Гидрогеодинамические основы рациональной эксплуатации водозаборов и охраны подземных вод в нефтедобывающих районах Западной Сибири

Актуальность темы

исследования. Основные нефтедобывающие районы Западной Сибири располагаются в южной части Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и на территории широтного Приобья в пределах Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО-Югра). На этой территории эксплуатируются многие десятки водозаборов подземных вод. Часть водозаборов используется для питьевого водоснабжения городов и предприятий, значительная часть эксплуатируется для целей поддержания пластового давления в нефтеносных пластах.

Значительное количество водозаборов вводилось в эксплуатацию без проведения разведочных работ и специального расчетного обоснования. В настоящее время выявились существенные противоречия между представлениями о гидродинамических условиях добычи подземных вод на период ввода в эксплуатацию водозаборов и современными результатами анализа данных разведочных работ и наблюдениями в период эксплуатации. Большинство водозаборов рассчитывалось по схеме безграничного пласта и прогнозировалось развитие депрессионных воронок от крупных водозаборов на десятки километров.

Гидродинамические параметры пластов рассчитывались без учета особенностей обработки откачек в слоистых пластах с перетеканием. По многим водозаборам значение параметра водопроводимости завышалось в 2−3 раза, а коэффициентов пьезопроводности — примерно на порядок. Основная ошибка заключалась в неверной оценке размеров депрессионных воронок вокруг водозаборов. Учитывая сложную экологическую ситуацию в районах нефтедобычи и городских территорий, неверная оценка размеров депрессии приводила к неправильной оценке опасности взаимодействия водозаборов и источников загрязнения.

Отсутствие детальной проработки проектных решений по строительству водозаборов привело к тому, что водозаборы занимают значительные площади в связи с избыточными расстояниями между водозаборными скважинами. Это привело к излишним затратам на строительство и эксплуатацию водозаборов. При сооружении и эксплуатации водозаборных скважин, как правило, не оценивалась степень их гидродинамического несовершенства. В большинстве эксплуатационных скважин доля понижения уровня, связанная с гидродинамическим несовершенством скважин составляет значительную часть от общего понижения уровня в этих скважинах. Это приводит к излишним экономическим затратам на добычу подземных вод.

Идея работы. Детальный гидродинамический анализ данных разведки и эксплуатации водозаборов позволяет достоверно оценивать гидрогеологические и технологические условия добычи подземных вод, экологическую ситуацию в районе водозаборов, и обеспечивает существенное повышение экологической и экономической эффективности эксплуатации водозаборов подземных вод.

Объектами исследований являются водозаборы подземных вод, эксплуатирующие олигоценовый водоносный горизонт в нефтедобывающих районах южной части Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и на территории широтного Приобья в пределах Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО-Югра).

Предметом исследований являются гидродинамические процессы, которые возникают при опытно-фильтрационных опробованиях и эксплуатации водозаборов в слоистых пластах.

Цель работы — анализ гидрогеологических условий, опыта разведки и эксплуатации водозаборов подземных вод, и разработка, на основе современных методов гидродинамических расчётов, рациональных методов разведки водозаборных участков, проектирования и эксплуатации водозаборов подземных вод. Основные задачи исследований:

1. Анализ современных представлений о гидрогеологических условиях эксплуатации олигоцен — четвертичного водоносного комплекса.

2. Обоснование расчётных гидродинамических схем, которые реализуются при разведке и эксплуатации подземных вод.

3. Анализ и оценка состояния гидрогеодинамических расчетов в пластах с перетеканием.

4. Уточнение методики обработки данных опытно-фильтрационных работ.

5. Уточнение и дополнение методики обработки данных эксплуатации.

6. Анализ гидродинамического состояния водозаборных скважин с учетом их несовершенства.

7. Разработка рекомендаций по оценке эксплуатационных запасов подземных вод с учётом гидродинамического несовершенства скважин.

8. Гидродинамическое обоснование рациональной структуры водозаборов.

9. Анализ теоретических решений, определяющих размеры депрессионных воронок вокруг водозаборов.

10. Разработка рекомендаций по оценке размеров депрессионных воронок вокруг водозаборов.

11. Уточнение рекомендаций по ведению мониторинга при эксплуатации водозаборов.

Научная новизна:

1. Выявлено, что в слоистых пластах, слагающих верхнюю часть гидрогеологического разреза нефтедобывающих районов, реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта с изменяющимся напором с последующим переходом в гидродинамическую схему «пласт с постоянным напором».

