способ хранения жидких промышленных отходов

Формула изобретения

СПОСОБ ХРАНЕНИЯ ЖИДКИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ в перемещающихся проницаемых пористых и плотных слоях путем выбора синклинальной структуры, бурения нагнетательной и контрольных скважин, закачки через нагнетательную скважину в проницаемый пористый пласт промышленных отходов с геохимическим контролем состояния геологического разреза в процессе закачки и хранения отходов, отличающийся тем, что для хранения отходов выбирают синклинальную структуру, характеризующуюся наличием древних гелиеносных рассолов, в которых соотношение ³Не/⁴Не составляет 10^-5 10^-7, в проницаемый пласт закачивают промышленные отходы с плотностью не ниже плотности природного рассола в выбранной синклинальной структуре, а геохимический контроль за состоянием геологического разреза дополнительно осуществляют по изменению фоновой концентрации изотопов гелия и/или ионносолевых комплексов, присущих древним рассолам выбранной синклинальной структуры, в верхних водоносных горизонтах над хранилищем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к области надежного захоронения различных промышленных отходов, а также сточных вод (в том числе и токсичных), представляющих большую опасность в экологическом отношении. Способ применим и в других отраслях народного хозяйства, требующих достаточных гарантий того, что токсичная продукция не появится в грунтовых и более глубоких подземных водах в течение многих десятилетий.

Широко распространенным способом захоронения жидких промышленных отходов, применяемым в настоящее время, является закачка жидких отходов в пористые пласты-коллекторы, залегающие на различных глубинах (см. Гольдберг В.М. Подземное захоронение промстоков химической промышленности, ВСЕГИНГЕО, 1968, с. 79). При этом противопоказано использование для этой цели горизонтов или пластов, содержащих пресные, бальнеологические и промышленные подземные воды, а также горизонтов, непосредственно связанных с месторождениями полезных ископаемых. Кроме того, поглощающие пласты не должны сообщаться с реками, озерами и не выходить на поверхность в радиусе 20-30 км от подземного хранилища промышленных отходов.

Одним из широко известных способов хранения жидких промышленных отходов является закачка их в структурную ловушку типа антиклинальной складки, сложенной перемежающимися проницаемыми и непроницаемыми пластами (см. патент США N 3306354, НКИ 166-29, 1967). В соответствии со специфическими требованиями к герметичности покрышки в этом способе предусматривается обязательное применение различных химических реагентов, снижающих проницаемость пластов, залегающих выше покрышки, а также закачивающих трещины в самой покрышке. Однако, учитывая особенности растекания жидкости в пласте, невозможно дать 100% -ную гарантию полной герметичности покрышки при наличии в ней первичной сети трещин.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов в непроницаемых пластах, основанный на их добавлении к специально подготовленным цементирующим растворам, содержащим наряду с цементом различные типы глинистых веществ. (См. патент США N 3379013), НКИ 61-5, 1968). Указанный цементный раствор, содержащий радиоактивные отходы, закачивают в непроницаемые пласты под большим давлением, достаточным для разрыва пласта и образования в нем трещин. Последние и служат вместилищем для радиоактивных растворов. Считается, что последующее затвердение цементирующей массы исключает возможность дальнейшей фильтрации радиоактивных веществ. Вместе с тем следует учитывать, что старение и разрушение цементирующей массы под воздействием подземной влаги различной агрессивности, а также под воздействием радиации ограничивает срок безопасности искусственно создаваемых ловушек в непроницаемых и слабопроницаемых пластах.

Ближайшим аналогом по технической сущности к изобретению является способ хранения рассолов в геологических структурах по патенту ГДР (N 227940, 1984), включающий выбор синклинальной структуры, бурение нагнетательной и контрольных скважин, закачку через нагнетательную скважину в проницаемый пласт промышленных отходов с геохимическим контролем состояния геологического разреза в процессе закачки и хранения отходов.

