К оглавлению

УДК 628.543(574.13)

Перспективы подземного захоронения жидких промышленных отходов Карачаганакского Газоконденсатного промысла

О. М. СЕВАСТЬЯНОВ, Ю. Н. КОМАРОВ, Е. Е. ЗАХАРОВА (ВУНИПИГаз)

Карачаганакское газоконденсатное месторождение с содержанием в газе 4 % сероводорода и 580 г/м3 конденсата представляет собой дополнительный источник сырья для Оренбургского газохимического комплекса.

В процессе его освоения возникнет необходимость «сброса» промышленных сточных вод. Объем промстоков в период нарастающей добычи газа составит от 250 до 1000 м3/сут (от 100 до 350 тыс. м3/год), а в период постоянной добычи достигнет 1500 м3/сут (550 тыс. м3/год). За 20 лет строительства и эксплуатации газоконденсатного промысла объем промстоков будет равен 8 млн. м3.

Для жидких отходов с такой высокой минерализацией эффективные способы очистки отсутствуют. Наиболее рациональным и безопасным для окружающей среды способом их обезвреживания является захоронение в подземные водоносные горизонты. Эти горизонты должны: 1) содержать минерализованные воды, непригодные для хозяйственно-питьевого водоснабжения и не использующиеся для лечебных целей или для промышленного извлечения ценных компонентов; 2) обладать достаточно высокими фильтрационноемкостными свойствами, обеспечивающими поглощение необходимых объемов промстоков; 3) быть надежно изолированными от водоносных горизонтов с питьевыми водами и от поверхностных водоемов. Вместе с тем из экономических соображений целесообразно захоронять промстоки на минимальном расстоянии от их источника и на как можно меньшей глубине. Для соблюдения перечисленных санитарноохранных и технико-экономических требований необходимы подробные сведения о геологическом строении и гидрогеологических условиях территории.

В районе Карачаганакского месторождения специальных исследований по выявлению поглощающих горизонтов не проводилось. В настоящей статье впервые сделан анализ имеющихся геологических, геофизических и гидрогеологических материалов для оценки возможности подземного захоронения промстоков.

Геологическое строение района очень сложное и характеризуется наличием в разрезе трех структурно-тектонических этажей. Нижний этаж охватывает отложения от нижнего карбона (наиболее древние, вскрытые скв. П-2 Аксайская) до артинского яруса нижней перми. Они представлены известняками серыми и темно-серыми с прослоями доломитов, образующими синклинальные и антиклинальные структуры. Глубина залегания их кровли изменяется от 3735 м в сводах поднятий до 4708 м в синклиналях. Максимальная вскрытая мощность карбонатных пород достигает 600 м на Карачаганакском месторождении, где полностью не пройдены отложения нижней перми, с которыми связана промышленная газоносность. За пределами контура газоносности вскрытая мощность карбонатных отложений в скв. 1 Карачаганакская и П-2 Аксайская составляет 217 и 321 м.

Средний структурный этаж образуют отложения кунгурского яруса нижней перми, подразделяющиеся на два горизонта: нижний - филипповский и верхний - иренский. Филипповский горизонт представлен ангидритами, доломитами и доломитизированными известняками мощностью от 30 до 270 м. Иренский горизонт сложен преимущественно каменной солью с прослоями ангидритов, доломитов и терригенных пород. Галогенные отложения иренского горизонта образуют куполовидные поднятия, в пределах которых они залегают на глубине 150-250 м и имеют мощность до 4390 м. В межкупольных зонах глубина залегания иренских отложений превышает 3500- 4000 м, а мощность уменьшается до 20-100 м.

Верхний структурный этаж включает надсолевые преимущественно терригенные отложения верхнепермского, триасового, юрского, мелового, неогенового и четвертичного возраста. Они представлены переслаиванием главным образом глин, аргиллитов, алевролитов, песков и песчаников. Эти отложения имеют наибольшую мощность в межкупольных мульдах (3500-4000 м). Над сводами соляных куполов мощность их сокращается до 150- 250 м и из разреза выпадают отложения верхней перми и триаса.

