Экологическая геология

многолетнемерзлых пород под буровыми и нефтепромысловыми сооружениями или усиление карстообразования в случае подтока загрязненных вод.

Воздействие «снизу» (из массива горных пород) в нефтегазоносных регионах связано с нарушением технологических процессов (утечкой промывочной жидкости, катастрофическим поглощением буровых растворов в горизонты пресных вод и т. д.). Основные изменения происходят в самих нефтегазоносных пластах. Так, часть ранее нефтегазонасыщенного пространства замещается водой, изменяются пластовое давление и температура, преобразуется химический состав пластовой воды и нефти (при закачке в пласт поверхностных вод). В этих случаях часто развивается сероводородное заражение, выпадают в осадок минеральные новообразования, иногда, наоборот, усиливаются процессы выщелачивания скелета породы и т. д. Все техногенные процессы в гидрогеологических системах, испытывающих снижение пластового давления, Ю. П. Гаттенбергер объединяет в понятие «депрессионный техногенез». Каналы связи последствий техногенеза глубоких нефтегазоносных горизонтов с приповерхностными могут быть как естественного, так и искусственного происхождения: 1) сами нефтеносные пласты, если они выходят на поверхность недалеко от нефтегазовых промыслов; 2) тектоническая трещиноватость пород; 3) ненадежные флюидоупоры; 4) негерметичные стволы скважин.

Подземные воды во взаимодействии с хозяйственной деятельностью человека рассматриваются как техногенные гидрогеологические системы (Теоретические основы…, 1992; Основы…, 1983). Применительно к Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции В. М. Матусевич и Л. А. Ковяткина разработали схему типизации техногенных гидрогеологических систем. Такая система в значительной мере формируется «сверху». Деградация многолетнемерзлых пород, заболачивание, подтопление и другие процессы приводят к возникновению инфильтрационно-термогидродинамической техногенной подсистемы. По воздействию «снизу» техногенные гидрогеологические системы разделяются на два типа: 1)

91

гидродинамические, связанные с водоотбором в зоне гипергенеза, и 2) гидродинамические, связанные с отбором жидкости в зоне катагенеза. Последние в зависимости от изменения характера пластового давления могут быть депрессионными (при снижении пластовых давлений) или репрессионными (при их повышении в результате заводнения залежей). В совокупности они образуют депрессионно-репрессионную термодинамическую зону катагенеза.

5.3.Миграция загрязняющих веществ

вгеологической среде и подземных водах

По особенностям загрязняющих веществ выделяют химическое (неорганическое, органическое), биологическое (микробное, водорослевое), радиоактивное и тепловое загрязнение. При проведении поисково-разведочного бурения в основном имеет место химическое загрязнение.

Техногенные изменения гидрогеологических систем при разведке и добыче нефти и газа происходят под воздействием как «сверху» с земной поверхности, так и «снизу» – из самого массива горных пород. При строительстве скважин основными источниками загрязнения «сверху» являются буровые и тампонажные растворы, буровые сточные воды, шлам выбуренных пород, продукты испытания скважин. Для приготовления буровых растворов используется большое количество химических реагентов, многие из которых относятся к особо вредным. Эти отработанные буровые растворы исключаются из технологического процесса бурения, накапливаются на территории площадки и подлежат утилизации или захоронению. Буровые сточные воды, использованные на производственные нужды, обычно содержат такие загрязнители, как нефтепродукты и минеральные соли. При испытании скважин на поверхность выносятся нефть и пластовая вода, обычно высокоминерализованная, которые являются сильно загрязняющими агентами. Отработанные буровые растворы, сточные буровые воды и шлам, а в некоторых случаях и продукты испытания скважины, поступают в шламовый амбар.

92

При недостаточной гидроизоляции дна и стенок, при разрушении обваловки амбаров или при их переполнении, происходит растекание жидкостей, загрязнение природных объектов, прежде всего поверхностных водоемов и водотоков, инфильтрация загрязнителей в верхние водоносные горизонты. Неликвидированные после окончания бурения амбары с оставшимся в них раствором также служат потенциальными загрязнителями водной среды. Основным механизмом проникновения загрязнителей в подземные водоносные горизонты является инфильтрация.

