Ценные ресурсы: управление использованием подземных вод Многие регионы мира испытывают сезонные или долговременные нарушения баланса между потребностью в пресной воде и ее наличием. Для компенсации дефицита пресной воды всё в большей степени привлекаются ее подземные запасы. Для управления использованием подземных вод и надежного поддержания темпов их извлечения всё чаще используются передовые геофизические методы каротажа, разработанные изначально для нужд нефтяной отрасли, в сочетании с инновационными технологиями скважинного мониторинга и отбора проб. Поверхностные воды 0,3% Другие источники 0,9% Пресная вода 2,6% Подземные воды 30,1% Полярные ледяные шапки и ледники 68,7% Билл Блэк Ванкувер, провинция Британская Колумбия, Канада Соленая вода океанов 97,4% Мохамед Дауд Управление охраны окружающей среды Абу-Даби Абу-Даби, ОАЭ Рольф Херрманн Абу-Даби, ОАЭ Дидье Ларжо Дельфт, Нидерланды Роберт Мэлива Форт-Майерс, штат Флорида, США Боб Уилл Сакраменто, штат Калифорния, США Благодарим за помощь в подготовке данной статьи Мартина Дрегера (Ватерлоо, провинция Онтарио, Канада), Томаса Миссимера (Форт-Майерс, штат Флорида, США) и Доминика Пажо (Париж, Франция). AIT (Array Induction Imager Tool), AquaChem, AquiferTest Pro, CMR (Combinable Magnetic Resonance tool), CTD-Diver, Diver, Diver-NETZ, DSI (Dipole Shear Sonic Imager), ECLIPSE, ECS (Elemental Capture Spectroscopy sonde), FMI (Fullbore Formation MicroImager), Hydro GeoAnalyst, MDT (Modular Formation Dynamics Tester), Petrel, Platform Express, RFT (Repeat Formation Tester), RST (Reservoir Saturation Tool) и Westbay являются товарными знаками компании Schlumberger. 20 Нефтегазовое обозрение Удивительно, что при имеющемся на нашей планете балансе водных ресурсов нам всегда было что пить. Хотя Землю называют «планетой воды», почти вся эта вода непригодна для питья. На долю соленой воды мирового океана, занимающего почти 70% поверхности Земли, приходится 97,4% всех водных ресурсов, что оставляет пресной воде лишь 2,6%. Однако бóльшая часть этой пресной воды весьма малодоступна, так как она существует в виде льда полярных шапок и ледников, остальная же ее часть преимущественно находится под землей. Чаще всего не вода приходит к нам, а мы идем за ней или же изобретаем способы ее доставки в наши водопроводные краны. Более 60% населения планеты (и эта доля растет) живет вблизи морского побережья, тогда как живущие в глубине суши стремятся обустроиться рядом с поверхностными источниками воды, такими как реки, озера и родники. С увеличением численности населения и связанным с этим ростом потребления воды в бытовых, промышленных и сельскохозяйственных целях происходит истощение, ухудшение качества и загрязнение этих источников. Демографическая ситуация, недостаточная инфраструктура, загрязнение и засухи привели к возникновению множества проблем, влияющих в конечном счете на доступность и распределение одного из наших самых ценных природных ресурсов. Очевидным решением является разумное использование этого ресурса путем накопления воды, когда ее много, для потребления в периоды ее недостатка. При таком решении на первый план выходит важный вопрос: как хранить воду, чтобы обеспечить ее максимальный возврат? Вода в поверхностных водохранилищах, водонакопительных прудах и озерах теряется из-за испарения или становится непригодной для питья вследствие загрязнения, а в воде в резервуарах со временем размножаются бактерии. И хотя поверхностные резервуары всетаки являются одним из реальных вариантов хранения воды, чаще всего они дорогостоящи, подвержены разрушению и чувствительны к воздействию природных и антропогенных факторов. Лето 2008 Другой подход заключается в закачке избыточной воды в существующие водоносные пласты в сезон осадков (обычно в зимние месяцы, когда воды больше, чем требуется) и последующем отборе в засушливые периоды. Этот подход, называемый подземным хранением вод (ПХВ) (aquifer storage and recovery – ASR) или искусственным восполнением запасов подземных вод (artificial recharge – AR), в некоторых отношениях аналогичен подземному хранению газа. В данном случае известный пласт-коллектор заполняется водой, а не газом. 