logo1-color

Результаты опытно-эксплуатационной откачки в области аномально высоких фильтрационных свойств пород на Удомельском месторождении подземных вод

Поддержание строгого температурного режима реакторных блоков атомных электростанций осуществляется путем эксплуатации естественных или искусственных водоемов-охладителей. Калининская АЭС располагается на водоразделе, поэтому поверхностных ресурсов для охлаждения в теплые периоды года не хватает — наблюдается как резкое снижение объема воды вследствие сильного испарения, так и превышение допустимой температуры воды в водоемах-охладителях. Одним из способов пополнения запасов озер-охладителей при дефиците поверхностных водных ресурсов является привлечение низкотемпературных подземных вод.

Ключевые слова: Калининская АЭС (КАЭС), подпитка озер-охладителей, групповая опытно-эксплуатационная откачка.

В географическом отношении район работ расположен в области Главного водораздела Русской равнины. Наиболее крупным населенным пунктом района является г. Удомля, в 3 км на северо-восток от которого на берегу оз. Удомля расположена Калининская АЭС (рис. 1). В состав АЭС входят четыре реакторных блока. В качестве единого водоема-охладителя Калининской АЭС с 1984 г. используются оз. Песьво и Удомля, соединенные между собой короткой протокой. Сток с бассейнов этих озер зарегулирован плотиной, построенной в настоящее время в истоке р. Съежа — единственной реки, вытекающей с водосбора озер. На Калининской АЭС реализована оборотная схема охлаждения реакторных отделений, конденсаторов турбин и основного оборудования. Озера включены в систему технического водоснабжения и охлаждения. Рассматриваемая территория расположена на западном крыле Московского артезианского бассейна. Гидрогеологические условия района АЭС определяются развитием здесь чехла рыхлых четвертичных отложений, залегающих на обводненных известняках среднего и нижнего карбона (рис. 2). Отложения четвертичного возраста представлены переслаиванием глинистых и песчаных толщ, в составе каменноугольной системы выделяются 3 горизонта:

  1. водоносная каширско-мячковская терригенно-карбонатная свита (каширско-мячковский водоносный горизонт) (С2kš-mč);
  2. слабопроницаемый верейский терригенный горизонт (С2vr);
  3. водоносная алексинско-протвинская терригенно-карбонатная свита (алексинско-протвинский водоносный горизонт) (С1al-pr).

statia-17-ris-1

statia-17-ris-2

Каширско-мячковский горизонт является на данной территории первым от поверхности водоносным горизонтом каменноугольной системы. Залегает он непосредственно под четвертичными отложениями и не имеет четкого перекрывающего слабопроницаемого слоя. Алексинско-протвинский горизонт на рассматриваемой территории является вторым от поверхности водоносным горизонтом каменноугольной системы, по всей площади распространения перекрыт слабопроницаемой толщей верейских глин.

Принципиальным являлся вопрос о выборе продуктивного водоносного горизонта для подпитки озер-охладителей. Первоначально рассматривался вариант эксплуатации каширско-мячковского водоносного горизонта среднего карбона. Но ввиду его интенсивной взаимосвязи с поверхностными водами возникла проблема необходимости постоянно наращивать дебит водозабора для компенсации неизбежного ущерба поверхностному стоку. В результате было решено использовать для подпитки озер-охладителей подземные воды изолированного алексинско-протвинского водоносного горизонта нижнего карбона.