Воздействие объектов нефтяной и газовой промышленности на гидрогеологические системы «снизу» может быть связано со следующими технологическими процессами. При бурении часть промывочной жидкости поступает из ствола скважины в водоносные горизонты, загрязняя их. Иногда поглощение буровых растворов носит катастрофический характер. Особенно опасно поступление раствора в горизонты пресных вод, содержащихся обычно в верхней части геологического разреза, и поэтому подверженных наиболее длительному воздействию буровых растворов в процессе проводки скважин на значительную глубину.

При разработке нефтяных и газовых месторождений основные изменения происходят в самих нефтегазосодержащих пластах. Часть ранее нефтенасыщенного порового пространства замещается водой или газом, изменяется пластовое давление или температура флюида, преобразуется химический состав пластовой воды и нефти.

Наиболее сильное воздействие на подземные воды может быть оказано при проходке горизонтов пресных подземных вод. При возникновении внештатной ситуации возможно загрязнение подземных вод буровыми растворами, нефтепродуктами и рассолами. Достаточно вероятны, также, межпластовые затрубные перетоки. Загрязнение подземных вод может произойти в результате утечек высокоминерализованных рассолов при аварийной ситуации. Они фильтруются через зону аэрации и достигают горизонта грунтовых вод. За счет затрубных перетоков могут загрязняться также и нижележащие водоносные горизонты (Белоусова, 2001).

93

Опасность может представлять попадание загрязнителей в зону аэрации непосредственно над депрессионной воронкой гидроскважины. Это возможно в случае перетекания сточных вод из котлованов-отстойников вместе с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Из грунтовых вод загрязнения могут проникать в более глубокие напорные и безнапорные водоносные горизонты. Этому способствует понижение напоров в глубокозалегающих водоносных пластах, наличие «литологических окон» в их кровле, дефектные скважины и другое (Малыгин, Кузьмина, 1977; Матусевич, Ковяткина, 1997).

Принципиально различный характер и различные пути воздействия на гидрогеологические системы объектов нефтяной

игазовой промышленности «сверху» и «снизу» заставляют при типизации учитывать эти воздействия раздельно (Теоретические основы…, 1992).

Гидрогеологическая среда по общим условиям защищенности от воздействия «сверху» на севере Западной Сибири подразделяется на три субширотные региональные зоны размещения объектов нефтяной и газовой промышленности: 1) многолетнемерзлых пород (геокриозона); 2) пресных вод (гумидная зона); 3) солоноватых и соленых подземных вод (аридная зона). В этих зонах могут быть районы с различной защищенностью водоносных горизонтов верхней части разреза с конкретизацией геолого-гидрогеологических условий для каждого из них.

При типизации по условиям развития «снизу» главное внимание уделяется не собственно нефтеносным и газоносным пластам, а тому, как процессы бурения и эксплуатации этих пластов могут повлиять на изменения в верхних гидрогеологических системах. Таким образом, в основу типизации кладутся условия изоляции эксплуатируемых нефтегазоносных пластов от неглубоких водоносных горизонтов

иповерхности. Также учитывается влияние избыточных и аномальных давлений подземных вод и нефтяных залежей. По условиям природной изоляции нефтегазоносных пластов от верхней части геологической среды выделяют две группы районов: с ослабленной и удовлетворительной естественной изоляцией.

94

Защищенность подземных вод «снизу» необходимо учитывать при захоронении загрязняющих веществ в пласты. Актуальна проблема охраны подземных вод при захоронении и сбросе сточных вод нефтяных и газовых промыслов (Карцев и др. 1992). 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 других относятся минерализованные сточные воды нефтяных и газовых промыслов. В выработанные нефтегазоносные пласты захороняются также жидкие стоки и других отраслей промышленности (нефтеперерабатывающей, химической и т. п.). Сброс сточных вод в поглощающие горизонты разрешается только после проведения специальных гидрогеологических и санитарных исследований, доказывающих малую вероятность влияния сбрасываемых вод на водоносные горизонты, используемые для водоснабжения и в лечебных целях. В поглощающих скважинах вышележащие горизонты должны быть надежно изолированы от загрязнения сточными водами. Закачка допускается только на глубины не менее 800 м.

