книги / Нефтегазовая гидрогеология

и как гражданин, член общества — обязан знать и соблюдать зако­ ны, требования и правила пользования и охраны недр и окружаю­ щей среды.

§ 2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Воды и водные растворы в недрах, в том числе б нефтяных и газовых месторождениях, часть окружающей нас среды. Рациональ­ ное использование природных ресурсов и охрана окружающей сре­ ды в настоящее время являются важнейшими национальными и международными проблемами. Использование и охрана вод — со­ ставная часть охраны окружающей среды и рационального приро­ допользования. Под охраной вод понимается комплекс мер по со­ хранению качественного и количественного их состояния, позво­ ляющего использовать их в народном хозяйстве.

Проблемы сохранения природы во всем ее богатстве, стоящие перед человечеством требуют и тесного международного сотруд­ ничества.

В связи с этими вопросами возникла особая отрасль гидрогео­ логии — экологическая гидрогеология.

Экологическая гидрогеология — учение о роли гидрогеологи­ ческих условий существования и развития биосферы и ноосферы и в особенности в обстановке техногенеза. Прикладная экологи­ ческая гидрогеология занимается выработкой и обоснованием мер, направленных на оптимизацию экологических взаимосвязей в си­ стеме гидрогеологические условия — ноосфера. Эти меры — про­ филактические, коррекционные, ликвидационные — опираются на соответствующие прогнозы и проектные решения. Важной вет­ вью прикладной экологической гидрогеологии является нефтега­ зовая прикладная экологическая гидрогеология.

Ниже рассматриваются вопросы охраны вод земной коры и влия­ ния разработки нефтяных и газовых месторождений на гидрогеоло­ гические условия.

Охранять воды в земной коре нужно от истощения и загрязне­ ния. Под истощением вод земной коры понимается снижение уров­ ней и (или) напоров ниже пределов, установленных при оценке запасов (а если оценки не было, — то прогрессирующее снижение дебита и уровня в районе водозабора). Известно много примеров, когда даже высоконапорные горизонты пресных вод истощались. Если водоносный резервуар имеет относительно небольшой изо­ лированный объем, то может наступить полное истощение ресур­

сов вод (водоносной линзы). Для ограниченных в размерах и изо­ лированных скоплений вод истощение при эксплуатации — прак­ тически неизбежный процесс (как и для всех других полезных ис­ копаемых). Но нередко приходится видеть преждевременное ис­ тощение водоносных резервуаров из-за нерационального их ис­ пользования или потерь, например излива воды из открытых сква­ жин на поверхность и т.п. Регулирование работы водозаборов и рациональное расходование добываемых вод — основа охраны вод­ ных богатств земных недр от истощения. Важным подспорьем в борьбе против истощения ресурсов вод в земной коре служит их искусственное пополнение.

Не менее, а может быть и более важной является проблема за­ щиты вод от загрязнения. Под загрязнением вод понимается изме­ нение их качества, делающее их непригодными к использованию в первоначальных целях. Воды загрязняются промышленными и коммунально-бытовыми стоками, химическими удобрениями и ядохимикатами с сельскохозяйственных угодий. Один из главных источников загрязнения вод — сброс неочищенных (и плохо очи­ щенных) стоков промышленными предприятиями. В глубокозалегающие водосодержащие пласты промышленные стоки попадают нередко через заброшенные или дефектные скважины, в которые их специально сбрасывали.

Борьба с загрязнением вод земной коры — часть комплекса мероприятий по охране окружающей среды. Охрана вод должна начинаться с профилактических мероприятий, тогда, когда еще не появились сведения о загрязнении. Предварительные меры по охране вод состоят в изучении возможных источников их загряз­ нения (будущих), создании наблюдательных пунктов вблизи круп­ ных предприятий и водозаборов, подготовке к очистке и утили­ зации стоков и отходов, создании систем оборотного водоснаб­ жения (т.е. многократного использования одной и той же воды после ее очистки), проектировании надежных мер по предотвра­ щению утечки вредных веществ. Одним из способов защиты вод от загрязнения служит захоронение промышленных стоков в не­ драх.

Проектирование и размещение производств, которые могут быть источниками загрязнения, должно вестись на базе специальных гидрогеологических исследований с учетом большей или меньшей защищенности вод земной коры от проникновения в них загряз­ няющих веществ.

В деле защиты вод земных недр от загрязнения решающее зна­ чение имеют гидрогеологические исследования. Вопросы охраны вод выделились в особую отрасль гидрогеологии.

Основные методы охраны литосферных вод следующие: 1) ис­ пользование вод по замкнутому циклу (оборотное водоснабжение); 2) пополнение запасов вод; 3) барражи; 4) дренажи; 5) захороне­ ние стоков; 6) изоляция водоносных горизонтов в скважинах; 7) установление санитарно-охранных зон. Первые три метода мо­ гут быть использованы для охраны вод от истощения и загрязне­ ния, остальные — только от загрязнения.

