Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Изобретение относится к области подземного захоронения биологически опасных сточных вод различных предприятий, очистка и переработка которых затруднена, а сброс в открытые водоемы невозможен.

Подземное захоронение является одним из надежных способов удаления биологически опасных сточных вод из окружающей среды и широко используется в России и за рубежом.

Известен способ подземного захоронения промстоков через нагнетательные скважины в подземные водоносные горизонты, надежно изолированные от вышележащих пресных вод водоупорными прослоями горных пород (см. кн. «Гидрогеологические исследования для захоронения промышленных сточных вод в глубокие водоносные горизонты». М.: Недра, 1978 г, стр.9-13).

Основным недостатком данного способа является обязательное наличие над рабочим горизонтом слоя непроницаемых горных пород, препятствующих перетеканию закачиваемых промышленных стоков в вышележащие водоносные горизонты, воды из которых могут быть использованы для питьевых или технических нужд.

Этот недостаток существенным образом ограничивает область использования способа или значительно удорожает его применение за счет прокладки большой длины трубопровода до участка, где гидрогеологические условия использования этого способа соблюдаются.

Наиболее близким к заявленному способу по цели, технической сущности и совокупности существенных признаков является способ подземного захоронения биологически опасных сточных вод в геологические формации, не имеющие над рабочим горизонтом четко выраженных водоупорных слоев, включающий бурение нагнетательных скважин и закачку сточных вод в рабочий горизонт, отличающийся тем, что одновременно с закачкой сточных вод в рабочий горизонт закачивают техническую жидкость в горизонт, залегающий над рабочим горизонтом, при этом давление на забое нагнетательных скважин, при закачке технической жидкости в вышележащий горизонт поддерживают равном 0,9-1,1 давления на забое нагнетательных скважин при закачке сточных вод в рабочий горизонт. В качестве технической жидкости используют жидкость с повышенной вязкостью, например, разбавленную глинистым раствором (см. патент РФ №2328784).

Недостатком данного способа является необходимость бурения дополнительных нагнетательных скважин для закачки специально подготовленной технической жидкости в горизонт, залегающий над рабочим горизонтом.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в предотвращении проникновения захороняемых биологически опасных сточных вод в вышезалегающие водоносные горизонты, которые могут быть использованы для питьевого или технического водоснабжения.

Указанный технический результат при реализации заявленного изобретения достигается более эффективно, т.е. с меньшими затратами, чем в известных способах захоронения сточных вод.

Для получения указанного технического результата предложен способ подземного захоронения биологически опасных сточных вод в геологические формации, не имеющие над рабочим горизонтом четко выраженных водоупорных слоев, включающий бурение нагнетательной скважины и закачку сточных вод в рабочий горизонт, отличием которого согласно изобретению является то, что нагнетательную скважину бурят наклонно-направленной, при этом в интервале рабочего горизонта ствол нагнетательной скважины бурят параллельно напластованию на расстоянии от подошвы рабочего горизонта, равном 0,1-0,2 мощности рабочего горизонта, а на водоносный горизонт, залегающий ниже горизонта, содержащего подземные воды, используемые для питьевых и технических нужд, бурят наблюдательную скважину.

Целесообразно, чтобы при появлении избыточного давления в наблюдательной скважине в период эксплуатации нагнетательной скважины через наблюдательную скважину производили отбор пластовой жидкости, которую добавляли в биологически опасные сточные воды и закачивали в рабочий горизонт.

Целесообразно в случае когда рабочий горизонт представлен непрочными горными породами, способными к осыпанию, нагнетательная скважина обсаживается до забоя, а обсадная колонна перфорирована только в той ее части, которая размещена на расстоянии от подошвы рабочего горизонта, равном 0,1-0,2 мощности рабочего горизонта.

Целесообразно, чтобы в прочных породах часть ствола нагнетательной скважины, размещенную в интервале рабочего горизонта на расстоянии от его подошвы, равном 0,1-0,2 мощности рабочего горизонта, оставляли открытой.

