СПОСОБ РАЗВЕДКИ ОЧАГОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Российский патент 2002 года по МПК G01V9/02 

Изобретение относится к области гидрогеологических исследований динамики подземных вод и может быть использовано в гидрогеологии и инженерной геологии, преимущественно при исследованиях загрязненных подземных вод.

Известен способ определения скорости и направления движения подземных вод, включающий бурение трех скважин, расположенных по углам треугольника, и одной скважины, расположенной в центре треугольника, закачку в нее раствора радиоактивной соли и определение в периферийных скважинах интенсивности гамма-излучения с помощью счетчика Гейгера-Мюллера (авт. св. 90314, МПК 21 д, 1964 г.). Недостатком известного способа является использование радиоактивного вещества, загрязняющего подземные воды и необходимость соблюдения специальных мер техники безопасности при проведении работ.

Известен способ определения скорости и направления движения подземных вод, включающий наблюдение за водным потоком не менее, чем в трех скважинах, расположенных по углам треугольника, в центре которого размещена пусковая скважина, в которую помещают термоэлемент, изменяют температуру пластовой воды, а в наблюдательных скважинах измеряют ее температуру, и по характеру изменения теплового поля в пространстве и времени судят о гидродинамических параметрах водных потоков и тепловых характеристиках водоносного горизонта (авт. св. 792197, МКИ G 011 V 9/00, 1980 г.). Известный способ является дорогостоящим, поскольку требует бурения большого количества скважин и использования термоэлемента с целью прогрева пластовой воды, что связано с большими энергозатратами. Кроме того, способ не позволяет провести разведку очагов загрязнения подземных вод с достаточной достоверностью и точностью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ разведки очагов загрязнения подземных вод. включающий проведение электроразведочных работ, выбор места и бурение пусковой скважины, введение в нее электролита - хлорида натрия - и определение смещения эквипотенциалей электрического поля в направлении потока (Ж. Фрид. Загрязнение подземных вод. М.: Недра, 1981, с. 110). Способ позволяет определить направление фильтрации в водоносном горизонте и скорость движения подземных вод, однако требует больших затрат из-за необходимости бурения группы скважин.

Известный способ не позволяет достичь необходимой точности и достоверности в процессе разведки очагов загрязнения подземных вод, Использование в качестве электролита раствора хлорида натрия требует применения его в больших количествах и не позволяет надежно идентифицировать применяемую "метку", поскольку хлорид натрия является основным компонентом пластовых вод.

Необходимость изучения движения пластовых жидкостей появляется при решении различных задач, возникающих как в гидрогеологии, так и в промышленном и питьевом водоснабжении, сельском хозяйстве, экологических разработках и т. п. Умение доступно и четко "метить", пластовые жидкости и надежно идентифицировать применяемую "метку" является чрезвычайно важной проблемой, оптимальное решение которой позволяет успешно решать поставленные задачи.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа разведки очагов загрязнения подземных вод, обладающего высокой точностью и достоверностью и позволяющего рассчитывать большее число параметров очагов загрязнения при наименьших затратах.

Поставленная задача решается тем, что в способе разведки очагов загрязнения подземных вод, включающем проведение полевых электроразведочных работ, выбор места и бурение пусковой скважины, введение в нее электролита и определение смещения эквипотенциалей электрического поля в направлении потока, в качестве электролита используют водный раствор соли парамагнитного многозарядного металла, например, хлорное железо, а в направлении движения потока бурят вторую скважину или находят выход подземных вод на дневную поверхность, затем в пусковую скважину повторно закачивают электролит, а из второй скважины или из поверхностного источника периодически отбирают пробы воды и проводят их исследования методом ядерно-магнитной релаксации, после чего рассчитывают параметры очагов загрязнения подземных вод.

Предлагаемый способ основан на использовании в качестве электролита водорастворимых солей многовалентных металлов, обладающих парамагнитными свойствами, с последующей их идентификацией импульсным методом ядерно-магнитной релаксации (ЯМР). Указанные соли (трассеры), должны отвечать таким критериям, как: совместимость с пластовыми жидкостями, экологическая безопасность, наличие надежных методов идентификации, доступность и дешевизна. Используемое в заявленном нами способе хлорное железо FеCl₃, отвечает вышеперечисленным требованиям и используется в способе в виде водных растворов.

Испытание водных растворов хлорного железа в качестве электролита - трассера для разведки очага загрязнения подземных вод проводят в лабораторных и промысловых условиях.

В предварительных лабораторных экспериментах измеряют времена релаксации T₁ водных растворов хлорного железа различных исходных концентраций в свободном объеме, в пористой среде, а также после вытеснения их исходной водой на установке (УИПК - 1М). В качестве исходной воды используют воду из родника 33, расположенного на опытной площадке 1, а в качестве индикатора - промышленный образец FеСl₃•6H₂O. Пористой средой служит фракция кварцевого песка с размером зерен от 0,25 до 0,37 мм, отмытого от глинистой и карбонатной составляющих и имеющая пористость порядка 30%, проницаемость 400-600 мД, заданная скорость фильтрации - 3,0 м/сут.