Использование вод по замкнутому циклу возможно главным об­ разом для вод, применяемых для промышленного водоснабжения (в том числе, например, для заводнения нефтяных залежей), в го­ раздо меньшей степени — для вод, предназначенных для бытового водоснабжения, и в незначительном объеме —для термальных вод. Воды после использования (и при необходимости — после очист­ ки) закачиваются в пласты, затем извлекаются снова и т.п.

Пополнение запасов литосферных вод (за счет речных) применя­ ется для пресных вод неглубоких горизонтов, иногда в больших масштабах.

Барраж — создание барьера повышенного давления («гидроза­ весы»), преграждающего путь загрязненным водам к водозабору, а также сохраняющего от истощения воды на примыкающих к нему участках, путем закачки вод в пласт под давлением через специ­ альные нагнетальные скважины.

Дренаж — откачка загрязненных вод через специальные сква­ жины (размещающиеся между источником загрязнений и водоза­ бором) для перехвата продвигающихся к водозабору загрязненных вод. Применяется главным образом для неглубокозалегающих пре­ сных и лечебных минеральных вод. Барражи и дренажи могут ис­ пользоваться для любых видов вод в недрах.

Захоронение промышленных стоков в водоносных горизонтах и искусственных пустотах внутри непроницаемых пород (солей и т.п.) при строгом контроле помогает предохранять воды вблизи действующих или проектируемых водозаборов от загрязнения этими стоками, возможного при их неконтролируемом растекании. Мо­ жет применяться для охраны любых вод (включая поверхностные).

Изоляция водоносных горизонтов в скважинах предохраняет их от загрязнения водами иного состава, нефтью или какими-либо другими загрязнителями, содержащимися в глубокозалегающих горизонтах, вскрываемых теми же скважинами. Метод может при­ меняться для любых видов вод и рассолов в земной коре.

Зоны санитарной охраны создаются в первую очередь на участ­ ках водозаборов. В общем случае зона санитарной охраны состоит из двух поясов: первый (внутренний) пояс — зона строгого режи­ ма, второй пояс — зона ограничений. Радиус первого пояса обыч­

но не превышает 50 м, размеры внешнего пояса определяются рас­ четным путем. Вопросы создания зоны санитарной охраны детально рассматривались В. М. Гольдбергом (1976 г.), Ф. М. Бочевером и др. (1979) и др.

При разработке нефтяных и газовых месторождений возника­ ют специфические условия, которые ведут к загрязнению и исто­ щению вод, и в этих условиях из перечисленных методов охраны вод можно использовать лишь некоторые. Для обоснования при­ менения тех или иных методов следует проводить предваритель­ ные гидрогеологические изыскания. При этом могут составлять­ ся специальные карты: карты защищенности вод, карты про­ гнозного районирования техногенных гидрогеохимических про­ цессов (с показом на них загрязняющих объектов, вероятного продвижения загрязнителей и т.п.) и др. Так, по А. Я. Гаеву (1989), при оценке защищенности вод земной коры от загрязнений должны учитываться такие гидрогеологические факторы, как пре­ обладание восходящих или нисходящих перемещений вод в разрезе и в пластах, открытость и закрытость водоносных горизонтов.

Можно выделить три наиболее важных аспекта влияния разра­ ботки нефтяных и газовых месторождений на гидрогеологические условия.

1. Истощение водоносных горизонтов, а именно: а) истощение нефтегазоводоносных горизонтов при разработке залежей газа и нефти без поддержания давления; б) истощение водоносных пла­ стов, эксплуатируемых для водоснабжения нефтепромыслов. В обоих случаях могут развиваться воронки депрессии, радиус ко­ торых иногда превышает 100 км (например, вокруг месторожде­ ния Газли). При этом в газонефтеносном горизонте могут проис­ ходить прямые потери минеральных и термальных вод при их по­ путном извлечении с газом и нефтью, а также могут ухудшаться условия эксплуатации вод — снижаться уровни, дебиты и т.д.

2. Изменение состава водных растворов в нефтегазоводонос­ ных горизонтах при закачке посторонних вод, причем характер­ ны разбавление вод, выпадение осадков, выделение кислых газов (см. главу XII). Эти процессы влияют и на условия эксплуатации вод на прилегающих к залежи участках, где могут происходить: а) разбавление (разубоживание) минеральной воды (рассола), осо­ бенно при значительном оттоке закачиваемой маломинерализо­ ванной воды от контура залежи во внешнем направлении; б) сни­ жение продуктивности водозаборных скважин вследствие солеотложения; в) сероводородное «заражение» вод, приводящее к их непригодности для использования и к коррозии эксплуатацион­ ного оборудования.

