В последние годы приобрела особую актуальность проблема защиты водных ресурсов от загрязнения промышленными сточными водами (промстоками), в первую очередь, предприятиями нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности. Кроме того, остро стоит вопрос надежной изоляции жидких радиоактивных отходов. Один из эффективных методов решения таких проблем – закачка отходов через скважины, сооруженные с помощью взрывов.
В России и за рубежом в качестве метода изоляции промышленных сточных вод, трудно поддающихся очистке, широко используется закачка их в глубокозалегающие подземные горизонты через обычные (пробуренные) скважины. Основным достоинством данного способа является то, что загрязненные промстоки полностью удаляются из сферы жизнедеятельности человека. Однако есть и целый ряд существенных недостатков, которые ограничивают технологические возможности метода и снижают его технико-экономическую эффективность.
Обычные скважины имеют относительно невысокую среднюю приемистость и характеризуются малой вероятностью вскрытия зон пласта с высокой естественной проницаемостью, ввиду большой неоднородности подземных коллекторов, как по площади, так и по высоте рабочего горизонта.
Поверхность фильтрации и аккумулирующая емкость для накопления взвесей невелики. Превышение содержания взвешенных частиц в промстоках более 15-25 мг/л может привести к резкому снижению приемистости обычных скважин, в 7-10 раз и более в течение месяца.
Закачкой через обычные скважины практически невозможно производить захоронение промстоков, химически не совместимых с пластовыми водами. В этом случае образуется твердый осадок, закупоривающий поры пласта непосредственно вблизи забоя скважины, что резко снижает его проницаемость. Избежать этого можно двумя путями: за счет специальной химической обработки промстоков, что связано с большими затратами, или путем предварительной закачки в пласт буферной нейтральной жидкости (как правило, пресной воды), что связано с лишними энерго- и водозатратами.
Таким образом, несмотря на значительную емкость коллекторов, возможности существующей технологии закачки промстоков в подземные горизонты ограничены. Для устранения этого противоречия специалистами ВНИПИпромтехнологии в 1970-1980 годы были выполнены научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по созданию и внедрению технологии закачки пром-стоков через нагнетательные скважины, сооружаемые с использованием подземных ядерных взрывов.
Преимущества укрупненных скважин
Подземный ядерный взрыв создает укрупненную нагнетательную скважину, эффективный радиус которой значительно превышает радиус ствола пробуренной скважины.
В результате взрыва во много раз улучшаются фильрационно-емкостные параметры продуктивных (рабочих) пластов, в первую очередь, за счет механического воздействия, приводящего к дроблению и растрескиванию горных пород.
При взрыве ядерного заряда в горных породах образуется несколько зон воздействия. Прежде всего, это столб обрушения, состоящий из обломков горных пород, суммарная емкость пространства между которыми может достигать нескольких тысяч кубометров; здесь могут отлагаться взвешенные частицы закачиваемых промстоков. Проницаемость в зоне столба обрушения может достигать 1 Дарси и более. В рабочем горизонте образуются обладающие высокой проницаемостью зоны раздробленных пород и макро- и микро-трещиноватости, протяженность которых может составлять десятки и даже сотни метров.
На рисунке 1 представлен график изменения во времени приемистости укрупненной и обычной нагнетательных скважин в зависимости от количества взвешенных частиц в закачиваемой жидкости. Предполагается, что скважины размещены в одном и том же рабочем горизонте, при этом:
эффективный радиус обычной скважины rc = 0,15 м;
радиус столба обрушения укрупненной скважины Rn = 10 м;
радиус зоны трещиноватости укрупненной скважины RТ = 100 м;
гидропроводность пласта ε = Kh/µ = 10-3 м3/МПа*сек.;
пьезопроводность пласта ℵ = 0,1 м2/сек.;
перепад давления на забое скважины ∆P= 10 МПа;
содержание взвешенных частиц в закачиваемой жидкости в = 0, 25; 50; и 100 мг/л;
время закачки жидкости t = 1-10 лет (365-3650 сут).
График наглядно демонстрирует, что приемистость укрупненных скважин в 4-5 раз выше, чем у обычных и почти не зависит от содержания взвешенных частиц.
Другой характерной особенностью укрупненных скважин является высокая вероятность вскрытия этой скважиной естественных трещин или высокопроницаемых зон продуктивного пласта. Все типы пластов-коллекторов характеризуются неоднородностью по проницаемости, выраженной в той или иной степени, в зависимости от геологических условий формирования пласта, от типа пород, слагающих пласт и т.д. Особенно высокая степень неоднородности присуща коллекторам, сложенным карбонатными породами (это в основном связано с хаотическим распределением в пласте естественных трещин).
