Формирование химического состава подземных вод при ПВС

Как показано ранее, проблема сброса и утилизация промстоков ПВС является одной из наиболее острых. В связи с этим проведены лабораторные и полевые исследования закономерностей формирования состава подземных вод, откачиваемых из серной залежи при подземной выплавке.

Этим работам предшествовал гидродинамический анализ движения теплоносителя, в основу которого положены приведенные ранее зависимости.

Если напор воды в изливающей скважине ниже, чем естественный напор на контуре питания, то к водоотливным скважинам постоянно поступают, с одной стороны, естественные пластовые воды и, с другой, теплоноситель (рис. 69). При разгрузке самоизливом напор в водоотливных скважинах выше, чем естественный уровень пластовых вод, и водоотливные скважины целиком питаются водами внутренней зоны. Часть воды уходит из контура отработки, т. е. суммарный дебит водоотлива меньше, чем расход теплоносителя, подаваемого в добычные скважины.

Неоднородность воды по плотности и вязкости обусловливает существенное влияние конструктивных особенностей водоотливных скважин на структуру потока. Приток в совершенную по степени вскрытия скважину происходит только из верхней части пласта. Если же скважина оборудована фильтром в нижней части пласта (т. е. водоотлив ведется через серную колонну), то в скважину поступают пластовые воды. Граница раздела пластовых вод и теплоносителя при этом смещается вниз, образуя воронку, аналогичную «бугру» подошвенных вод при откачке нефти.

В условиях Язовского месторождения напоры воды в районе ПВС выше, чем в области региональной разгрузки (водоотливные скважины карьера), на 30—40 м. Поэтому часть теплоносителя постоянно уходит за пределы участка ПВС.

Так, для всего периода работы участка ПВС-1808 характерен дебаланс нагнетаемой и откачиваемой воды, причем коэффициент водоотлива изменялся от 0,6 до 0,8, в соответствии с колебаниями давлений на устьях скважин от- 2 до 1 МПа.

За период с XII. 1972 г. по VI. 1975 г. за контур эксплуатации ушло 1 783 239 м3 теплоносителя. Учитывая, что разгрузка происходила практически в одном направлении, можно рассчитать размер зоны вытеснения, используя данные о пористости сероносных известняков.

Объем воды, заключенный в блоке, определяется формулой

где W — объем воды; В — ширина блока, L — длина блока; M — мощность пласта; n — пористость.

Из этой формулы длина зоны вытеснения равна

Приняв В=1000 м; Мn=0,53 (по фактическим данным), получим

Исходя из предпосылки поршневого вытеснения, можно сделать вывод о том, что естественные пластовые воды вытеснены не только на участке ПВС, но и далеко за его пределами.

Таким образом, из гидродинамических данных видно, что изливающаяся из скважин вода представляет преимущественно остывший теплоноситель, обогащенный минеральными компонентами вследствие взаимодействия с рудой и вмещающими породами.

Характерный пример изменения химического состава подземных вод, изливающихся из скважин на участке ПВС-1808 в период 1973—1974 гг., представлен на графике (рис. 70).

Наибольшие изменения концентраций характерны для ионов натрия, хлора и сульфатов; концентрации кальция и гидрокарбоната изменяются в меньших пределах. На графиках видно, что увеличение дебита скважин обычно ведет к некоторому возрастанию минерализации. При этом рост дебита обычно связан с включением новых скважин.

Средняя минерализация и жесткость для участка ПВС-1808 показана на графике (рис. 71).

Для изучения процесса формирования химического состава технологических вод в 1975 г. (в период пусковых работ на участке ПВС-500) было проведено опробование по профилям скважин на северо-западном и юго-восточным флангах участка. Гидрохимические профили представлены на рис. 72—73. В начале пути фильтрации происходит интенсивное увеличение минерализации. Затем теплоноситель насыщается солями и приходит в равновесие с породами. На северо-западном фланге (см. рис. 72), где водопроводимость пласта составляет 10—20 м2/сут, длина пути насыщения составляет 160—170 м; общая минерализация возрастает до 3,2 г/л.

На юго-восточном фланге (см. рис. 73), где водопроводимость. превышает 20 м2/сут, длина пути насыщения больше 200 м, а общая минерализация не превышает 2 г/л.

По результатам обработки анализов установлена корреляционная зависимость между относительными концентрациями ионов натрия и кальция. На графиках (рис. 74) нанесены результаты более 700 анализов воды. Зависимость между относительными концентрациями имеет вид прямой линии:

где M — общая минерализация; Ca, Na — содержание соответствующих ионов, г/л.

Это свидетельствует о наличии обратимой реакции катионного обмена между водами и глинистыми породами, благодаря которой в водах любой концентрации поддерживается определенное соотношение между ионами.

Наиболее вредным компонентом технологических вод является сероводород. Для определения источников накопления его в технологических водах проведены лабораторные опыты. В эмалированную трубу засыпали дробленую серную руду, заливали дистиллированной водой и нагревали до температуры от 125 до 170° С в течение 4—5 ч. Затем труба охлаждалась, а в воде определяли содержание сероводорода. По результатам 17 опытов установлено, что в исследованном интервале температур руда реагирует с водой с образованием сероводорода. Зависимость, концентрации сероводорода от температуры имеет форму параболы, рис. 75.

Лабораторные данные подтверждены исследованиями в период предпусковых нагнетаний воды с температурой 80—90°С на Ярошевском участке в 1975 г.

В процессе нагнетания воды проводили отбор проб на химический анализ из ближайших скважин. Анализами установлено, что содержание сероводорода по мере вытеснения естественных пластовых вод уменьшилось с 400 до 50—100 мг/л, т, е. при температуре ниже точки плавления серы сероводород практически не образуется.