К сожалению, информации о выбранном для эксплуатации водоносном горизонте нижнего карбона было накоплено довольно мало. По данным немногочисленных одиночных опробований разведочных скважин, выполненных в ходе разведки участка «Елманова Горка», дебиты скважин изменяются от 5.1 до 25.0 л/с при понижении уровня подземных вод не более 2.5 м в эксплуатируемой скважине и при отсутствии реакции в соседних наблюдательных. Расчетные значения проводимости составили 950–5270 м2/сут. Можно заключить, что метод точечного бурения и одиночных откачек в данном районе малоэффективен. На основании данных материалов в 1993 и 2004 гг. Верхневолжским геологоразведочным предприятием и ЗАО «ГИДЭК» были проведены работы по оценке запасов подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта и утверждены запасы суммарной величиной 85.2 тыс. м3/сут:

  • 60 тыс. м3/сут утверждены в 1993 г. (А — 12, В — 18 и С1 — 30 тыс. м3/сут);
  • 25.2 тыс. м3/сут по кат. С1 при форсированном режиме эксплуатации с дебитом 108 тыс. м3/сут, в маловодные периоды, наступление которых по данным ИВП РАН прогнозируется в течение двух неполных лет (8 и 6 мес) в пятилетке.

В 2012 г. компанией ЗАО «ГИДЭК» были выполнены работы по переоценке запасов подземных вод на участке «Елманова Горка» Удомельского месторождения по промышленной кат. B. Целевое назначение добываемых подземных вод: хозяйственно-питьевое водоснабжение объектов Калининской АЭС и подпитка озер-охладителей в периоды низкой водности.

В условиях низкой информационной обеспеченности ввиду изолированности продуктивного водоносного горизонта и высоких фильтрационных параметров было решено задачу по переоценке запасов подземных вод реализовывать методом масштабного возмущения водоносного горизонта — групповой опытно-эксплуатационной откачкой на рассматриваемом участке «Елманова Горка» Удомельского месторождения на водозаборе дополнительного водного источника (ДВИ). Для достижения необходимых результатов опытная откачка проводилась в соответствии с методикой и регламентом, разработанными на основании данных, полученных ранее путем сбора, систематизации, обработки и анализа имеющихся материалов по участку работ, в ходе обследования технического состояния эксплуатационных и наблюдательных скважин, а также на основании результатов гидродинамического имитационного математического моделирования.

Водозабор ДВИ подпитки озер-охладителей Калининской АЭС Песьво и Удомля расположен в 3 км южнее г. Удомля. На момент начала групповой опытно-эксплуатационной откачки водозабор состоял из двух водозаборных узлов, в составе которых находились 4 эксплуатационные скважины, представляющие собой линейный ряд. Расстояние между скважинами одной площадки составляет 15 м, между площадками — 250 м. Водозаборные скважины глубиной в среднем 180 м пробурены на алексинско-протвинский водоносный горизонт нижнего карбона. Статический уровень установился на глубине около 8.5 м.

Приблизительно за 1 год до пуска групповой опытно-эксплуатационной откачки были организованы наблюдения за уровнем и температурой подземных вод водоносного горизонта нижнего карбона, а также поверхностных вод озер-охладителей в естественных условиях. Внутригодовая амплитуда колебания уровня подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта незначительна и не превышает 0.5 м. Минимальные значения уровня наблюдаются в ноябре, максимальные — в июне. Прослеживается снижение уровня подземных вод с августа по январь, постепенное понижение уровня поверхностных вод происходит с июня по декабрь. Резкое повышение уровня воды в поверхностных водоемах в апреле, вызванное паводком, практически не сказывается на изменении уровня подземных вод продуктивного водоносного горизонта.

Согласно разработанной методике групповой опытно-эксплуатационной откачки было предусмотрено проведение наблюдений за состоянием как подземных, так и поверхностных вод в наблюдательных скважинах и на гидрометрических постах, расположенных в зоне прогнозного влияния групповой опытно-эксплуатационной откачки. Наблюдения за подземными водами велись по четырем наблюдательным скважинам, а также на эксплуатационных скважинах.

Групповая опытно-эксплуатационная откачка с непрерывным гидрогеологическим сопровождением была проведена в два этапа — в периоды зимней и летней межени. Продолжительность первого этапа опытной откачки составила 33 дня с последующими наблюдениями за восстановлением уровня подземных вод продуктивного алексинско-протвинского водоносного горизонта нижнего карбона. Дебит водозабора ДВИ составил 27 тыс. м3/сут.

