CC BY
43
---------------------------------------- © В.Г. Грицаенко, Е.С. Ситева,
2004
УДК 69.035.4
В.Г. Грицаенко, Е. С. Ситева
ПРИНЦИПЫ ГЕО ФИЛЬ ТРАЦИОННОЙ СХЕМА ТИЗАЦИИ ПРИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОМ ОБОСНОВАНИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПХВ КАМЕННОЙ СОЛИ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Семинар № 15
сточниками технического водоснабжения площади строительства подземных хранилищ (ПХ), создаваемых в отложениях каменной соли, могут служить крупные поверхностные водотоки или подземные водоносные горизонты. Наиболее распространенным является использование подземных вод, что значительно расширяет области размещения хранилищ. При этом для технических нужд вполне оправдано использовать водоносные горизонты с малоценными слабосолеными водами зоны затрудненного водообмена.
Важной составляющей технологического процесса создания ПХ является удаление с площадок строительства рассола, вытесняемого на поверхность в процессе растворения соли. При всем многообразии применяемых методов утилизации рассолов (переработка, естественная выпарка, сброс в поверхностные акватории и т.д.) наиболее широко, при создании резервуаров, используется его захоронение в глубокие водоносные горизонты.
Рассматривая типовой вариант технологической схемы создания хранилища, можно отметить следующие особенности. В качестве конструктивных элементов в процессе участвуют три составляющие геологического разреза: каменная соль - ограждающая конструкция выработок, пласт-коллектор - резервуар для захоронения образующихся рассолов, водоносный горизонт - источник технического водоснабжения (рис. 1).
Исходя из представленной схемы, геологогидрогеологическое обоснование строительства хранилища должно быть направлено на изучение всех основных, входящих в нее, элементов геологической среды (рис. 2). Критерии оценки отдельных элементов геологической среды, входящих в технологическую схему,
общеизвестны. Они детально рассмотрены в научных публикациях, отражены и конкретизированы в ряде нормативных документов и методических руководствах. В тоже время, наиболее сложным элементом обоснования строительства ПХ является общая оценка экологических последствий функционирования (строительства) объекта: изменение естественной природной обстановки; взаимосвязь отдельных компонентов технологической схемы.
Общая методология решения прикладных гидрогеологических задач, возникающих при оценке экологических последствий функционирования объекта, исходя из рассматриваемой технологической схемы, должна основываться на представлении геологической среды и инженерных сооружений, как единой природнотехнической системы, при изучении которой исследуются гидрогеологические процессы в рамках осуществления определенных хозяйственных задач. При такой постановке, решение прикладных гидрогеологических задач должно базироваться, с одной стороны, на доскональном учете и изучении природных условий (прямые связи), и с другой - иметь четкую связь с хозяйственными целями функционирования объекта (обратные связи) [1]. Причем необходима адекватная реализация прямых и обратных связей на всех этапах - от сбора информации до прогнозирования и принятия окончательных технологических решений, рассматриваемых комплексно, как единое целое, исходя из четкой постановки цели с заданием количественных критериев ее достижения.
Очевидно, что количественная сторона изучаемых гидрогеологических процессов, может быть установлена только на основе моделирования, дающего возможность получить наиболее обоснованные прогнозы. В свою оче-
Рисунок 1- п ринципиапьная технологическая схема сооружения подземного хранилища газа в каменной соли:
1.2- вариакты водозабора соответственно - из поверхностных источников, из подземных источников;
3 - насосная станция для перекачки воды; 4 - трубопровод технической воды; 5 - рассолопроврд;
6 - узел подготовки рассола к транспорту; 7 - яасосная станция для перекачки рассола; 8, 9 - варианты удаления рассола соответственно - сброс в нагнетальные скважины, передача на солепотребляющее предприятие; 10 - узел подачи и отбора нерастворитепя; 11 - насосная станция для перекачки нерастворигеля; 12 - трубопровод нерастворителя; 13 - подземные резервуары.
редь, прогнозное моделирование может быть осуществлено при обосновании необходимого информационного обеспечения при соответствующей методике и организации разведочных гидрогеологических работ.