Размещение ствола нагнетательной скважины в рабочем горизонте параллельно напластованию (или горизонтально при отсутствии угла наклона пласта) вблизи его подошвы является существенным, поскольку в этом случае увеличивается расстояние (по вертикали) до интервала вышезалегающих водоносных горизонтов, воды из которых могут быть использованы для питьевых или технических нужд.

Кроме того, проникновение ствола скважины на большое расстояние в рабочий горизонт будет способствовать увеличению приемистости нагнетательной скважины.

Условие размещения ствола нагнетательной скважины в интервале рабочего горизонта на расстоянии от его подошвы, равном 0,1-0,2 мощности рабочего горизонта, является существенным.

При расстоянии, меньшем 0,1 мощности рабочего горизонта, значительно уменьшается охват рабочего горизонта фильтрацией биологически опасных сточных вод.

При расстоянии от подошвы рабочего горизонта больше 0,2 мощности рабочего горизонта уменьшается общее расстояние по вертикали до водоносного горизонта, содержащего пресные и слабоминерализованные воды, что будет способствовать более быстрой передачи избыточного давления и перетоку в него пластовых вод из нижележащего водоносного горизонта.

Известно, что проницаемость коллекторов в вертикальном направлении, как минимум, на порядок ниже, чем по напластованию (по горизонтали). Поэтому избыточное давление в рабочем горизонте, создаваемое закачкой сточных вод при отсутствии четко выраженного водоупора дойдет до вышележащих водоносных горизонтов только через несколько лет или совсем не дойдет. Это зависит от расстояния до рабочего горизонта, осредненной проницаемости разделяющей их толщи горных пород, от расхода закачки промстоков и времени эксплуатации нагнетательной скважины, которое обычно составляет от 20 до 25 лет.

В том случае если в период эксплуатации нагнетательной скважины избыточное давление достигает водоносного горизонта, на который пробурена наблюдательная скважина, из этой скважины начинают отбор пластовой жидкости. Отбор пластовой жидкости производят в количестве, обеспечивающем поддержание в этом горизонте начального давления, что предотвратит переток пластовой жидкости из этого горизонта в вышележащий водоносный горизонт, воды которого используют для питьевых и технических нужд.

Откачиваемую жидкость из наблюдательной скважины направляют на прием насоса используемого для закачки биологически опасных сточных вод и, таким образом, закачивают их совместно с биологически опасными сточными водами в рабочий горизонт.

Пример осуществления способа.

Необходимо произвести подземное захоронение биологически опасных сточных вод с расходом 1000 м³/сут в течение 20 лет. В геологическом районе работ имеется рабочий горизонт, пригодный для подземного захоронения промстоков, залегающий на глубине 1450-1500 м.

Водоносный горизонт, содержащий пресные и слабоминерализованные воды, которые могут быть использованы для питьевых и технических нужд, залегают на глубине 10-150 м. Ниже, в интервале 150-300 м, залегает буферный водоносный горизонт, содержащий пластовые воды с более высокой минерализацией, не пригодные для использования для технических или иных нужд. В остальном интервале горных пород вплоть до рабочего горизонта прослеживаются отдельные прослои проницаемых или слабопроницаемых горных пород. Четко выраженные водоупорные слои отсутствуют.

Необходимо осуществить подземное захоронение промстоков, исключающее переток в верхний водоносный горизонт пластовых вод из нижележащих водоносных горизонтов.

Способ поясняется чертежом, где обозначены: рабочий горизонт 1, нагнетательная скважина 2, участок 3 нагнетательной скважины 2 в интервале рабочего горизонта 1, наблюдательная скважина 4, буферный водоносный горизонт 5, погружной центробежный насос 6 с датчиком давления 7, верхний водоносный горизонт 8, насос 9 для закачки биологически опасных сточных вод.

Реализация подземного захоронения промстоков по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

На рабочий горизонт 1, залегающим горизонтально в интервале 1450-1500 м, бурят наклонно-направленную нагнетательную скважину 2.

