указать на вариант неэффективного использования недр, когда места закачек и откачек в плане приближены друг к другу и находятся в разрезе одни под другими. В этом случае средние скорости струек фильтрационного потока сильно отличаются друг от друга в зависимости от своего местоположения. Наибольшие скорости будут наблюдаться по кратчайшей линии, соединяющей фильтры откачных и нагнетательных скважин, и поэтому отходы появятся в откачной скважине, когда большая часть зоны захоронения будет еще не заполнена ими.

Малое воздействие на окружающую подземную среду при проведении захоронения с использованием откачек-закачек вод в смежных песчаных горизонтах выражается малым влиянием на режим подземных вод за пределами зоны захоронения и определяется компенсирующим действием друг на друга возмущений, вызванных как откачками, так и закачками. Отсутствие возмущений устраняет опасность перетока подземных вод из одних горизонтов в другие и, в частности, опасность перетока жидких отходов в слои за пределами границ зоны захоронения.

Эффект рационального использования водных ресурсов района захоронения связан с тем, что откачиваемые подземные воды могут быть использованы в технологическом процессе промышленного предприятия, в результате которого появляются жидкие отходы, вместо воды из других источников водоснабжения предприятия. В связи с наблюдаемой очисткой загрязненных вод при фильтрации их через пористые горные породы и, особенно, через глины количество откачиваемой воды может превышать объем закачиваемых жидких отходов и поэтому использоваться и на другие нужды предприятия.

Следует отметить еще один положительный эффект технологии захоронения с применением откачек-закачек, известный из практики по схеме однослойного захоронения в песчаный пласт. А именно, снижение затрат на закачку отходов, обусловленное снижением давления в пласте из-за проведения из него откачек подземных вод. Приблизительно такой же эффект должен наблюдаться и в трехслойной среде.

3. При пятислойном строении подземной среды (три песчаных слоя и два промежуточных глинистых) наиболее рациональным вариантом создания фильтрационного потока через глинистые слои и соответственно заполнения их вместе с песчаными слоями отходами является проведение закачек отходов в два крайних песчаных слоя и откачка подземных вод из среднего песчаного слоя. Рациональность такого способа захоронения подтверждается сохранением при его проведении тех же положительных эффектов, которые были приведены выше в п.2.

4. Проведение захоронения отходов закачкой их в какой-либо один из песчаных слоев слоистой подземной толщи с применением технологии включения в работу новых нагнетательных скважин после прохождения фронта распространения отходов через места расположения их фильтров обеспечивает достижение эффекта большего заполнения отходами прилегающих к песчаному глинистых слоев, чем если бы такое включение производилось бы до прохождения фронта. Такой эффект объясняется тем, что до включения новых скважин в результате предшествующей работы старых скважин часть отходов в пределах фронта их распространения уже попала в глинистые слои, и включение здесь новых скважин усиливает начавшееся проникновение отходов в эти слои.

5. При линейном расположении нагнетательных скважин, через которые отдельно ведется закачка отходов в два песчаных слоя, разделенных глинистым слоем, дополнительный положительный эффект от использования глинистого слоя для размещения в нем отходов достигается расположением скважин, подающих отходы в один из песчаных слоев, в средней части расстояний между скважинами, подающими отходы в другой песчаный слой. Наличие такого эффекта проявляется в сравнении с вариантом расположения скважин на разные песчаные слои поблизости друг от друга.

В этом случае при расположении фильтров одних скважин под другими в глинистом слое произойдет наложение разнонаправленных скоростей с результирующей, близкой к нулю, в средней части глинистого слоя и соответственно незначительное проникновение отходов в этот слой. При удалении же фильтров скважин друг от друга взаимное влияние от работы скважин уменьшается и соответственно устраняется препятствие для проникновения отходов в глинистый слой.

6. При закачке отходов в проницаемый пласт, включающий в себя локальные глинистые слои малой мощности и протяженности, расположением фильтров нагнетательных скважин вблизи какой-либо границы пласта создаются благоприятные условия для фильтрации отходов через эти слои с дальнейшей задержкой в них. Эти условия обеспечиваются распространением влияния закачки на весь пласт и возникновением секущих направлений скоростей движения отходов через глинистые слои.

Наименее эффективным в отношении полноты использования недр в данных природных условиях было бы оборудование фильтров нагнетательных скважин на всю мощность проницаемого пласта. В этом случае был бы сформирован режим движения отходов по параллельным с напластованием глинистых слоев направлением без какого-либо существенного проникновения в них отходов.

7. При наличии в зоне захоронения глинистых слоев большой мощности, фильтрация отходов через которые по варианту п.2 затруднена из-за невозможности создания достаточно высоких гидравлических градиентов в них, эффективное решение задачи захоронения в таких слоях жидких отходов достигается путем создания в них искусственных проницаемых прослоев. Эти прослои наиболее просто могут быть созданы с использованием метода гидроразрыва пласта и затем нагнетанием в трещину разрыва водопесчаной смеси. В случае создания такого прослоя в средней части глинистого слоя для закачки отходов в этот прослой потребуется, при прочих равных условиях, вдвое меньшее давление, поскольку сопротивление движению отходов будет оказывать вдвое меньшая мощность глинистого слоя относительно исходных условий.

Изобретение иллюстрируется фиг.1 и 2. На первой из них схематично показано в разрезе трехслойное строение подземной среды в зоне захоронения жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината (СХК), составленное по опубликованным данным [2, рис. 24, с. 194]. На второй - пятислойное строение среды в зоне захоронения жидких отходов Горно-химического комбината (ГХК), составленное по материалам того же источника [рис. 34, с. 218].

