22 апреля 2012

Подземное захоронение сточных вод без четко выраженного водоупора

Atomic-Energy.ru
Рис. 1. Технология подземного захоронения промстоков при отсутствии водоупора

Современная технология позволяет осуществлять подземную закачку биологически опасных промышленных стоков, в том числе ЖРО, даже в том случае, если рабочий горизонт имеет гидравлическую связь с вышележащими водоносными горизонтами. При этом создание буферного горизонта небольшой мощности и использование технической жидкости повышенной вязкости существенно повышают эффективность и экономичность изоляции отходов.

Подземное захоронение биологически опасных сточных вод (промстоков) достаточно широко используется в нашей стране и за рубежом. На территории России в течение многих лет успешно эксплуатируются несколько крупных полигонов, где производится подземное захоронение токсичных промстоков предприятий и жидких радиоактивных отходов, с использованием как обычных нагнетательных скважин, так и укрупненных, сооруженных с помощью подземных ядерных взрывов для увеличения приемистости скважин.

К геологическому строению района размещения полигона по подземному захоронению промстоков предъявляется ряд обязательных требований. В частности, рабочий горизонт должен:

  • быть регионально развит (распространен на большой площади) и обладать достаточно высокими фильтрационно-емкостными свойствами;
  • не содержать запасов вод, перспективных для хозяйственно-питьевого водоснабжения;
  • быть надежно изолированным от вышележащих водоносных горизонтов, содержащих слабо минерализованные и пресные воды, которые могут быть использованы для технических нужд или питьевого водоснабжения;
  • обеспечивать локализацию промстоков в геологических горизонтах в пределах устанавливаемых границ горного отвода недр.

В случаях, если  требование об изоляции рабочего горизонта от вышележащих горизонтов не выполняется или есть сомнение, что оно будет выполнено, возможно применение специальных технологий захоронения промстоков, предотвращающих прямую связь рабочего горизонта с вышележащими  (Патент РФ № 2328784 от 10.07.2008).

Новый метод закачки промстоков

Суть технологии заключается в том, что одновременно с закачкой в рабочий горизонт промстоков в вышележащий горизонт закачивают техническую жидкость. При этом на забое скважин, используемых для закачки технической жидкости, поддерживают давление φ, равное 0,9-1,1 давления на забое нагнетательных скважин, через которые закачивают промстоки в рабочий горизонт.

Закачка технической жидкости создает искусственный буферный горизонт, выполняющий функции водоупора, препятствующего перетеканию закачиваемых промстоков в вышележащие водоносные горизонты.

Условие φ = 0,9-1,1 является существенным. Если давление в буферном горизонте будет больше 1,1 давления в рабочем горизонте, часть технической жидкости перетечет в рабочий горизонт. Если давление в буферном горизонте будет меньше 0,9 давления в рабочем горизонте, часть сточных вод (промышленных стоков) начнет перетекать в буферный горизонт.

Мощность (высоту) буферного горизонта целесообразно выбирать в диапазоне 0,1-0,25 от мощности рабочего горизонта.

Техническая жидкость должна быть экологически нейтральной: тогда если часть ее профильтруется в вышележащие водоносные горизонты, это не приведет к их загрязнению токсичными веществами, содержащимися в захороняемых промстоках.

В качестве технической жидкости целесообразно использовать раствор с повышенной вязкостью, например, разбавленный глинистым раствором. Увеличение вязкости технической жидкости в 1,2-1,5 раза по сравнению с промстоками не только позволяет уменьшить расход технической жидкости при обеспечении заданного соотношения давлений в рабочем и буферном горизонте, но и препятствует перетеканию технической жидкости из буферного в смежные горизонты. Это связано с тем, что проницаемость горных пород в вертикальном направлении всегда существенно ниже, чем по горизонтали. Увеличение вязкости технической жидкости более чем в 1,2–1,5 раза нецелесообразно, так как приведет к большим гидравлическим потерям и необходимости поддержания высокого давления на устье нагнетательных скважин, пробуренных на буферный горизонт.

В соответствии с законами подземной гидродинамики, при закачке жидкости в водоносный горизонт перепад давления в любой точке пласта определяется формулой:

         (1)

где:

Q — расход закачиваемой жидкости;
k, h — проницаемость и мощность (высота) горизонта соответственно;
χ — коэффициент пьезопроводности горизонта;
µ — вязкость закачиваемой жидкости;
r — расстояние от нагнетательной скважины;
t — время.