3. Влияние на верхние водоносные горизонты. Чаще всего при этом происходят загрязнение верхних (лишенных нефти и газа) горизонтов разреза нефтью или засолонение их за счет вод (рассо­ лов) нефтегазоносных горизонтов. Нефть и рассолы проникают в верхние горизонты либо по трещинам через водоупоры, причем трещины могут образоваться или раскрыться при изменении соот­ ношения давления в смежных горизонтах вследствие разработки, либо через скважины при отсутствии изоляции или с дефектным цементным кольцом. Загрязнение приводит к потере верхними водами (пресными, минеральными) полезных качеств.

Техногенные изменения в нефтегазоводоносных пластах могут оказывать действие и через перекрывающие залежи толщи пород. Так, создание репрессий иногда приводит к межпластовым пере­ токам вплоть до грунтовых вод, к подпору и поднятию уровня пос­ ледних и в конечном счете — к заболачиванию местности и под­ топлению зданий и сооружений.

Образование депрессий при разработке газовых и нефтяных залежей на естественных режимах иногда приводит к просадкам земной поверхности и, возможно, даже к землетрясениям (после­ днее не исключается и при репрессии).

При разработке нефтяных и газовых месторождений в резуль­ тате аварийных и других неконтролируемых должным образом сли­ вов получаемых из недр жидкостей, низкого качества промысло­ вых резервуаров и коммуникаций может происходить загрязнение попутными водами нефтегазодобычи водоемов (рек, озер, морей), почв, растительности и других элементов окружающей среды. Это могут быть нефтяное загрязнение, засоление, загрязнение мине­ ральными микрокомпонентами. Для прогнозирования этих про­ цессов и обоснования мер по профилактике и ликвидации загряз­ нений в числе других необходимы и гидрогеологические материа­ лы. В задачи гидрогеологических исследований с указанными це­ лями входят: 1) выявление загрязняющих свойств попутных вод нефтегазодобычи; 2) определение критериев загрязнения; 3) уста­ новление возможностей и условий проведения мер по охране во­ доемов, почв, растительности и т.д. На базе изучения состава по­ путных вод могут проектироваться такие меры, как очистка, ис­ пользование, выпаривание (с использованием остающихся мине­ ральных компонентов) вод и рассолов.

Следует несколько подробнее остановиться на гидрогеологи­ ческих основах захоронения (сброса) сточных вод нефтяных и газо­ вых промыслов.

Захоронению подлежат сточные воды, которые не могут быть использованы и для которых не могут быть применены какие-либо

способы очистки или уничтожения. К этой категории в числе дру­ гих относятся минерализованные сточные воды (стоки) нефтяных и газовых промыслов. В выработанные нефтегазоносные пласты захороняются также жидкие стоки и ряда других отраслей про­ мышленности (нефтеперерабатывающей, химической и т.п.).

В соответствии с Положением о порядке использования и охраны подземных вод в нашей стране сброс сточных вод в по­ глощающие горизонты разрешается только после проведения спе­ циальных гидрогеологических и санитарных исследований, до­ казывающих малую вероятность влияния сбрасываемых вод на водоносные горизонты, используемые для водоснабжения и в лечебных целях. В поглощающих скважинах вышележащие го­ ризонты должны быть надежно изолированы от загрязнения сточ­ ными водами. Закачка допускается только на глубины не менее 500 м (в некоторых других странах — и на меньшие глубины). Также обязательны сведения о водозаборах в радиусе 20 — 30 км.

Специальные гидрогеологические изыскания при проектиро­ вании сброса промышленных стоков включают: 1) изучение гео­ логического строения и гидрогеологических условий; 2) опытно­ исследовательские работы в скважинах по определению приемис­ тости и других параметров пласта; 3) лабораторное изучение пород поглощающего пласта, его кровли и подошвы для определения физических свойств и влияния на них стоков; 4) физико-химичес­ кие исследования взаимодействия стоков и пластовых вод, а также тех и других с породами; 5) расчеты необходимого числа поглоща­ ющих скважин, их расположения, давления при закачке и т.п.; 6) опытные закачки стоков при режиме, соответствующем эксплу­ атационным условиям, и при наличии наблюдательных скважин.

При проектировании сброса сточных вод важнейшее значение имеют, во-первых, выявление в разрезе поглощающих горизонтов и зон (горизонтов-приемников), во-вторых, установление возмож­ ности (или невозможности) перетоков вод через разделы (экра­ ны). Решение этих вопросов основывается на гидрогеологическом изучении разрезов и специальных опытных исследованиях (см. также § 2 главы XII). Лучшими поглощающими горизонтами служат зоны палеокарста, проявляющиеся при проходке поглоще­ ниями промывочной жидкости и провалами бурового инструмен­ та (приемистость скважин в таких условиях на Шумовской пло­ щади в Прикамье, например, достигала 16 тыс. м3/сут.). Могут использоваться также трещиноватые известняки, крупнозернис­ тые песчаники и другие породы. Важен также учет совместимости стоков с пластовой водой.