2. Установлено, что в процессе развития перетекания из четвертичного безнапорного водоносного горизонта происходит увеличение водоотдачи от значений, характерных для упругой водоотдачи, до величин гравитационной водоотдачи. Суммарная водоотдача возрастает меньше, чем в сто раз, что усложняет интерпретацию результатов откачек.

3. Определены средние, относительно устойчивые, значения параметров водопроводимости и перетекания, коэффициентов пьезопроводности и упругой водоотдачи, характерные для олигоценового водоносного горизонта.

4. Разработана методика анализа работы водозаборов с разложением ¦ величины понижения в эксплуатационных скважинах на основные составляющие, что позволяет определить дополнительное понижение за счет гидродинамического несовершенства водозаборной скважины.

5. Разработаны количественные показатели для оценки гидродинамического несовершенства водозаборных скважин, предложена классификация скважин по степени их гидродинамического несовершенства.

6. Уточнены рекомендации по оценке эксплуатационных запасов в пластах с перетеканием с учётом степени несовершенства и взаимного расположения водозаборных скважин.

7. На основе теоретического анализа основных расчетных зависимостей выявлена взаимосвязь размеров депрессионной воронки с дебитом скважин и водозаборов, с учётом величины водопроводимости пласта.

8. На основании прямых наблюдений и аналитических расчётов оценены размеры депрессионных воронок вокруг водозаборов подземных вод.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Установлено, что в слоистых пластах важное место занимает гидродинамическая схема пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором, причём изменение водоотдачи происходит в пределах первых двух порядков • величин (в десятки раз).

2. Обоснована аналитическая зависимость, определяющая связь уровня подземных вод в отключённой скважине работающего водозабора с расчётным уровнем в обобщённой системе скважин (уровень в «большом колодце»).

3. Разработана классификация скважин по степени их гидродинамического несовершенства.

4. Уточнена и дополнена методика интерпретации данных откачек из водоносных пластов с перетеканием.

5. Достоверно определены средние значения гидродинамических параметров олигоцен — четвертичного водоносного комплекса, позволяющие оценивать правильность обработки данных откачек и эксплуатации водозаборов.

6. Разработаны дополнительные рекомендации по оценке эксплуатационных запасов в пластах с перетеканием с учётом степени несовершенства и взаимного расположения водозаборных скважин.

7. Установлена, на основании теоретического анализа, взаимосвязь радиуса депрессионной воронки с дебитом скважины (водозабора) и водопроводимостью пласта в водоносных системах с перетеканием.

8. Установлено, что радиусы депрессионных воронок вокруг водозаборов подземных вод обычно составляют менее двух — трёх км. Для небольших водозаборов радиус депрессии составляет менее одного км. Данное положение позволяет целенаправленно планировать мероприятия по охране подземных вод.

9. Рекомендуется, для мониторинга техногенных изменений уровня подземных вод вокруг водозаборов, располагать наблюдательные скважины не далее половины радиуса депрессионной воронки (1−2 значения величины параметра перетекания) от центра водозабора.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены на основе сочетания анализа и обобщения теоретических и методических достижений гидрогеологии, в первую очередьгидрогеодинамики, с аккуратным применением этих положений в практической деятельности. Методическая идеология диссертации базируется на убеждении, что достоверные научные результаты могут быть получены только на основе достаточно строгих теоретических моделей, адекватно описывающих изучаемый процесс. Модели необходимо обосновывать, проверять и подтверждать разнообразными натурными данными, полученными в соответствующих гидрогеологических условиях.

Защищаемые научные положения:

1. При разведке и эксплуатации подземных вод олигоцен — четвертичного гидрогеологического комплекса реализуются условия перетекания из четвертичного водоносного горизонта в олигоценовый водоносный горизонт. В этой части гидрогеологического разреза важное место занимает гидродинамическая схема пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором. Опытно-фильтрационные исследования необходимо выполнять с учетом стационарного режима эксплуатации водозаборов и отличительных особенностей определения гидродинамических параметров в водоносных пластах с перетеканием.

2. Анализ данных мониторинга эксплуатационных показателей водозаборов позволяет уточнить значения основных гидродинамических параметров водоносного пласта и выявить реальную гидрогеологическую ситуацию на водозаборном участке. Количественная оценка гидродинамических характеристик водозаборных скважин обеспечивает объективную оценку их технического состояния и эффективность проектных решений по общей структуре водозабора.