Для исключения перетока закачиваемых промышленных стоков в вышележащие водоносные горизонты необходимо соблюдение равенства избыточного давления в рабочем горизонте ∆Pр, в который закачиваются промышленные стоки с расходом Q, и в буферном горизонте φ∆Pб, в который закачивается техническая жидкость с расходом q, то есть:

         (2)

Из равенства (2), с учетом формулы (1), можно определить расход закачки в буферный горизонт технической жидкости q:

         (3)

где:

р — рабочий горизонт;
б — буферный горизонт;
µn — вязкость закачиваемых промышленных стоков;
µT — вязкость технической жидкости.

Поскольку коэффициенты пьезопроводности водоносных горизонтов, как правило, мало различаются по значениям, а расстояния r, на которых определяется перепад давления, одинаковы, то соотношением логарифмов в формуле (3) можно пренебречь. Тогда она будет иметь следующий вид:

         (4)

где:

Q — расход промышленных стоков;
kр, hр — проницаемость и мощность рабочего горизонта;
µп — вязкость промышленных стоков;
kб, hб — проницаемость и мощность буферного горизонта;
µT — вязкость технической жидкости;
φ — соотношение давлений в рабочем и в буферном горизонтах, равное 0,9-1,1.

Использование технологии

На рисунке 1 показано подземное захоронение биологически опасных промстоков в соответствии с данной технологией. В рабочий горизонт (1) через нагнетательную скважину (2) с помощью насоса (3) производится закачка промышленных стоков с расходом Q.

 

Рис. 1. Технология подземного захоронения промстоков при отсутствии водоупора

 

Одновременно через скважины (4), пробуренные в  буферном горизонте (5), насосом (6) производится закачка технической жидкости с расчетным суммарным расходом q, определяемым по формуле 4.

В качестве технической жидкости используется вода из поверхностных водоемов с использованием загустителя, например, глинистого раствора.

На рисунке 2 показана схема закачки промстоков в ситуации, когда рабочий горизонт ограничен в размерах. В этом случае для предотвращения резкого увеличения давления нагнетания используются разгрузочные скважины (7), расположенные за пределами расчетного фронта продвижения промстоков по рабочему горизонту; в качестве основы технической жидкости может быть использована пластовая вода, поступающая из разгрузочных скважин, если она не отличается высокой степенью минерализации и токсичности.

 

Рис. 2. Захоронение промстоков при отсутствии водоупора (рабочий горизонт ограничен в размерах)

 

Для гипотетического примера использования данной технологии подземного захоронения промышленных стоков выбран рабочий горизонт мощностью 50 м, проницаемостью 1*10-12 м2. Закачку промстоков, имеющих динамическую вязкость 10-3 Па*сек, планируется производить объемом 1000 м3/сут (0,012 м3/сек).

Буферным выбран водоносный горизонт мощностью hб = 10 м, залегающий над рабочим горизонтом, проницаемостью kб = 0,5*10-12 м2. В качестве технической жидкости используется пресная вода из открытого водоема, для увеличения вязкости до µт = 2,5*10-3 Па*сек добавляется глинистый раствор (φ = 1,0).

Необходимый расход закачки в буферный горизонт технической жидкости определяем по формуле 4. Подставив в нее исходные значения, получим q = 40 м3/сут. Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа обеспечивается условие равенства давления в любой точке буферного горизонта давлению на этом же расстоянии в рабочем ­горизонте.

При этом расход закачки технической жидкости может быть намного меньше расхода промышленных стоков, закачиваемых в рабочий горизонт, что способствует повышению экономической эффективности.

Использование предлагаемой технологии позволит существенно расширить область применения подземного захоронения биологически опасных сточных вод. Ее, например, можно использовать для закачки ЖРО ПО «Маяк», для которого проблема удаления жидких радиоактивных отходов является весьма актуальной. В геологическом разрезе вблизи объекта «Маяк» имеется в наличии рабочий горизонт, обладающий высокими фильтрационно-емкостными свойствами, достаточными для организации подземного захоронения отходов, однако убедительных данных об изоляции рабочего горизонта от верхних горизонтов пока не получено.

Авторы

Н.К. Приходько, д.т.н., А.И.Рыбальченко, к.г.-м.н.
ОАО «ВНИПИпромтехнологии»

А.П. Васильев, к.ф.-м.н.
Международный центр по экологической безопасности Минатома России

М.Л. Глинский, к.т.н.
ФГУГП «Гидроспецгеология»