Рассматривая общие принципы геофильт-рационной схематизации и особенности построения гидродинамических моделей, разрабатываемых при оценке экологических последствий строительства ПХ, можно отметить, не-
смотря на все различия геологогидрогеологических условий площадок ПХ, большинство из них характеризуется общей спецификой, как природных условий, так и характера техногенного воздействия на водоносную толщу. В общем виде, такая специфика объектов ПХ состоит в следующих их основных чертах.
- Относительно большая глубина залегания водоносных горизонтов, используемых для
технического водоснабжения и захоронения рассолов (часто свыше 500 м). Такая глубина залегания определяет принадлежность исследуемой части разреза к зоне затрудненного водообмена, характеризующейся особой балан-сово-гидродинамичес-кой структурой потока подземных вод, как в естественных, так и в нарушенных условиях, невысокими фильтрационными свойствами водовмещающих отложений и относительно четко выраженной слоистостью разреза.
- Масштабность единовременного техногенного воздействия на водовмещающую толщу за счет совместной работы водозаборных и нагнетательных скважин, которые не редко оказывают гидродинамическое взаимовлияние друг на друга. При этом важным является раз-нонаправленность гидродинамического воздействия, усиливающего возможное развитие неблагоприятных процессов.
- Неравномерный режим работы водозаборных и нагнетательных скважин за счет технологических особенностей строительства ПХ. В этом случае развитие техногенных гидродинамических процессов также носит резко нестабильный характер, входе которого «депрес-сионный» и «регрессионный» факторы формирования поля напоров и пластовых давлений могут иметь различную значимость на разных этапах строительства.
- Высокая (до 300 г/л) минерализация захораниваемого в пласт-коллектор рассола при его хлоридно-натриевом составе. Как правило, величины минерализации пластовых вод значительно ниже, что обуславливает особый характер миграционных процессов распространения строительного рассола, как по пласту, так и в разрезе.
Отмеченные выше особенности не охватывают весь спектр гидрогеологических проблем, возникающих на разных по геоло-го-гидрогеологическим условиям участках, однако являются общими для большинства и позволяют сформулировать единые принципы построения геофильтрационных схем таких объектов для решения прогнозных задач оценки гидродинамического воздействия сооружения ПХ методами моделирования. В общем виде обоснование геофильтрацион-ных схем гидродинамических моделей объектов подземного хранения в каменной соли состоит из следующих этапов (рис. 3).
Временной режим. Для гидродинамической зоны затрудненного водообмена, к которой приурочены пласт-коллектор и, как правило, горизонт технического водоснабжения, характерно практическое отсутствие питающих гидродинамических границ, как в плане (за счет удаленности областей питания и разгрузки), так и в разрезе - за счет нали-
Геофильтрационная схематизация объектов ПХ в каменной соли
Граничные
условия
Внешние
границы
Внутренние граничные
усл ови я
Верхняя и
нижняя
границы
Непроницаемая
граница Qг = и
Гидродинамическая разобщенность горизонтов водозабора и закачки
Однопластовая плановая структура
Пластовое взаимодействие водоносных горизонтов по схеме перетекания
Пластово- плановая (квазитрехмерная) структура
Слоистое строение разреза при слабо выраженных
__разделяющ^х^£лща^^
Пространственная трехмерная структура
Рисунок 3 - Основные этапы геофильтрационной схематизации
чия регионально выдержанных слабопроницаемых толщ. В этих условиях развитие техногенных процессов закачки рассола и отбора подземных вод соответствует условиям схемы неограниченного изолированного пласта, для которой характерны длительные устойчиво нестационарные процессы. Кроме того, режим работы водозаборных и нагнетательных скважин не равномерен и предусматривает резко переменные дебиты, что связано с технологией и графиком строительства. Изложенные выше обстоятельства обусловливают необходимость нестационарной постановки моделирования при анализе и прогнозе гидродинамического воздействия процесса строительства ПХ.
Пространственная структура потоков и мерность модели. Схематизация пространственной структуры рассматриваемого геофильтрационного потока должна отражать не только сложившиеся (естественные) закономерности распределения поля напоров (давлений), но и, главным образом, учитывать техногенные изменения гидродинамической обстановки при строительстве ПХГ.
