Прогрессивные технологии сооружения скважин

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

В настоящее время более 75 % потребности в питьевой воде на территории быв. СССР удовлетворяется за счет запасов под­земных вод. На открытии 4-й Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» В. П. Орлов акцентировал вни­мание на том, что в 3-м тысячелетии водоснабжение будет осу­ществляться из подземных питьевых источников. Ряд регионов России уже сейчас обеспечивается питьевой водой только из подземных источников. Роль подземных вод, по всей видимости, будет только возрастать, о чем свидетельствуют последние собы­тия на реке Дунай, приведшие к экологической катастрофе на территории ряда европейских государств. Самое опасное, что вы­явленные на данный момент масштабы загрязнения являются только «верхушкой» айсберга, основные последствия которого проявятся спустя определенное время и весьма существенно.

Наряду с серьезным подходом к загрязнению поверхностных вод, почв, атмосферного воздуха, экологическому состоянию под­земных вод уделяется неоправданно малое значение. Это объяс­няется отсутствием комплексного эффективного подхода к оцен­ке загрязнений, прогнозу, контролю элементарных параметров аре­ала распространения, большой растянутостью процесса во време­ни, влиянием целого ряда факторов, и, прежде всего, таких как эк­сплуатационные режимы отработки месторождений подземных вод.

Загрязнение подземных вод является одним из наиболее опасных процессов по своей необратимости для будущих поко­лений, так как проявляется не сразу, а по мере распространения от очагов загрязнения при эксплуатации месторождения.

Основная проблема экологии подземных вод заключается в том, что с определенной степенью точности выявить и контроли­ровать процесс распространения загрязнения возможно только тогда, когда процесс становится неуправляемым и необратимым, а роль экологов сводится к констатации неутешительных фак­торов.

Подземные воды, имеющие стабильные запасы и представ­ляющие интерес для организации питьевого водоснабжения, имеют пластовый характер и приурочены к породам определен­ного состава и геологического возраста. Преимущественно водо­носные горизонты представлены песками различного грануло­метрического состава, гравийно-галечниковыми отложениями, трещиноватыми известняками, простирающимися и распростра­няющимися на значительные площади, захватывающие не только территорию района или области, а зачастую выходят за их гра­ницы.

Другой важной особенностью подземных вод является огра­ниченность их запасов. Промышленные запасы обычно имеют 2­3 водоносных горизонта.

Первые от поверхности водоносные горизонты, вследствие наличия гидравлической связи с поверхностными водами, не имеют промышленных запасов и преимущественно загрязнены по целому ряду компонентов, по которым превышаются установ­ленные нормы ПДК. Более глубокие горизонты не используются для питьевого водоснабжения по причине повышенной минера­лизации, или используются в ограниченном объеме как столовые или минеральные воды. Рассолы, залегающие еще глубже, нахо­дят ограниченное применение в лечебных целях.

Подземные воды пластового залегания, имеют хорошую гид­равлическую связь и при наличии загрязнителя возможно его свободное распространение по площади в пределах радиуса влияния скважины. С увеличением интенсивности водозабора влияние скважины распространяется на все более отдаленные области за счет роста депрессионной воронки, скважины начи­нают взаимодействовать друг с другом. В связи с этим при попа­дании загрязнения в тот или иной интервал пласта, при эксплуа­тации, оно может распространяться неограниченно по пласту, захватывая все новые области. Если пласт не эксплуатируется, либо заданной зоны не достигла постоянно распространяющаяся по площади депрессионная воронка, очаг загрязнения может не давать о себе знать значительное время и быть законсервирован­ным, выполняя функцию «мины замедленного действия».

Загрязнения в подземных водах могут распространяться не только по площади простирания пласта, но и проникать на дру­гой горизонт. Такое загрязнение является прямым следствием воздействия человека на окружающую среду и передается пре­имущественно через скважину. При бурении скважин гидравли­ческая связь пластов проявляется в следующих основных слу­чаях: вследствие некачественного цементирования обсадных ко­лонн, соединяющих два и более горизонта; по причине старения

Или размыва цементного камня со временем; из-за экономии об­садных труб, диаметра бурения и ряда других факторов. Массо - перенос загрязнителя возможен и до момента установки обсад­ных труб и цементировочных работ в процессе бурения. Это от­носится, прежде всего, для разрезов, представленных водонос­ными комплексами с различными пластовыми давлениями. На­пример, имеют место внутрискважинные перетоки из напорного пласта в слабонапорный при бурении или остановке циркуляции.

