Исследование возможности захоронения техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты: На примере северо-западной части Московской синеклизы

В настоящее время проблема парникового эффекта широко обсуждается с точки зрения возможной экологической катастрофы. Из техногенных газов наибольшее значение для возникновения парникового эффекта имеет диоксид углерода, вклад которого в процесс общего потепления атмосферы составляет 50 — 60%. Поэтому предотвращение парникового эффекта во многом зависит от контроля над содержанием СО2 в атмосфере и источниками его эмиссии.

В настоящей работе, в качестве одного из вариантов борьбы с парниковым эффектом, рассматривается идея гидрогеохимического метода предотвращения парникового эффекта, заключающаяся в закачке техногенного СО2 в глубокие водоносные горизонты.

Объектом исследований, является блок геологической среды, выделенный в пределах промышленного района г. г. Череповец, Рыбинск, Ярославль, северо-западной части Московской синеклизы (рис. 3). Изучаемый район имеет значительную промышленную нагрузку, что определяет необходимость применения мер для утилизации выбросов Череповецкого металлургического комбината.

Целью работы является исследование геолого-гидрогеологических условий для предполагаемого захоронения техногенной СО2 на данной территории, а также установление основных закономерностей протекания физико-химических процессов в гидрогеохимической системе «поровый раствор — порода — техногенная углекислота». Основными задачами исследований являются:

1. Оценка геолого-гидрогеологических условий районавыбор возможного водоносного горизонта для проведения закачки техногенной углекислоты;

2. Исследование процессов взаимодействия техногенной углекислоты с природными водами и вмещающими их породами в выбранных гидрогеохимических системах;

3. Выбор физико-химических моделей, соответствующих природным условиям;

4. Анализ и сравнение результатов термодинамического моделирования гидрогеохимических процессов для различных расчетных моделей;

5. Количественная оценка влияния возможных процессов взаимодействия техногенной углекислоты с природными водами и вмещающими их породами на природную гидрогеохимическую систему с помощью термодинамического моделирования.

Для исследований были использованы следующие методы: 3.

1. Анализ фондовых материалов по геологии и гидрогеологии района, данных по материалам бурения глубоких скважин и результатов опробования дочетвертичных водоносных горизонтов;

2. Термодинамическое моделирование физико-химических процессов, возможных при закачке техногенной углекислоты в выбранный водоносный горизонт.

Защищаемыми положениями в данной работе являются следующие:

1. Геолого-гидрогеологические условия являются основополагающими при выборе водоносного горизонта, перспективного для возможной закачки техногенной углекислоты.

2. Гидрогеохимическая система «СОг — природный раствор — кварц-полевошпатовые терригенные породы» является наиболее благоприятной для проведения закачки углекислоты.

3. Гидрогеохимическая система «СО2 — природный раствор — карбонатные породы» не отвечает требованиям экологической безопасности и не пригодна для возможной утилизации СО2.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 68 наименований, 4 графических и 4 текстовых приложений, изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 16 таблиц.

Заключение

.

В результате проведенных исследований был собран и проинтерпретирован большой материал по тематике поставленной проблемы. Современное состояние вопроса о парниковом эффекте, дало возможность выделить наиболее перспективные аспекты для дальнейшего рассмотрения и изучения. В настоящей работе, в качестве одного из вариантов борьбы с этим экологически неблагоприятным явлением, рассматривается гидрогеохимический способ, заключающийся в закачке техногенной углекислоты в глубокие водоносные горизонты. Объектом исследований являлся блок геологической среды в северозападной части Московской синеклизы (промышленный район г. г. Череповец, Рыбинск, Ярославль), как возможный для предполагаемой утилизации техногенного СОг, выбрасываемого в атмосферу Череповецким металлургическим комбинатом.

Целью работы являлся выбор глубокого водоносного горизонта, перспективного для проведения возможной закачки техногенной углекислоты. Для этого собраны и проанализированы материалы по геологии, гидрогеологии и тектоническому строению промышленной зоны и прилежащим к ней областей, которые явились основополагающими при выделения блока геологической среды в пределах исследуемого района, а также послужили исходными данными при исследовании процессов взаимодействия СО2 с природными водами и вмещающими их породами.