На рассматриваемой территории по результатам сейсморазведки и бурения выявлены три соляных купола: Карачаганакский, Кончебайский и Сухореченский. Размеры их составляют 5Х25; 3,5x7; 5X9 км. К северо-востоку от них, в районе скв. 121 и 123 Кардаиловской площади, отмечается приподнятое залегание солей иренского горизонта (рис. 1). В районе также известны две крупные межкупольные мульды - Карачаганакская и Аксайская. Первая, размером 5x20 км, контролируется на севере Карачаганакским, а на юге Кончебайским и Сухореченским соляными куполами. По длинной оси она простирается в субширотном направлении через Карачаганакское месторождение, в пределах которого пересечена скв. 2 и П-10. Аксайская мульда по своим размерам значительно больше Карачаганакской, и от последней отделена на юго-западе Карачаганакским соляным куполом. На севере и северо-востоке она ограничена Кардаиловским соляным поднятием кунгура. Триасовые и частично верхнепермские отложения, выполняющие мульду, перекрывают это соляное поднятие и простираются дальше к северу и северо-востоку, выходя под неоген-четвертичные образования. Длина короткой оси Аксайской мульды от Карачаганакского купола до Кардаиловского поднятия составляет 13 км. На северо-западе и юго-востоке мульда не имеет четких границ и в этом направлении протяженность ее не менее 30 км.

Гидрогеологические условия района определяются наличием двух гидрогеологических этажей (верхнего и нижнего), разделенных региональным водоупором (рис. 2). Верхний гидрогеологический этаж охватывает надсолевые преимущественно терригенные отложения от четвертичных до верхнепермских включительно. Он подстилается сульфатно-галогенными отложениями кунгурского яруса нижней перми, играющими роль регионального водоупора на обширной территории Волго-Уральской провинции. Под сульфатно-галогенной толщей кунгура находится нижний гидрогеологический этаж, представленный карбонатными отложениями нижней перми и карбона. Он опробован в четырех интервалах (4708-4724, 4749-4764, 4807- 4828 и 4883-4900 м) в скв. П-2 Аксайская, из которых получены слабые водопритоки дебитом 2-5,5 м3/сут. Пластовые воды имеют плотность 1,175-1,180 г/см3, минерализацию 234-275 г/л и относятся к хлоркальциевому типу.

Подземные воды верхнего гидрогеологического этажа изучены до глубины 150 м скважинами, пройденными при поисках источников водоснабжения. Они приурочены к песчаным пластам, залегающим в преимущественно глинистой толще пород. Пресные воды с минерализацией до 1 г/л развиты главным образом в аллювиальных четвертичных отложениях долин рек Урала и Илека. В горизонтах неогенового, мелового и юрского возрасти даже на малых глубинах (20-50 м) преобладают непригодные для питья воды с минерализацией 2-10 г/л, а пресные воды имеют локальное распространение. На глубинах 120-150 м повсеместно развиты соленые воды с минерализацией 5-20 г/л. Отложения триаса и верхней перми в гидрогеологическом отношении совершенно не изучены. Однако в результате интерпретации промыслово-геофизических материалов по скв. 2 и 10 Карачаганакской и П-1 и П-2 Аксайской площадей установлено, что в разрезе триаса присутствуют довольно мощные пачки песчаников, чередующихся с глинами. Из этого следует, что в толще триаса имеется несколько водоносных горизонтов, разобщенных надежными водоупорами. Значительная глубина залегания этих горизонтов позволяет предполагать высокую минерализацию (не менее 100 г/л) приуроченных к ним пластовых вод. Что касается верхнепермских отложений, то они представлены в основном плотными аргиллитами и глинами с редкими маломощными прослоями алевролитов и песчаников. Поэтому их можно рассматривать в целом как водоупорную толщу.

