Способ защиты водных ресурсов с помощью горизонтальных (межпластовых) противофильтрационных завес и технология их сооружения

Изобретение относится к области охраны ресурсов подземных вод от истощения и загрязнения и защиты горнорудных предприятий от обводнения. Способ включает сооружение в границах литологического или гидрогеологического «окна» горизонтальной противофильтрационной завесы, т.е. искусственного водоупора. На участке отсутствия водоупорного слоя проходят вертикальный шахтный ствол или стволы, из которых разбуривают веер горизонтальных лучевых инъекционных скважин. По длине скважин выделяют 2-3 зоны или интервала инъектирования водопроницаемых пород в зоне «окна» различными по вязкости или подвижности и скорости схватывания или гелеобразования закрепляющими составами, после истечения срока схватывания которых на участке «окна» образуется горизонтальная межпластовая противофильтрационная завеса, препятствующая перетоку подземных вод между смежными горизонтами и проникновению загрязнений в водоносный горизонт, используемый для водоснабжения. Изобретение позволяет предотвратить истощение и загрязнение водоносных горизонтов путем создания в границах литологических «окон» горизонтальных межпластовых противофильтрационных завес. 3 ил.

 

Изобретение относится к области охраны ресурсов подземных вод от истощения и загрязнения и защиты горнорудных предприятий от обводнения.

Слоистое строение водоносной толщи горных пород характерно для многих регионов России и других стран - это Московский и Днепрово-Донецкий артезианские бассейны, месторождения полезных ископаемых Курской Магнитной Аномалии (Висловское, Гостищевское, Погромецкое, Приоскольское, Чернянское и др.), Инское, Окладнинское, Суворовское, Табратское и др..

Прямая гидравлическая связь между смежными водоносными горизонтами 1 в этих условиях происходит через литологические (гидрогеологические) "окна" и талики, то есть на участках, где разделяющие слабопроницаемые или водоупорные слои 2 отсутствуют. Существование "окон" в пределах депрессионных воронок, формирующихся в районах осушаемых месторождений и водозаборов, является причиной повышенной обводненности горных выработок, истощения эксплуатационных ресурсов подземных вод и загрязнения источников водообеспечения.

На сегодня известен способ изоляции нефтяных скважин от поступления подошвенных вод, который включает

- проведение в нефтяной скважине на границе раздела нефть-вода гидравлического разрыва;

- нагнетание в трещины разрыва водонепроницаемых закрепляющих составов.

В результате вокруг эксплуатационной скважины возникает водонепроницаемый (или слабопроницаемый) горизонтально расположенный экран радиусом ˜20-30 м (Кравченко И.И., Иманаев Н.Г. "Изоляция вод в нефтяных скважинах". М., Гостоптехиздат, 1960).

Известен также способ, наиболее близкий к предлагаемому и принятый в качестве прототипа, состоящий в создании искусственных водоупоров с целью снижения потерь технологических растворов на взаимодействие с безрудными вмещающими породами при разработке месторождений методом подземного выщелачивания (ПВ) (Гончарко Е.В., Кошколда К.Н., Кирцов В.В. "Результаты опытных работ по созданию противофильтрационных экранов". 1-й Советско-Югославский симпозиум по скважинной гидравлической технологии. Том 1, М., В/О "Внешторгиздат", 1991).

Технология образования вокруг технологических скважин ПВ искусственного водоупора включала:

- бурение специальных скважин гидроразрыва на расстоянии 2,2-2,8 м от технологических скважин ПВ;

- проведение гидроразрыва в породах, подстилающих продуктивный пласт;

- закачку глинистого раствора в зону разрыва.

На опытном участке с помощью указанной технологии удалось создать искусственный водоупор радиусом 11-12 м. Мощность выполненного экрана изменялась от 0,08 до 1,3 м, при этом его водопроницаемость находилась в пределах 0,25-0,5 м/сутки, что в 6-10 раз меньше природных значений.

Существенными недостатками прототипа следует считать:

трещинообразование при проведении гидроразрыва пород является практически неуправляемым процессом, поэтому положение границ, возникающих трещин разрыва в плане не может быть задано и остается неизвестным;

процесс смыкания трещин, заполненных противофильтрационным материалом со слабопроницаемыми породами на границе литологического "окна" или с трещинами разрыва смежной скважины не контролируется, что не позволяет судить о сплошности экрана между разделяемыми горизонтами и в целом о надежности технологии;

трудности, возникающие при проведении гидроразрыва в пластах с высокими фильтрационными свойствами в связи с потерями жидкости разрыва;

практически неосуществимость гидравлического разрыва в рыхлых, гранулярных несцементированных породах;

распространение трещин разрыва в плане обычно ограничено величинами порядка 10-30 м;

незначительное раскрытие трещин гидроразрыва (0,1-0,5 м) снижает противофильтрационный эффект, поэтому переток между разделяемыми пластами снижается недостаточно;

из-за ограниченной толщины создаваемых завес сроки их службы сокращаются под воздействием размывающего потока и агрессивности подземных вод;

при использовании технологии гидроразрыва положение границ литологического "окна" не может быть уточнено, что не позволяет определить площадь проведения тампонажных работ.