Негативные явления загрязнения подземных вод дают о себе знать уже сейчас. В катастрофическом состоянии находится Мо­сковский артезианский бассейн. Если ранее питьевые воды до­бывали из трещиноватых известняков с глубин 70-80 м, затем 100-140 м, то теперь с 240-260 м. По пробуренным скважинам загрязнения распространяются с поверхности и вышележащих пластов на эксплуатируемый горизонт. При его загрязнении ре­зерва больше нет, так как глубже залегают минерализированные воды, не пригодные к употреблению без предварительной очист­ки. В аналогичном бедственном состоянии находится большая часть артезианских бассейнов крупных городов и промышленных регионов России.

Аналогичную обеспокоенность относительно загрязнения бас­сейна подземных вод вызывает Ханты-Мансийский автономный округ, где за более чем 40 лет интенсивной промышленной экс­плуатации ресурсов нанесен тяжелый ущерб окружающей среде. Это привело к процессам деградации экосистемы территории. Для обеспечения добычи 1 млн т нефти и 1 млрд м3 газа в сутки было пробурено более 60 тыс. эксплуатационных и более 100 тыс. геологоразведочных скважин, сооружено около 10 тыс. пусковых площадок, построено более 60 тыс. км внутри - и меж­промысловых трубопроводов. Проложено около 9 тыс. км маги­стральных нефте - и газопроводов, построены десятки компрес­сорных станций.

Интенсивное техногенное воздействие на окружающую среду проявилось по всей территории деятельности нефтегазодобы­вающего округа и прочих промышленных объектов, трубопрово­дов, дорог, других коммуникаций, а также вследствие разработки месторождений карьерами, нарушения почвенно-растительного покрова.

Экологическое состояние территорий и его динамика зависят как от типа и интенсивности антропогенного воздействия, так и от естественных природных особенностей региона. Устойчивость геосистем к техногенному воздействию определяется скоростью протекания важнейших химических и биологических превраще­ний, таких как: гидролиз, окисление, разложение, восстановле­ние, минерализация; а также интенсивностью выноса продуктов процесса техногенеза за пределы рассматриваемого региона.

Основным техногенным центром воздействия на экосистему в Ханты-Мансийском автономном округе являются разработка и эксплуатация месторождений нефти и газа. Только в Нефтею­ганском регионе эксплуатируются 27 месторождений. Источни­ками наиболее сильных поверхностных загрязнений и, как след­ствие, загрязнения месторождений подземных вод являются про­рывы трубопроводов. Ежегодно происходит более 500 прорывов с зафиксированными экологическими последствиями.

Подавляющее большинство зафиксированных прорывов явля­ется следствием коррозии. Всего в результате прорывов трубо­проводов на территории Нефтеюганского района разлито около 640 т нефти, площадь загрязнений превысила 13 га. На конец года было 380 нерекультивируемых шламовых амбаров, в кото­рых содержалось порядка 52 т отходов бурения IV класса ток­сичности и 36 тыс. т нефтешламов III класса токсичности, 10 свалок отходов потребления и полигон утилизации бытовых от­ходов, на котором ежегодно захоранивается 70-80 тыс. м3 твер­дых бытовых отходов.

Особую опасность приобретает процесс загрязнения подзем­ных вод с поверхностных очагов в регионах, характеризующихся высокопроницаемостью почвенных близлежащих к поверхности пород.

Загрязнение распространяется первоначально на поверхност­ные воды, а лишь затем через скважины на подземные водонос­ные горизонты. Для поверхностных вод региона характерны по­вышенное содержание туминовых кислот, ионов аммония, же­леза, марганца, фенолов, а также пониженная минерализация и жесткость.

Водоемы региона подвергаются следующим антропогенным загрязнениям:

Нефтью и нефтепродуктами, поступающими в водоемы, и на площадь водосбора при авариях нефтепроводов, горении факе­лов, розливов содержимого шламовых амбаров;

Тяжелыми металлами, полиакрилатами и другими компонен­тами буровых растворов;

Минеральными солями, входящими в состав подземных вод, а также жидкой фазой буровых растворов.