При проектировании сброса сточных вод учитывается наличие в разрезе поглощающих горизонтов и зон (горизонтовприемников), а также установление возможности (или невозможности) перетоков через разделы (экраны или водоупоры). После выбора горизонта для захоронения намечаются участки с наибольшей мощностью и приемистостью поглощающего горизонта, расположенные в благоприятных условиях. Участки можно выбирать по картам зон поглощения, отмеченным при бурении скважин.

5.4. Природная защищенность подземных вод

Методики оценки защищенности подземных вод.

Защищенность подземных вод от загрязнения определяется перекрытостью водоносного горизонта отложениями, преимущественно слабопроницаемыми, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды. Обычно используется двухступенчатая схема оценки. Качественная оценка учитывает природные факторы

95

защищенности и проводится на региональном уровне. На детальном этапе с учетом природных и техногенных факторов дается количественная оценка защищенности (Биндеман, 1963; Гольдберг, Газда, 1984).

Оценку степени защищенности подземных вод можно дать на основе факторов защищенности, под которыми понимаются природные барьеры, затрудняющие попадание в резервуар подземных вод загрязняющих веществ. Е. И. Пиннекер (1983) выделяет семь показателей защищенности подземных вод: 1– свойства зоны аэрации; 2 – характеристика первого от поверхности регионального водоупора; 3 – гидрогеодинамическая изолированность основного водоносного горизонта; 4 – особенности растительного покрова; 5 – состав подземных вод; 6 – фильтрационные свойства пород; 7 – локальные особенности интенсивной аэрации.

Задача по составлению карты естественной защищенности подземных вод сводится к выявлению и систематизации региональных факторов, защищающих как грунтовые, так и напорные воды, и локальных факторов, нарушающих защищенность подземных вод. Н. В. Роговская в зависимости от мощности водоупоров различает следующие категории защищенности: защищенные, условно защищенные и незащищенные (табл. 5.4.1).

В. М. Гольдберг указывает, что защищенность напорных вод может характеризоваться по двум показателям: мощности водоупора m0 и соотношению уровня исследуемого напорного горизонта (H2) и вышележащего горизонта (H1).

Таблица 5.4.1

Условные категории защищенности подземных вод от вертикального проникновения химического загрязнения

(по Н. В. Роговской, 1976)

96

* Первая цифра – мощность глин, вторая – суглинков.

По совокупности этих двух показателей выделяется три категории защищенности: I – защищенные (напорные воды перекрыты выдержанным по площади и без нарушения сплошности водоупором при m0 > 10 м и H2 > H1); II – условнозащищенные (напорные воды перекрыты выдержанным по площади водоупором и без нарушения при а) 5 м < m0 < 10 м; H2 > H1 и б) m0 > 10 м; H2 < H1; III – незащищенные при а) m0 < 5 м; H2 ≤ H1 и б) водоупор, невыдержанный по площади, имеются нарушения сплошности и литологические окна, H2 < H1.

Защищенность подземных вод зоны свободного водообмена можно определить на основе четырех показателей: глубины залегания уровня грунтовых вод (мощность зоны аэрации); строения и литологии пород этой зоны; мощности слабопроницаемых отложений, залегающих над грунтовыми водами; фильтрационные свойства отложений вне зоны насыщения. Из всех перечисленных показателей наименьшее влияние на защищенность грунтовых вод оказывает глубина залегания уровня, наибольшее влияние – мощность и фильтрационные свойства слабопроницаемых пород подзоны аэрации. На производственном уровне перечень показателей иногда уменьшается до одного – мощности водоупорных пород в зоне аэрации.

При изучении вертикальной гидрогеодинамической зональности Ангаро-Ленского артезианского бассейна были установлены следующие величины вертикальных скоростей подземных вод. Для грунтовых вод эта величина составляет > n – n·10-1 м/сут, для подземных вод интенсивного водообмена – n·10-2 м/сут, замедленного водообмена n·10-2 – n·10-4 м/сут, пассивного водообмена n·10-4 – n·10-6 м/сут, где n = 1-9 (Ковалевский, 1994).