После выбора горизонта для захоронения намечаются участки с наибольшей мощностью и приемистостью поглощающего гори­ зонта, расположенные в благоприятных условиях. Участки можно выбирать по картам зон поглощения, отмеченным при бурении скважин.

Далее необходима оценка экранов. По предложению Е. Е. За­ харовой, О. К. Севостьянова она проводится следующим образом. Определяются параметры: Н — мощность экрана, м; Ар — прира­ щение давления от закачки планируемого объема стоков, МПа; НГД — начальный градиент давления в экране по жидкости, МПа/м; Лж — расстояние продвижения фильтрационного фронта жидкости в экранах, м.

Величина Н устанавливается по данным гидрогеологического изучения района, величина Ар — расчетным путем, исходя из про­ ектируемого количества стоков и средней проницаемости пород экранирующей толщи. Значение НГД определяется по результа­ там модельных работ по вытеснению жидкости из образца поро­ ды. Оттуда же получается и величина йж.

Беря отношение НГДж /(Ар/Н), т.е. отношение начального гра­ диента давления к удельному приращению пластового давления (на единицу мощности экрана), выясняют возможность удержа­ ния экраном движения стоков вверх, иначе говоря, его надежность. Если данное отношение больше 1, значит экран удерживает дви­ жение стоков, если менее 1, то вывод будет неоднозначным и тог­ да следует определить еще величину Иж/Н. Такой случай означает, что стоки, преодолевая начальный градиент давления, продвига­ ются по экрану. Если кж/ Н < 1, то экран в целом удерживает (стоки проникают через какую-то его часть). Если K JH > 1, экран оценивается отрицательно.

В районе сброса сточных вод организуются санитарно-защит­ ные зоны, состоящие из двух-трех поясов, а также системы на­ блюдательных скважин.

§ 3. ОХРАНА НЕДР И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗБУРИВАНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДО­ РОДОВ

Разбуривание месторождения допускается при наличии проек­ та отвода земельного участка (земельный отвод) под строительство скважин и сооружений. В табл. 21 и 22 приведены нормы земель­ ных участков, отводимых под строительство скважин, сооружений и дорог.

Таблица 21

Нормы земельных участков под строительство скважин и сооружений

4. Бурение куста скважин -

кразмерам земельных участков, приведенным в п.п. 1, 2, 3, на каждую скважину в кусте, кроме первой,

Перед началом бурения на каждую скважину составляется гео­ лого-технический наряд (ГТН), в котором предусматриваются ме­ роприятия по охране недр.

Для выполнения требований по охране недр при разбуривании нефтяных и газовых месторождений необходимо соблюдать следу­ ющие основные условия:

—выбор технологии бурения, обеспечивающий предупреждение выбросов и поглощений, обвалов и других аварийных ситуаций;

—вскрытие продуктивных интервалов с применением промы­ вочных жидкостей, обеспечивающих минимально возможное заг­ рязнение призабойной зоны пластов и уменьшение продуктивно­ сти скважины;

—опробование промежуточных (непроектных) интервалов;

—выбор конструкции скважины, обеспечивающей безаварий­ ную и эффективную эксплуатацию;

—обеспечение надежной изоляции всех нефтегазоводопрояв­ ляющих (поглощающих) интервалов и герметизации заколонного пространства при цементировании эксплуатационной колонны для предотвращения неконтролируемых заколонных перетоков и со­ здания хорошей связи скважины и пласта через перфорационные отверстия;

—выбор способа вскрытия пласта (перфорация эксплуатаци­ онной колонны после цементирования), обеспечивающего проек­ тную производительность скважины и ее хорошее техническое со­ стояние;

—выбор интервала перфорации, обеспечивающий максималь­ ное вскрытие продуктивного интервала при условии предотвра­ щения преждевременного обводнения подошвенными водами и прорыва газа из газовой шапки;

—выбор способа освоения скважины, обеспечивающего про­ ектную ее производительность, предотвращение открытого фон­ танирования и других аварийных ситуаций (разрушение призабой­ ной зоны, смятие колонны и др.);

—обеспечение проведения комплекса глубинных исследова­ ний скважины для получения необходимого объема информации

огеолого-физических свойствах объекта.

Впроцессе разбуривания нефтяных и газовых месторождений необходимо учитывать и требования охраны окружающей среды.

Под загрязнением окружающей среды понимается всякое ис­ кусственное изменение физических, химических и биологических характеристик атмосферы, земли и воды, ухудшающее условия жизнедеятельности растительных и животных организмов немед­ ленно или в будущем.