На этих фигурах видно: 1 - фильтры откачных скважин; 2 - нижний песчаный слой в трехслойной подземной среде (проницаемый песчано-глинистый горизонт I на глубоком хранилище - полигоне захоронения СХК); 3 - промежуточный глинистый слой (слабопроницаемый глинистый пласт В на полигоне СХК); 4 - верхний песчаный слой (проницаемый песчано-глинистый горизонт II на полигоне СХК); 5 - линия тока в фильтрационном потоке жидких отходов; 6 - расположение фильтров нагнетательных скважин; 7 - нижний песчаный слой в пятислойной подземной среде (проницаемый песчано-глинистый горизонт 1 на глубоком хранилище - полигоне захоронения ГХК); 8 - нижний глинистый слой (слабопроницаемый глинистый горизонт Б на полигоне ГХК); 9 - средний песчаный слой (нижнеитатские аркозовые пески на полигоне ГХК); 10 - верхний глинистый слой (слабопроницаемый глинистый горизонт F+B на полигоне ГХК); 11 - верхний песчаный слой (проницаемый песчано-глинистый горизонт II на полигоне ГХК).

Выполнение способа захоронения отходов по данному изобретению поясняется следующими двумя примерами его применения соответственно для трех- (фиг.1) и пятислойного строения подземной среды (фиг.2).

По первому примеру, в основу которого взяты природные условия на глубоком хранилище (полигоне захоронения) СХК, подача жидких отходов в количестве 3000 м³/сутки производится в верхний проницаемый слой (горизонт II) мощностью 30 м через скважины, расположенные в центральной части площади глубокого хранилища - полигона захоронения. Эта площадь размером приблизительно 12 км² представляет собой круг радиусом около 2 км.

Одновременно с закачкой отходов ведется откачка подземных вод в том же количестве из нижнего проницаемого слоя (горизонт I) мощностью 10 м через скважины, равномерно расположенные на границе площади хранилища (полигона). При подобной откачке-закачке вод среднее повышение давления воды на площади полигона в верхнем горизонте составляет 20 м. Понижение же уровня воды в нижнем горизонте составляет 60 м. Под действием такой разности давлений по границам промежуточного глинистого слоя (пласт В) мощностью 30 м при его коэффициенте фильтрации 10^-4 м/сутки обеспечивается прохождение через него фильтрационного потока в пределах площади хранилища (полигона) в объеме, равном величине закачки отходов.

Тем самым обеспечивается двукратное увеличение объема хранилища жидких отходов относительно первоначально планируемого объема их захоронения только в верхнем проницаемом горизонте. Экономически это означает удвоенное увеличение или продление более чем в 2 раза сроков эксплуатации глубокого хранилища (полигона захоронения) с соответствующей экономией затрат на поиски, разведку и обустройство капитальными сооружениями нового глубокого хранилища (полигона захоронения).

По второму примеру, в основу которого положены природные условия на глубоком хранилище (полигоне захоронения) ГХК, подача жидких отходов ведется одновременно в нижний и верхний проницаемые слои с эффективной мощностью соответственно 35 м (горизонт I) и 70 м (горизонт II). Общий дебит закачки отходов составляет 900 м³/сутки, распределяется он по горизонтам пропорционально их мощности и мощности прилегающих к ним глинистых слоев (горизонт Б - 80 м и горизонт F+B - 80 м), т.е. 390 м³/сутки в первый горизонт и 510 м³/сутки - во II горизонт.

Нагнетательные скважины располагаются на одной линии в центральной части площади глубокого хранилища (полигона захоронения), размером 7,3 км² и имеющую форму, близкую к квадрату. Параллельно нагнетательным, на двух сторонах квадрата располагаются откачные скважины, фильтры которых установлены в среднем песчаном слое (Нижнеитатский песчаный слой) мощностью 15 м. Дебит откачки подземных вод из этих скважин равен суммарному дебиту закачки жидких отходов, т.е. 900 м³/сутки.

В результате подобного режима работы откачных и нагнетательных скважин повышение уровня подземных вод в нагнетательных горизонтах составило в среднем по площади хранилища (полигона) в среднем около 10 м, а среднее снижение уровня в откачном горизонте составило около 40 м. При таком перепаде давлений на границах глинистых слоев и их коэффициенте фильтрации 10^-4 м/сутки обеспечивается прохождение через них фильтрационного потока в пределах площади хранилища (полигона), равного по величине дебиту закачки отходов.

Это означает, что объем хранилища жидких отходов оказался увеличенным за счет привлечения для захоронения глинистых слоев более чем 2,5 раза относительно первоначально предусматриваемого захоронения отходов объема только в нижнем и верхнем песчаных горизонтах. Соответственно в 2,5 раза продлен срок эксплуатации этого хранилища. Экономическая эффективность подобного решения задачи захоронения отходов приближенно может быть оценена как величина сокращения эксплуатационных затрат, получаемая в результате уменьшения амортизационной составляющей в 2,5 раза в себестоимости процесса захоронения по первоначальному варианту. Амортизационные отчисления обычно составляют около 50% от полной себестоимости захоронения отходов. Тогда при себестоимости захоронения 100 руб./м³ и годовом объеме захоронения 300 тыс. м³ экономическая эффективность от использования глинистых слоев составит: 300001000,50,75=10,25 млн руб. в год.

Источники информации

1. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П., Лукьянчикова Л.Г. Подземное захоронение промышленных сточных вод. - М.: Недра, 1994. - 282 с.

2. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. - М.: ИздАТ, 1994. - 256 с.

3. Гидрогеологические исследования для обоснования подземного захоронения промышленных стоков. Под ред. В.А.Грабовникова - М.: Недра, 1993. - 335 с.