К оглавлению

УДК 556.388

Прогноз масштабов нефтяного загрязнения гидрогеологической среды в процессе поисково-разведочных работ на нефть и газ

Д.Ш. НОВОСЕЛЬЦЕВА, Г.П. ЯКОБСОН (ВНИГНИ)

В настоящее время охрана окружающей среды от отрицательных воздействий техногенеза - одна из главных проблем. В первую очередь это касается защиты гидрогеологической среды верхней части земной коры от вредных воздействий на нее деятельности человека, в том числе и при проведении поисково-разведочных работ на нефть и газ. Однако гидрогеологические аспекты охраны окружающей среды разработаны слабо, и ряд теоретических и практических вопросов, важных для защиты подземных вод от загрязнения, остается пока не решенным.

Нами рассматривается один из важнейших по своей потенциальной опасности факторов негативного воздействия на гидрогеологическую среду - непосредственное проникновение нефти и нефтепродуктов в водоносные горизонты как в Процессе бурения при различного рода осложнениях и авариях (поглощение буровых растворов на нефтяной основе при проходке водоносных горизонтов с высокими фильтрационными характеристиками, «нефтяные ванны» при прихватах бурильного инструмента, аварийное фонтанирование), так и после ликвидации или консервации скважин вследствие затрубных межпластовых перетоков.

Внедрившаяся в водоносный горизонт нефть под действием естественного потока пластовой воды и гравитационного фактора перемещается в направлении движения потока и вверх, оставляя за собой зону остаточного насыщения порового пространства пород нефтью. Объем образовавшегося таким образом уже неподвижного «нефтяного тела» значительно больше объема самой нефти, что увеличивает площадь контакта последней с пластовой водой и, тем самым, растворение в ней нефтепродуктов.

Размеры «нефтяного тела» определяют начальный размер загрязненного, насыщенного нефтепродуктами потока - прежде всего площадь его сечения плоскостью, перпендикулярной к направлению движения потока, от которой в значительной мере зависит дальнейшее развитие загрязнения в пространстве и во времени. При этом движение естественного потока воды и механизм гидравлической дисперсии способствуют формированию ореола загрязнения, т. е. зоны, где содержание растворенных нефтепродуктов в пластовой воде больше предельно допустимых концентраций (ПДК). Очевидно, для оценки размеров этой зоны необходимо помимо миграционных характеристик водоносного горизонта иметь данные о параметрах «нефтяного тела». Поэтому возникла необходимость разработки методических приемов, позволяющих оценить ширину «нефтяного тела» и площадь сечения плоскостью, перпендикулярной к движению потока, для прогнозирования возможных масштабов распространения загрязнения с помощью известных уравнений конвективного массопереноса в пористой среде. При решении этих задач мы исходим из следующих соображений.

Теоретическая оценка масштабов распространения нефтяного загрязнения в данном случае возможна лишь при упрощении схемы поведения рассматриваемой многофазной системы. При этом принимаем некоторые допущения: пористая среда однородна, насыщение породы нефтью может изменяться от максимального (80 %) до остаточного (20 %), скорость потока постоянна в рассматриваемых времени и пространстве.

«Нефтяное тело» имеет сложную конфигурацию, так как формирование его сопровождается одновременным действием многих факторов: миграционными параметрами пористой среды, силами всплывания, физико-химическими свойствами нефти и водной фазы и т. д.

При быстром (мгновенном) внедрении в водонасыщенную пористую среду определенного объема нефти WH (м3) в начальный момент (t=0) образуется «нефтяное тело», форму которого можно принять за сферическую (рисунок). Объем его , в котором нефть, вытесняя воду, занимает около 80 % порового пространства, можно определить по формуле

где n - пористость.

Сечение «нефтяного тела» с максимальной площадью представляет собой круг диаметром b, равным:

По мере продвижения нефти в направлении потока и вверх за счет сил всплывания максимальная площадь сечения «нефтяного тела» плоскостью, перпендикулярной к движению потока, будет принимать вид все более вытягивающегося вверх эллипса, малая ось которого близка к значению b, а большая ось а определяется с помощью выражения

где - скорость всплывания, t - время с момента внедрения нефти в водоносный горизонт до рассматриваемого момента.