Пространственная структура гидродинамического потока в региональном масштабе определяется, главным образом, внутренней фильтрационной неоднородностью горизонта закачки (водоотбора), а также степенью его гидравлической взаимосвязи со смежными горизонтами разреза. Области локальной деформации потока, возникающие вблизи скважин, могут схематизироваться в соответствии с методом локальных фильтрационных сопротивлений [2] и не осложнять мерность модели в целом. В процессе схематизации пространственной структуры потока чрезвычайно важным является ее обоснованное упрощение, что существенно облегчает решение прогнозных задач. При этом возможны следующие варианты схематизации расчетной структуры потока.
Обоснование однопластовой плановой структуры,_геофильтрационного потока требует доказательства гидродинамической изолированности рассматриваемого водоносного горизонта в разрезе, а также относительной однородности его «внутреннего» строения по вертикали. Такие условия могут быть характерны для случая использования в качестве пласта-коллектора горизонта залегающего под солевой залежью, характеризующейся практически водоупорными свой-
ствами. Однородность пласта в этом случае предусматривает, его литологическую однородность в вертикальном строении, а изменчивость фильтрационных свойств водовмещающих отложений носит четко выраженный площадной характер. Возможность обоснования однослойной плановой структуры потока для одного из горизонтов автоматически означает их гидродинамическую разобщенность и необходимость раздельной оценки масштабов гидродинамического воздействия.
Пластово-плановая (квазитрехмерная) расчетная структура потока основывается на известной теоретической предпосылке Дюпюи о преимущественно латеральном (плановом) направлении потока в водоносных горизонтах разреза и вертикальном направлении фильтрации в разделяющих пластах. Количественно эти предпосылки выражаются в соотношении коэффициентов фильтрации и мощности водоносных (к и т) и разделяющих (к0 и т0) толщ [3]. Эти условия отражают пластовое взаимодействие водоносных горизонтов по схеме перетекания, что требует обоснования наличия в рассматриваемом разрезе регионально выдержанных слабопроницаемых толщ.
Одним из признаков пластово-плановой структуры потока является существенная разность напоров между водоносными горизонтами при естественном гидродинамическом режиме. Техногенное возмущение водоносной системы при строительстве ПХ в этом случае принципиально не меняет пространственную структуру фильтрационного потока, проявляясь в изменении разницы напоров между водоносными горизонтами.
Пространственная трехмерная структура потока отражает наиболее сложное его представление. Она подразумевает рассмотрение полного (трехмерного) вектора скорости фильтрации в каждом расчетном элементе модели. Такая предпосылка означает принципиальную равнозначность отдельных элементов (слоев) модели, что характерно для слоистого строения гидрогеологического разреза, когда его деление на водоносные и разделяющие пласты не столь очевидно.
Часто использование расчетной трехмерной пространственной структуры потока требуется для адекватного отражения условий его формирования в песчано-глинистых разрезах, когда распространение отдельных
песчаных или глинистых прослоев не выдержано ни в разрезе, ни по площади. Пространственная трехмерная структура потока может быть характерна как для всего рассматриваемого интервала разреза, представленного несколькими водоносными горизонтами, так и для одного водоносного горизонта - как правило, пласта-коллектора или эксплуатируемого горизонта, поскольку именно в интервале техногенного возмущения деформации структуры потока максимальны.
Трехмерная структура потока может возникать также и в пределах относительно однородной водоносной толщи в случае сильного несовершенства эксплуатирующих или закачивающих скважин, что характерно для водоносных толщ значительной мощности.
Для расчетной трехмерной или квазит-рехмерной структуры потока принципиально важным является обоснование необходимой мерности расчетных моделей (количества рассматриваемых пластов разреза). Теоретически, гидродинамическое влияние техногенного воздействия в этих случаях может охватывать практически всю систему взаимосвязанных водоносных горизонтов, вплоть до грунтового. Практически, оно достаточно существенно затухает вверх по разрезу, особенно, на границе распространения мощных слаборазделяющих толщ, а также, если смежные горизонты обладают более высокими параметрами фильтрационных и упругоемкостных свойств отложений.
Для отдельной модели горизонта закачки, приуроченного к наиболее глубоким интервалам разреза, нижняя граница модели может соответствовать региональной водоупорной толще, разделяющей зоны замедленного и весьма затрудненного водообмена. Верхняя граница модельного разреза в этом случае может соответствовать кровле смежного буферного горизонта. Исключение из модели следующих верхних горизонтов разреза рассматривает возможное распространение рассола вверх по разрезу только в пределах смежного горизонта.
