Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення екологічної безпеки нафтових родовищ на кінцевій стадії розробки

ДЕПУТАТ БОГДАН ЮЛІАНОВИЧ

УДК 504.406 (556.338)

Спеціальність 21.06.01 - екологічна безпека

Івано-Франківськ ? 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Семчук Ярослав Михайлович,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри безпеки життєдіяльності

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лабій Юрій Михайлович,

Прикарпатський національний університет ім. Василя Стефаника, порофесор кафедри екології

доктор технічних наук, професор

Шмандій Володимир Михайлович,

Кременчуцький політехнічний університет, завідувач кафедри екології

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться 09.02.2007 р. о __14_____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 20.052.05 в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий 04.01.2007 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради СРД 20.052.05

доктор технічних наук, професор О.В. Паневник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

нафта підземний вода забруднення

Актуальність роботи. Розробка нафтових родовищ характеризується різноманітною дією на довкілля: відбуваються зміни природного стану його компонентів - поверхневих та підземних вод, ґрунтів, атмосферного повітря. Ці зміни можуть призвести до значних непередбачених наслідків. Запобігання можливого негативного впливу на довкілля при експлуатації нафтових родовищ та збереження життєво забезпечуючих функцій природного середовища в даний час розглядається як одна з найважливіших і актуальніших проблем.

Відомо, що нафту, конденсат, природний газ видобувають у складі суміші із пластовими водами, які представлені, у більшості випадків, високомінералізованими водами та розсолами хлоридного типу, які з різних причин та різними шляхами можуть забруднювати природні води.

При забрудненні водоносних горизонтів формуються ареали сольових забруднень, які з часом збільшуються у розмірах і захоплюють ділянки чистих природних вод. Прискорює цей процес наявність діючих водозаборів підземних вод, у зоні яких вплив фільтрації відбувається з підвищеними швидкостями. Проблема сольового забруднення пластовими водами виникла у межах Північно-Долинського нафтоконденсатного родовища, де у навколишніх селах Яворів та Гузіїв концентрація солей у прісних водах зросла до 6,5 г/дм3, що призвело до неможливості їх споживання.

Хімічне забруднення хлоридами справедливо можна вважати найбільш складним для вивчення та небезпечним для довкілля, оскільки навіть після ліквідації його джерел природне відновлення підземних вод може наступити тільки через десятки років. Найбільші проблеми забруднення природного середовища мінералізованими розсолами проявляються на кінцевій стадії розробки родовищ, де застосовується система підтримки пластового тиску.

Вибір і актуальність дисертаційної роботи зумовлені ще і тим, що у Прикарпатті знаходяться на завершальній стадії розробки ще десятки нафтових родовищ, а існуючі в практиці методи та засоби не завжди ефективні, крім того, в окремих випадках, не можуть бути використані для захисту підземних вод від забруднень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота носить науково-прикладний характер і входить у комплекс тематичних планів окреслених програмою „Нафта і газ України до 2010 року”, розробок НАК „Нафтогаз України”, спрямованих для досягнення екологічної безпеки при експлуатації видобувних комплексів України, а також пов'язана з проблематикою науково-дослідних робіт Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка та впровадження науково-технічних природоохоронних заходів та засобів при експлуатації нафтових родовищ.

Для досягнення поставленої мети у дисертації сформульовані наступні задачі досліджень:

ѕ провести аналіз існуючих методів і засобів зменшення впливу на довкілля нафтових родовищ на різних стадіях розробки;

ѕ провести математичне моделювання фільтрації і міграції забруднень у водоносних пластах та його реалізацію у вигляді програмного продукту;

ѕ розробити фізичну обґрунтовану модель для вивчення процесів змішування рідин у пористому середовищі;

ѕ провести експериментальні лабораторні дослідження фізико-хімічних властивостей тампонажного цементного каменю у протифільтраційній завісі;

ѕ розробити та впровадити методи і засоби захисту підземних вод від сольового забруднення на Північно-Долинському нафтоконденсатному родовищі.

Об'єкт дослідження - нафтові родовища Прикарпаття на кінцевій стадії розробки.

Предмет дослідження - методи та засоби забезпечення екологічної безпеки при експлуатації нафтових родовищ.

Методи дослідження - для дослідження процесів дифузії, в різних умовах змішування рідин та з визначення фізико-хімічних властивостей тампонажного матеріалу ін'єкційної завіси використовувалось фізичне моделювання. Встановлення інтенсивності забруднень водоносного горизонту, а також знаходження координат джерел забруднення вод проводилось методами математичного моделювання та польових гідродинамічних і гідрохімічних досліджень. Вірогідність отриманих висновків підтверджено результатами натурних дослідів та статистичними даними із застосуванням алгоритмів обробки даних.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає у наступному:

- вперше створено просторову математичну модель, використовуючи відомі рівняння міграції, фільтрації та гідродинаміки, за допомогою якої можна оцінити масштаби забруднення водоносного горизонту від одного джерела;

- вперше шляхом фізичного моделювання, одержано емпіричну залежність для визначення коефіцієнта дифузії у різних умовах змішування рідин з використанням методу найменших квадратів, що дозволяє дослідити інтенсивність формування сольових ареалів у підземних водах;

- вперше одержано аналітичний розв'язок рівняння балансу маси розчиненої в елементі водоносного пласта методом скінчених різниць, що дозволяє у будь-який момент часу визначити концентрацію солей у підземних водах;

- за результатами реалізації задачі розподілу тиску у водоносному пласті по площі і в часі та за даними польових гідродинамічних, гідрохімічних досліджень удосконалено метод для визначення координат нафтової свердловини - джерела забруднення підземних вод;

- набув подальшого розвитку спосіб ізоляції водоносного горизонту від забруднення при розробці нафтових родовищ шляхом спорудження ін'єкційної протифільтраційної завіси навколо експлуатаційної свердловини.