Скорость всплывания зависит от миграционных параметров пласта и разности плотностей и вязкостей вытесняемой и вытесняющей жидкостей:

где k - коэффициент фильтрации, - «гравитационный» градиент, равный  (- плотности соответственно воды и нефти), - относительная вязкость нефти.

Нефть продвигается до тех пор, пока не израсходуется на остаточную нефтенасыщенность либо не достигнет кровли водоносного пласта (Здесь и далее мы рассматриваем случаи, когда мощность водоносного горизонта достаточно велика и «нефтяное тело» не достигает кровли горизонта. Однако приведенные рассуждения справедливы и в том случае, когда часть нефти достигает кровли, но тогда это следует учитывать при расчете величины Wн.т.). При этом объем «нефтяного тела» (максимально возможный) будет равен:

Это «нефтяное тело» (с известным приближением) будет состоять из полусферы () и усеченного эллиптического конуса, меньшим основанием которого является максимальное сечение первоначального «нефтяного тела» (круг с диаметром b), большим основанием - эллипс с осями b и а. Высота конуса , где - время полного расхода нефти на остаточную нефтенасыщенность, U - истинная средняя скорость потока.

Подставив значения а и h в формулу объема усеченного эллиптического конуса и выполнив соответствующие преобразования, получим:

По этому уравнению, задаваясь различными значениями t, находим величину , при которой  равно рассчитанному по уравнению (5).

Площадь максимального сечения загрязненного потока F будет равна площади большего основания рассмотренного усеченного эллиптического конуса:

Используя эту величину и соответствующие уравнения конвективного массопереноса, характеризующие распространение загрязнения в пористой среде, можно определить максимальное развитие нефтяного загрязнения в направлении движения потока  и размеры дисперсионной зоны у, а следовательно, и общую площадь зоны загрязнения в данный момент.

При принятых упрощениях решение уравнения конвективного массопереноса, сопровождающегося гидравлической дисперсией, имеет вид (Л. Зиллиокс и др., 1978 г.):

где x, у, z - координаты точки,  - концентрация загрязнителя в данной точке, С0 - равновесная концентрация нефтепродуктов в воде на контакте с «нефтяным телом», F - площадь поперечного сечения загрязненного потока, v - скорость фильтрации,  - коэффициент поперечной дисперсии в плоскости, перпендикулярной к направлению потока

Тогда концентрация нефтепродуктов, отложенная по оси х (y=0, z=0), будет определена по формуле


а максимальное распространение загрязнения по оси в направлении движения потока будет равно:

где  - предельное, принимаемое в расчет значение концентрации загрязнителя (в нашем случае равно ПДК).

По уравнению (10) находим максимальное распространение нефтяного загрязнения в направлении движения потока , а по уравнению (8) - размер дисперсионной зоны (в плане) на различном расстоянии от входа загрязнения - величину у при z=0 и различных значениях х.

Зону загрязнения (в плане) можно представить как полосу, длина которой  , а ширина В:

где В - ширина загрязненного потока на выходе из «нефтяного тела», рассчитанная по формуле (2), а  -наибольшая величина зоны дисперсии, вычисленная по уравнению (8). Площадь зоны загрязнения:

Длительность ее существования Т приближенно оценивается временем, необходимым для вымывания нефти из «нефтяного тела», и составляет:

Уравнения (1 -13) позволяют, хотя и приблизительно, оценить масштабы распространения нефтяного загрязнения в природных условиях. В качестве примера приведем прогноз распространения нефтяного загрязнения для трех модельных водоносных горизонтов, миграционные параметры которых представлены в табл. 1.

Максимальная концентрация нефти в загрязненном потоке С0 принята в соответствии со средней растворимостью нефти в воде 30 мг/л, ПДК нефти 0,3 мг/л, плотность 0,85 г/см3, относительная вязкость 75-300, «нефтяное тело» не достигло кровли и подошвы пласта.