Ближайшие к Карачаганакскому месторождению объекты подземного захоронения промстоков находятся в 150 км к северо-востоку, на Оренбургском газохимическом комплексе. Здесь сброс промстоков производится в известняки башкирского яруса среднего карбона на глубину 2400-2800 м. Производительность нагнетательных скважин составляет 500-750 м3/сут. Всего по состоянию на 1/X 1982 г. захоронено около 7 млн. м3 промстоков. В районе Карачаганакского месторождения подсолевые карбонатные отложения в водонасыщенной части разреза обладают низкими фильтрационно-емкостными свойствами. На это указывают слабые водопритоки в скв. П-2 Аксайская (2-5,5 м3/сут) по сравнению с дебитами воды из скважин, пробуренных на башкирский горизонт в районе Оренбурга (600-700 м3/сут). По этой причине, а также из-за очень большой глубины залегания (порядка 5 тыс. м), подсолевой карбонатный комплекс в районе Карачаганакского месторождения непригоден для подземного захоронения промстоков. Для этой цели наиболее перспективны отложения триаса в глубоких межкупольных мульдах (Карачаганакской и Аксайской), что следует из приведенных выше данных о геологическом строении и гидрогеологических условиях района.

В результате интерпретации промыслово-геофизических материалов по скв. 2 и П-10 (Карачаганакская площадь), П-1 и П-2 (Аксайская площадь) в разрезе триаса выделены четыре пачки песчаных пористых пород, образующих четыре резервуара, и четыре пачки преимущественно непроницаемых глинистых пород, являющихся экранами. Резервуары и экраны обозначаются сверху вниз соответственно римскими цифрами (I, II, III, IV) и буквами А, Б, В, Г).

Верхняя часть разреза триасовых отложений представлена преимущественно плотными глинами с прослоями алевролитов (экран А) мощностью 177-432 м (см. таблицу). Ниже расположен первый резервуар, представляющий собой чередование пористых песчанистых и плотных глинистых пластов. Общая мощность его 106- 138 м, суммарная эффективная мощность пористых пород 40-80 м, мощность отдельных пористых пластов 2- 22 м, плотных 2-18 м. Первый резервуар отделяется от второго пачкой преимущественно плотных глинистых пород (экран Б) мощностью 150- 212 м. В средней части этой толщи встречено 7-9 пористых пропластков песчаника мощностью от 2 до 12 м. Второй резервуар общей мощностью 124-151 м имеет эффективную мощность пористых пород около 100 м, мощность разделяющих их глинистых пропластков не превышает 8 м. От нижележащего третьего второй резервуар отделяется толщей глин (экран В) мощностью 30-47 м. Отложения третьего резервуара характеризуются чередованием пластов песчаников и глин мощностью соответственно 4-12 и 2-9 м. Общая мощность третьего резервуара 110-117 м, эффективная 64-74 м. Под третьим резервуаром залегает толща глин мощностью 42- 83 м с редкими пропластками песчаника мощностью 2-3 м (экран Г). Ниже находится четвертый резервуар общей мощностью около 270 м. В верхней его половине наблюдается частое переслаивание пластов песчаника и глин. В нижней части резервуара присутствует серия пластов песчаника мощностью от 2-3 до 10-17 м. Суммарная эффективная мощность проницаемых пластов в четвертом резервуаре составляет 109-138 м.

Как видно из вышеизложенного, условиям надежности захоронения промстоков наиболее полно удовлетворяет четвертый резервуар. Он характеризуется наибольшей эффективной мощностью пористых пород, подстилается глинистой толщей верхней перми, отделен от верхних водоносных горизонтов пресных вод четырьмя водоупорными экранами и тремя буферными резервуарами, содержащими предположительно соленые воды. Поэтому захоронение промстоков рекомендуется производить в отложения четвертого резервуара. Третий резервуар следует использовать в качестве резервного поглощающего горизонта.

Подземное захоронение рассолов и промстоков возможно лишь при условии, что в процессе своего продвижения в пласте-коллекторе они не достигнут соляных куполов. В противном случае не исключается переток захороняемых промстоков в верхние горизонты с пресной водой по контакту соляного штока с терригенными породами, что недопустимо по соображениям охраны окружающей среды.