Анализ геолого-гидрогеологических условий в свете предъявляемых общих требований к подземному захоронению жидких промышленных отходов, позволяет выбрать ряд водоносных горизонтов, перспективных для этих целей:

Горизонты в отложениях фаменского яруса верхнего отдела и живетского яруса среднего отдела девонской. системы, максимально отвечают предъявляемым требованиям. Эти горизонты залегают на глубинах, соответствующих зоне застойного гидродинамического режима, где водообмен совершается не чаще, чем 1 цикл в 300 лет (зона замедленного или весьма замедленного водообмена с земной поверхностью). Литологический состав пород девона (пески, алевриты, песчаники) определяет достаточно однородные условия фильтрации, а значения водопроводимости составляют 1−10 м2/сутки при пористости пород 9−11%, проницаемость — от 37 мДарси (скв. Любим) до 840 мДарси (скв. Солигалич), величина внутрипластового давления составляет 10−17 МПа.

Они не содержат пресные и слабосолоноватые воды, пригодные для питьевых целей. Природные растворы, содержащиеся в поровых формациях этих.

ОД Н0СНЫХ горщонтов1 ра е даацией до 270 г/л. Температура воды 40 — 45 ° С. Подземные воды девонских тложении содержат, повышеннь* кол"ествах ^ ^ e ^^^ ^ ^.

ВОДЫ &bdquo-е используются для бальнеологических и промышленных целей.

В пределах исследуемой площади, пласты &bdquo-е содержат полезных ископаемых и не эксплуатируются.

Следует также обратить внимание &bdquo-а экономическую эффективность захоронения СО, кот&trade-«, «,.

2, которая в значительной степени определяется глубиной поглощающих скважин. Так как с глубиной ухудшаются фильтрационные свойства и приемистость пластов, это ограничивает возможна закачки. Исходя из анал^а изменения фильтрационных свойств с глубиной, вертикальной гидрохимической зонально^ наиболее оптимальными для захоронения являются глубины от 500 До М. Выбранные водоносные горизонты и комплексы отвечают этому требований Горизонты надежно изолированы слабопроницаемыми порода"" (глинами, мергелями, гипсом, аргиллитами) от выщележащих водоносных горизо"&tradeПерекрывающие и подстилающие водоупоры выдержаны по площади и яв^"&tradeрегиональными. Глубина залегания водоносного горизонта во франско-жив^ких отложениях девонского комплекса составляет М00 м, мощностью от 150 м до 200 м, верхним водоупором служат карбонатно-глинис™ отложения верхнедевонского возраста, мощностью пп i7<

Д0 175 м в Раионе Солигалича, являющиеся региональным — упоромв подошве ГОризонта залегают глинистые литы ^ глины нижнеживетского возраста, также являющиеся региональным водоупором. б фе ны ВЫШе В0Д°УП0Р0В' Перекрьшающйх намечаемые горизонты, залегают^{Уферные} водоносные горизонты, содержащий подземные воды, непригодные для питьевых, бальнеологических и промышленных целей Такими буферными горизонтами являются: для отложений фаменского яруса верхнего нижнекаменноугольный водоносный комплекс, содержащих хлориднорассолы с минерализацией от 20 г/лдля водоносного горизонта ^отложени^среднего дев0нафра"ский водоносный комплекс.

Закономерности-, лространственного распространения отложении должны обеспечивать достаточно протяженную зону транзита подземных вод до предполагаемой зоны разгрузки. Зона транзита вод данного комплекса перекрыта, примерно, в радиусе 100 км региональным водоупором: ,™ создает надежную защиту от проникновения углекислош газа в выше- ^ пласты. девонанатриевые живетских водоносных нижележащие.

В ближайшей окрестности (в радиусе 20−30 км), пласт выходит на поверхность и не связан с рекой.

Исследуемый район не является тектонически-сложным и сейсмически активным.