Продолжительность второго этапа опытной откачки составила 105 сут. Большую часть времени дебит водозабора составлял 27 тыс. м3/сут, в последний месяц опыта были введены в эксплуатацию вновь пробуренные водозаборные скважины, расположенные как на действующих, так и на новой третьей водозаборной площадке, и величина дебита составила 46 тыс. м3/сут (рис. 3).

statia-17-ris-3

Максимальное понижение уровня подземных вод продуктивного алексинско-протвинского водоносного горизонта в наблюдательных скважинах, расположенных на расстоянии 5.5–13 км от ДВИ, на конец первого этапа групповой опытно-эксплуатационной откачки составило 0.6–0.7 м. Резкое снижение уровня наблюдалось первые пять суток до значения понижения 0.4 м, далее уровень опускался с меньшей интенсивностью. После остановки первого этапа откачки резкое восстановление уровня подземных вод эксплуатируемого водоносного горизонта в наблюдательных скважинах происходило в течение 10 сут, ход последующего восстановления представлял собой первые см/сут. Полное восстановление уровня подземных вод произошло через месяц после остановки водозаборных скважин.

Максимальное понижение уровня подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта в наблюдательных скважинах на конец второго этапа групповой опытно-эксплуатационной откачки при фактическом дебите водозабора ДВИ 46 тыс. м3/сут составило 0.9–1.1 м. Резкое снижение уровня наблюдалось первые восемь суток до значения понижения 0.4 м, далее уровень продолжал изменяться с меньшей интенсивностью.

Реакция наблюдательных скважин на возмущение (групповую опытно-эксплуатационную откачку) практически мгновенная, несмотря на различную удаленность пунктов наблюдения от водозабора ДВИ, что свидетельствует о сильной трещиноватости, очень высокой пьезопроводности и «двойной пористости» водовмещающих пород при крайне низкой емкости трещинно-карстовой среды.

По полученным значениям понижения уровня подземных вод можно сказать, что сформировавшаяся депрессионная воронка имеет очень плоскую форму. Радиус влияния опытной эксплуатации превышает 13 км и по результатам математического имитационного моделирования составляет 40 км.

Следует отметить, что графики S – lg t имеют прямолинейный характер, что свидетельствует о проведении опыта в условиях неограниченного водоносного пласта.

Данные об изменении уровня подземных вод, полученные во время проведения групповой опытно-эксплуатационной откачки, обрабатывались графо-аналитическими методами, представляющими собой временное и комбинированное прослеживание. По результатам расчетов по каждой наблюдательной скважине в отдельности получены значения водопроводимости алексинско-протвинского водоносного горизонта нижнего карбона. Принятое осредненное значение водопроводимости продуктивного алексинско-протвинского водоносного горизонта в центральной части изучаемой территории составило 16 000 м2/сут. Следует отметить, что по сравнению с принятыми ранее значениями (по состоянию на 2012 г.) оцененная величина водопроводимости выше более чем в 5 раз. Учитывая столь высокую величину проводимости, можно говорить об аномальных фильтрационных свойствах водоносного горизонта нижнего карбона в зоне влияния групповой опытно-эксплуатационной откачки.

По результатам выполненных работ и математического моделирования:

  • уточнены значения водопроводимости алексинско-протвинского водоносного горизонта нижнего карбона; претерпели значительные изменения существующие представления о фильтрационных свойствах рассматриваемого горизонта;
  • выяснены условия формирования водного баланса
  • водоносного горизонта нижнего карбона;
  • установлено, что в данной ситуации групповая опытно-эксплуатационная откачка — наиболее эффективный метод решения поставленной задачи;
  • доказана возможность реализации проектного дебита водозабора ДВИ в рамере 57.7 тыс. м3/сут с максимальным водоотбором при форсированном режиме эксплуатации 156 тыс. м3/сут.