способ подземного захоронения биологически опасных сточных вод

Формула изобретения

1. Способ подземного захоронения биологически опасных сточных вод в геологические формации, не имеющих над рабочим горизонтом четко выраженных водоупорных слоев, включающий бурение нагнетательных скважин и закачку сточных вод в рабочий горизонт, отличающийся тем, что одновременно с закачкой сточных вод в рабочий горизонт закачивают техническую жидкость в горизонт, залегающий над рабочим горизонтом, при этом давление на забое нагнетательных скважин при закачке технической жидкости в вышележащий горизонт поддерживают равным 0,9 - 1,1 давления на забое нагнетательных скважин, при закачке сточных вод в рабочий горизонт.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технической жидкости используют жидкость с повышенной вязкостью, например, разбавленный глинистый раствор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области подземного захоронения биологически опасных сточных вод (промышленных стоков) различных предприятий, очистка и переработка которых затруднена, а сброс в открытые водоемы невозможен.

Известен способ захоронения химически вредных жидких отходов в геологических формациях высокотемпературной гидротермальной системы, расположенной в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги, заключающийся в том, что подготовленные для захоронения отходы закачивают в зону захоронения силикатного состава, перемешивают в процессе закачки с кислыми водными растворами и консервируют их в этой зоне (см. патент РФ №2001454, G21F 9/24).

К недостаткам известного способа в первую очередь можно отнести ограниченную область применения только в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги силикатного состава, которые встречаются в природе крайне редко.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявленному способу является способ подземного захоронения промышленных стоков через нагнетательные скважины в подземные водоносные горизонты, надежно изолированные от вышележащих пресных вод водоупорными прослоями горных пород, (см. кн. «Гидрогеологические исследования для захоронения промышленных сточных вод в глубокие водоносные горизонты». М.: Недра, 1978 г., с.9-13).

Основным недостатком данного способа является обязательное наличие над рабочим горизонтом слоя непроницаемых горных пород, препятствующих перетеканию закачиваемых промышленных стоков в вышележащие водоносные горизонты, воды из которых могут быть использованы для питьевых или технических нужд.

Этот недостаток существенным образом ограничивает область использования способа или значительно удорожает его применение за счет прокладки большой длины трубопровода до участка, где гидрогеологические условия использования этого способа соблюдаются.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в предотвращении проникновения захороняемых сточных вод в вышезалегающие водоносные горизонты, (которые могут быть использованы для питьевого или технического водоснабжения), при подземном захоронении сточных вод в геологические формации, не имеющие над рабочим горизонтом четко выраженных водоупорных слоев.

Для получения указанного технического результата предложен способ подземного захоронения биологически опасных сточных вод в геологические формации, не имеющие над рабочим горизонтом четко выраженных водоупорных слоев, включающий бурение нагнетательных скважин и закачку сточных вод в рабочий горизонт, в котором, согласно изобретению, одновременно с закачкой сточных вод в рабочий горизонт закачивают техническую жидкость в горизонт, залегающий над рабочим горизонтом, при этом давление на забое нагнетательных скважин, при закачке технической жидкости в вышележащий горизонт, поддерживают равным 0,9-1,1 давления на забое нагнетательных скважин при закачке сточных вод в рабочий горизонт.

Целесообразно в качестве технической жидкости использовать жидкость с повышенной вязкостью, например разбавленный глинистый раствор.

Закачивая в горизонт, залегающий над рабочим горизонтом, техническую жидкость в нем создают «буферный горизонт», при этом целесообразно мощность (высоту) буферного горизонта поддерживать (создавать) в пределах 0,1-0,25 от мощности рабочего горизонта.

Давление закачки технической жидкости на забое нагнетательных скважин, пробуренных на буферный горизонт, поддерживают равным 0,9-1,1 давления нагнетания на забое нагнетательных скважин, используемых для закачки сточных вод - промышленных стоков в рабочий горизонт.

Это условие является существенным. Так как если давление в буферном горизонте будет больше 1,1 давления в рабочем горизонте, то часть технической жидкости будет перетекать в рабочий горизонт. Если давление в буферном горизонте будет меньше 0,9 давления в рабочем горизонте, часть сточных вод - промышленных стоков начнет перетекать в буферный горизонт.

Создание буферного горизонта небольшой мощности и использование технической жидкости повышенной вязкости способствуют существенному уменьшению расхода технической жидкости и повышению изолирующих свойств буферного горизонта.

Увеличение вязкости технической жидкости в 1,2-1,5 раза по отношению к вязкости промстоков позволяет не только уменьшить расход технической жидкости при обеспечении заданного соотношения давлений в рабочем и буферном горизонте, но и препятствует перетеканию технической жидкости из буферного горизонта в смежные горизонты. Тем более что проницаемость горных пород в вертикальном направлении всегда существенно ниже проницаемости в горизонтальном направлении. Увеличение вязкости технической жидкости более чем в 1,2-1,5 раза нецелесообразно, так как приведет к большим гидравлическим потерям и необходимости поддержания высокого давления на устье нагнетательных скважин.