Таким образом, установлено, что естественный состав пластовых вод месторождения имеет значение для решения проблемы сброса промышленных стоков только в начальный период эксплуатации месторождения. Период вытеснения естественных пластовых вод непродолжителен, всего от нескольких дней до недель.

Средняя минерализация сбрасываемой воды колеблется в пределах 1,8—3,2 г/л, жесткость 7—20 мг*экв/л. Повышение минерализации связано с включением новых скважин, что свидетельствует о наличии на участке застойных зон и подтверждает представление о языкообразном характере движения теплоносителя вне зон плавления. Максимальная минерализация теплоносителя соответствует составу воды, находящейся в химическом равновесии с рудой и вмещающими породами.

В процессе формирования химического состава технологических вод принимают участие растворение, катионный обмен и реакции с расплавленной серой, ведущие к образованию сероводорода.

Установлена химическая природа образования сероводорода; концентрация его в техногенных водах достигает 200 г/л.

Полученные результаты позволили дать прогноз изменения минерализации во времени для проектирования очистных сооружений на Язовском и Немировском рудниках. Большое значение имеют выявленные закономерности для проектирования отработки Загайпольского и Сырейско-Каменнодольского месторождений, где естественная минерализация воды достигает 15— 20 г/л. Проведенные расчеты показали незначительность статических запасов этих вод, что позволило сократить расходы на сооружения для накопления и сброса воды.

На Загайпольском месторождении для ориентировочного подсчета статических запасов подземных вод была выбрана площадь 876000 м2, разведанная по категории В. По данным описания керна выделены пористые и кавернозные интервалы, подсчитаны значения макропустотности в метропроцентах и составлена соответствующая карта в изолиниях. Подсчет объема пустот проводился определением площади, заключенной между изолиниями. На рассматриваемой площади объем пустот составил 254 000 м3. При сроке отработки 15 лет расход сбрасываемых естественных вод составит всего 17 000 м3/год, или 46 м3/сут, остальная доля промышленных стоков будет приходиться на теплоноситель, обогащенный солями в результате взаимодействия с породами.

В условиях Гаурдака, где серные залежи выходят на поверхность и повсеместно пронизаны обширной сетью крупных карстовых каналов, гидравлическая разгрузка пласта при ПВС осуществляется в законсервированный карьер «Южный» и в виде естественных источников. Данные работы установки ПВС свидетельствуют о высоких удельных расходах теплоносителя (около 30 м3/т в среднем по участку), т. е. только 8—10% тепла горячей воды расходуется полезно, большие его запасы остаются в недрах в виде отработанного теплоносителя, а также заключены в нагретых горных породах. Необходимость утилизации остаточного тепла не вызывает сомнения. Возможными методами утилизации являются; догрев воды в пароинжекционных установках с получением кондиционного теплоносителя ПВС; предварительный прогрев серной залежи до температуры 80—90°С; использование горячей опресненной воды для технологических нужд и т. д. В любом случае для решения технологии утилизации необходимо знать закономерности распространения в недрах воды с различной температурой и минерализацией.

С этой целью на Гаурдакском месторождении организован отбор и анализ проб подземных вод из скважин и карьера; полученные данные увязаны с температурными наблюдениями. В пределах отрабатываемого II участка химический состав подземных вод изменяется от естественного хлоридно-натриевого рассола до слабосоленого отработанного теплоносителя. Типичные анализы приводятся ниже (г/л)

Результаты опробования нанесены на график-квадрат Щукарева (рис. 76), наглядно показывающий наличие всех переходных разностей в составе воды. Здесь же видно соответствие химического состава температуре: наиболее горячие воды по составу гидрокарбонатно-сульфатyо-кальциевые, а холодные — хлоридно-натриевые.

По результатам термокаротажа построены схематическая карта и разрез (рис. 77), из которых видyо, что горячая опресненная вода локализуется в верхней части разреза и вытягивается в виде языка от участка ПВС к месту разгрузки (карьеру). Проведен ориентировочный подсчет запасов подземных вод с различной температурой (состояние на сентябрь 1976 г.).

Коэффициент пустотности при подсчете принят равным 19%, что соответствует данным, полученным по керну эксплуатационных скважин ПВС с учетом зон плавления.

В дальнейшем запасы горячей воды будут постоянно возрастать до тех пор, пока не начнется ее разгрузка через источник.

Суммарный расход теплоносителя на руднике ПВС возрастет до 1200 м3/ч.

Кроме того, намечается закачка пульпы хвостов обогатительной фабрики с объемным расходом порядка 500 м3/ч.

Сброс и очистка соответствующих объемов воды представляют трудную задачу. В связи с этим целесообразно создать условия для осуществления частично замкнутого водооборота путем разделения высокоминерализованной естественной и слабоминерализованной техногенной вод.

Сущность предложения состоит в том, что откачкой естественных пластовых вод из нижней части залежи создается такое понижение напора, которое обеспечивает движения пластовых вод и некоторой части теплоносителя к водоотливным скважинам. Остальная часть теплоносителя движется к очагам естественной разгрузки, не смешиваясь с естественными водами. Тогда естественным путем будет разгружаться вода, имеющая минерализацию порядка 5 г/л и незначительное содержание сероводорода: эта вода не требует очистки; принципиально ее можно использовать для вторичного нагрева.

В накопитель и очистные сооружения будет поступать только высокоминерализованная вода естественного состава.

Проведенные исследования показывают, что этого можно добиться при откачке воды из нижних частей серных залежей с расходом, составляющим порядка 50% от расхода заканчиваемого теплоносителя, т. е. около 600 м3/ч. При этом отбор воды должен производиться более или менее равномерно по всей площади месторождения.