По данным экспертизы от общего объема нефти, попадающей в водоемы, 53 % приходится на аварии трубопроводов, 35 % - на размывы шламовых амбаров, 9 % - на сточные воды предпри­ятий, 2,5 % - на распыление частичек нефти при горении факе­лов и прочее. В реальных условиях колоссальное количество

Нефтепродуктов смывается в водоемы вешними и паводочными водами с многочисленных участков рекультивируемых земель на водосборах, загрязненных нефтью в предыдущие годы.

Масштабы загрязнения поверхностных вод, а также верхо­водки, находящейся на первом от поверхности водоупоре, могут быть различными. Например в районе Ейска, Грозного и других промышленных районах на первом экране скопилось столько нефтепродуктов, что эти явления можно классифицировать как отдельное месторождение.

В местах, где поверхностные воды загрязнены, буровые сква­жины являются каналом для проникновения загрязнения вглубь водоносных комплексов и распространения вглубь пласта.

Распространение загрязнения через буровые скважины вглубь водоносных пластов является наиболее опасным и необратимым видом загрязнения, контролировать которое, оценивать размеры, прогнозировать развитие и бороться с которым чрезвычайно сложно. Загрязнения попадают в скважину не только при нека­чественном цементировании, но и нарушении герметизации об­садных колонн. Гидравлическая связь различных пластов имеет место при бурении под кондуктор, техническую и эксплуатаци­онную колонну. При бурении возникают поглощение промывоч­ной жидкости, кольматация околоскважинной зоны. Если промы­вочная жидкость обогащена загрязнителем, а она практически всегда его содержит, то он проникает вглубь пласта и оседает там с частицами шлама и глины. Особенно опасно загрязнение в сла­бонапорных водоносных пластах, где глубина проникновения раствора или его фильтра вглубь составляет десятки, а при нали­чии вблизи эксплуатационных скважин - сотни метров. Про­цессу загрязнения подземных вод способствуют практически все­гда сооруженные вблизи разрабатываемых или разведуемых ме­сторождений нефти и газа технические скважины на воду. Экс­плуатация таких скважин связана с созданием депрессионной воронки, в которую естественным путем подсасываются загряз­нители через бурящиеся или эксплуатируемые скважины на нефть и газ. Огромную роль в загрязнении подземных вод иг­рают скважины, в которых либо неверно выбрана конструкция (без учета перекрытия и изоляции водоносных пластов), либо нарушена целостность обсадных колонн. Со временем, по ряду природных и технологических факторов, в цементном камне об­разуются открытые каналы или пустоты, по которым осуществ­ляются перетоки из одного пропластка в другой, грифоны. Оце­нивать процесс загрязнения подземных вод через скважины тра­диционными методами сложно вследствие нестандартности си­туации и самого процесса. Возможность процесса оценки, кон - троля, а следовательно, и управления загрязнением подземных вод осложняется изменчивостью и непостоянством данного явле­ния во времени. Для начала эксплуатации даже при громадных очаговых распространениях загрязнителя превышения ПДК в подземных водах наблюдаться не будет. Только по мере эксплуа­тации при возникновении возмущений в пластах, движении по­тока и создании скоростей потока, реальных для массопереноса загрязнителя, процесс может контролироваться. Как правило, такой запоздалый контроль позволяет констатировать экологиче­скую катастрофу, но не предотвратить, либо локализовать ее.

Для решения проблемы загрязнения подземных вод через скважины должен быть выбран комплексный подход, который применительно к природным условиям с учетом характера за­грязняющего объекта, расположения и конструкции скважин, технологии цементирования и изоляции пластов, промывки скважин, фильтрационных свойств водоносных горизонтов и от­деляющих их от поверхностных вод экранов или водоупоров по­зволил бы оценить характер проникновения загрязнителя в пласт. При этом необходимо в основу такого комплексного под­хода взять аксиому о том, что ликвидировать загрязнения под­земных вод, когда в пласте имеются зараженные области и оча­ги - нельзя. Их можно только предупредить. Только таким пу­тем можно обеспечить последующие поколения чистой питьевой водой, а ресурсы для этого есть. Необходимо понимание сложно­сти и важности данного процесса, его необратимости при допу­щении ошибок, промедлении, погоне за неоправданным увеличе­нием показателей.