В соответствии с законами подземной гидродинамики при закачке в водоносный горизонт жидкости перепад давления Р над пластовым в любой точке пласта на расстоянии r от нагнетательной скважины на любой момент времени t определяется формулой

где Q - расход закачиваемой жидкости;

К, h - проницаемость и мощность (высота) горизонта соответственно;

- коэффициент пьезопроводности горизонта;

- вязкость закачиваемой жидкости.

Для исключения перетока закачиваемых промышленных стоков в вышележащие водоносные горизонты необходимо соблюдение равенства избыточного давления в рабочем горизонте Р_р, в который закачиваются промышленные стоки с расходом Q, и в буферном горизонте · Р_б, в который закачивается техническая жидкость с расходом q, т.е.

Из равенства (2), с учетом формулы (1) можно определить расход закачки в буферный горизонт технической жидкости q

где параметры рабочего горизонта имеют индекс р, а параметры буферного горизонта - индекс б.

_п, _т - вязкость закачиваемых промышленных стоков и вязкость технической жидкости.

Поскольку коэффициенты пьезопроводности водоносных горизонтов, как правило, мало различаются по их значениям, а расстояния r, на которых определяется перепад давления одинаковы, то соотношением логарифмов в формуле (3) можно пренебречь и формула (3) будет иметь вид

где Q - расход промышленных стоков;

К _р, h_p. - проницаемость и мощность рабочего горизонта;

_п - вязкость промышленных стоков;

К_б, h_б - проницаемость и мощность буферного горизонта;

- вязкость технической жидкости;

- соотношение давлений в рабочем и в буферном горизонтах, равное 0,9-1,1.

На фиг.1. показано захоронение биологически опасных сточных вод - промышленных стоков по предлагаемому способу.

На фиг.2. показано захоронение биологически опасных сточных вод - промышленных стоков по предлагаемому способу для случая, когда рабочий горизонт ограничен в размерах и для предотвращения резкого увеличения давления нагнетания используются разгрузочные скважины, которые располагаются за пределами расчетного фронта продвижения промышленных стоков по рабочему горизонту. См. например, кн. Рыбальченко А.И., Пименов М.К. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. - М., ИздАТ, 1994, с.151-153.

На приведенных чертежах обозначены:

1. Рабочий горизонт.

2. Нагнетательная скважина для закачки промстоков.

3. Насос для закачки промстоков.

4. Нагнетательная скважина для закачки технической жидкости.

5. Водоносный горизонт (буферный горизонт), залегающий над рабочим горизонтом.

6. Насос для закачки технической жидкости.

7. Разгрузочная скважина.

Захоронение биологически опасных сточных вод - промышленных стоков по предложенному способу осуществляют следующим образом.

В рабочий горизонт 1 через нагнетательную скважину 2 посредством насоса 3 производится закачка промышленных стоков с расходом Q.

Одновременно через скважины 4, пробуренные на буферный горизонт 5, посредством насоса 6 производится закачка технической жидкости с расчетным суммарным расходом q, при котором давления нагнетания в рабочем и в буферном горизонтах равны друг другу.

В качестве технической жидкости используется вода из поверхностных водоемов с использованием загустителя, например глинистого раствора.

Осуществление способа, когда рабочий горизонт ограничен в размерах и для предотвращения резкого увеличения давления нагнетания используются разгрузочные скважины, производится аналогичным образом, только в этом случае в качестве технической жидкости используется пластовая вода, поступающая из разгрузочных скважин 7.

Пример осуществления способа.

Для подземного захоронения промышленных стоков выбран рабочий горизонт, имеющий мощность 50 м, проницаемость -1·10^-12 м². Закачку промышленных стоков, имеющих динамическую вязкость 10^-3 Па·сек, планируется производить с расходом 1000 м³ /сут (0,012 м³/сек).

В качестве буферного горизонта выбран водоносный горизонт мощностью h _б=10 м, залегающий над рабочим горизонтом. Проницаемость буферного горизонта К_б=0,5·10 ^-12 м². В качестве технической жидкости используется пресная вода из открытого водоема, для увеличения вязкости до _т=2,5·10^-3 Па·сек используется добавка глинистого раствора, принимаем равным 1,0.

Необходимый расход закачки в буферный горизонт технической жидкости определяем по формуле (4). Подставив в нее исходные значения, получим q=40 м ³/сут. Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа обеспечивается условие равенства давления в любой точке буферного горизонта - давлению на этом же расстоянии в рабочем горизонте.

При этом расход закачки технической жидкости может быть намного меньше расхода промышленных стоков, закачиваемых в рабочий горизонт, что способствует повышению экономической эффективности способа.

Важно отметить, что использование предлагаемого способа позволит существенно расширить область применения подземного захоронения биологически опасных сточных вод - промышленных стоков даже в тех районах, где водоупорные слои горных пород четко не прослеживаются.