Результаты расчетов, проведенных по уравнениям (1) - (13), представлены в табл. 2. Даже при относительно небольшом количестве нефти масштабы нефтяного загрязнения водоносного пласта весьма заметны; объем включенного «нефтяного тела» во много раз превышает объем самой нефти (в нашем случае в 25 раз). Время полного вымывания и рассеяния нефти достигает сотен лет. Даже при внедрении 1 м3 нефти образуется и длительное время (80-500 лет) существует зона нефтяного загрязнения протяженностью до 1,2 км по движению потока, площадь которой в плане составляет 1800-2800 м2.

С увеличением скорости фильтрации при одинаковом количестве нефти площадь загрязняющего потока как в плане, так и в поперечном сечении несколько уменьшается - «нефтяное тело» более вытянуто в длину в направлении движения потока. Вследствие более быстрого вымывания и размывания нефтепродуктов уменьшается также размер дисперсионной зоны и время существования самого загрязнения. Однако, как видно из табл. 2, даже при высоких истинных скоростях движения воды (до 1 м/сут) масштабы загрязнения существенны как в пространстве, так и во времени.

Таким образом, рассмотренные примеры говорят об опасности загрязнения окружающей среды при проведении поисково-разведочных работ на нефть и газ. Поэтому для предотвращения подобных явлений необходимо принимать самые жесткие меры.

 

Таблица 1 Характеристика модельных водоносных горизонтов

Водоносный горизонт

Коэффициент фильтрации, м/сут

Пьезометрический уклон

Скорость фильтрации, м/сут

Пористость

Истинная скорость потока, м/сут

Параметр поперечной дисперсии, м

Коэффициент поперечной дисперсии, м2/сут

I

10

0,002

0,02

0,2

0,1

10-2

10-3

II

20

0,003

0,06

0,2

0,3

10-2

3*10-3

III

50

0.004

0.20

0.2

1,0

10-2

10-2

 

Таблица 2 Распространение нефтяного загрязнения в модельных водоносных горизонтах

Водоносный горизонт

Объем внедрившейся нефти, м3

Максимальный объем «нефтяного тела», м3

Ширина загрязненного потока (на выходе из «нефтяного тела»), м

Площадь сечения загрязненного потока (на выходе из «нефтяного тела»), м2

Максимальное распространение загрязнения, м

Время развития загрязнения по движению потока, годы

Максимальная площадь зоны загрязнения (в плане), 104м2

Протяженность дисперсионной зоны, м

Время полного вымывания нефти, годы

х=500

х= 1000

I

1

25

2,3

7,5

1200

32

1,2

4,1

2,9

500

U=0,1 м/сут

10

250

5,0

40

6 500

175

13

7,1

8,6

970

50

1250

8,5

121

20 000

550

60

8,5

11,0

1 000

II

1

25

2,3

6

1 000

9

0,8

3,6

-

200

U=0,3 м/сут

10

250

5,0

28

4 500

41

9

6,6

7,7

450

50

1260

8,5

82

1 350

123

50

8,0

10,1

790

III

1

25

2,3

4,8

780

2

0,4

2,9

-

80

U=1 м/сут

10

250

5,0

22

3 500

10

7

6,2

7,1

175

50

1250

8,5

66

11 000

30

41

7,7

9,7

300

 

Рисунок Схемы развития нефтяного загрязнения в плане (А), на профильном разрезе по оси х (Б) и формирования «нефтяного тела» (В) при Wн=10 м3, n=0,2, U=0,3 м/сут, vвспл=0,1 м/сут.

1 - скважина-загрязнитель (а - в плане, б - на профильных разрезах); 2 - место внедрения нефти в пласт; 3 - направление естественного потока; 4 - водоупоры; 5 - «нефтяное тело»; 6 - контур «нефтяного тела»; 7 - границы ореолов загрязнения; 8 - основной загрязняющий поток; 9 - зона дисперсии