Исследование методами физического моделирования геохимических изменений в глубокозалегающих водоносных пластах при закачке в них жидких отходов

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТАХ ПРИ ЗАКАЧКЕ В НИХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ

А.Ф. Соколов, О.М. Монахова

Проектами обустройства месторождений и подземных хранилищ газа (ПХГ), как правило, предусматривается закачка очищенных жидких отходов в глубокозалегающие водоносные пласты, не являющиеся источниками промышленного и бытового использования [1].

Выбор водоносных пластов в качестве наиболее подходящих объектов для захоронения жидких отходов газового производства -сложная и ответственная задача, при решении которой необходим учет многих факторов: геологических (литология пластов и

минералогический состав глинистой составляющей, неоднозначность ФЕС1), физико-химических (состав пластовых вод, а также совместимость закачиваемых вод и отходов с пластовыми водами и водовмещающими породами), технологических (состояние скважин), организационных и др. [2-4].

Научное обоснование выбора пластов особенно важно, т.к. любое воздействие на водоохранные зоны может привести к негативным экологическим последствиям [5-7].

На практике выбор пласта в качестве приемника жидких отходов осуществляется по результатам геофизических и гидрогеологических исследований разведочных скважин. Лабораторные исследования сводятся в основном к анализу подземных вод и закачиваемых жидкостей, водорастворенных газов и керна. (При этом определяется совместимость закачиваемых жидкостей с подземными водами в поверхностных условиях без учета водовмещаемых пород.) Экспериментальные исследования, которые позволили бы прогнозировать изменение гидродинамических свойств пласта, не проводятся.

На основании результатов экспериментального изучения процессов фильтрации жидких отходов на моделях пласта с соблюдением термобарических условий авторы настоящей работы предлагают решение, позволяющее прогнозировать ход процессов, возникающих в сложной системе порода - подземная вода - жидкие отходы при захоронении последних [8-9].

1 Фильтрационно-емкостные свойства.

Эксплуатация глубокопогруженных горизонтов как объектов захоронения жидких отходов должна быть рассчитана на продолжительное время и предусматривать, независимо от режима закачки (постоянного или периодического), замещение пластовой воды жидкими отходами путем ее оттеснения к периферии пласта-приемника. При этом формируются сложные гидрохимические системы (жидкие отходы - пластовая вода, жидкие отходы -пластовая вода - порода, жидкие отходы - порода), в которых между жидкой и твердой фазами развиваются физико-химические процессы, сопровождающиеся окислительно-восстановительными реакциями, катионным обменом, сорбцией, десорбцией, деятельностью бактерий в анаэробных условиях. Все это ведет к изменению ФЕС пород, часто сопровождающемуся кольматацией порового пространства призабойной зоны скважины.

Экспериментальное моделирование физико-химических

процессов в указанных системах проводится для выяснения характера взаимодействия захороняемых жидких отходов с пластовыми водами и водовмещающими породами.

В процессе закачки в пласте-приемнике могут накапливаться и оседать вещества, приводящие к кольматации порового пространства (причем последствия кольматации быстрее всего проявляются в призабойной зоне пласта):

• механические примеси;

• нефтепродукты;

• техногенные растворы (например, хлористый кальций, буровые растворы);

• хемогенные простые соли, образовавшиеся в результате несовместимости пластовых вод с жидкими отходами, особенно в случае, если последние представлены слабоминерализованными (пресными) водами.

На основании химико-аналитических исследований состава жидких отходов производства, образующихся на месторождениях и ПХГ, пластовых вод, пород коллектора и продуктов их взаимодействия формируются требования к составу закачиваемых в пласт жидких отходов производства [1]. При их выполнении источники кольматации могут быть исключены или максимально сокращены по объему.

В качестве объектов исследования выбраны действующие полигоны захоронения жидких отходов на Касимовском ПХГ и полигон захоронения на Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ).

Для получения экспериментальных данных о возможных последствиях кольматации геохимической природы при закачке жидких отходов в нижние водоносные песчаные пласты щигровского горизонта, используемые в качестве пластов-приемников жидких отходов, на полигоне Касимовского ПХГ на модели пласта длиной 1 м были проведены исследования, в которых использовались натурные пластовая вода, жидкие отходы и порода (скв. 124, слабосцементированный песок, интервал отбора 822-827 м).

