Изучение поглощающих горизонтов на участках сброса сточных вод в настоящее время нельзя признать удовлетворительным. Несмотря на существующие методические рекомендации [3] и инструкции, такое изучение проводится крайне редко. Причины этого заключаются в плохо организованном контроле за количеством сбрасываемой жидкости, отсутствии сведений о начальном и текущем пластовом давлении в поглощающем горизонте, низком качестве исследования поглощающих скважин и др. Совершенно неизученными остаются важнейшие гидрогеологические параметры поглощающих горизонтов – гидро- и пьезопроводность. Последние позволяют на вновь организованных участках сброса путем расчета прогнозировать изменение давления в процессе закачки. Сопоставляя прогнозные (расчетные) давления с фактическими, можно установить, изолирован ли поглощающий горизонт от выше- и нижележащих отложений, т. е. ответить на один из главных вопросов охраны геологической среды при сбросе сточных вод. Таким образом, основными задачами изучения поглощающих горизонтов на участках сброса сточных вод, на наш взгляд, являются: 1) определение гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов – гидро- и пьезопроводности; 2) прогнозирование с помощью гидродинамических расчетов изменения давления в поглощающем горизонте в процессе закачки; 3) наблюдение за изменением пластового давления при сбросе и определение изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений.

На Мухановском и Дмитриевском участках поглощающие горизонты представлены карбонатными породами окско-серпуховского возраста, закарстованными в период континентального этапа геологической истории в краснополянско-протвинско-среднекаменноугольное время. На Красноярском участке сброса поглощающие горизонты включают карбонатные породы верхнедевонского возраста, закарстованные в добобриковское и бобриковское время на значительно большую мощность в связи со специфическими условиями залегания на борту Камско-Кинельской системы прогибов [2]. Глубины залегания, сведения о мощности поглощающих горизонтов, пластовых давлениях и другие характеристики приведены в табл. 1.

Для оценки гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов использованы сведения о приемистости поглощающих скважин, исследованных на Дмитриевском участке. По данным исследования скважин на приемистость строились индикаторные диаграммы зависимости приемистости Q от перепада давлений Dр, забойного и пластового. Забойное давление определялось как сумма давления вертикального столба пресной воды, используемой при исследовании скважин на приемистость, и давления закачки, фиксируемого манометром на устье скважины. Так как большинство поглощающих скважин бурилось наклонно-направленно, вертикальный столб воды определялся с учетом удлинения ствола скважины. В зависимости от условий исследования скважины на приемистость при определении забойного давления следует учитывать также гидравлические сопротивления на трение при движении жидкости в ее стволе. Величину давления на преодоление этих сопротивлений следует вычитать из суммы давлений закачки и столба жидкости. Давление на преодоление сопротивлений можно определить по формулам классической гидравлики:

где l — коэффициент гидравлических сопротивлений, численно зависящий от режима движения; Н, d — соответственно длина и диаметр труб, м; с — скорость движения жидкости, м/с; g — ускорение силы тяжести, м/с²; d — относительная плотность жидкости;

где Q – дебит, м³/сут.

Поскольку при исследовании скважин на приемистость закачка воды проводилась в затрубное пространство между 152,4-мм обсадной колонной и 63,5-мм насосно-компрессорными трубами, вместо d в формуле (1) использовано значение гидравлического радиуса R, при этом d = 4R, где R = (r₁–r₂)/2. Для рассматриваемого случая: R = (0,075–0,036)/2 = 0,02; 4R = 0,08.

Re = cd/v, (3)

где v – кинематическая вязкость жидкости. При Q = 1944 м³/сут, с = 1,67 м/с Re = 1,67·0,08·100²/0,01 = 133600, что указывает на турбулентный режим движения. Значение l определяется по номограмме в зависимости от числа Рейнольдса и параметра d/k₁, где k₁ – значение эквивалентной шероховатости – определяется в зависимости от состояния стенок труб: k₁=0,5; d/k₁ = 0,08·1000/0,5 = 160; l = 0,03; р_т =0.03·1820·1.67²/(0.08·2·9.81·10)=0,97 МПа. При Q==2796 м³/сут, с=2,3 м/с, р_т=1,84 МПа.

Из приведенного выше, расчета следует, что величина гидравлических сопротивлений существенно влияет на величину Dр = р_заб–р_пл. В связи с этим аналогичные расчеты были проведены по всем тринадцати исследованным скважинам и величина Dр определена с учетом гидравлических сопротивлений. Учет последних можно в принципе осуществить и в процессе непосредственного исследования скважин на приемистость, если установить дополнительный манометр на устье скважины в трубках или в затрубном пространстве в зависимости от способа закачки (в затрубное пространство или в трубки). Замеряемое этим манометром давление будет отличаться от давления закачки на величину гидравлических потерь давления.

Величины приемистости и перепады давлений с учетом гидравлических потерь на сопротивление были использованы для построения индикаторных диаграмм (рис. 1). По пяти скважинам индикаторные диаграммы оказались прямолинейными, по остальным – выпуклыми по отношению к оси дебитов (приемистости). Для первых использован общеизвестный метод определения гидропроводности пласта. По индикаторной, диаграмме определяется коэффициент продуктивности пласта h, а затем гидропроводность по формуле

Для остальных скважин использован рекомендованный в специальной литературе [1] способ обработки индикаторных диаграмм в системе координат Dp/Q и Q (рис. 2). Если в этой системе кривые диаграмм не спрямляются, то результаты исследования признаются дефектными. Для спрямленных кривых определяется отрезок А, отсекаемый прямой на оси Dp/Q. Как показано в работе [1]

При R_к = 100 м и r_с = 0,1 м по скв. 709 kh/m = 2,3·3/2·3,14·2,0 = 5493 мкм²·см/мПа·с.