Цель изобретения - предложить надежный и эффективный способ разобщения гидравлически взаимосвязанных водоносных горизонтов через литологические "окна".

Для решения этой задачи предлагаются способ межпластовых горизонтальных противофильтрационных завес 3 (ГПФЗ) и технология их сооружения в различных по физико-механическим и фильтрационным свойствам породах.

Поставленная задача решается с помощью технологии, базирующейся на сооружении в зоне фильтрующего "окна" системы лучевых инъекционных скважин и проведении тампонажа водопроницаемых пород закрепляющими составами.

Принципиальная схема создания межпластовой ГПФЗ представлена на фиг.1 (разрез) и фиг.2 (план).

Для реализации предлагаемого способа примерно в центре литологического "окна" проходится шахтный ствол 4 диаметром в свету 3,1-3,6 м на глубину, превышающую положение проектируемой завесы, что необходимо для устройства шахтного водосборника и водоотлива. Из ствола разбуривают систему лучевых инъекционных скважин 5 с таким расчетом, чтобы максимальное расстояние между концевыми участками смежных скважин не превышало двух радиусов закрепленных пород подобранным составом. Учитывая расходящийся с удалением от ствола характер инъекторов, необходимо в зависимости от расстояния между смежными скважинами применять различные по вязкости составы инъектирования. В зависимости от длины лучевых инъекторов предлагается выделять 2-3 зоны (интервала) 3 закрепления составами, отличающимися вязкостью и временем схватывания (гелеобразования) и соответственно радиусами закрепления. Инъектирование пород предусматривается осуществлять в направлении от границ "окна" к центру (к стволу). Это положение обусловлено тем, что с уменьшением площади "окна" в процессе закрепления пород скорости перетока вод будут возрастать. Поэтому с целью предотвращения размывания и уноса потоком закрепляющих составов требуется применять с приближением к стволу более вязкие малоподвижные растворы и соответственно с уменьшенными радиусами закрепления, что выполнимо по мере сокращения расстояния между смежными инъекционными скважинами.

При значительных размерах литологических "окон" (более 250 м в диаметре) потребуется проходка нескольких шахтных стволов и систем инъекционных скважин.

Для контроля за растеканием закрепляющих составов и положением уровней подземных вод в наиболее удаленных от ствола точках - посредине между инъекционными скважинами закладываются наблюдательные скважины 6, которые оборудуются оголовками с целью предотвращения излива закрепляющих составов на поверхность. Для повышение информативности наблюдений нагнетаемые растворы подкрашиваются различными индикаторами - флюоресцеином, "радомином-ж" и др.

Предлагаемая технология создания ГПФЗ для разделения водоносных горизонтов, гидравлически связанных через литологические "окна", включает следующие основные операции (процессы, этапы):

- проходку в границах "окна" вертикального шахтного ствола (стволов);

- бурение из ствола системы горизонтальных лучевых инъекционных скважин до встречи (вскрытия) водоупорных отложений, оконтуривающих "окно";

- бурение наблюдательных скважин между инъекционными у границ "окна";

- выделение 2-3 зон инъектирования водоносных пород;

- подбор закрепляющих составов для каждого из выделенных интервалов инъектирования;

- приготовление закрепляющих растворов и отвердителей с добавлением красителей;

- позонное нагнетание закрепляющих составов;

- наблюдения за прохождением закрепляющих растворов и за изменением уровней вод в разделяемых водоносных горизонтах;

- консервация вертикальных шахтных стволов для проведения повторного тампонажа (при необходимости) в будущем.

Технические результаты, которые могут быть получены за счет существенных признаков отличия предложенного решения от применяемой технологии создания искусственных водоупоров с помощью проведения гидроразрыва пород при внедрении изобретения в производство:

- получение возможности сооружения межпластовых завес необходимых размеров по площади;

- повышение надежности создания в границах литологического "окна" сплошной ГПФЗ;

- возможность сооружения завесы в гранулярных несвязных и высокопроницаемых породах;

- повышение противофильтрационного эффекта за счет увеличения толщины завесы;

- получение возможности уточнения границ литологического "окна" при бурении горизонтальных инъекционных скважин;

- повышение надежности и долговечности работы разделительной ГПФЗ.