В минералогическом отношении коллектор представлен слабо-сцементированными песчаниками с глинистым цементом (гидрослюда и примесь монтмориллонита ~3,6 %, каолинита ~0,73 %) и алевролитами. Кроме того, в гидрослюде отмечается присутствие небольшого количества монтмориллонитовых слоев смешаннослойного образования.

Пластовые воды высокоминерализованные (150 г/дм ) хлоридно-кальциевого типа.

Жидкие отходы, используемые в опытах, представляют собой слегка разбавленную пластовую воду, загрязненную нефтепродуктами (маслами). Минерализация жидких отходов на полигонах может сильно изменяться, вплоть до ~1 г/дм (маломинерализованные воды).

Фильтрация осуществлялась на модели пласта с противодавлением на выходе керна Рвых = 1 МПа + Рб (Рб - барометрическое давление) и давлением на входе Рвх = 1,14 МПа + Рб, температура флюидов менялась в интервале 20,0+- 22,9 °С.

В качестве модели предельно пресных жидких отходов в опытах использовалась дистиллированная вода. Исследование изменения состава жидкости при ее фильтрации через модель пласта щигровского горизонта Касимовского ПХГ велось следующим образом:

• насыщение модели пласта одновозрастной пластовой водой для воспроизведения пластовых условий (опыт 1);

• вытеснение пластовой воды из модели пласта жидкими отходами (натурные пробы) для изучения процесса замещения (опыт 2);

• вытеснение жидких отходов, насыщающих модель пласта, дистиллированной водой для выявления процессов, развивающихся в породе и влияющих на ФЕС пласта под влиянием пресной воды (опыт 3).

Такой цикл экспериментов давал возможность получить информацию об особенностях процессов в водоносном пласте-приемнике при последовательном нагнетании жидких отходов различной минерализации и состава в процессе функционирования ПХГ.

На этапе насыщения (опыт 1) в составе воды, отобранной на выходе из модели пласта, наблюдалось постепенное увеличение содержания практически всех компонентов по сравнению с пластовой водой на входе. По мере насыщения порового объема модели пластовой водой равновесие системы пластовая вода - порода достигалось довольно быстро, и состав воды в модели пласта на входе и на выходе был практически идентичным (за исключением сульфатного иона). По-видимому, растворение сульфатных солей происходило на всем протяжении эксперимента.

В опыте 2 приступали непосредственно к эксперименту по вытеснению пластовой воды натурными жидкими отходами. Напомним, что жидкие отходы Касимовского ПХГ, отобранные в реальных условиях, представляют собой минерализованную пластовую воду щигровского горизонта, несколько разбавленную стоками иного генезиса. Сопоставление составов жидких отходов в модели пласта на входе и на выходе показало, что на первом этапе из системы под воздействием жидких отходов вытеснялась пластовая вода.

Минерализация жидких отходов и содержание отдельных компонентов, растворенных в жидкой фазе, на выходе из модели пласта в начале закачки выше, чем в закачиваемых жидких отходах, и такие же, как в пластовой воде. По мере увеличения объема пор, заполненных жидкими отходами, происходит вытеснение пластовой воды: минерализация и состав отдельных компонентов (натрий, кальций, магний, хлор) на выходе из модели пласта становятся такими же, как у жидких отходов на входе. Характерно уменьшение содержания карбонатных и сульфатных ионов в составе жидкости, отобранной на выходе. Это свидетельствует о высаливании малорастворимых солей карбонатов и сульфатов из сточных вод при их закачке в пласт. Однако изменения эти очень незначительны и не могут существенно изменить ФЕС пласта, тем более запечатать пласт в результате хемогенного выпадения солей.

В опыте 3 для выявления процессов, развивающихся в породе и влияющих на ФЕС при нагнетании в него пресных жидких отходов, было проведено вытеснение жидких отходов, насыщающих породу пласта-приемника, дистиллированной водой, использованной в каче-

стве модели пресных жидких отходов. При этом по мере замещения натурных жидких отходов дистиллированной водой минерализация вытесняемого флюида, естественно, снижалась и рН повышался. На выходе из модели пласта по мере разбавления жидких отходов дистиллированной водой концентрация бикарбонатных солей кальция и магния в их составе увеличивалась, а концентрация сульфатов, хлоридов кальция, магния и натрия, которые могут выпадать в осадок, уменьшалась. В ходе опыта наблюдалась постепенная метаморфизация воды в сторону бикарбонатного типа, что свидетельствует о растворении карбонатных солей, содержащихся в породе.