Анализ природных условий исследуемого района, позволил спрогнозировать возможные гидрогеохимические процессы, которые, в свою очередь, могут быть физико-химически смоделированы. Для моделирования взят макрокомпонентный состав природного раствора скважины N 22 (г. Вологды). Скважина вскрывает отложения девона, которые представлены двухслойной толщей, состоящей из карбонатных и терригенных пород. Было выделено две гидрогеохимические системы, которые послужили основанием для составления физико-химических моделей: терригенной и карбонатной (или терригенной адаптированной). Компьютерное моделирование проводилось при помощи программы «БАЛАНС» Н. Н. Акинфиева. Нами моделировался следующий процесс: в водоносный горизонт закачивается углекислота (предварительно выделенная из газовой смеси, сжиженная или сжатая) — задаются давление, температура, состав природного раствора и породыпротекают реакции в растворе, реакции породы с растворомпроцесс заканчивается установлением термодинамического равновесия в системе газ — природный растворпорода. Рассчитывается равновесный состав системы при заданных давлении и температуре. Показано, что при возможной закачке, в данных природных условиях будут протекать химические реакции взаимодействия, приводящие к изменению физико-химических условий в данном водоносном горизонте. Повышение давления углекислого газа над раствором приводит к увеличению растворимости углекислого газа в соответствии с законом Генри, в результате начинает преобладать физический процесс растворения, ведущий к переходу газообразного С02 в форму СО20:

С02 (газ)= С02°, что, в свою очередь, приводит к изменению реакции среды на кислую. Растворение СО2 сопровождается расширением системы. Преобладание физического процесса растворения углекислоты над растворением породы очень важно для пшщманм ггро^ходящего процесса, поскольку он приводит к увеличению общего объема систем. За счет взаимодействий СО2 с породами и природным раствором^ изменяется объем как твердой, так и жидкой составляющих системы. Видно, что уменьшение объема твердой фазы в системе карбонатных пород компенсируется увеличением объема жидкой фазы за счет изменения растворенного СО2- в случае.

88 терригенных пород происходит преобразование гидрослюд и значительный рост объема систем снимает вопрос о возможности карстообразования в данных условиях. Кольматация водоносного горизонта в данных условиях также невозможна, так как пористость водовмещающих пород значительно превышает объемы образовавшихся гидрослюд.

В результате проведенной работы был выделен водоносный комплекс, развитый в терригенных отложениях средне — верхнедевонского возраста, как максимально отвечающий предъявляемым требованиям к подземному захоронению промышленных выбросов.

Выбор конкретных площадей для задач утилизации промышленных газов, в настоящее время, требует дополнительной проработки имеющейся геологической информации с целью районирования всей территории по условиям сохранности газа в недрах. Представляется, что наиболее подходящими геологическими объектами для закачки в них промышленных газов могут быть локальные поднятия (антиклинальные складки) вблизи Ярославля, бесперспективность нефтегазоносности которых достаточно очевидна. Кроме того, определенный интерес могут представлять зоны развития региональных флюидоупоров вдоль поверхностей стратиграфического несогласия, в частности, зона трансгрессивного срезания венда и ордовика отложениями девона, расположенная в районе Ярославля и Рыбинска на глубине (~ 1,5 км) вполне приемлемой для закачки промышленного газа.

Следует отметить, что вопрос о возможном захоронении СО2 на данной территории рассматривался, в настоящей работе, с принципиальной точки зрения. Не затрагивались многие вопросы, которые позволили бы принять окончательное решение о возможности утилизации техногенной углекислоты, как с точки зрения методики, так и применительно к конкретной площади. Также остаются неизученными многие вопросы, связанные с геологическим строением наиболее глубоких водоносных горизонтов (характер и распространение трещиноватости известняков по площади и в пределах мощности пластовна отдельных участках не известна глубина залегания и тектоническое строение кристаллического фундамента, а также воды распространенные в отложениях кристаллического фундаментане достаточно изучены подземные воды глубоких водоносных горизонтов и их режим). Также остались нерассмотренными такие важные вопросы как динамика.

89 взаимодействий в пласте и влияние изменения фильтрационных и емкостных свойств в массиве пород.