СПОСОБ МОНИТОРИНГА ГЛУБИННОГО ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
METHOD TO MONITOR DEPTH BURIAL OF LIQUID INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разведке, проектировании и эксплуатации полигонов глубинного захоронения жидких промышленных отходов, а так же при использовании водоносных горизонтов, содержащих высокоминерализованные подземные воды, для других целей.
Известны различные способы наблюдений и управления состоянием подземных вод и захораниваемых промышленных стоков (мониторинга захоронения) на территориях полигонов их захоронения. Эти способы включают в себя гидродинамические, геохимические, геофизические и другие методы исследований подземных вод и содержащих их пластов-коллекторов [1, 2, 3].
Наиболее достоверные сведения о состоянии подземных вод могут быть получены методом откачек подземных вод из наблюдательных скважин [4, с.280]. Этот метод наиболее близок к заявляемому способу и поэтому принимается за прототип. Основными операциями метода являются сооружение сети наблюдательных скважин на территории горного отвода под хранилище жидких отходов, оборудование скважин средствами водоподъема и замеров уровня воды, проведение из них откачек воды в объеме, соответствующем не менее 2-3 объемам воды, содержащемся в стволе скважины, и проведение физико-химических анализов откаченной воды.
3
Основным недостатком этого способа является его непригодность для полигонов захоронения, использующих глубокозалегающие пласты-коллекторы с высокоминерализованными подземными водами. Этот недостаток определяется, главным образом, тем, что при реальных глубинах скважин 1000-2000 м и диаметрах их эксплуатационных колонн 146 мм и более требуется провести откачку 50-100 м высокоминерализованной воды с концентрацией солей 200-300 г/л.
Утилизация такого количества воды, содержащая еще и токсичные отходы, при общепринятой частоте наблюдений 1 раз в 3 месяца не представляется возможной ни по экономическим, ни по экологическим соображениям. Кроме того, следствием не проведения откачек является невозможность построения поля давлений подземных вод в зависимости от времени и по площади хранилища из-за неравномерно образующейся смеси разно-плотных растворов в стволах наблюдательных скважин.
Из-за этих причин на таких полигонах захоронения получили в основном геофизические методы наблюдений за состоянием подземных вод (резистивиметрия, термокаротаж и др.) позволяющие получить только качественные характеристики происходящих на территории хранилищ изменений. В частности, такие важные количественные показатели эффективности использования пласта-коллектора, как степень его заполненности отходами и значения давлений подземных вод по площади хранилища и в зависимости от времени его эксплуатации остаются не известными. Примерами этому служат отсутствие сведений об этих показателях в публикациях о захоронениях указанного типа на полигонах предприятий НИИАР [3], ОАО «Чепецкий механический завод» [5] и др.
Задачей изобретения является создание способа мониторинга глубинного захоронения жидких промышленных отходов, позволяющего повысить качество и достоверность сведений о состоянии подземных вод на полигонах захоронения и соответственно повысить качество и обоснованность разработок на их основе мероприятий по повышению эффективности использования недр.
Решение этой задачи достигается в способе мониторинга глубинного захоронения жидких промышленных отходов, включающем сооружение наблюдательных скважин, оборудование их средствами водоподъема, средствами измерении в них уровня и давления подземных вод, проведение из них откачек, при этом, согласно изобретению, при откачке из скважины извлекают объем воды, меньший, чем содержащийся в ее стволе, измеряют плотность извлеченной при откачке воды, после чего ее подают обратно в скважину в интервал откуда она была откачена, измерение давления подземных вод ведут по пьезометрическим трубкам, опущенными в фильтр скважины и заполненными жидкостью с известной плотностью. Откачки могут производиться также из пьезометрических трубок.
Способ с приведенными выше признаками и отличиями имеет ряд достоинств и преимуществ (положительных технических результатов) относительно прототипа и аналогов.
1. Согласно изложенной сущности изобретения одними из его отличий является извлечение при откачке из скважины меньшего объема воды, чем содержащееся в его стволе. По прототипу необходимо извлечь не менее 2-3 объемов воды, чем имеющаяся в ее стволе. Кроме того, при откачке необходимо проводить определение плотности извлеченной воды, а после ее окончания подать ее обратно в скважину в место откуда проводилась откачка. Эти операции не известны не только по прототипу, но и вообще в практике гидрогеологических исследований.
Использование этих операций позволяет получить следующие не известные ранее положительные технические результаты в мониторинге глубинного захоронения отходов.