Исследования на территории Ангаро-Ленского артезианского бассейна показали, что проницаемость покровных отложений (суглинок щебнистый) составляет 0,03–0,05 м/сут, а

97

для глин этот показатель составляет менее 0,001 м/сут (Писарский, 1994).

В. Н. Чубаров и др. (1995) отмечают, что для оценки и прогноза загрязнения подземных вод необходима разработка модели локально-регионального водообмена, включающей в себя зону аэрации и зону напорно-безнапорных вод. Зона аэрации наиболее подвержена антропогенной нагрузке при загрязнении подземных горизонтов. Разработка локальной модели требует решения двух основных задач: оценки инфильтрационного питания грунтовых вод атмосферными осадками через зону аэрации и расчета скорости и времени движения возможных загрязнителей через зону аэрации. Разработана методика определения защитных свойств зоны аэрации в связи с возможным радионуклидным загрязнением грунтовых вод Калужской, Тульской и Брянской области (Чубаров и др., 1995). Для оценки инфильтрационного питания используется термодинамический метод, позволяющий рассчитать среднемесячные, среднегодовые и среднемноголетние величины инфильтрационного питания для различных геолого-геомор- фологических и ландшафтных условий. Защищенность подземных вод зоны аэрации оценивается с использованием уточненной гидродинамической модели, позволяющей проводить расчеты скоростей переноса загрязнителей для различных мощностей зоны аэрации, типов горных пород и структуры порового пространства. Работа состоит из нескольких этапов: 1) типизации и районирования территории по условиям инфильтрационного питания; 2) локально-региональной оценки и прогноза инфильтрационного питания; 3) оценки защитных свойств зоны аэрации на исследуемой территории. Работа завершается построением карт инфильтрационного питания (Q, мм/год) и максимального времени (t, число лет) прохождения загрязнителей через зону аэрации (мощность Н, м). Данные, полученные для Брянской, Калининградской и Тульской областей (пески: Н = 1–5 м, Q = 310, t = 0,17–0,78, лессовые супеси и суглинки: Н = 1–5 м, Q = 250 м, t = 0,37–1,87), позволили построить серию результирующих карт.

98

Построение карт защищенности подземных вод от загрязнения радионуклидами рекомендуется проводить на уровнях мелкомасштабной и среднемасштабной оценки. Для этого необходимо иметь комплект карт, отражающих строение защитной зоны. Учитываются почвы и породы зоны аэрации, глубина залегания грунтовых вод, сведения о параметрах процесса фильтрации, инфильтрации, влагопереноса и др. (Белоусова, 2003).

В качестве примера рассматривается природная защищенность подземных вод в районе поисково-разведочной скв. № 4 на нефть и газ, расположенной в Усть-Удинском районе Иркутской области на восточном побережье Братского водохранилища (рис. 5.4.1).

При бурении глубоких скважин на нефть и газ особое внимание обращается на защищенность подземных объектов, которые либо используются, либо потенциально могут использоваться в народном хозяйстве, например, для хозяйственного и технического водоснабжения, в теплоэнергетических, бальнеологических и других целях (Требования…, 1987).

Критериями защищенности служат глубина залегания уровня грунтовых вод (мощность подзоны аэрации), строение и литология пород подзоны аэрации, мощность слабопроницаемых отложений (залегающих над грунтовыми водами), фильтрационные свойства перекрывающих отложений вне подзоны насыщения. Из всех перечисленных показателей наименьшее влияние на защищенность подземных вод оказывает глубина залегания уровня грунтовых вод, наибольшее – мощность и фильтрационные свойства слабопроницаемых пород подзоны аэрации. По этой причине на отраслевом уровне (для месторождений полезных ископаемых) перечень критериев уменьшается до одного – мощности водоупорных пород в подзоне аэрации (Временные методические…, 1992, Экологические аспекты…, 2001).

99

Рис. 5.4.1. Природная защищенность подземных вод района размещения поисково-разведочной скважины № 4

В целом для данной территории защищенность подземных вод может рассматриваться для водоносных горизонтов пластово-трещинных вод, залегающих первыми от поверхности (табл. 5.4.2). Эти воды могут быть использованы для технического и бытового водоснабжения. Они вскрываются гидроскважинами.

100