Практичне значення одержаних результатів. Розв'язані у дисертації задачі дають можливість зменшити шкідливий вплив нафтових родовищ, особливо на кінцевій стадії розробки, на довкілля, зокрема, запобігти сольовому забрудненню підземних вод.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень підтверджено фактичними даними, отриманими у процесі польових досліджень на Північно-Долинському нафтоконденсатному родовищі.

Особистий внесок здобувача полягає у формуванні ідеї, мети і задач досліджень, а також в розробці нових методів за засобів підвищення екологічної безпеки нафтових родовищ на кінцевій стадії розробки.

В опублікованих у співавторстві роботах дисертанту належить: аналіз досліджень впливу трубопроводів та нафтових родовищ на основні компоненти навколишнього середовища [4,5,6]; формування завдання та проведення експериментальних досліджень процесу змішування рідин у пористому середовищі [7]; вибір та розробка методів ізоляції водоносного горизонту від сольового забруднення, розрахунок технології спорудження та параметрів ін'єкційної завіси [8], постановка завдання для створення алгоритмів розрахунку [9]. Крім цього, автор дисертації брав безпосередню участь у проведенні польових робіт при гідрогеологічних дослідженнях та вишукуваннях для обґрунтування способів та методів захисту підземних вод від забруднення [8].

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічній конференції, семінарах та нарадах: науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 2002); нараді фахівців НАК „Нафтогаз України” з питань науково-технічного співробітництва в галузі видобування та транспортування нафтогазопродуктів (Яремче, 2002). У повному обсязі результати досліджень доповідались і обговорювались на засіданні кафедри безпеки життєдіяльності та науковому семінарі інженерно-екологічного факультету в Івано-Франківському національному технічному університеті (2002, 2003, 2004 2005, 2006).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 друкованих праць, в тому числі 4 - у фахових виданнях України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, підсумкових висновків, переліку використаних джерел, що містить 113 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 156 сторінок і включає 22 рисунки, 22 таблиці та 6 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано доцільність та актуальність дослідженої проблеми, сформульовано мету роботи та суть виконаних досліджень.

У першому розділі роботи приведений стан досліджень екологічної небезпеки у районах розробки нафтових родовищ. Вплив нафти та нафтопродуктів від різних джерел на довкілля досліджувався та описувався у багатьох роботах, а саме: Л.Г.Телегіна, Б.І.Кіма, П.П.Бородавкіна, Я.М.Семчука, Р.М.Говдяка, І.М.Лозоновської, А.М.Васильєва, М.Є.Журавля, Б.С.Рачевского, Л.Ф.Петряшина, Г.Є.Панова, Ю.І.Піковського, М.П. Солнцева, В.А.Мироненка, Г.І.Рудька та інших.

Проблема сольового забруднення пластовими водами грунтових вод виникла у межах Північно-Долинського нафтогазоконденсатного родовища, де застосовують систему для підтримки пластового тиску. Пластові води вигодської, поляницької, бистрицької та середньоменілітової світ родовища представляють собою мінералізовані води з мінералізацією 40.21 г/дм3 до розсолів з мінералізацією до 157 г/дм3. Нашими дослідженнями встановлено, що у межах родовища у навколишніх селах Яворів та Гузіїв пройшло значне сольове забруднення підземних вод (до 6,5 г/дм3), що призвело до неможливості їх використання для питного та господарського споживання.

Ступінь впливу нафтових родовищ на довкілля визначається техногенними та природними факторами. В якості синтезованої характеристики техногенної дії використано такий показник, як стадія розробки. У даній роботі розглянуті три стадії розробки нафтових родовищ, що характеризуються різними видами впливів на довкілля.

На початковій стадії проводиться промислове освоєння родовища, а саме розбурюються свердловини основного фонду та формуються інфраструктури. У районах масового буріння свердловин створюється загроза екологічного стресу, що призводить до порушення природної екологічної рівноваги, падіння ресурсно-біогенного потенціалу біосфери, деградації компонентів природного середовища (різке зменшення запасів риби, забруднення ґрунтів та водяних об'єктів тощо).

На середній стадії розробки родовища підтримується стабільний рівень видобутку нафти. В даному випадку ступінь забруднення довкілля визначається об'ємами видобутку нафти і технологією розробки родовища. На цій стадії відбувається зростання обводненості свердловин та здійснюється їх перехід від фонтанного видобутку на механізований, проектується система заводнення. До кінця стадії видобувається 40-70% запасів нафти. Оскільки експлуатаційні, нагнітальні та інші свердловини є капітальними спорудами, які розраховані на довготривалий термін експлуатації, то необхідно вжити заходів із захисту від корозійної дії середовища основного елемента свердловини - експлуатаційної колони.

