Геоэкологическая оценка отдаленных последствий аварийного выброса водонефтяной смеси ...
logo1-color


Геоэкологическая оценка отдаленных последствий аварийного выброса водонефтяной смеси из добывающей скважины месторождения углеводородов

Автор: Устинова Г.К., Шуваткин К.Н., Язвин А.Л.


 

Одним из характерных видов негативного воздействия на окружающую среду при освоении нефтегазовых месторождений является выброс подземных вод высокой минерализации и нефтепродуктов из глубоких интервалов разреза в процессе бурения добывающих скважин. Локализация и ликвидация загрязнения – важная экологическая задача, постановка которой обусловлена требованиями природоохранного законодательства.

В 1993 г. при бурении и освоении добывающей скважины №16 в пределах разрабатываемого месторождения углеводородов (УВ) в водоохранной зоне Волжского водохранилища – в 100 м от береговой линии, с глубины 3.5 км произошел выброс и разлив водонефтяной смеси (нефть - подтоварная вода высокой минерализации 225 г/л) из вскрытой газо-нефтяной залежи евлано-ливенского горизонта верхнего девона.

Непосредственно после аварии недропользователем были проведены ликвидационные работы с поверхности земли, собранные нефтепродукты утилизированы. Вместе с тем, большая часть жидкой фракции инфильтровалась до первого от поверхности аллювиального водоносного комплекса (ВК) и частично аккумулировалась в пределах зоны аэрации.

Спустя 10 лет после аварийного выброса была проведена геоэкологическая оценка масштабов загрязнения геологической среды с целью выработки практических рекомендаций по его локализации и ликвидации. Для решения поставленной задачи проведен комплекс полевых и камеральных исследований, в состав которого входили геоэкологическое обследование территории; наземные геофизические исследования; бурение параметрических и ярусных наблюдательных скважин; отбор проб грунта и подземных вод из разных интервалов разреза; химико-аналитические исследования; численное моделирование.

Верхние слои разреза представлены четвертичными аллювиальными разнозернистыми песками, с невыдержанными по площади прослоями глинистых песков мощностью до нескольких метров. Аллювиальный верхне-среднечетвертичный ВК распространен до глубины 60м, он перекрыт покровными суглинками мощностью от 0.5 до первых метров. Комплекс используется для целей водоснабжения.

В процессе обследования были зафиксированы следы выброса высокоминерализованной воды на поверхности площадью 200м х 300м - по словам очевидцев, земля в течение последних десяти лет на этом участке не промерзает.

С целью выделения и оконтуривания участка засоления зоны аэрации и подземных вод были выполнены наземные геофизические исследования методом ВЭЗ. По результатам работ составлены геоэлектрические разрезы и схемы изоом по зоне аэрации и трем выделенным геоэлектрическим горизонтам зоны насыщения. За фоновые значения удельного электросопротивления (УЭС) были приняты характерные для Заволжья и подтвержденные результатами данных работ значения: по зоне аэрации УЭС = 8 Омм, по зоне полного водонасыщения УЭС = 20 Омм.

Сопоставление с результатами опробования показало, что за зону интенсивного загрязнения зоны аэрации следует принимать участок с УЭС < 5 Омм (именно там расположены точки с общим содержание хлор–иона до 500мг/100г и более). Участок приурочен к окрестности добывающей скважины №16. Резкое увеличение УЭС по направлению к водохранилищу от 3 Омм до 10-30 Омм на отрезке длиной около 50м свидетельствует о том, что по зоне аэрации распространение загрязнения в направлении водохранилища не произошло.

По зоне полного водонасыщения отмечены следующие особенности распределения УЭС:

1) Конфигурация низкоомных зон в плане близка к конфигурации аналогичных зон по зоне аэрации. Эти данные позволяют утверждать, что вертикальная составляющая продвижения загрязнения существенно превышает горизонтальную.

2) По берегу водохранилища УЭС составляет 20 Омм и более. Таким образом, засоление подземных вод до водохранилища не дошло.

3) Размер зоны максимального засоления (УЭС < 10 Омм) сверху вниз заметно уменьшается.

На основании результатов ВЭЗ в пределах участка работ были пробурены 11 параметрических скважин в крест от добывающей скважины №16. Выполненный поинтервальный отбор монолитов через 0.5м с целью определения хлоридов, бромидов и нефтепродуктов в водных вытяжках из грунтов позволил оценить степень загрязнения пород зоны аэрации и верхней части водонасыщенной зоны.