Прогнозные расчеты радиусов распространения промстоков в Карачаганакской и Аксайской мульдах выполнены для наиболее перспективных интервалов четвертого резервуара, выделенных по скв. П-10 и П-2. Для Карачаганакской мульды это интервал 1380-1440 м, для Аксайской 1050-1140 м, с эффективными мощностями песчаников соответственно 44 и 80 м. Средняя пористость песчаников, по промыслово-геофизическим данным, составляет 18%. Из опыта эксплуатации полигонов подземного захоронения промстоков известно, что от трети до половины эффективных мощностей резервуаров не принимает закачиваемые стоки из-за засорения коллекторов взвешенными частицами. Поэтому нами в расчетах радиусов распространения захороняемых жидкостей берутся половина эффективных мощностей (22 и 40 м) и минимальная величина пористости песчаников 5 %. Расчеты показали, что при захоронении 8 млн. м3 жидких отходов прогнозный радиус их распространения в Карачаганакской мульде равен 1820 м, а в Аксайской 1350 м. Поскольку прогнозные радиусы распространения промстоков значительно меньше ширины этих мульд, захоронение возможно как в Аксайской, так и в Карачаганакской мульде.

Карачаганакская мульда находится непосредственно в пределах месторождения. В связи с этим захоронять промстоки целесообразно в центре ее между разведочными скв. 2 и П-10. Предварительно необходимо провести разведочные работы для изучения поглощающих горизонтов и водоупорных экранов. С этой целью рекомендуется бурение трех разведочных скважин на расстоянии 100-200 м друг от друга. В первой скважине глубиной 2000 м производится выборочный отбор керна из триасовых и верхнепермских отложений и опробование (снизу вверх) водоносных горизонтов четвертого, третьего и нижней части второго резервуаров кратковременными откачками и нагнетаниями воды. На наиболее приемистый водоносный горизонт бурятся две другие скважины, в которых проводятся длительные откачки и нагнетания воды для определения гидродинамических параметров. В дальнейшем эти скважины могут быть использованы для закачки промстоков, а первая скважина, в которой самый верхний из опробованных горизонтов оставляется неизолированным, будет служить для наблюдений за возможным вертикальным перетеканием захороняемых промстоков.

Поступила 1/WII 1982 г.

 

Таблица Распределение экранов и резервуаров в разрезе триасовых отложений района Карачаганакского газоконденсатного месторождения

 

Скважина

Экраны (числитель - интервал, м; знаменатель - мощность, м)

А

Б

В

Г

П-1

170-408

530-681

814-855

974-1038

238

151

41

64

П-2

175-352

490-640

764-816

928-970

177

150

47

42

П-10

200-632

738-950

1107-1137

1247-1330

432

212

30

83

Скважина

Резервуары (строки сверху вниз: первая - интервал, м; вторая- мощность общая, м; третья - мощность эффективная, м; четвертая - % эффективной: мощности от общей мощности)

I

II

I I I

IV

П-2

352-490

640-764

811-928

970-1242

 

138

124

117

272

 

81

96

74

138

 

58,7

77,4

63,2

50,7 ~

 

632-738

950-1107

1137-1247

1330-1605

П-10

106

151

110

275

 

44

99

64

109

 

41,5

65,6

58,2

39,6

 

Рис. 1. Схематическая структурная карта района Карачаганакского газоконденсатного месторождения.

Изогипсы кровли, м: 1 - соленосных отложений кунгурского яруса нижней перми, 2 - подсолевых карбонатных отложений артинского яруса нижней перми; 3 - соляные купола (I - Карачаганакский, II - Кончебайский, III - Сухореченский, IV - Кардаилов- ский); 4 - глубокие разведочные скважины; 5 - линия геолого-гидрогеологического профиля (см. рис. 2)

 

Рис. 2. Геолого-гидрогеологический профиль района Карачаганакского газоконденсатного месторождения.

1 - верхний водоносный горизонт пресных и слабосолоноватых вод; 2 - глинистые экраны; 3 - резервуары (пачки песчаников); 4 - каменная соль; 5 - доломиты; 6 - известняки