Недостатком известного способа является отсутствие гарантий долгосрочного хранения радиоактивных и токсичных промышленных отходов без их утечек из хранилища. Это обусловлено отсутствием в известном способе критериев выбора герметичного хранилища, критериев подбора физических характеристик отходов, которые могут храниться в выбранном хранилище, а также несовершенством контроля за герметичностью хранилища.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Цель достигается тем, что в известном способе хранения жидких промышленных отходов, включающем выбор синклинальной структуры, сложенной перемежающимися проницаемыми пористыми и плотными слоями, бурение нагнетательной и контрольных скважин, закачку через нагнетательную скважину в проницаемый пласт промышленных отходов с геохимическим контролем состояния геологического разреза в процессе закачки и хранения отходов, выбирают синклинальную структуру, характеризующуюся наличием в ней древних гелиеносных рассолов, в которых соотношение ³Не/⁴Не составляет в пределах 10^-5-10^-7, в проницаемый пласт закачивают промышленные отходы с плотностью не ниже плотности природного рассола в выбранной синклинальной структуре, а геохимический контроль за состоянием геологического разреза дополнительно осуществляют по изменению фоновой концентрации изотопов гелия и/или ионносолевых комплексов, присущих древним рассолам выбранной синклинальной структуры, в верхних водоносных горизонтах над хранилищем.

Сущность предлагаемого способа хранения жидких промышленных отходов заключается в следующем. Синклинальные ловушки не являются уникальными природными объектами. Они сравнительно широко распространены в природе, располагаясь довольно часто на относительно небольших глубинах (первые километры) в наиболее прогнутых и изолированных со всех сторон зонах осадочного покрова, а также грабенах кристаллического основания. Образование синклинальных ловушек происходит в результате весьма длительных и сложных процессов, в которых сочетается опускание отдельных элементов земной коры и заполнение трещинно-порового пространства пород крепкими рассолами, занимающими самопроизвольно, силу закона гравитации, наиболее погруженные и изолированные от верхних и смежных горизонтов синклинальные складки, лишенные проводящих тектонических трещин или других дизъюнктивных нарушений.

Индикатором, указывающим на фактическое наличие в недрах синклинальных ловушек, отвечающих проектным параметрам их герметичности, является только прямая фиксация в ядре потенциальной ловушки крепких рассолов, обогащенных гелием, являющимися прямым доказательством древности ловушки. Известно, что концентрация гелия в растворе прямо пропорциональна времени нахождения воды в породе. Согласно Савченко зависимость между возрастом рассолов и их газонасыщенностью определяется формулой

t=77 (Не/Аr) 10⁶ лет (см. например, Савченко В.П. Формирование, разведка и разработки месторождений нефти и газа. М. Недра, 1977, с. 116).

В последнее время это соотношение было уточнено и составило:

t= 100 (Не/Аr) 10⁶ лет (см. например, Корценштейн В.Н. Методика гидрогеологических исследований нефтегазоносных районов. М. Недра, 1991, с. 317).

Приведенные выражения используются для определения возраста пластовых вод, который может в полной мере характеризовать степень герметичности подстилающих пород. Однако одного этого критерия недостаточно, чтобы быть уверенным в полной и длительной герметичности выбранной структуры, т.к. тяжелые древние рассолы могут быть захоронены в простой гравитационной ловушке, в которой может отсутствовать герметичная покрышка. Наличие надежной изоляции потенциальной ловушки является одним из наиболее важных требований, предъявляемых к синклинальным ловушкам, проектируемым для захоронения промышленных отходов. Проведенные в последнее время специальные исследования по определению герметичности природных геологических ловушек позволили дать градацию степени герметичности ловушек по величине отношения концентраций изотопов ³Не/⁴Не.

Как показали исследования, высокое содержание мантийного гелия в пластовой воде свидетельствует о возможности его поступления через возникающие негерметичности (вследствие диффузии гелия) в подошве пласта. Но это лишь усиливает суждения о герметичности ловушки.

Концентрация мантийного гелия в пласте, которая соответствует значению отношения ³Не/⁴Не, равному 10^-5-10^-7, свидетельствует о длительной сохранности начального рассола в ловушке, исчисляющейся десятками миллионов лет. Общим является вывод о том, что природные ловушки, прошедшие природную апробацию на длительную герметичность, пригодны для хранения особо опасных промышленных отходов с учетом наиболее жестких требований.