Проводят вытеснение водных растворов FеСl₃•6Н₂О из образцов пористой среды на УИПК - 1 м. Измеряют времена релаксации проб воды методом ЯМР, поскольку величина, обратная времени релаксации (скорость релаксации), пропорциональна концентрации хлорного железа. Релаксационные характеристики водных растворов хлорного железа после вытеснения из образцов пористой среды приводим в таблице 1.

Из полученных результатов следует: чем концентрированнее раствор в пористой среде, тем больший объем на выходе из модели будет сохранять парамагнитную метку. Следовательно, в промысловых экспериментах желательно применять максимально концентрированные растворы.

Промысловые эксперименты по разведке очага загрязнения проведены на территории опытной площадки 1, где расположен источник подземных вод - родник 33, в котором концентрация хлоридов на порядок превышает ПДК. Возможным источником загрязнения является нагнетательная скважина, гипсометрически расположенная на 15 м выше родника и на расстоянии 325 м от него. Работы проводились в следующей последовательности.

1. В прискваженной зоне предполагаемого источника загрязнения (нагнетательная скважина) проводят детальную съемку естественных электрических потенциалов (Е_п), после интерпретации которых построили линии изопотенциалов. На одном из маршрутов съемки, совпадающим с направлением "скважина-родник", выявили мощный пик значения Е_п=+120 мВ, что свидетельствует о движении жидкости из скважины в направлении родника Значения Е_п по этому направлению представлены в таблице 2.

В скважину - потенциальный источник загрязнения (далее именуемая пусковая скважина) - закачивают трассер. В качестве трассера используют раствор 300 кг хлорного железа в 6,0 м³ воды. Закачку осуществляют с помощью автоцистерны самотеком.

3. Проводят повторную съемку Е_п по первоначальной сетке измерений. На том же маршруте было установлено уменьшение значения аномалии Е_п со 120 до 82 мВ. Фоновые значения Е_п остались практически без изменения.

4. Между пусковой скважиной и родником на расстоянии порядка 100 м от пусковой скважины бурят специальную скважину до уровня подземных вод.

5. В пусковую скважину повторно закачивают трассер (500 кг хлорного железа в 10 м³ воды).

6. Примерно через 2 ч в специальной скважине появилась окрашенная вода (FеCl₃). В течение 2 суток с момента закачки трассера из специальной скважины отбирают пробы воды и определяют времена ее релаксации Т₂ методом ЯМР. Результаты приведены в таблице 3.

По результатам анализа проб воды можно определить скорость фильтрации как скорость снижения концентрации загрязнителя.

Предлагаемый способ позволяет определить некоторые параметры очага загрязнения подземных вод, например активную трещиноватость пласта, пористость среды, проводимость, коэффициент водоотдачи.

Например, величину активной трещиноватости исследуемого вокруг скважины 27 пласта оценивают так.

Во время закачки трассера в опробуемом пласте вокруг скважины 27 образовался искусственно созданный фильтрационный поток, по своей интенсивности существенно преобладавший над потоком подземных вод естественного происхождения. Поэтому, принимая радиальную схему миграции трассера, можно оценить величину активной трещиноватости пласта по формуле
N = Qt/πr²m, (4.1)
где Q - расход нагнетания (336 м³/сутки),
t - время прохождения трассера от точки запуска к точке регистрации (33 минуты),
r - расстояние между нагнетательной скважиной и точкой регистрации прихода трассера (20 м),
m - мощность водоносного пласта (1 м).

Подставляя числовые значения в формулу, получаем безразмерную величину активной трещиноватости водоносного пласта 0,006 или 0,6%. Предложенный способ является надежным и достоверным и обладает более широкими возможностями, позволяя рассчитывать большее число параметров очагов загрязнения подземных вод.

Использование: в гидрогеологии и инженерной геологии, преимущественно при исследованиях загрязненных подземных вод. Сущность: проводят электроразведочные работы. Бурят пусковую скважину, вводят в нее водный раствор соли парамагнитного многоядерного металла, например хлорного железа. Бурят в направлении движения потока вторую скважину или ищут выход подземных вод на дневную поверхность. Повторно закачивают электролит и периодически отбирают пробы воды из второй скважины или из поверхностного источника. Проводят их исследование методом ЯМР и рассчитывают параметры очагов загрязнения подземных вод. Технический результат - повышение точности и достоверности способа. 3 табл.

Способ разведки очагов загрязнения подземных вод, включающий проведение электроразведочных работ, выбор места и бурение пусковой скважины, введение в нее электролита и определение смещения эквипотенциалей электрического поля в направлении потока, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор соли парамагнитного многозарядного металла, например хлорное железо, а в направлении движения потока бурят вторую скважину или находят выход подземных вод на дневную поверхность, затем в пусковую скважину повторно закачивают электролит, а из второй скважины или из поверхностного источника периодически отбирают пробы воды и проводят их исследования методом ядерно-магнитной релаксации, после чего рассчитывают параметры очагов загрязнения подземных вод.