1.1. Определение средней плотности воды в пласте-коллекторе. Качественно это выражается в том, что если в случае замещения откаченной воды из ствола скважины водой из пласта такой же плотности, что и откаченная, то уровень воды в скважине не измениться, поскольку давление воды в стволе скважины на пласт как до откачки, так и после нее также не изменилось. Если же замещающая вода имеет меньшую (большую) плотность, то для сохранения постоянного давления воды в пласте уровень воды в скважине возрастет (снизится). Количественно, исходя из этих принципов, величина плотности замещающей воды, или воды в пласте-коллекторе определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>п</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>o</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>v</mi><mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
o
где ρ - плотность откаченной (извлеченной) воды из скважины,
o
v - объем откаченной воды,
Δh - разность глубины до уровня воды в скважине до откачки и после нее,
S - внутренняя площадь сечения эксплуатационной колонны труб в скважине.
1.2. 0пределение степени заполненности пласта-коллектора жидкими отходами. Если в пласте-коллекторе имеется смесь из исходной минерализованной воды и из относительно маломинерализованной жидкости отходов с известными плотностями, то соотношение между ними может быть выражено уравнением:
<mrow><mi>v</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>п</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>v</mi><mo>−</mo><msub><mi>v</mi><mi>с</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>и</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
где v - объем жидкости в единице объема пласта-коллектора, например, объем жидкости в пласте-коллекторе с площадью сечения 1 м,
c
v - объем сточных вод, находящихся в единице объема пласта-коллектора,
и
ρ - исходная плотность пластовой воды,
с
ρ - плотность захораниваемых сточных вод.
Из уравнения (2) определяется степень заполненности пласта-коллектора отходами, или, что одно и то же, отношение объема отходов к общему воды в пласте в виде:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mi>v</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>и</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>и</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Из формулы (3) следует, что полная заполненность пласта отходами (η=1) достигается тогда, когда плотность жидкости, определяемая в пласте по формуле (1) по исследуемой наблюдательной скважине становится равной плотности захораниваемых сточных вод. Очевидно, чем меньше величина степени отличается от 1, тем меньше проникли отходы в данную часть хранилища. При прочих равных условиях, малая величина степени заполненности пласта является также показателем неэффективного использования недр, что и определяет необходимость проведения мероприятий по повышению этой эффективности.
1.3. Закачка извлеченной из скважины воды для определения ее плотности и последующая подача ее обратно в скважину определяют практически абсолютную экологическую чистоту способа, поскольку все, что извлечено возвращается на место извлечения. В этом случае исключается сброс откаченной воды на поверхность земли, что обычно происходит при гидрогеологических исследованиях скважин. Кроме того, из-за малых объемов откачки исключаются нарушения гидродинамического режима как использования хранилища, так и в самой наблюдательной скважине, что также повышает качество результатов наблюдений за состоянием подземных вод.
2. Другим из отличий способа является оборудование наблюдательной скважины пьезометрической трубкой, опущенной в ее фильтр и заполненной жидкостью с известной плотностью. Техническим результатом этих операций является прямое и поэтому наиболее достоверное определение давления воды в пласте-коллекторе. В гидрогеологической практике такое давление определяется по высоте столба жидкости в скважине над кровлей пласта. Для рассматриваемых условий высокоминерализованных вод такое определение не дает достоверных результатов из-за неравномерного и не подчиняющегося каким-либо закономерностям распределению плотностей жидкости вдоль ствола скважины.
3. Еще одним отличием является проведение откачки из пьезометрических трубок. Эта операция при погружении трубок на различную глубину фильтра позволяет установить распределение плотностей воды по длине фильтра, т.е. по мощности пласта-коллектора. Эта возможность становится реализуемой в связи разностью в диаметрах фильтра и пьезометрической трубки. В частности, например, при внутренних диаметрах фильтра и трубки 140 мм и 6 мм вода, занявшая в трубке при откачке из нее высоту 100 м будет получена из интервала фильтра менее 0,2 м.
Изобретение иллюстрируется фиг.1, на которой видно: 1 - манометр; 2 - кран для впуска и выпуска воды в пьезометр; 3 - глубина уровня воды в скважине после откачки из нее; 4 - глубина уровня воды до откачки; 5 - эксплуатационная колонна труб в скважине; 6 - объем воды, поступившей в скважину во время откачки; 7 - фильтр скважины; 8 - пьезометрическая колонна труб в скважине (пьезометр); 9 - погружной насос; 10 - водоподъемная колонна труб; 11 - кран для выпуска откачной воды в скважину; 12 - емкость для откачной воды.