Кінцева стадія розробки родовища характеризується значним зниженням видобутку нафти. Спостерігається прогресуюче обводнення продукції, переважаюча частина свердловин переводиться на механізований спосіб експлуатації.

Проблема забруднення довкілля пов'язана на даній стадії з системою підтримки пластового тиску (ППТ) та захоронення попутних промислових вод (ППВ). Для всіх цих об'єктів характерно наявність сітки водоводів, багаточисельних нагнітальних свердловин, насосних станцій, установок для підготовки води і інших споруд, які є джерелом періодичних та випадкових витоків промислових вод та нафтопродуктів, які впливають на довкілля.

При експлуатації родовищ можливі технологічні аварії на водоводах, нагнітальних свердловинах і інших об'єктах, що зв'язані з процесами видобутку, траснпорту та закачування пластових вод. Масштаби та інтенсивність впливу мінералізованих вод на природний стан екосистем більш значний, ніж вплив нафти та нафтопродуктів. Закачування попутних вод у продуктивні горизонти з часом супроводжується зношуванням свердловин, очисних споруд та комунікацій, а тому, поруч з традиційним видом забруднення підземних вод нафтопродуктами, все більшу гостроту набуває забруднення їх промисловими розсолами і навіть деякими мікрокомпонентами.

У другому розділі дисертації розглянуті методи моделювання фільтрації та міграції забруднень у водоносних пластах. Відмітимо, що методи розрахунку фільтрації ґрунтуються на розв'язку диференційних рівнянь підземної гідродинаміки або теорії фільтрації і що задачі про фільтрацію рідин і міграцію речовин у пластах є дуже складними. Це пояснюється головним чином складністю геологічних та гідрогеологічних умов та недостатньою вивченістю процесів фільтрації. Звичайно, для одержання певної фільтраційної задачі реальну природну обстановку доводиться істотно схематизувати. Створено просторову математичну модель фільтрації для розробки алгоритму знаходження забруднень по площі водоносного горизонту.

При розробці алгоритму знаходження розподілу забруднень у водоносному горизонті використано диференційне рівняння, що має такий вигляд:

, (1)

де: Р - тиск рідини в пласті, Па; t - час; ч - коефіцієнт теплопровідності, м2/c (ч=k/мв*); k - коефіцієнт проникності пласта, що характеризує властивість пористого середовища пропускати через себе рідину під дією прикладеного перепаду тиску, м2; м - динамічний коефіцієнт в'язкості рідини, ПаМс; в*=m вр+вс, m - пористість середовища пласта (безрозмірна величина), вр, вс - коефіцієнти об'ємної пружності відповідно рідини і пласта, Па); с - густина рідини, кг/м3; - оператор Лапласа (в декартовій системі координат),

; f - функція внутрішнього джерела маси в пласті,

де: ДV-частина об'єму пласта; Дt - проміжок часу; ДG- маса рідини, що утворюється (виділяється) в об'ємі ДV), кг/м3·с.

Для випадку фільтрації в горизонтальній площині (двомірна задача фільтрації, фільтрація в напрямі третьої осі відсутня), маємо:

, (2)

Розв'язок рівняння (2) здійснювався методом функції Гріна і має вигляд:

(3)

.

Рівняння (3) взято за основу розробки алгоритму знаходження розподілу забруднень у водоносному горизонті.

При розробці і апробації алгоритму було виявлено, що час розрахунку залежить від багатьох факторів (кількості джерел забруднення; об'єму вхідної вихідної інформації, пористості ґрунтів і ін.) і становить від 1 до 10 годин. Виявлено, що деякі вирази, які входять у підінтегральні функції повторюються і для того, щоб звести до мінімуму кількість обчислень розроблено блочну структуру алгоритму, яка дозволила мінімізувати час розрахунку. З цією метою було створена основна програма і підпрограми. При аналізі алгоритму встановлено, що необхідно враховувати випадки, коли при знаходженні коренів полінома математична модель починає працювати в режимі "розкачування", тобто починається ітераційний циклічний процес (зациклення). У цих випадках знаходження коренів закінчується в алгоритмі при досягненні певної кількості ітерацій, а значення кореня на заданому інтервалі приймається таким, яке було визначене на початку нестійкості процесу.

Для обчислення інтегралів було розроблено алгоритми та програми з підпрограмами, які написані на алгоритмічній мові VISUAL FORTRAN.

Основний алгоритм призначений для визначення розподілу забруднень по площі водоносного пласта при наявності джерела і стоку. При цьому середовище однорідне. Для неоднорідного середовища, коли проникливість ґрунтів різна, в алгоритм додатково введено низку коефіцієнтів проникності окремих шарів, а також змінено алгоритм шляхом введення додаткових двох блоків, один з яких перевіряє умову на однорідність середовища, а другий змінює коефіцієнт проникливості, а основний алгоритм не змінюється.