На рисунке 2 показано, насколько существенно возрастает вероятность вскрытия укрупненной скважиной высокопроницаемых зон пласта. Рассмотрен гипотетический случай, когда пласт разбит правильной сетью естественных трещин, со стороной квадрата L; рассчитана вероятность попадания скважины радиусом Rc (0,15-15 м) в область пласта с пересечением одной из линий высокой проводимости (трещины). Из графика видно, что при расстоянии между трещинами 50 м вероятность вскрытия трещиной зоны обычной скважиной составляет всего 1,2%, тогда как для укрупненной, радиусом 5 м, эта вероятность составляет 36%, а при радиусе 15 м – до 84%.
Еще одним важным преимуществом укрупненных скважин является возможность захоронения промстоков, химически несовместимых с пластовыми водами. Это связано с тем, что первая порция отходов, вступившая в реакцию с пластовой водой, будет затем вытесняться очередными партиями промстоков в пласт. Следовательно, твердый осадок может начать образовываться только на определенном расстоянии (100 м и более) от укрупненной скважины, где захороняемые промстоки начнут контактировать с пластовой водой.
Укрупненные скважины могут сооружаться не только посредством воздействия на горные породы ядерного взрыва, но и с использованием других средств, например, взрывов твердых или жидких химических взрывчатых веществ. При этом их технологические параметры не будут существенно ниже, чем при ядерном взрыве.
Апробация технологии
Опытно-промышленная апробация технологии закачки промстоков через укрупненные скважины, сооруженные с использованием подземных ядерных взрывов, произведена на двух объектах: «Кама-1» (1983 год) и «Кама-2» (1976 год). На обоих объектах, в аналогичных рабочих горизонтах, было сооружено по одной укрупненной скважине в результате взрывов мощностью по 10 кт.
Рисунок 3. Размещение скважин на объекте "Кама-2" (нажмите, чтобы посмотреть)
К началу 2008 года на «Каме-2» закачано свыше 35 млн м3 высокоминерализованных промстоков ОАО «Сода» (город Стерлитамак), на «Каме-1» – 3,66 млн м3 промстоков ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», отличающихся более высокой токсичностью и содержащих гептил, гексил и другие биологически опасные вещества. Причем в начальный период количество взвешенных частиц в закачиваемых промстоках достигало нескольких тысяч мг/л, то есть многократно превышало уровень, допустимый для обычных скважин.
За время функционирования приемистость укрупненной нагнетательной скважины на «Каме-2» увеличилась в 3-4 раза, на «Каме-1» – более чем в 15 раз (нагнетательная скважина на этом объекте попала в блок пород с очень низкими фильтрационными свойствами; таким образом, подтверждается положение о высокой вероятности вскрытия укрупненной скважиной высокопроницаемых зон пласта).
В процессе эксплуатации объектов было уделено большое внимание исследованию закономерностей миграции радионуклидов, оставшихся после взрыва, по рабочему горизонту. Полученные закономерности могут быть использованы для прогнозирования распространения радионуклидов в горных породах при разработке проектов создания подземных хранилищ радиоактивных отходов.
Рисунок 4. Изменение максимальных значений экспозиционной дозы γ-излучения в зависимости от расстояния от нагнетательной скважины ("Кама-2")
На рисунке 4 представлен график распространения радионуклидов на объекте «Каме-2», составленный с учетом того, что из-за неоднородности пласта-коллектора скорость продвижение фронта промстоков идет по двум перпендикулярным направлениям.
По графику несложно определить эмпирические зависимости:
по линии скважин НБ-3–НБ-4γ1 = 42600 Exp (-0,0069*R);
по линии НБ-1–НБ-2γ2 = 42600 Exp(-0,0127*R).
Расстояние Rф, на котором значения экспозиционной дозы γ-излучения приблизятся к фоновым, вычисляется по формуле:
Rф = (Ln γмах — Ln γф)/α
где
γмах - максимальное значение γ-активности, зафиксированное в нагнетательных скважинах;
γф - фоновое значение γ-активности (для горных пород – 8 мкР/ч);
α - коэффициент, зависящий от направления движения фронта промстоков.
Таким образом, по линии НБ-3 – НБ-4 Rф=1243 м, по линии НБ-1– НБ-2 Rф= 675 м.
Объекты «Кама-2» и «Кама-1» можно рассматривать как натурную модель для изучения закономерностей миграции радионуклидов. Расчеты показали, что год закачки промстоков через зону взрыва на объекте «Каме-2» соответствует примерно 1000 годам процесса миграции радионуклидов при фильтрации через подземное хранилище РАО с естественной скоростью, которая обычно не превышает 0,5-1 м в год.