При бурении скважин были отобраны пробы воды из-под уровня грунтовых вод для проведения сокращенного химического анализа (полевым экспресс методом) и определения бромидов и нефтепродуктов (в стационарных лабораториях). Результаты анализов легли в основу построения площадных карт загрязнения верхнего слоя грунтовых вод. На рис. 1 приведена схематическая карта минерализации в пределах участка загрязнения.

statia-16-ris-1-3

Для изучения изменчивости загрязнения подземных вод по вертикали и оценки их взаимодействия с поверхностными водами были заложены 2 ярусных куста наблюдательных скважин: в центре очага загрязнения (на расстоянии 10м от скважины №16) и вблизи береговой линии водохранилища (в 20м от уреза).

С целью уточнения литологии с выделением хорошо и слабопроницаемых слоев, а также предварительной оценки вертикальной изменчивости минерализации в гидрогеологических скважинах проведен комплекс ГИС (методы ГК и КС). Корреляция КС с результатами анализов проб, отобранных в нескольких интервалах, позволила оценить минерализацию по интервалам, в которых пробы не отбирались.

Структура потока подземных вод первого от поверхности ВК показывает, что их разгрузка в поверхностные воды в пределах участка работ практически отсутствует. Примерное равенство величин испарения и питания препятствует формированию единого направленного потока подземных вод. В узкой прибрежной зоне положение их уровня определяется уровнем воды в р. Волге, здесь имеет место подпор со стороны водохранилища. Вследствие этого создается барражирующая ситуация, препятствующая распространению линзы загрязненных вод, что подтверждается высоким градиентом изменения минерализации подземных вод в данной зоне.

Ретроспективные данные о динамике загрязнения в течение прошедших после аварии 10 лет отсутствуют. Достоверной можно считать только информацию, полученную в 1996 г. (через 3 года после аварийного выброса) по наблюдательной скважине 5м, пробуренной в 10м от скважины №16. Минерализация грунтовых вод в интервале опробования 15–18м составляла 14.3 г/л, концентрация хлоридов – 8.9 г/л.

В 2003 г. по данным опробования скважины 1а в эпицентре выброса в интервале глубин 9–11м получены следующие показатели: минерализация – 9.1 г/л, хлориды – 5.2 г/л. По составу вода остается хлоридная, кальциево-натриевая.

Сопоставление этих данных и исходной минерализации подтоварных вод (225 г/л) показывает, что после аварийного выброса происходило естественное рассоление подземных вод. При этом в период 1993-96 г. этот процесс был существенно более интенсивным, чем в настоящее время. Это свидетельствует о том, что положение линзы стабилизировалось во времени и в пространстве, а состояние загрязнения вод является постоянным и не претерпит изменений в последующий временной период при отсутствии дренажа.

Таким образом, в результате выполненных исследовательских работ были охарактеризованы геолого-гидрогеологические условия участка, степень загрязнения пород зоны аэрации и водовмещающих пород, а также оконтурена линза загрязненных грунтовых вод. Площадь верхнего слоя линзы оценена величиной 0,27 км2.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что наиболее эффективным методом локализации линзы загрязненных вод в данных условиях является устройство вертикального скважинного дренажа в ее центре. На их основе были построены численные геофильтрационная и геомиграционная модели, которые использовались для разработки проектных решений - обоснования величины и схемы отбора подземных вод, обеспечивающих ликвидацию (локализацию) линзы загрязненных подземных вод. Моделирование проводилось по программам Visual MODFLOW и MT3D.

При построении модели толща песчаных отложений разделена на четыре слоя (рис. 2), мощности которых составляют (сверху вниз): 14, 11, 23 и 12 метров. Абсолютные отметки подошвы трех верхних слоев соответствуют положению подошвы прослоев глинистых песков, наблюдаемых (согласно результатам интерпретации геофизических исследований, выполненных в скважинах №№ 1 и 2) в интервалах глубин 11-13 м, 22-25 м и 38-48 м. Абс. отметка подошвы нижнего (четвертого) слоя задана по кровле отложений сеноманского яруса верхнего мела. Основной интервал эксплуатации, соответствующий третьему слою модели, приурочен к среднечетвертичным отложениям, представленным разнозернистыми серыми песками.

statia-16-ris-2

Каждый слой модели характеризуется коэффициентом фильтрации в горизонтальном (Kx) и вертикальном (Kz) направлениях. При этом фильтрационное сопротивление глинистых прослоев распределено по всему расчетному слою. Как показывает анализ изменения минерализации подземных вод по вертикали вблизи очага загрязнения, оно аппроксимируется плавной (а не ступенчатой) функцией и, следовательно, наличие глинистых прослоев практически не препятствует продвижению загрязнения вниз по разрезу. Принятые значения Kx составляют 10-20 м/сут, коэффициента вертикально-горизонтальной анизотропии ( Kx/Kz ) – 20-50.