3
3
Пример применения способа приводится ниже с учетом природно-технических условий, наблюдаемых на территории полигона глубинного захоронения промышленных стоков Чепецкого механического завода (г.Глазов). На этом полигоне пласт-коллектор располагается на глубине 1350-1550 м, приуроченный к проницаемым трещиновато-кавернозным известнякам и доломитам. В пласте распространены рассольные воды общей минерализации 290 г/л и плотностью 1,18 г/см. В этот пласт через нагнетательные скважины производится закачка сточных вод завода с общей минерализацией 20 г/л и плотностью 1,015 г/см.
Для наблюдений за состоянием подземных вод в пласте-коллекторе на полигоне и прилегающей к нему территории сооружены наблюдательные скважины. Эти скважины оборудованы эксплуатационной колонной труб 5 с внутренним диаметром 140 мм и дырчатым фильтром 7, располагаемым в интервале глубин 1350-1500 м. Глубина до уровня воды в скважинах колеблется от 140 м до 20 м. Эти уровни служат для качественной оценки давления в пласте и не отражают его реального значения, поскольку в скважинах содержится смесь из высокоминерализованных пластовых вод и низкоминерализованных отходов, соотношения между которыми не поддаются точной оценке.
3
Для оценки состояния подземных вод, вскрываемых одной из наблюдательных скважин, опускают в ее фильтр 7 пьезометрическую трубку 8, представляющую собой полиэтиленовую трубу диаметром 10×2 мм, предварительно заполненную пресной водой с плотностью 1 г/см. Опускают также под уровень воды 4 в скважине погружной насос 9 с водоподъемными трубами 10. На поверхности земли устанавливают емкость 12 для сбора откачиваемой воды. Перед откачкой замеряют уровень воды в скважине.
3
3
Затем ведут откачку с отбором воды в объеме 1,5 м, что составляет менее 10% от объема воды в стволе скважины и примерно равное количество с водой, находящейся в ее фильтровой части. После откачки определяют плотность откаченной воды, составившей в данном случае 1,10 г/см с соответствующей ей минерализацией 150 г/л, и глубину до уровня воды в скважине, поднявшегося в данном случае на 1 м, с глубины 51 м до 50 м. После этого откаченную воду через кран 11 и насос 9 подают обратно в скважину.
3
2
По полученным данным определяют сначала по формуле (1) плотность пластовой воды, составившей 1,089 г/см {[1,1×1,5]:[1,5+1,0×π(0,07)]}, и затем по формуле (3) степень заполненности пласта отходами, составившегося 0,552 или 55,2% [(1,18-1,089):((1,18-1,015)]. По манометру на пьезометре определено давление 3,0 атм над поверхностью земли и, тем самым, установлено, что реальное давление воды в пласте-коллекторе на подошву покрывающего его водоупора составляет 1380 м водяного столба (1350 м+30 м), но не 1300 м, если бы давление измерялось по высоте столба воды в скважине (1350 м-50 м).
В дальнейшем подобным образом были проведены исследования по всем остальным наблюдательным скважинам полигона захоронения. Полученные результаты позволили установить фактическое заполнение хранилища отходами по всей его площади, сетку течения подземных вод, уточнить фильтрационные, емкостные и другие параметры пласта-коллектора. Эти сведения затем были применены для обоснования и проведения мероприятий по повышению эффективности использования подземного пространства хранилища отходов посредством изменения режимов работы нагнетательных скважин, сооружения новых, консервации неэффективных и других мероприятий.
Список литературы:
1. Гидрогеологические исследования для обоснования подземного захоронения промышленных стоков. Под ред. В.А. Грабовникова. - М.: Недра, 1993. - 335 с.
2. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнений. - М.: Недра, 1984. - 262 с.
3. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. - М.: ИздАТ, 1994, 256 с.
4. Мироненко В.А., Румынии В.Г. Проблемы гидроэкологии. Монография в 3-х томах. Том 2. Опытно-миграционные исследования. М.: Издательство МГГУ, 1998. - 394 с.
5. Байдарико Е.А., Загвозкин А.Л., Рыбальченко А.И. Мониторинг захоронения промстоков в глубокие геологические горизонты, содержащие высокоминерализованные воды. Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2009, №1, с.1-7.