3. Экологическое состояние водозаборов зависит от степени их взаимодействия с природными и техногенными объектами на поверхности земли и в геологической среде. При перетекании подземных вод из четвертичного водоносного горизонта в олигоценовый водоносный горизонт в зоне влияния водозабора формируется стационарная депрессионная воронка относительно небольших размеров. Размеры депрессионной воронки определяются гидродинамическими характеристиками взаимодействующих пластов и суммарным дебитом водозабора.

Достоверность работы. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается применением основных теоретических и методических положений гидрогеодинамики, тщательным анализом многочисленных натурных данных по разведке и эксплуатации водозаборов подземных вод на территории Западной Сибири.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских совещаниях по подземным водам востока России (г. Иркутск, 2006 г, г. Тюмень, 2009 г, г. Иркутск, 2012 г) — конференциях, проводившихся в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург 2004 — 2013 г. г.) — научно-практической конференции «85 лет геологической службе Урала» (г. Екатеринбург, 2005 г) — международной научной конференции «Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования (к 100-летию Б.И. Куделина)», (г. Москва, 2010 г) — международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии», (пос. Зелёный Московской обл., 2011 г) — международной научной конференции «Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование, практика. К 60-летию со дня основания кафедры гидрогеологии МГУ», (г. Москва, 2013 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 работы опубликованы в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка источников, включающего 126 наименований. Объём диссертации составляет 202 страниц текста, включая 59 рисунков и 78 таблиц.

Основные выводы по представленным в диссертационной работе результатам анализа теоретических и полевых исследований сводятся к следующему:

1. Теоретические основы обработки данных откачек в слоистых пластах детально разработаны для различных гидрогеодинамических схем. В реальных гидрогеологических условиях обычно реализуется схема одного пласта с жёстким режимом перетекания из соседних горизонтов. Для пластов слоистого строения применима схема гетерогенного пласта с двойной пористостью. Теоретический анализ и опыт работ в слоистых пластах показывает, что изменение водоотдачи нередко происходит в относительно небольших пределах (в десятки раз). Обработка данных откачек в пластах с перетеканием имеет ряд отличительных особенностей от обработки опытов, выполненных в безграничных пластах. Игнорирование этих отличий очень часто приводит к существенным ошибкам в определении гидродинамических параметров пластов.

2. В зависимости от конкретных природных условий, при выполнении откачек могут реализоваться различные гидродинамические схемы, которые, в свою очередь, требуют выполнения надёжной диагностики и использования соответствующих методов расчётов. На начальной этапе откачки очень часто реализуется схема пласта с перетеканием из водоносного горизонта с изменяющимся (переменным) напором. При откачке из пласта с перетеканием из водоносного горизонта с изменяющимся (переменным) напором депрессия в верхнем горизонте, как правило, достигает питающих границ и наступает окончательная стабилизация, реализуется схема пласта с постоянным напором. Эти условия рассматриваются как схема «откачка из пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором».

3. Результаты обработки и анализа данных опытно-фильтрационных работ, выполненных на рассматриваемой территории, показывают, что во всех случаях реализуется схема откачки из пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором. В большинстве случаев наблюдается перетекание из горизонта с переменно-постоянным напором. Олйгоцен — четвертичный гидрогеологический комплекс обладает устойчивыми, довольно высокими фильтрационными и емкостными свойствами. Хорошая связь с поверхностными водоёмами обеспечивает высокую степень пополнения запасов подземных вод для питьевых и технических целей. Эта же связь предопределяет значительный уровень уязвимости водоносных горизонтов для проникновения загрязнения с поверхности земли.

4. Окончательная стабилизация при откачках обычно наступает не более, чем через трое суток. Основные расчётные характеристики — водопроводимость и параметр перетекания, варьируют в относительно узких пределах. Значение параметра.

2 2 водопроводимости меняется от 200 до 1200 м /сутки, при среднем значении 616 м /сутки.

Значения параметра перетекания изменяется от 200 до 600 м, при среднем значении 322 м.

Средний коэффициент пьезопроводности имеет значение, характерное для напорных.