Для отдельной модели эксплуатируемого водоносного горизонта внешние границы в разрезе могут соответствовать подошвам ближайших толщ относительно слабопроницаемых отложений. При этом схематизация внешних границ в качестве непроницаемых ужесточает прогнозные оценки балансовой обеспеченности водоотбора и величин пони-
жения уровней подземных вод, так как не учитывает возможные процессы перетекания.
Наибольшей «мерностью» обладают расчетные модели прогноза взаимовлияния водозаборных и нагнетательных скважин, поскольку рассматривают весь разрез между эксплуатируемым горизонтом и пластом-коллектором. При этом для них справедливы все положения, рассмотренные выше для отдельных моделей.
Необходимая «мерность» прогнозных моделей определяется не только особенностями гидрогеологического строения участка, но и основными задачами моделирования. Стремление наиболее полного учета всех элементов разреза в зоне гидродинамического влияния существенно усложняет модель и должно быть обеспечено достаточным количественным материалом и фактической изученностью разреза. В противном случае погрешности параметрического обеспечения модели могут привести к большим ошибкам прогнозных результатов, чем обоснованное упрощение фильтрационной схемы.
Обоснование граничных условий._Обос-нование характера граничных условий модели является важнейшим этапом геофильтра-ционной схематизации, во многом определяющим ее адекватность природным условиям.
В качестве внешних границ должны быть обоснованы плановые размеры области моделирования и характер взаимодействия со смежными горизонтами в разрезе. Принципиально возможны следующие виды граничных условий на внешних границах модели в разрезе.
1. Непроницаемая граница (условие 2 рода с граничным расходом Qг = 0) - соответствует условиям отсутствия взаимодействия со смежными горизонтами. Это условие, в целом является более жестким по отношению к основному горизонту (эксплуатируемому или пласту-коллектору), поскольку отражает максимальные прогнозные изменения его напоров (давлений).
2. Площадное условие 3-го рода отражает взаимодействие исследуемого интервала разреза со смежными горизонтами по схеме перетекания через слабопроницаемые отложения мощностью то и коэффициентом фильтрации ко с удельным расходом Qг\
, нг - н
Ог = ко -------
т (1)
При этом, однако, принимается, что напор в смежном горизонте (напор на границе Нг) остается постоянным, то есть гидродинамическое влияние при возмущении основного пласта не сказывается на смежном горизонте. Внешнее граничное условие 3-го рода является приемлемым для схематизации, когда водообмен со смежными горизонтами весьма затруднен и не приводит к значимым изменениям напоров в них.
3. Площадное граничное условие 2-го рода с заданным расходом схематизирует условие поступления постоянного (или известного во времени переменного) питания. Как правило, таким граничным условием схематизируется верхняя граница модели при не глубоком залегании водоносного горизонта (инфильтрационное питание).
Внешние границы области моделирования в плане в принципе должны соответствовать прогнозной области влияния гидродинамических процессов возникающих при строительстве ПХГ. Для относительно глубоко залегающих напорных водоносных горизонтов, области регионального питания и разгрузки, которые являются естественными границами потока, чаще всего, находятся весьма далеко (на расстояниях более 100 км). В этих условиях чаще всего можно рассматривать водоносные системы как неограниченные в плане, и внешние границы относить за пределы области возможного влияния, задавая на них условие 2 рода с расходом Qг = 0.
Прогнозная область влияния может оцениваться по условному радиусу ^) питания откачки (нагнетания) в неограниченном изолированном напорном пласте:
R = 1.бл/а7, (2)
где а - пьезопроводность, а t - общее время возмущения. Эта оценка справедлива в случае, если область влияния не достигает границ потока. При характерном значении пьезопроводности для глубоких напорных систем порядка 105 -106 м2/сут и типовом времени строительства ПХГ 20 лет (7300 сут) радиус области влияния составит от 40 до 130 км. Приведенные максимальные размеры явно не соответствуют масштабам разведочных работ, степени изученности района и
необходимой детальности прогнозных оценок.