Для випадку, коли в пористому середовищі окрім дії джерела і стоку спостерігається рух ґрунтових вод в заданому напрямку, моделювання здійснюється на основі принципу незалежності рухів.

Всі доповнення в основний алгоритм проводяться просто і швидко за рахунок створення блочної структури алгоритму, які здійснюються в окремій процедурі і які автоматично підключаються до головної.

Третій розділ дисертації присвячений теоретичним та експериментальним дослідженням формування сольового забруднення у водоносних горизонтах.

У теоретичному плані формування ареалу сольового забруднення у ґрунтових водах відіграють такі фізико-хімічні процеси як конвективний перенос солей разом з водою - і дифузійним перенос їх при наявності градієнта концентрації; роль цих процесів може бути будь-якою в залежності від швидкості фільтрації, градієнта концентрації та інших обставин. Міграція солей супроводжується розсіюванням (дисперсією) солей і може ускладнюватись сорбцією, окисленням, відновленням та іншими процесами фізико-хімічних змін речовин, обумовлених взаємодією ґрунтів з підземними водами.

Переважно розглядаються дві основні моделі розсіювання солей, які призводять до різних схем міграцій. У першій моделі причиною розсіювання є нерівність локальних швидкостей конвективного потоку у пористому середовищі ( на прикладі моделі капілярів).

У другій моделі причиною розсіювання є розгалуження та злиття елементарних струминок при обтіканні зерен ґрунтів. Тому модель розсіювання призводить до схеми формування ареалів у середині яких розподіл концентрацій може бути стаціонарним або квазістаціонарним. У цій моделі розсіювання (дисперсії) описується виразом аналогічним дифузійному члену, але з коефіцієнтом дисперсії Dx,y,z залежним від координат. Враховується також поданням D у вигляді:

Dx,y,z= D0+д х, (4)

де: д - параметр структури ґрунту; х - швидкість руху води; D0 - коефіцієнт молекулярної дифузії.

Ареали можуть формуватись в однорідних (і в інших фільтраційних потоках) по площі розрізу або в об'ємі водоносного горизонту.

При математичному описі міграції солей ефект ареала отримується при розгляді схем, в яких джерело солей займає невелику частину водоносного горизонту в плані або в розрізі, коли враховується не тільки повздовжня але і поперечна дисперсія, дифузія, різна густини води.

Е.Хант на основі результатів експериментальних даних, встановив, що в результаті дисперсії та дифузії відбувається перемішування прісних та засолених потоків. У потоці можна виділити 3 зони: перша зона - зона перемішування, яка формується поблизу вхідного перетину; у другій зоні установлюється концентрація повного змішування СЗМ, а далі розташована третя зона - зона розсіювання, де СЗМ >С > О. В другій і третій зонах, внаслідок обмеженості потоків, відбувається не двомірне, а одномірне розсіювання. Розміри першої зони установлюються стабільними; розміри другої зони збільшуються у часі.

К. Ченг одержав розв'язок для випадку коли в одномірний потік по лінії 2В (рис. 1) вводяться забруднені речовини з постійною концентрацією С0, а у залишковій області фільтрації концентрація С=0.

Рис. 1. Розрахункова схема формування ареала засолення вод

Рівняння масопереносу має вигляд:

. (5)

При граничних умовах:

; ; ;

; .

Точний аналітичний розв'язок задачі має складний вигляд. Для умов Dx=Dy поблизу джерела оцінка розподілення концентрацій по осі Х може бути оцінена з виразу:

(7)

Таким чином, знаючи коефіцієнти дифузії, швидкість фільтрації (х), ширину зони проникнення розсолів у водоносний горизонт (В), можна аналітично визначити мінералізацію вод на певній відстані від джерела.

Нами створена експериментальна установка, за допомогою якої в лабораторних умовах досліджувався процес змішування рідин у пористому середовищі з метою визначення коефіцієнту дифузії. Результати приведених експериментальних досліджень дозволили одержати емпіричну залежність для визначення коефіцієнту дифузії, як функції проникності ґрунту, тиску та температури середовища. Для визначення вказаної емпіричної залежності використана методика раціонального планування експерименту. Незалежними параметрами вважались проникність k, тиск P і температура T. Четвертий параметр вважався сталим С. Функцією-відгуком вважався коефіцієнт дифузії рідин різної концентрації, чисельно визначений у результаті експериментів. Побудова статистичних залежностей функції-відгуку від параметрів проводилась на основі методу найменших квадратів на п'яти рівнях. Загальний вид функції D=F(k, P, T) буде такий: D=1,2·10-12·k0,460P-0,015·T0,35, м2/c.

Розрахунки коефіцієнта дифузії, проведені на основі одержаної формули, показують, що в залежності від умов (тиску і температури) значення коефіцієнта дифузії змінюються мало. Так, при зміні температури значення коефіцієнту дифузії зростає на 6,62%, а при зміні тиску - зменшується на 2,52%. Отже, для конкретного продуктивного горизонту коефіцієнт дифузії слід визначати на основі середньої проникності пористого середовища і можна вважати постійним у часі.