В многолетнем плане положение уровенной поверхности подземных вод является относительно стационарным, поэтому при моделировании внутригодовые колебания уровней подземных и поверхностных вод не учитываются. Отсутствие сколько-нибудь значимого направленного потока подземных вод позволяет проводить гидродинамическое моделирование откачки в изменениях уровня.

При проведении моделирования в качестве критерия требуемого отбора подземных вод была принята величина понижения их уровня на современном контуре линзы загрязненных вод, составляющая 1 м. Данная величина сопоставима с внутригодовыми колебаниями уровня поверхностных вод и превосходит возможную величину изменений уровня подземных вод в очаге загрязнения в естественных условиях. Таким образом, при работе дренажной системы будет обеспечена постепенная откачка загрязненных вод и сформирован поток подземных вод с градиентом, достаточным для предотвращения продвижения загрязнения в сторону водохранилища.

Одним из основных факторов, определяющих возможные проектные решения, являются экологические ограничения на сброс добываемых загрязненных вод. их утилизация возможна только путем закачки в глубокие водоносные горизонты. В связи с этим целесообразным является их использование для поддержания пластового давления (ППД).

Согласно имеющемуся лицензионному соглашению уровень добычи подземных вод для ППД не должен превышать 2.6 тыс. м3/сут. Максимальная производительность действующих на близлежащей территории скважин достигает 1.7-1.8 тыс. м3/сут. Таким образом, для отбора воды в количестве, указанном в лицензионном соглашении, требуется оборудование двух эксплуатационных скважин.

Прогнозное моделирование включало расчеты производительности системы водопонижения, изменения уровня подземных вод, их минерализации и положения контура загрязненных вод.

В качестве расчётной схемы миграции принята консервативная (транспортная) схема. Было принято допущение о сохранении интенсивности поступления загрязнения из верхнего расчетного слоя модели, что создает некоторый инженерный запас. Предметом анализа являлось поведение линзы загрязненных вод при эксплуатации дренажных скважин на фоне сформировавшейся воронки депрессии, то есть изменение ее конфигурации и минерализации откачиваемой воды.

В качестве основного показателя состава подземных вод, для которого производилось геомиграционное моделирование, принята их минерализация, которая является наиболее детально изученным показателем. Положение выделенных контуров вод повышенной минерализации не противоречит имеющимся данным, характеризующим пространственное распределение содержания хлора, брома и нефтепродуктов.

Фоновое значение минерализации воды в эксплуатируемом водоносном комплексе установлено на основе анализа данных по всей площади месторождения и составляет 0.8 г/л. Граница линзы загрязненных вод проводится по изолинии минерализации подземных вод 1 г/л.

Согласно выполненному гидродинамическому прогнозу стабилизация уровней наступает через первые 3-4 года эксплуатации. Прогнозное положение контура загрязненных вод определялось на различные моменты времени и отражено на рис. 3. Видно, что через 10 лет эксплуатации площадь линзы уменьшается приблизительно в два раза. При этом основные изменения положения границы наблюдаются на южной периферии линзы, где современные величины минерализации загрязненных вод минимальны, а также в восточном и северо-восточном направлениях. В прибрежной зоне водохранилища смещение контура не столь значительно.

Прогнозная минерализация отбираемых вод в скважинах дренажной системы в течение трех первых лет эксплуатации падает с 3 до 1.5 г/л и в дальнейшем остается практически постоянной, уменьшаясь незначительно (до 1.3 г/л).

 

Выводы

Выполненный комплекс полевых работ и численного моделирования позволил разработать эффективное проектное решение задачи по локализации и ликвидации последствий аварийного выброса водонефтяной смеси, произошедшего при бурении нефтедобывающей скважины.

Наиболее эффективным методом локализации линзы загрязненных вод в условиях отсутствия естественного потока подземных вод является устройство вертикального скважинного дренажа в центре линзы.

Ввиду экологических ограничений на сброс добываемых загрязненных вод их утилизация возможна только путем закачки в глубокие водоносные горизонты. В связи с этим целесообразным является их использование для поддержания пластового давления.