Что касается содержания микрокомпонентов, каких-либо тенденций в изменении их содержания до и после нагнетания в модель пласта не выявлено. Их поведение обусловлено процессами опреснения жидких отходов дистиллированной водой. Наблюдался также рост содержания кремния, что говорит о растворении вместе с карбонатами кремнистых соединений породы.

На рис. 1, 2 отражены изменения катионного и анионного составов жидких отходов, вытесняемых дистиллированной водой по мере ее нагнетания в модель пласта.

100 Ыа

/ \ /з ч / \

\ / V/ \

/\ і Л \ / \ г \ / \

40 ма О Г - пластовая вода скв. 126 # 1”-промстоки 100%-ной концентрации (до прокачки) О 1 - прокачано 0,98 объема пор О 2 - прокачано 2,43 объема пор Э 3 - прокачано 3,50 объема пор 40 Са

Рис. 1. Изменение катионного состава жидких отходов 100%-ной концентрации при их вытеснении дистиллированной водой, % мг-экв.

На первой стадии при отсутствии ионного обмена (см. рис. 1) наблюдается рост относительной доли натрия в составе дистиллированной воды. Однако ее дальнейшее нагнетание в модель пласта вызывает обменные реакции вследствие поглощения породой обменного натрия и перехода в жидкую фазу кальция. На рис. 2 отражено увеличение доли бикарбонатных ионов в составе вытесняемой жидкости (метаморфизация вытесняемой жидкости из хлоридного в бикарбонатный тип).

100 С1 ГАГ

А\ / \

А \ А / \ э2 / \

30 вси 30 СОз + НСОз

О Г - пластовая вода скв. 126 О 1"- промстоки 100%-ной концентрации (до прокачки) Э 1 - прокачано 0,98 объема пор 3 2 - прокачано 2,43 объема пор Э 3 - прокачано 3,59 объема пор

Рис. 2. Изменение анионного состава жидких отходов 100%-ной концентрации при их вытеснении дистиллированной водой, % мг-экв.

Такой тип ионного обмена под влиянием пресных сточных вод способствует набуханию глинистой составляющей пласта, в составе которой обнаружены хлорит, каолинит, гидрослюда (с небольшим количеством монтмориллонитовых слоев смешаннослойного образования).

Определенных тенденций в изменении состава микрокомпонентов до и после нагнетания в модель пласта не выявлено.

Для исследования возможных последствий кольматации геохимической природы при закачке жидких отходов в сеноманский пласт-

приемник были выполнены исследования на натурных образцах керна, пластовой воды и жидких отходов Заполярного НГКМ (скв. 106,0, сла-босцементированный песок, интервал отбора 1360-1377 м). В качестве модели пресных жидких отходов использовали разбавленные дистиллированной водой (1 : 1) натурные жидкие отходы. Эксперименты проводились на модели пласта длиной 0,153 м по описанной выше схеме для Касимовского ПХГ.

Фильтрация осуществлялась на модели пласта без противодавления на выходе Рвых = Рб (Рб - барометрическое давление) и с давлением на входе Рвх = 0,1 МПа + Рб, температура флюидов менялась в интервале 22,0-24,8 °С.

Исследование изменения состава жидкости при ее фильтрации через модель пласта сеноманского горизонта велось в такой же последовательности, что и для Касимовского полигона:

• насыщение модели пласта одновозрастной пластовой водой для воспроизведения пластовых условий (опыт 1);

• вытеснение пластовой воды из модели пласта жидкими отходами (натурные пробы), отобранными на Заполярном НГКМ для изучения процесса замещения (опыт 2);

• вытеснение жидких отходов, насыщающих модель пласта, разбавленными жидкими отходами (в соотношении 1 : 1) для выявления процессов, развивающихся в породе под влиянием пресной воды и изменяющих ФЕС пласта (опыт 3).

Сеноманские отложения представлены плотными песчаниками, алевролитами и глинами алевритистыми.

Состав простых неорганических солей водонасыщенной части породы представлен карбонатами кальция и магния, окислами железа, отмечены карбонаты и сульфаты натрия, изредка - следы хлоридов.