Для визначення мінералізації підземних вод у будь-який момент часу в межах розповсюдження сольового ареалу у розділі наведений розв'язок рівняння балансу маси розчиненої речовини в елементі водного пласта. Рівняння балансу маси розчиненої речовини в елементі водоносного пласта має наступний вид:

(8)

тут: - сольовий потік; С - концентрація мігруючої речовини у підземних водах; N - концентрація компоненту, що поглинається породою, або навпаки поступає в розчин у результаті фізико-хімічних реакцій; W1 і W2 - відвід або поступлення компоненту через покрівлю і підошву пласта; - фільтраційний розхід; - потужність пласта; - густина води; D - дисперсія; n - пористість.

Припускаємо, що с = const; n = const; m = const; D = const; (W1 - W2 )> 0; = 0; N - не залежить від t.

При розв'язуванні цієї задачі застосовуємо метод скінчених різниць (МСР), який є дуже поширеним серед чисельних методів. В основі розв'язування рівнянь з частинними похідними МСР лежить скінчено-різницева апроксимація похідних. Одержана математична схема дає можливість оперативно охарактеризувати рівень забруднення вод в межах пласта та дозволяє оперативно розв'язати практичні задачі, що пов'язані з прогнозом забруднення підземних вод.

Четвертий розділ присвячений розробці методів захисту підземних вод від забруднення підземних вод у районі Північно-Долинського нафтоконденсатного родовища. Власне, проаналізований комплекс локалізаційних природоохоронних методів, що можуть обмежити просування засолення по водоносному пласту.

Розроблена методика знаходження координат нафтової свердловини, як джерела забруднення підземних вод. Технологічно суть методики зводиться до наступного. Якщо у водоносному горизонті помічено забруднення питної води продукцією нафтових свердловин, то логічно визнати, що джерелом забруднень є одна з нафтових свердловин, стовбур якої пошкоджено процесами корозії, які досить активно проходять у межах водоносного горизонту. У такому випадку необхідно створити інтенсивний відбір води з пласта у певній його точці (точковий стік), який викличе збільшення швидкості фільтрації води у водоносному горизонті. Точковим стоком може бути криниця або гідрогеологічна свердловина, з яких здійснюється відбір води потужним занурювальним насосом. У точках можливого збору інформації про рівні (напори) в водоносному пласті необхідно проводити безперервну реєстрацію рівня води в часі.

Далі використовується аналітична стадія процесу. На карті місцевості, виконаній в певному масштабі, наноситься ортогональна координатна сітка, в один з вузлів якої розміщується стік (точка відбору води з пласта), а в іншому - джерело забруднень (одна зі свердловин нафтового промислу). Оскільки нафтових свердловин у даному регіоні обмежена кількість, то існує кінцеве число розрахункових схем. Для кожної з схем реалізується задача розподілу тиску в пласті по площі і в часі на основі отриманої залежності (3).

Рис. 2. Карта ізобар водоносного горизонту
(за даними гідродинамічних досліджень)

Кількість варіантів розрахунку дорівнює кількості нафтових свердловин у районі водоносного горизонту, кожне з яких розглядається як можливе джерело забруднення. За результатами розрахунків будуються карти ізобар для кожного з варіантів і на кожну з них наносяться фактичні дані, одержані в результаті проведення гідродинамічних випробувань (рис. 2). Істиною вважається схема розрахунку, для якої спостерігається найбільш повне співпадання розрахункових значень тиску з виміряними величинами у процесі експерименту. Відмітимо, що на незабруднених ділянках водоносного горизонту ізобари представляють собою коло, а на забруднених - здеформовані еліпси, вісь яких спрямована у напрямку джерела забруднення.

Апробація методу проведена на Північно-Яворівскому водоносному горизонті Долинського району Івано-Франківської області. У даному випадку джерелом забруднення підземних вод є нафтова свердловина № 218.

Розроблений локалізаційний природоохоронний захід - протифільтраційну завісу навколо експлуатаційних свердловин, які є джерелом забруднення підземних вод.

Виходячи із інженерно-геологічних умов Північно-Долинського родовища (неглибоке залягання та незначна потужність водоносного горизонту) одним із найбільш перспективних заходів є спорудження тампонажних завіс навколо свердловин, які є джерелом сольового забруднення. Відмітимо що спорудження протифільтраційних завіс проводиться при розробці калійних та вугільних родовищ для локалізації припливу підземних вод у гірничі виробки, через тріщини та стовбури поверхневих свердловин.

Ін'єкційні завіси споруджуються на глибину в сотні метрів шляхом закачки у пласти (в основному тріщинуватих порід) тампонажних сумішей під тиском. Закачка здійснюється, як правило, в ізольовані інтервали свердловин із застосувнням тампонуючих обладнань (пакерів). При затвердінні тампонажного розчину створюються ефективні протифільтраційні завіси. За типом тампонажних сумішей, які використовують, ін'єкційні завіси можна розділити на дві групи:

а) цементні і глинисто-цементні завіси - для прісних вод та слабомінералізованих вод;

б) завіси на ґрунтовій основі з переважаючим у складі розчину, який закачуємо з місцевих будівельних матеріалів, глинистого складу з різними добавками, які сприяють "схоплюванню" розчину в тріщинах і його стійкості до агресивної дії засолених підземних вод.