5 2 водоносных горизонтов (5.5 10 'м /сутки). Среднее значение коэффициента упругой водоотдачи (1,710″ 3) позволяет сделать важный вывод о том, что соотношение гравитационной и упругой водоотдачи, в рассматриваемых условиях, будет, как правило, меньше ста. Соответственно, хорошо выраженный участок ложной стабилизации, при проведении и обработке откачек, можно фиксировать относительно редко. Среднее значение параметра к/т (7,5*10″ 3) позволяет предполагать, что фильтрационные свойства слоев, разделяющих олигоценовый и четвертичные водоносные горизонты, можно оценить значениями порядка десятые доли м/сутки.

5. Анализ данных по водозаборам питьевых и технических вод показал, что при эксплуатации реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором. При правильной интерпретации данных разведочных работ гидродинамические параметры пласта, определённые по данным разведки, соответствуют значениям параметров, рассчитанным по данным эксплуатации водозаборов. Понижение уровня в водозаборных скважинах складывается из нескольких составляющих, но основную часть понижения (примерно 2/3) составляет дополнительное понижение за счёт гидродинамического несовершенства скважин. Значение дополнительного понижения за счёт положения скважин в водозаборной системе очень небольшое (несколько процентов). Это показывает, что скважины можно располагать на значительно более близких расстояниях между собой.

6. По степени гидродинамического совершенства большинство скважин отличаются между собой как в пределах одного водозабора, так по разным водозаборам. Некоторые скважины можно рассматривать как практически совершенные. Встречаются скважины с очень высокой степенью гидродинамического несовершенства. Сравнение данных разных лет показало, что степень гидродинамического несовершенства увеличивается во времени по всем скважинам. В зависимости от показателей несовершенства скважин, дебит водозаборов может быть увеличен в несколько раз. Наряду с высокими фильтрационными свойствами и уровнем восполнения запасов подземных вод, потенциальные возможности водозаборов связаны с их избыточными размерами. Главным образом, существенно завышены расстояния между скважинами.

7. Для водозаборов, которые эксплуатируются в условиях перетекания, необходимо оценивать размеры депрессионной воронки вокруг водозабора. Депрессионная воронка оказывает воздействие на геологическую среду, её размеры определяют степень взаимодействия соседних водозаборов и вероятность загрязнения подземных вод. Анализ базовых уравнений скважинной гидрогеодинамики показывает, что размер депрессионной воронки зависит от соотношения дебита скважины (водозабора) и значения водопроводимости пласта. Размеры депрессионных воронок в пластах с перетеканием определяются соотношением радиуса влияния с параметром перетекания. При относительно небольших дебитах радиусы депрессии имеют значения меньше величины параметра перетекания. При эксплуатации крупных водозаборов радиус депрессии превышает значение параметра перетекания в 4 + 6 раз. Надежное отслеживание техногенных изменений уровней подземных вод возможно при использовании наблюдательных скважин, которые располагаются не далее половины радиуса влияния от центра депрессии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ современных представлений и разнообразных данных по гидрогеологическому строению территории, где располагается основные нефтедобывающие районы Западной Сибири, показал, что основную роль в обеспечении питьевого и технического водоснабжения играют подземные воды олигоценчетвертичного (эоцен — олигоцен — четвертичного) гидрогеологического комплекса. Этот гидрогеологический комплекс представляет собой преимущественно проницаемую, единую водонасыщенную толщу.

Многолетние наблюдения за режимом подземных вод заставляют полагать, что все водоносные горизонты олигоцен-четвертичного комплекса тесно взаимосвязаны между собой. Воды олигоценового (эоцен — олигоценового) водоносного горизонта являются межпластовыми напорными и не имеют непосредственной взаимосвязи с поверхностными водными объектами. Эксплуатационные запасы на участках добычи подземных вод формируются, главным образом, за счет перетекания из выше залегающих рыхлообломочных песчано-глинистых толщ четвертичного возраста.

Четвертичный водоносный комплекс (горизонт) имеет тесную гидравлическую связь с многочисленными водоёмами и водотоками, которые получили широкое развитие на территории Западной Сибири. Тесная взаимосвязь четвертичного водоносного горизонта с водными объектами на поверхности земли предопределяет относительное постоянство напора в четвертичном водоносном горизонте при проведении откачек и эксплуатации водозаборов. Совокупность гидрогеологических сведений по рассматриваемой территории заставляет полагать, что при обработке данных откачек и эксплуатации водозаборов следует рассматривать, в качестве основной, гидродинамическую схему безграничного в плане пласта с перетеканием из водоносного горизонта с постоянным напором.