Практическая полезность заявленной технологии показана на следующем примере.

Завод по производству стиральных порошков расположен на левобережной надпойменной террасе, сложенной аллювиальными разнозернистыми песками, с коэффициентом фильтрации K₁=6,7 м/сут, вмещающими безнапорный водоносный горизонт с глубиной грунтового потока h₁=6-8 м. Пески подстилаются водоупорными глинами мощностью от 2 до 7 м. Ниже залегают палеогеновые пески среднезернистого состава и мощностью от m₂=17-32 м, содержащие напорный водоносный горизонт, который используется как источник водообеспечения завода и заводского поселка, а также располагающихся поблизости поселений. Среднее значение коэффициента фильтрации палеогенового водоносного горизонта составляет K₂=8,2 м/сутки.

По истечении нескольких лет эксплуатации в питьевых водах палеогенового горизонта стали обнаруживаться следы присутствия ПАВ. В результате изучения гидрогеологической обстановки в районе завода было установлено, что источником загрязнения подземных вод является накопитель промышленных стоков, гидроизоляция в ложе которого в течение эксплуатации оказалась нарушенной. В процессе бурения створа гидрогеологических скважин по направлению накопитель-водозабор удалось установить под накопителем купол растекания загрязненных вод, а в семистах метрах от накопителя в направлении к действующему водозабору наличие литологического "окна" в подстилающих глинах (фиг.3). Размер гидрогеологического "окна" в плане не превышал 180 м. Таким образом, фильтрационные потери стоков заводского накопителя через обнаруженное "окно" проникали в палеогеновые пески.

Для предотвращения дальнейшего загрязнения питьевых вод запроектировано и осуществлено строительство в границах фильтрующего "окна" межпластовой ГПФЗ. С этой целью, примерно в центре "окна", был пройден шахтный ствол (колодец) диаметром 3,6 м на глубину 12 м. На глубине 9,8 м разбурена система из 12 горизонтальных лучевых инъекционных скважин, которые проходились под защитой "глухих" обсадных труб, до встречи водоупорных глин на границе "окна". По длине система скважин разбивалась на 3 зоны (интервала), как это показано на фиг.2. После завершения бурения каждой скважины проводилось поинтервальное инъектирование водоносных песков различными закрепляющими составами в направлении от забоя к стволу. Для инъекцирования первой зоны (интервал от 120 до 100 м) использовался состав с низкой вязкостью и большим радиусом растекания (до 40 м), нетоксичный, составленный на базе жидкого стекла и сульфата аммония, разработанный ИГД им.Скочинского (Сб.реф.сер. 24, №2, 1992). Во втором интервале от 100 до 60 м, где максимальные расстояния между инъекционными скважинами сокращается до 40 м применялся алюмосиликатный раствор, вязкость которого не превышала 2,3 сП, гелеобразование медленное, что позволяет раствору проникнуть на требуемое расстояние - до 20 м. (Е.С.Чаликова, Е.В.Степанова. "Долговечность силикатных тампонажных растворов". Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве. Мат.VIII Всесоюзного совещания. Киев, изд. "Будiвельник", 1974). В третьем интервале для укрепления песков в радиусе до 10-20 м использовалась карбомидная смола с вязкостью 3-4 сП и отвердитель-раствор HCl. (Б.А.Ржаницын "Некоторые итоги работ в области химического закрепления грунтов". Мат.VIII Всесоюзного совещания. Киев, изд. "Будiвельник", 1974). Во всех интервалах нагнетание закрепляющих растворов производилось под давлением 8-10 атм.

Поверочные расчеты показали, что применение указанных растворов приводит к снижению водопроницаемости закрепленных песков до 10^-3 м/сут, что обеспечит снижение перетока загрязненных вод примерно в 1000 раз и позволит предотвратить снижение качества вод палеогенового водоносного горизонта.

Способ защиты ресурсов подземных вод от истощения и загрязнения, включающий сооружение в границах литологического или гидрогеологического «окна» горизонтальной противофильтрационной завесы, т.е. искусственного водоупора, отличающийся тем, что на участке отсутствия водоупорного слоя проходят вертикальный шахтный ствол или стволы, из которых разбуривают веер горизонтальных лучевых инъекционных скважин, по длине скважин выделяют 2-3 зоны или интервала инъектирования водопроницаемых пород в зоне «окна» различными по вязкости или подвижности и скорости схватывания или гелеобразования закрепляющими составами, после истечения срока схватывания которых на участке «окна» образуется горизонтальная межпластовая противофильтрационная завеса, препятствующая перетоку подземных вод между смежными горизонтами и проникновению загрязнений в водоносный горизонт, используемый для водоснабжения.