У сучасній практиці тампонування тріщиноватих водоносних гірських порід радіуси розповсюдження тампонажного розчину навколо свердловини мають різні значення. Так, наприклад, у Донбасі при тампонуванні з поверхні землі радіуси розповсюдження тампонажного розчину задають 8-15 м, а відстань між тампонажними свердловинами - 10-20 м і більше. При цьому враховується, що зі збільшенням відстані між свердловинами їх число та об'єм бурових робіт скорочується і, як наслідок, скорочується і вартість тампонування.

При влаштуванні ін'єкційних завіс нагнітання розчину проводиться в один або декілька рядів свердловин, причому вибір речовини, що закачується в пласт, залежить від розміру тріщин і пор породи, а також від швидкості фільтрації підземних вод та їх хімічного складу.

Для створення завіси нами підібрано склад тампонажного розчину та проведені лабораторні досліди з визначення коефіцієнта водопроникності та міцності цементного каменю при неперервній фільтрації; встановлено, що водопроникність взірців каменю складала (1-2)·10-3 мкм2/добу, а міцність на стиснення (вік 22 доби) складає 30-50 МПа; проведено розрахунок протифільтраційної завіси графо-аналітичним методом, використовуючи дані інженерно-геологічних умов Північно-Долинського нафтоконденсатного родовища (рис. 3).

Граничний радіус R розповсюдження тампонажного розчину у грунтах водоносного горизонту із окремої свердловини розраховуємо за формулою

, м (9)

де: Rсв - радіус тампонажної свердловини, м; kП - коефіцієнт проникності грунтів; м2; ДР - тиск в ізоляційному шарі, МПа; св - густина води, т/м3; b - емпіричний коефіцієнт; сс - густина цементної суспензії, т/м3; мb - коефіцієнт динамічної в'язкості середовища; д - середнє значення коефіцієнта розкриття пор у грунті, м; mТ - коефіцієнт проникнення цементної суспензії у пори грунту, м/с.

Маємо:

м. (10)

Отже, радіус тампонажної ін'єкційної завіси навколо нафтової свердловини, яка є джерелом забруднення підземних вод, визначаємо графо-аналітичним методом, враховуючи розрахунковий радіус поширення тампонажного цементного розчину - 2,7 м. Потім графічно визначаємо на плані, у масштабі 1:200, що з таким радіусом навколо нафтової свердловини необхідно пробурити 4 тампонажні свердловини. Розміщення свердловин планують таким чином, щоб контури поширення тампонажного розчину у водоносному горизонті із сусідніх свердловин перетиналися і ширина "тампонажного замка" була не менше 2 м. У подальшому, по зовнішніх точках перетину кіл проводимо коло, радіус якого і буде радіусом ізоляційної ін'єкційної завіси. У даному випадку він становить 3,5 м.

Радіус тампонажної завіси можна оцінити і аналітично за формулою:

, (11)

де: К=1.5-2.0 - коефіцієнт запасу міцності; ДР - розрахунковий перепад тиску при переміщенні тампонажного розчину у порах грунту водоносного горизонту, МПа; РТР - пластична міцність тампонажного розчину після 10 хв. після закачки, МПа.

Рис. 3. Розріз (І) та план (ІІ) тампонажної завіси навколо нафтоконденсатної свердловини (НС)

За формулою (11) радіус тампонажної завіси дорівнює 3,5 м, і співпадає з графічним визначенням.

Отже, в ізотропно-тріщиноватому середовищі форма ізоляційної завіси навколо нафтової свердловини має вигляд циліндра висотою 6 м та радіусом 3,5 м.

Кількість тампонажного розчину, що необхідно для спорудження протифільтраційної завіси чотирма свердловинами можна розрахувати за формулою

, (12)

де: - висота стовпа томпонажного розчину у свердловині, м; - відкрита пористість волдоносного горизонту, .

Маємо:

м3. (13)

Результати розрахунків у вигляді рекомендацій запропоновані Долинському НГВУ з метою ліквідації подальшого засолення ґрунтових вод.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ПІДСУМКОВІ ВИСНОВКИ

На основі виконаних комплексних теоретичних і експериментальних досліджень закономірностей фільтрації підземних вод та їх сольового забруднення нафтовими свердловинами вирішено важливу науково-теоретичну задачу - підвищення екологічної безпеки експлуатації нафтових родовищ, суть якої відображають наступні висновки:

1. Аналіз експлуатації нафтових родовищ показав, що на кінцевій стадії розробки вони є екологічно небезпечними об'єктами; у межах Північно-Долинського нафтоконденсатного родовища у навколишніх селах Яворів та Гузіїв зафіксовано значне сольове забруднення підземних вод (до 6,5 г/дм3), що призвело до неуможливлення їх споживання, така ситуація вимагала розробки природоохоронних методів та засобів.

2. Створено просторову математичну модель фільтрації для розробки алгоритму знаходження забруднень по площі водоносного горизонту в залежності від коефіцієнта проникності ґрунтів; для неоднорідного середовища, коли проникність ґрунтів різна, то в алгоритм додатково введено коефіцієнти проникності для окремих шарів.