В процессе эксплуатации хранилища промышленных отходов в результате возможных нарушений технологии строительства нагнетательных и контрольных скважин хранилище может потерять герметичность, что должно быть неукоснительно зафиксировано для принятия экстренных мер. В предлагаемом способе фиксацию нарушения герметичности хранилища осуществляют путем измерения в контрольных скважинах фоновой концентрации изотопов гелия и/или ионно-солевых комплексов, присущих древним рассолам выбранной синклинальной структуры, в верхних водоносных горизонтах над хранилищем. При изменении фонового значения одного или обоих контролируемых параметров проводят исследования по определению пути перетока пластовых флюидов и проводят ремонтно-изоляционные работы для восстановления герметичности хранилища.

Приведенные операции все же не обеспечивают надежного долговременного хранения опасных промышленных отходов, т.к. не гарантируют отсутствие миграции закачиваемых жидких промышленных отходов вдоль пласта-коллектора вследствие гравитационного разделения и всплытия промышленных отходов. Для предотвращения этого явления, нарушающего требование обеспечения длительного хранения, в предлагаемом способе в проницаемый пласт закачивают промышленные отходы, плотность которых равна или выше плотности древних рассолов ловушки. Поскольку, как и в известном способе, закачку промышленных отходов производят в нижнюю часть синклинальной ловушки, более тяжелая жидкость (промышленные отходы) будет, в силу закона гравитации, оставаться в нижней части ловушки, покрытая менее плотным древним рассолом.

Использование совокупности существенных отличий предлагаемого изобретения, а именно выбор синклинальной структуры, характеризующейся наличием древних гелиеносных рассолов, в которых соотношение ³Не/⁴Не составляет 10^-5-10^-7, закачки в проницаемый пласт промышленных отходов с плотностью не ниже плотности природного рассола в выбранной синклинальной структуре, а также дополнительный геохимический контроль за состоянием геологического разреза по изменению фоновой концентрации изотопов гелия и/или ионно-солевых комплексов, присущих древним рассолам выбранной синклинальной структуры, в верхних водоносных горизонтах над хранилищем, в отечественных и зарубежных научно-технических и патентных источниках не обнаружено.

Пример реализации способа хранения жидких промышленных отходов.

На предприятиях региона вырабатываются токсичные жидкие промышленные отходы, утилизация которых в соответствии с современным уровнем технологии экономически нецелесообразна. В связи с этим принято решение о захоронении отходов в надежной синклинальной ловушке, обеспечивающей длительную изоляцию токсичных отходов от окружающей среды. Характеристика токсичных промышленных отходов по плотности представлена в табл. 1.

С целью обеспечения надежного хранения отходов проведен комплекс поисковых геологических работ по выявлению подходящих структур.

В табл. 2 даны характеристики разведанных геологических синклинальных структур по плотности рассолов в ядре структуры, значению отношения содержания ³Не/⁴Не в газовой фазе этого рассола и активному объему.

К сожалению (а на практике это именно так и будет), имеющиеся структуры не могут удовлетворить всем требованиям, которые предъявляют к ним в соответствии с характеристиками промышленных отходов в данном регионе. В связи с этим в смежных регионах проводят геологопоисковые работы с целью обнаружения синклинальных структур с необходимыми проектными характеристиками, табл. 3.

Сопоставление характеристик жидких промышленных отходов и геосинклинальных структур позволяет дать следующее распределение закачки отходов в подземные хранилища, табл. 4.

Из данных табл. 4 видно, что объемы закачиваемых отходов по крайней мере в полтора раза меньше активного объема хранилища, что в большей степени способствует сохранению опасных отходов в синклинальном пласте.

Для большей надежности предотвращения перелива опасных отходов из синклинальной ловушки в процессе закачки осуществляют контроль через контрольные скважины за продвижением отходов по пласту. Одновременно с помощью контрольных скважин осуществляют геохимический контроль изменения фоновой концентрации изотопов гелия и/или ионно-солевых комплексов, присущих древним рассолам выбранной синклинальной структуры, в верхних водоносных горизонтах над хранилищем. Этот контроль осуществляют с целью обнаружения тенденций к вертикальной миграции опасных отходов и продолжают его в течение всего срока хранения опасных отходов.