Результаты определения гидропроводности и усредненной проницаемости по данным исследования скважин на приемистость показывают, что поглощающие горизонты характеризуются в целом вполне нормальными усредненными значениями проницаемости (табл. 2). Аналогичные значения характерны для пласта А₄ среднего карбона на большинстве нефтяных месторождений Куйбышевской области, который по литологическому составу и условиям формирования коллекторов имеет большое сходство с рассматриваемым поглощающим горизонтом окско-серпуховских отложений. Проведенные расчеты указывают на принципиальную возможность использования результатов исследований скважин на приемистость для приближенной оценки гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов. Для прогнозирования во времени изменения давления на участке сброса целесообразно использовать максимальные значения гидропроводности для того, чтобы получить минимальные значения изменения давления. В этом случае сопоставление фактических давлений с расчетными позволяет однозначно выявить наличие или отсутствие связи поглощающего горизонта с выше- и нижележащими отложениями. При наличии такой связи фактическое изменение давления на участке сброса будет существенно ниже расчетного. Если фактическое изменение давления близко к расчетному или выше его, то поглощающий горизонт изолирован от выше- и нижележащих. С учетом этого для решения второй и третьей задач выбираем следующие гидродинамические параметры: гидропроводность 10000 мкм²см/мПа·с, проницаемость 0,4 мкм². Определим значение пьезопроводности по формуле:

где k – проницаемость, мкм²; m – коэффициент пористости, для сильно кавернозных карбонатных коллекторов принимается равным 0,2. Коэффициенты сжимаемости для воды b_в и породы b_п соответственно 3 • 10^-6 и 10^-6 1/МПа.

где Q_i – интенсивность закачки, см³/с; t – время закачки, с; Q_i = 10 млн. м³/год = 0,32-10⁶ см³/с; r – радиус укрупненной скважины, на основании замера площади участка сброса и с учетом его конфигурации принимаем равным r= 1,5 км = 1,5·10⁵ см; E_i(x) – интегральная показательная функция, значения которой табулированы. Остальные обозначения см. выше. При t= 1 год= 3,15·10⁷ с

Аналогичные расчеты выполнены для t = 5; 10; 15; 20; 25 лет. Изменение давления для этих отрезков времени составило соответственно 1,5; 1,7; 1,8; 1,87; 1,9 МПа. Результаты расчетов отражены на рис. 3.

Указанные выше и на рис. 3 значения Dр будут заниженными, так как для расчета использованы максимальные значения гидропроводности.

Сопоставляя фактическое изменение пластового давления с расчетным, можно оценить надежность изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений (третья задача). Поясним сказанное на примере Мухановского участка сброса. Для расчета используем значения параметров поглощающего горизонта: kh/m=10000 мкм²·см/(мПа·с); c=25000 см²/с (по аналогии с Дмитриевским участком). Объем закачки Q_i = 10 млн. м /год, продолжительность закачки t = 20 лет, радиус укрупненной скважины (с учетом площади и конфигурации участка сброса) r = 2,5 км. Получим:

Рассмотрим решение третьей задачи на примере эксплуатации Красноярского участка сброса сточных вод. Сведения об этом участке приведены в табл. 1. Надежных данных для оценки гидрогеологических параметров получить не удалось. Однако и в этих условиях можно выполнить хотя бы приближенную оценку изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений, если принять те же гидрогеологические параметры, что получены для Дмитриевского участка. Хотя мощности поглощающего горизонта на Дмитриевском и Мухановском участках значительно ниже (примерно в 2 раза), значение гидропроводности, как одной из главных определяющих величин, отличается не столь существенно. На это указывают близкие значения приемистости поглощающих скважин, составляющие для Красноярского участка также 1000–1200 м³ /сут при давлениях закачки 2–2,5 МПа. Для оценки изменения давления на Красноярском участке принимаем следующие параметры: kh/m = 10 000 мкм²·см/мПа·с; c = 25000 см²/с; время закачки 20 лет = 0,63·10⁹ с; радиус укрупненной скважины r = 2000 м = = 2·10⁴ см; интенсивность закачки Q_i = 2,5 млн. м³/год = 8·10⁴ см³/с.

1. Бузинов С.П., Умрихин И.Д. Гидродинамические методы исследования скважин и пластов.–М.: Недра.– 1973.
2. Зайдельсон М.И. Гидрогеологические условия карбонатной толщи верхнего девона на юго-восточном склоне Жигулевского свода в связи с перспективами нефтеносности //Труды КуйбышевНИИНП. Куйбышев.– Вып. 36.– 1966.– С. 143–150.
3. Плотников Н.И., Керкис Е.Е., Лехмияки Э.В. Гидрогеологические исследования для установления условий сброса сточных вод в глубокие водоносные горизонты // В кн.: Справочное руководство гидрогеолога. Том 2.– Л.:– 1967.– С. 166–190.

Таблица 2 Результаты оценки гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов по данным исследования скважин на приемистость

Рис. 1. Индикаторные диаграммы зависимости приемистости (Q) от перепада давлений (р) для поглощающих скважин Дмитриевского участка

Рис. 3. Прогноз изменения (возрастания) пластового давления в зоне сброса сточных вод на Дмитриевском