3. На основі обробки результатів лабораторних досліджень процесів формування сольового забруднення у пористому середовищі одержано емпіричну залежність для визначення коефіцієнта дифузії для різних умов змішування рідин, що дозволяє дослідити інтенсивність формування сольових ареалів у підземних водах.

4. Одержано розв'язок рівняння балансу маси розчиненої в елементі водоносного пласта методом скінчених різниць, що дозволяє у будь-який момент часу у межах водоносного пласта оперативно визначити мінералізацію підземних вод.

5. Розроблена методика знаходження координат нафтової свердловини як джерела забруднення підземних вод, за даними реалізації задачі розподілу тиску у водоносному пласті та за даними гідродинамічних та гідрохімічних досліджень у польових умовах, яка реалізована на Північно-Долинському нафтоконденсатному родовищі.

6. Розроблено та впроваджено науково обґрунтовані методи і засоби ізоляції водоносного горизонту від забруднення при експлуатації нафтових родовищ, зокрема запропонована конструкція ін'єкційної протифільтраційної завіси навколо експлуатаційних свердловин, які є джерелом забруднення підземних вод; для створення завіси підібрано склад тампонажного розчину та проведені лабораторні досліди з визначення коефіцієнта водопроникності та міцності цементного каменю при неперервній фільтрації; встановлено, що водопроникність взірців каменю складала (1-2)·10-3 мкм2/добу, а міцність на стиснення складає 30-50 МПа; проведено розрахунок протифільтраційної завіси графо-аналітичним методом у залежності від інженерно-геологічних умов Північно-Долинського нафтоконденсатного родовища; встановлено, що в ізотропно-тріщиноватому середовищі форма ізоляційної завіси навколо нафтової свердловини має вигляд циліндра висотою 6 м та радіусом 3,5 м.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Депутат Б.Ю. Екологічний стан ґрунтового покриву районів Івано-Франківщини//Вісник Львів. у-ту. Серія географічна. Вип. 25. - 1999. - С.57-58.

2. Депутат Б.Ю. Оцінка природно-ресурсного потенціалу та екологічного стану довкілля Передгірської зони для сталого розвитку адміністративного району//Вісник технологічного університету Поділля, №6, 1999. - С. 180-182.

3. Депутат Б.Ю. Небезпечні екзогеодинамічні процеси на північно-східному макросхилі Карпат//Вісник Львівського університету. Серія географічна. - 2000. - Випуск 26. - С. 58-61.

4. Рудько Г.І., Депутат Б.Ю. Інженерно-геоморфологічні дослідження зсувонебезпечних ділянок на трасах магістральних трубопроводів в межах Українських Карпат//Фізична географія геоморфологія. - Збірник. - Випуск 44 - К.: Обрії. - 2003. - С 203-209.

5. Рудько Г.І., Депутат Б.Ю. Екологічна безпека навколишнього середовища України. Контури проблем//Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2003. - № 4 . - С.22-28.

6. Семчук Я.М., Депутат Б.Ю., Камаєва І.О. Вплив пластових вод Північно-Долинського нафтоконденсатного родовища на докілля//Всеукраїнський, щоквартальний науково-технічний журнал ”Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ”. Випуск №4 (17) - Івано-Франківськ - 2005. - С. 99-106.

7. Грудз В.Я., Депутат Б.Ю. Експериментальні дослідження процесу змішування рідин в пористому середовищі//Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2005. - № 3(12). - С. 145-147.

8. Семчук Я.М., Депутат Б.Ю., Лопушанський А. Я. Захист ґрунтових вод від сольового забруднення//Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2006. - № 3. - С. 48-52.

9. Грудз В.Я., Депутат Б.Ю. Математичне моделювання процесу нестаціонарної фільтрації рідин у водоносному горизонті// Всеукраїнський, щоквартальний науково-технічний журнал ”Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ”. Випуск №4 (17) - Івано-Франківськ - 2005. - С. 57-59.

АНОТАЦІЯ

Депутат Б.Ю. Підвищення екологічної безпеки нафтових родовищ на кінцевій стадії розробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу. Івано-Франківськ, 2007.

Дисертацію присвячено екологічній проблемі - зменшенню впливу на довкілля при експлуатації нафтових родовищ на кінцевій стадії розробки.

Встановлено, що ступінь впливу нафтових родовищ на навколишнє середовище визначається техногенними та природними факторами на різних стадіях їх експлуатації. Кінцева стадія характеризується прогресуючим впливом на довкілля пластових вод, що призводить до формування сольових ареалів забруднення у підземних водах, що використовуються населенням для питного та господарського споживання.

Створено просторову математичну модель фільтрації для розробки алгоритму знаходження забруднень по площі водоносного горизонту в залежності від коефіцієнту проникності, а для неоднорідного середовища, коли проникність ґрунтів різна, то в алгоритм додатково введено низку коефіцієнтів для окремих шарів.

Проведено лабораторні дослідження на спеціально створеній установці, за допомогою якої досліджувався процес змішування рідин різної густини у пористому середовищі. Одержано емпіричну залежність для визначення коефіцієнта дифузії, як функції проникності ґрунту, тиску та температури середовища.

