Техногенная трансформация подземных вод

Основными добываемыми продуктами в нефтяной и газовой промышленности являются флюиды - нефть, газ, попутная пластовая вода, попутный нефтяной газ. При разработке нефтяных месторождений в подземные пласты закачивается большое количество воды. Кроме того, в процессах бурения и добычи нефти и газа используются разнообразные химические реагенты, большинство из которых растворимы в воде. Все указанные вещества - нефть, газ, пластовые воды, закачиваемые воды и химические реагенты являются главными источниками техногенных изменений гидрогеологических систем в НГБ. Естественно, что наиболее резко эти изменения проявляются в пределах собственно нефтяных и газовых месторождений, но нередко техногенез охватывает значительную часть или даже весь НГБ. Наивно думать, что техногенные изменения затрагивают только те гидрогеологические системы, в которых сосредоточены залежи УВ. Как правило, изменения распространяются на всю геологическую среду района Месторождения, включающую толщу горных пород от забоя самой глубокой пробуренной скважины до земной поверхности, а нередко и на окружающую наземную среду. Техногенез в недрах НГБ может приводить к нежелательным изменениям химического состава подземных и поверхностных вод, изменениям пластовых давлений и уровней поверхностных вод, воздействовать на почвы, растительность и животный мир, а иногда - на инженерно-геологические условия местности. Именно важность возможных практических последствий привлекает к изучению техногенных изменений недр все большее внимание.

Для приготовления буровых растворов используется большое количество химических реагентов, многие из которых относятся к особо вредным, - отработанные буровые растворы исключаются из технологических процессов строительства скважин, накапливаются на территории буровой и подлежат утилизации или захоронению. Буровые сточные воды, использованные на производственные нужды, обычно содержат такие загрязнители, как нефтепродукты и минеральные соли. При испытании скважин на поверхность выносятся нефть и пластовая, обычно высокоминерализованная вода, являющиеся сильно загрязняющими агентами.

Отработанные буровые растворы, сточные буровые воды и шлам, а в некоторых случаях и продукты испытания скважин поступают в земляные, амбары. В случае плохой гидроизоляции дна и стенок амбаров, при разрушении обваловки амбаров или при их переполнении происходят растекание жидкостей, загрязнение природных объектов, поверхностных водоемов и водотоков, инфильтрация загрязнителей в верхние водоносные горизонты. Не ликвидированные после окончания бурения амбары с оставшимся в них раствором также служат потенциальными загрязнителями водной среды. Основным механизмом проникновения загрязнителей в подземные водоносные горизонты земной коры является инфильтрация.

Наибольший ущерб окружающей среде могут нанести аварийные выбросы и открытое фонтанирование скважин, особенно нефтью. Предотвращение аварийных ситуаций заключается в строжайшем соблюдении технологии проводки скважин и правил предупреждения фонтанов и нефтегазопроявлений. Важную роль здесь играет надежность прогнозов пластового давления и температуры глубоких горизонтов, что требует накопления гидрогеологической информации о недрах и постановки специальных исследований в каждом НГБ.

 Воздействие объектов нефтяной и газовой промышленности на гидрогеологические системы "снизу" (из массива горных пород) связано со следующими технологическими процессами.

При бурении часть промывочной жидкости поступает из ствола скважины в водоносные горизонты, загрязняя их. Иногда поглощение буровых растворов носит катастрофический характер. Особенно нежелательно поступление раствора в горизонты пресных вод; содержащихся обычно в верхней части геологического разреза и поэтому подверженных наиболее длительному воздействию буровых растворов в процессе проводки скважин на значительную глубину.