Фильтрационные свойства коллекторов тесно связаны с минеральным составом глин, слагающих цемент песчаников. Цемент представлен катагенетическим поровым каолинитом (2,57 %), рентгеноаморфными (неокристаллизованными) образованиями (3,73 %), присутствуют также гидрослюда, монтмориллонит и хлорит (около 1,66 %).

Пластовые воды сеномана относительно слабоминерализованные - 16-18 г/дм .

Жидкие отходы Заполярного НГКМ, отобранные для эксперимента, в реальных условиях представляют собой маломинерализованные жидкости (минерализация 0,6 г/дм) хлоридно-каль-циевого типа, существенно загрязненные нефтепродуктами.

В опыте 1 для достижения природного равновесия между породой и пластовой водой при пластовых условиях через керн прокачивали одновозрастную пластовую воду. Опыт показал, что в самом начале процесса насыщения наблюдается заметное увеличение содержания практически всех анализируемых компонентов состава воды вследствие растворения находящихся в породе солей.

По мере насыщения порового объема модели пластовой водой равновесие в системе вода - порода достигается довольно быстро и составы воды на входе в модель пласта и на выходе из нее становятся практически идентичными. Исключение составляет поведение сульфатного иона. На первой стадии происходит растворение сульфатов породы и заметное обогащение ими профильтрованной через модель пластовой воды. Затем содержание сульфатов резко падает. После достижения равновесия в системе вода - порода приступали непосредственно к экспериментам по последовательному вытеснению пластовой воды жидкими отходами 100%-ной концентрации (опыт 2), а затем жидкими отходами, разбавленными дистиллированной водой в соотношении 1 : 1 (опыт 3).

Сопоставление составов жидких отходов, полученных на выходе из модели пласта, показало, что при прокачивании пресных жидких отходов (опыт 2) первые порции фильтрующейся жидкости - это, по существу, уже жидкие отходы, несущие следы изменений в составе породы.

При этом минерализация вытесняемого флюида по мере замещения пластовой воды пресными жидкими отходами, естественно, снижается. Дальнейшее нагнетание жидких отходов влечет за собой растворение сульфатов и карбонатов из породы, а также оживление процессов ионного обмена. Эти процессы наиболее ярко выражены на первом этапе, когда поступление жидких отходов только начинается. Характерно постепенное уменьшение содержания карбонатных и сульфатных ионов в составе жидких отходов на выходе из модели пласта и приближение его к первоначальному составу. Это свидетельствует о происходящих интенсивных изменениях в породе пласта сразу после закачки пресных вод и постепенном ослаблении этих процессов в процессе закачки в результате достижения равновесия в системе порода - жидкие отходы.

На рис. 3, 4 отражены изменения катионного и анионного составов пластовой воды, вытесняемой из породы жидкими отходами, по мере прокачивания последних через модель пласта.

Из опыта 3 следует, что уменьшение минерализации жидких отходов до 0,3 г/дм приводит к дальнейшему плавному растворению карбонатных образований в породе, но изменения эти не столь существенны.

При этом наблюдается постепенная метаморфизация воды в сторону бикарбонатного типа (что свидетельствует о растворении карбонатных солей, содержащихся в породе), а также оживление обменных реакций вследствие поглощения породой обменного натрия и перехода в жидкую фазу кальция. Каких-либо тенденций к изменению содержания микрокомпонентов в жидкости при ее фильтрации через породу не выявлено.

100 №

Рис. 3. Изменение катионного состава пластовой воды скв. 13П при вытеснении ее жидкими отходами 100%-ной концентрации, % мг-экв. (керн Заполярного НГКМ, интервал отбора 1360-1373 м, слабосцементированный песок,

длина модели пласта 0,153 м)

В модели пласта-приемника жидких отходов Заполярного НГКМ такой тип ионного обмена, обусловленный влиянием пресных сточных вод, способствует набуханию глинистой составляющей породы, в составе которой обнаружены каолинит, монтмориллонит, гидрослюда, а также большое количество рентгеноаморфной фазы,

сконцентрированной вместе с глинистыми минералами в тонкой фракции.

100 С!