Вперше одержано розв'язок рівняння балансу маси, розчиненої в елементі водоносного пласта методом скінчених різниць, що дозволяє у будь-який момент часу у межах водоносного горизонту визначити мінералізацію підземних вод.

Розроблений та впроваджений природоохоронний захід - протифільтраційна, ін'єкційна завіса навколо нафтової свердловини, яка є джерелом забруднення підземних вод.

Ключові слова: нафтове родовище, експлуатаційна свердловина, довкілля, стадія розробки, пластові води, модель фільтрації, тампонажний розчин, ін'єкційна завіса.

АННОТАЦИЯ

Депутат Б.Ю. Повышение экологической безопасности нефтяных месторождений на конечной стадии разработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. Ивано-Франковск, 2007.

Диссертация посвящена экологической проблеме уменьшения влияния на подземные воды нефтяных месторождений на конечной стадии их разработки путем разработки научно-технических природоохранных мероприятий и технических средств.

Проведен анализ влияния нефтяных месторождений на разных стадиях их разработки. Установлено, что конечная стадия характеризуется прогрессирующим влиянием пластовых вод и рассолов на окружающую среду, это приводит к формированию солевых ареалов загрязнения подземных вод, которые используются населением для питьевых и хозяйственных нужд.

Рассмотрены методы моделирования фильтрации и миграции загрязнений в водоносных горизонтах и создана пространственная математическая модель фильтрации для разработки алгоритма поиска распределения загрязнений в водоносных пластах в зависимости от коэффициента проницаемости. Для неоднородной среды, при разной проницаемости в разработанный алгоритм введены различные коэффициенты для отдельных слоев грунта.

Проанализированы и рассмотрены две модели формирования солевого загрязнения в водоносных горизонтах. Создана экспериментальная установка для исследования процессов смешивания жидкостей разной плотности. В результате проведенных экспериментов получена эмпирическая зависимость для определения коэффициента диффузии, как функции проницаемости грунта, давления и температуры.

Впервые получено решение уравнения баланса массы растворенного вещества в элементе водоносного пласта, что дает возможность оперативно решать практические задачи, которые связаны с прогнозированием распространения загрязнения в подземных водах.

Разработана методика поиска координат нефтяной скважины - источника загрязнения подземных вод, по данным реализации задачи распределения давления в водоносном пласте и по данным гидродинамических исследований в полевых условиях. Методика реализована на Северо-Долинском нефтяном месторождении.

Разработано и внедрено природоохранное мероприятие - противофильтрационная инъекционная завеса вокруг нефтяной скважины, которая является источником загрязнения подземных вод. Подобран материал для сооружения завесы, в зависимости от гранулометрического состава и фильтрационных свойств водоносного горизонта в пределах нефтяного месторождения. Таким материалом является цементный раствор, затворенный на рассоле хлористого натрия с добавкой раствора силиката натрия. Проведены лабораторные исследования для определения проницаемости цементного камня данного состава. Установлено, что коэффициент фильтрации при непрерывной фильтрации составлял (1-2)·10-3 мкм2/сутки.

Рассчитаны параметры инъекционной завесы, исходя из инженерно-геологических условий месторождения. Установлено, что в изотропно-трещиноватой среде форма изоляционной противофильтрационной завесы вокруг нефтяной скважины имеет вид цилиндра высотой 6 м и радиусом 3,5 м.

Ключевые слова: нефтяное месторождение, эксплуатационная скважина, окружающая среда, стадия разработки, пластовые воды, модель фильтрации, тампонажный раствор, инъекционный занавес.

ABSTRACT

Deputat B.Y. The enhancement of ecological safety of oil deposits at the final stage of exploitation. - Manuscript.

Dissertation for submitting a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 21.06.01 - Ecological Safety. Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas.

The dissertation is devoted to the ecological issue, namely, reduction of impact on environment while exploiting oil deposits at the final stage of extraction.

There has been determined that the extent of oil deposits' impact on the environment is specified by the man-caused and natural factors at the different stages of their exploitation. The final stage is characterized by the progressing impact of the groundwater on the environment. This leads to the formation of the saline areals of contamination in the groundwater, which is used for drinking and in household by population.

The spatial mathematical model for filtration and development of algorithm to locate contamination spots on the territory of water-bearing horizon depending on permeability coefficient has been designed. In case the environment is heterogeneous and the ground permeability is different, a set of coefficients for separate strata has been additionally put into the algorithm.

The laboratory research on the specially designed equipment has been carried out. With the help of the mentioned equipment the process of liquids mixing with different degrees of density within the porous environment has been investigated. The empirical dependence for definition of the diffusion coefficient, the permeability function of the environment ground, pressure and temperature has been obtained.

The solution to the mass balance, dissolved in the element of the water-bearing stratum by the method of finalized differences equation has been obtained for the first time. It allows determining the process of groundwater mineralization (salinity) within the water-bearing horizon at any period of time.

There has been designed and implemented the environment protection measure, namely, the anti-filtering injection screen around the oil well, which is the source of the groundwater contamination.

Key Words: oil deposit, operational well, environment, exploitation stage, stratum water, filtration model, tamponage solution, injection screen.

Размещено на Allbest.ru