В этом случае проводится искусственное ограничение области моделирования, исходя из необходимой детальности рассмотрения гидрогеологических условий непосредственно на площадке ПХГ. При этом предусматривается построение двух моделей - регионального и локального масштабов. На региональной модели, в рамках всей прогнозной области влияния радиусом R оценивается общий масштаб распространения гидродинамического воздействия строительства ПХ. При этом внешние контуры региональной модели рассматриваются как непроницаемые, если область влияния не достигает естественных границ потока, либо, в противном случае, на них должно быть реализовано соответствующее граничное условие [5]. Далее, по результатам региональной модели, задаются граничные условия по контуру локальной модели. При этом, учитывается нестационарный характер развивающихся гидродинамических процессов.
На внешних границах локальной модели могут быть заданы либо меняющиеся вовре-мени поступающие из внешней области модели расходы потока, Qг = - условие 2
рода, либо переменные во времени напоры подземных вод Нг = - условие 1-го рода.
Следует отметить, что использование разномасштабных моделей точнее отражает развитие гидродинамических процессов, однако значительно более трудоемко в реализации.
Внутренними граничными условиями для задач прогнозной оценки влияния строительства ПХ, чаще всего являются только водозаборные или нагнетательные скважины, которые по сути, представляют собой граничное условие 2-го рода - с известным, как правило, переменным дебитом откачки или нагнетания Qc, аппроксимированным ступенчатой функцией Qc = АЧ).
Точность модельной реализации скважин на сеточных моделях во многом определяется разбиением области на расчетные блоки [4].При этом необходимо центральное расположение каждой скважины в одном расчетном блоке сетки. Именно это условие часто определяет масштаб модели. При выполнении этого условия основная сложность моделирования скважин заключается в учете ее возможного несовершенства по степени вскрытия водоносного интервала. Если
скважина вскрывает менее 0,5-0,7 мощности пласта, требуется учет ее несовершенства на модели. Для этого требуется дополнительная вертикальная сеточная разбивка водоносного интервала, как минимум, на три слоя - «над-фильтровой», фильтровой и «подфильтро-вой» интервалы.
Необходимый набор геофильтрацион-ных параметров. Требующийся для построения модели набор геофильтрационных параметров определяется временной и пространственной структурой рассматриваемого потока, а также его граничными условиями.
Емкостные параметры водоносной системы в виде коэффициентов упругой или гравитационной (для безнапорных горизонтов) водоотдачи необходимы только для моделирования нестационарного режима. Необходимый набор фильтрационных параметров определяется расчетной пространственной структурой потока.
Для плановой и плоско-плановой (ква-зитрехмерной) структуры потока расчетны-
1. Шестаков В.М. Прикладная гидрогеология. -М.: Изд-во МГУ, 2001
2. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. - М.: Изд-во МГУ, 1995
3. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. М., Недра, 1990.
4. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ. Под ред.Р.С.Штенгелова. - М.: Изд-во МГУ, 1994.
5. Всеволожский В.А., Гриневский С.О., Грищенко В.Г. Разработка региональной четырехслойной про-
ми параметрами проницаемости являются величины проводимости водоносных горизонтов. Характеристиками проницаемости разделяющих толщ плоско-плановой модели являются коэффициенты перетока, представляющие собой отношение коэффициента фильтрации (к0) к мощности (т0) слабопроницаемых отложений. Для более сложной пространственной (трехмерной) структуры потока расчетными параметрами проницаемости являются коэффициенты фильтрации и мощности для всех рассматриваемых слоев разреза.
Пространственная изменчивость фильтрационных и емкостных параметров задается на основании данных разведочных работ. При этом для получения непрерывных полей распределения параметров на основе единичных данных по разведочным скважинам могут использоваться методы численной интерполяции.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
странственной модели триасовых отложений и модели-врезки в пределах Россошинской площади в условиях работы водозабора и полигона закачки. - М.: Изд-во МГУ, 2000.
6. Всеволожский В.А., Гриневский С.О., Грищенко В.Г. Адаптация исходных данных для построения гидродинамических моделей закачки рассола в недра и технического скважинного водозабора при строительстве ПХГ. - М.: МГУ, 2003.
— Коротко об авторах
Грицаенко В.Г. - ст. научный сотрудник, Ситева Е.С. - мл. научный сотрудник,
ООО «Подземгазпром».