В интервале рабочего горизонта участок 3 ствола нагнетательной скважины 2 бурят горизонтально на расстоянии от подошвы рабочего горизонта 1, равном 0,1 от мощности рабочего горизонта (в данном случае на расстоянии 5 м). Перфорацию обсадной колонны нагнетательной скважины 2 производят только в интервале участка 3 нагнетательной скважины 2, размещенного горизонтально в интервале рабочего горизонта 1.

Наблюдательную скважину 4 бурят на буферный водоносный горизонт 5 и перфорируют обсадную колонну в интервале 200-250 м.

В наблюдательной скважине 4 размещают погружной центробежный насос 6 с установленным ниже насоса датчиком давления 7.

Время подхода избыточного давления к подошве верхнего водоносного горизонта 8 с начала закачки биологически опасных сточных вод, когда в него может начаться переток пластовой жидкости из буферного горизонта 5, вычислим по формуле.

где:

Q - расход закачиваемых биологически опасных сточных вод;

ε, h - коэффициент гидропроводности и мощность рабочего горизонта;

R - расстояние по вертикали от участка 3 нагнетательной скважины 2 до подошвы верхнего водоносного горизонта 8;

ε₁, n₁ - осредненные значения коэффициента гидропроводности горных пород и пористости по высоте R.

Принимая значения параметров, входящих в формулу (1), равными:

Q=1000 м³/cyт, ε=1×10^-3 МПа·сек, h=50 м, ε₁=0,1×ε n₁=0,01, R=1345 м, получим t=4523 суток ≈ 13 лет.

Таким образом, только через 13 лет с начала закачки биологически опасных сточных вод начнется повышение давления в буферном водоносном горизонте 5.

Произведем оценку возможного максимального возрастания давления в буферном водоносном горизонте к концу эксплуатации нагнетательной скважины и оценку максимального отбора жидкости из наблюдательной скважины 4, с тем чтобы исключить переток из этого горизонта в верхний водоносный горизонт 8. Перепад давления ΔР в буферном горизонте через 20 лет с начала закачки биологически опасных сточных вод составит.

где:

χ - коэффициент пьезопроводности на расстоянии R.

Остальные обозначения прежние. Принимая среднее значение χ равным 0,1 м²/сек, получим ΔР=1,14 МПа.

Максимальный отбор жидкости из наблюдательной скважины 4, при котором будет компенсироваться нарастание давления в буферном горизонте 5, составит.

Где:

ε₂ - коэффициент гидропроводности буферного горизонта, который принимаем таким же, как и для рабочего горизонта, равным 1×10^-3 м³/МПа·сек;

R - радиус влияния, равный 1345 м;

r - радиус скважины 4, равный 0,1 м;

ΔР - превышение давления над пластовым, равное 1,14 МПа.

Произведя расчеты по формуле (3), получим Q_max=65 м³/сут, что составит не более 6,5% от заданного расхода биологически опасных сточных вод. Жидкость, откачиваемую из буферного водоносного горизонта 5 погружным центробежным насосом 6, направляют на прием насоса 9, используемого для закачки биологически опасных сточных вод в рабочий горизонт 1. Наличие датчика давления 7 в наблюдательной скважине 4 позволяет автоматизировать включение и отключение погружного центробежного насоса 6 в зависимости от заданного интервала давления в буферном водоносном горизонте 5.

Следует отметить, что в данном примере осредненное значение коэффициента гидропроводности по вертикали принято равным 0,1 от значения коэффициента гидропроводности рабочего горизонта.

Фактически за счет наличия в геологическом разрезе низкопроницаемых пропластков это значение может быть существенно ниже. Так при значении ε₁ равном 0,05·ε, время подхода давления к буферному горизонту согласно формуле (1) составит 25 лет, т.е. отпадет необходимость откачки жидкости из буферного горизонта.

Использование предлагаемого способа позволит существенно расширить область применения подземного захоронения биологически опасных сточных вод даже в тех районах, где водоупорные слои горных пород четко не прослеживаются.