При разработке нефтяных и газовых месторождений основные изменения происходят в самих нефтегазосодержащих пластах. Часть ранее нефтенасыщенного порового пространства замещается водой или газом, изменяются пластовое давление и температура флюидов, преобразуется химический состав пластовой воды и нефти. Особенно интенсивно эти процессы происходят при закачке в пласт воды из поверхностных водоисточников. В этих случаях часто развивается сероводородное заражение в результате жизнедеятельности заносимых с закачиваемой водой, сульфатвосстанавливающих бактерий; вследствие изменения термодинамических условий и взаимодействия нагнетаемых и пластовых вод протекают химические реакции с выпадением в осадок новообразованных минеральных солей; иногда, наоборот, усиливаются процессы выщелачивания минералов скелета нефтеносных пород. Отчасти аналогичные изменения происходят и в водоносных горизонтах, если они используются для добычи подземной воды при заводнении нефтяных пластов или если в них производится сброс части сточных вод. Эти явления влияют в первую очередь на технологию добычи нефти и газа (или вод) и выработку их запасов.

Гидрохимические изменения нефтеносных пластов в процессе их разработки, условия выпадения в осадок новообразованных минеральных солей, процессы образования в пластах сероводорода, выщелачивания скелета породы и т. д. детально рассмотрены в работах Ю. П. Гаттенбергера (1979 г.), А. С. Гаджи-Касумова и А. А. Карцева (1984 г.) и др.

Важнейшим фактором воздействия на гидрогеологические системы НГБ до земной поверхности являются изменения пластового давления, неизбежно сопровождающие процессы разработки нефтяных и газовых месторождений. Всякий отбор пластовых флюидов - будь то нефть, газ или воды - вызывает снижение пластовой энергии, расходуемой на приток флюида к скважине по пласту-коллектору и затем на подъем его по стволу скважины. Все техногенные процессы в гидрогеологических системах, испытывающих снижение пластового давления (падение уровней вод), следует объединить в понятие "депрессионный техногенез недр".

Особенно резко снижается пластовое давление при отборе флюидов из замкнутых, изолированных резервуаров, не имеющих связи или имеющих затрудненную связь с областями питания подземных вод. При отборе нефти из таких пластов, например в верхнемеловых отложениях Грозненской области, прямыми измерениями глубинными манометрами отмечено снижение пластового давления на 20-40 МПа, причем воронка депрессии охватывает большую часть площади распространения пласта на расстояниях до 50-100 км от разрабатываемых нефтяных залежей. Естественно, что столь существенная потеря, пластовой энергии чревата опасностью межпластовых перетоков; флюидов в дренируемый пласт. Тем самым депрессионный техногенез глубокозалегающих пластов провоцирует снижение напоров и истощение запасов вод верхних горизонтов, вплоть до грунтовых вод, истощение источников, общее осушение водоемов и местности. Кроме того, существенным следствием депрессионного техногенеза недр в некоторых геологических условиях являются просадки земной поверхности, создающие опасность наступления (трансгрессии) воды из соседних водоемов, в том числе из морей. Со снижением пластового давления разрабатывается значительное число нефтяных залежей, особенно приуроченнных к низкопроницаемым пластам, залегающим на значительных глубинах в районе развития сверхгидростатических пластовых давлений, но наиболее характерен депрессионный техногенез для газовых месторождений, а также для подземных водозаборов.

Подавляющая доля нефти в СССР добывается из месторождений с искусственным поддержанием, пластового давления путем закачки воды в нефтеносные пласты. Нередко при этом пластовое давление поднимается выше начального, вызывая репрессионный техногенез недр. Введение в пласты больших объемов воды, часто совсем иного химического состава, имевшей соприкосновение с атмосферой, приводит к заметным преобразованиям геохимического облика пластовых вод, вызывает на глубине развитие процессов, обычно свойственных зоне гипергенеза, и сопровождается новообразованием и выщелачиванием ряда минералов, появлением сероводорода и т. д. Однако наиболее ощутимые изменения гидрогеологических систем при заводнении нефтяных месторождений обусловливаются ростом пластового давления. которое либо в целом по площади залежи, либо в районах нагнетательных скважин часто значительно превышает начальное пластовое давление. Этот энергетический источник таит постоянную угрозу своей разрядки путем оттока части жидкости в верхние горизонты разреза вплоть до поверхности.