30 Б04 30 СОз + НСОз

О Г - пластовая вода скв. 13П

О 1”- промстоки 100%-ной концентрации

О 1 - прокачано 7,85 объема пор О 2 - прокачано 10,67 объема пор О 3 - прокачано 14,34 объема пор О 4 - прокачано 19,21 объема пор О 5 - прокачано 22,06 объема пор

Рис. 4. Изменение анионного состава пластовой воды скв.13П при вытеснении ее жидкими отходами 100%-ной концентрации, мг-экв. (керн Заполярного НГКМ, интервал отбора 1360-1373 м, слабосцементированный песок, длина модели

пласта 0,153 м)

Анализ результатов геохимических исследований, выполненных при моделировании процесса вытеснения пластовой воды жидкими отходами различного состава из пласта-приемника, позволяет сделать следующие выводы.

1. При моделировании процесса закачки жидких отходов в пласты-приемники Заполярного и Касимовского полигонов практически удалось восстановить существовавшее в природе катионноанионное равновесие, о чем свидетельствует идентичность составов жидкости до и после эксперимента. Следует отметить, что в модели пласта Заполярного полигона это равновесие достигается быстрее, чем

в модели пласта Касимовского, поскольку минерализация пластовой воды в первом случае на порядок ниже.

2. При нагнетании в качестве жидких отходов минерализованной природной воды равновесные нарушения в системе пластовая вода -жидкие отходы - порода минимальны и сводятся к изменению содержания карбонатных и сульфатных ионов в составе жидкости, отобранной на выходе из модели пласта, по сравнению с составом жидких отходов на входе.

3. Закачивание маломинерализованных жидких отходов способствует нарушению установившихся геохимических равновесий, основные из которых - растворение солей сульфатов, карбонатов и кремнистых образований, содержащихся в породе, а также оживление процессов ионного обмена. Эти процессы наиболее ярко выражены на первом этапе, когда поступление жидких отходов только начинается. По мере увеличения объема пор, заполняемых жидкими отходами, интенсивность изменений в их первоначальном составе постепенно снижается.

4. Оживление процессов ионного обмена при закачивании жидких отходов в пласт происходит сразу после начала закачки и приводит к метаморфизации пластовой воды от хлоридно-кальциевой к карбонатно-натриевой. Растворение простых солей фиксируется практически на всех стадиях закачки, и чем ниже минерализация закачиваемых жидких отходов, тем этот процесс интенсивнее.

Список литературы

1. СТО Газпром 18-2005. Гидрогеологический контроль на специализированных полигонах размещения жидких отходов производства в газовой отрасли. - М.: ИРЦ Газпром, 2005. - С. 27.

2. Гольдберг В.М. Проницаемость и фильтрация в глинах /

В.М. Гольдберг, Н.П. Скворцов. - М.: Недра, 1986. - С. 16-17; 28-35.

3. Гольдберг В.М. Промышленное захоронение промышленных сточных вод / В.М. Гольдберг, Н.П. Скворцов, Л.Г. Лукьянчикова. -М.: Недра, 1994. - 282 с.

4. Крайнов С.Р. Гидрогеохимия / С.Р. Крайнов, В.М. Швец. -М.: Недра, 2000. - 463 с.

5. Кирьяшкин В.М. Особенности гидрогеологического обоснования полигона для закачки промышленных стоков на Касимовском подземном хранилище газа / В.М. Кирьяшкин, А.Ф. Соколов, П.В. Ильченко // Проблемы оценки риска загрязненных поверхностных и под-

земных вод в структуре ТЭК: сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 2001. -

С. 115-128.

6. Кирьяшкин В.М. Геоэкологический контроль подземных вод на хранилищах газа / В.М. Кирьяшкин, А.Ф. Соколов, В.П. Ильченко, А.И. Коган // Прогноз газоносности России и сопредельных стран: сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 2000 г. - С. 221-227.

7. Ильченко В.П. Гидрогеологический контроль за качеством питьевых вод на Касимовском ПХГ / В. П. Ильченко, В. М. Кирьяшкин, А.Ф. Соколов // Экогаз: информ. прилож. к журналу «Газовая промышленность». - 2000. - № 2.

8. Соколов А.Ф. Закачка промстоков в водоносный пласт: обоснование методики экспериментальных исследований / А.Ф. Соколов // Экология и промышленная безопасность: сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 2003. - С. 203-220.

9. Соколов А.Ф. Методы экспериментальных исследований при контроле ареала захоронения промстоков на подземных хранилищах газа / А.Ф. Соколов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2003. - № 6. - С. 25-33.