1 Очевидным преимуществом водоносного пласта перед поверхностными резервуарамихранилищами является вместимость, которая для таких подземных резервуаров может достигать нескольких миллиардов галлонов. Водоносные комплексы могут вместить многолетний запас воды, не допуская ее испарения и ухудшения качества. Водозаборные скважины на поверхности в большинстве случаев могут располагаться там, где они больше всего нужны. Их поверхностное оборудование занимает мало места, что позволяет минимизировать затраты на землеотвод. Хранение больших объемов воды под землей снижает потребность в строительстве и обслуживании больших поверхностных резервуаров. Подземные пласты-коллекторы можно заполнять и в дальнейшем пополнять путем закачки воды через скважины. Для этого, как и на нефтяных месторождениях, требуется пробурить скважину для нагнетания воды в пласт. Если водоносный горизонт не экранирован, т.е. не имеет низкопроницаемых барьеров (водоупоров), препятствующих перетокам воды от дневной поверхности до уровня подземных вод, то его насыщение водой может поддерживаться за счет просачивания поверхностных вод, проникающих в нижележащую толщу из мелких поверхностных водоемов. Процесс просачивания включает распространение воды по поверхности с заполнением мелководных природных резервуаров (прудов) с последующей инфильтрацией вглубь до уровня грунтовых вод. В некоторых случаях возможно изменение русел рек для увеличения площади контакта между водой и обтекаемой поверхностью русла, что заставляет воду в большей степени просачиваться в землю и уменьшает ее поток в океан. Вода, закачиваемая в пласт-коллектор или заполняющая поверхностные резервуары, должна откуда-то браться. В лучшем случае это природная пресная вода, но, как правило, ее недостаточно для пополнения запасов в течение года. Например, в некоторых экваториальных областях с тропическим климатом имеет место зимний сезон дождей, когда выпадает огромное количество осадков, не компенсирующих, однако, недостаток воды в засушливый летний период. Более высокие широты, в субтропиках (например, на Ближнем Востоке), могут быть настолько засушливыми, что дождевые осадки вообще вряд ли можно включить в уравнение использования воды. Годовое количество выпавших осадков в этих пустынных областях может составлять долю дюйма. В других областях, например, на юге Калифорнии, переброску воды можно обеспечить по акведукам, однако потребление таким образом перебрасываемой воды ограничивается высокой стоимостью ее доставки. В каждом случае запасы водоносных горизонтов должны пополняться водой, полученной из других источников (рис. 1). На Ближнем Востоке и в других регионах некоторое количество питьевой воды получается путем опреснения, например, морской воды или слабоминерализованных подземных вод из водозаборных скважин. В дополнение к воде, перебрасываемой в южную Калифорнию по акведукам, используются также сточные воды, которые обрабатываются, фильтруются и дезинфицируются до достижения качества, отвечающего стандартам на питьевую воду, и затем закачиваются в водоносные пласты. В каждой ситуации требуется спе- 1. Подробнее о подземном хранении газа см.: Brown K, Chandler KW, Hopper JM, Thronson L, Hawkins J, Manai T, Onderka V, Wallbrecht J and Zangl G: “Intelligent Well Technology in Underground Gas Storage,” Oilfield Review 20, no. 1 (Spring 2008): 4–17. В русском переводе: К. Браун, К. У. Чандлер, Дж. М. Хоппер, Л. Тронсон, Дж. Хокинс, Т. Манаи, В. Ондерка, И. Вальбрехт и Г. Цангль: «Технология интеллектуальных скважин на подземных хранилищах газа», Нефтегазовое обозрение, том 20, № 1 (весна 2008 г.): 4–21. 21 Источники воды Подземные воды Очищенные сточные воды Поверхностное хранение Опресненная вода Подземное хранение Потребитель Поверхностный сток Рис. 1. Источники пресной воды. Хотя многие думают, что источниками пресной воды являются дожди, растаявший снег или подземные родники, для восстановления запасов воды, пригодной для использования в быту, сельском хозяйстве и промышленности, часто требуется комбинация нескольких источников. Устье скважины Типичная глубина от 60 до 900 м Природная вода Буферная зона Закачанная пресная вода Рис. 2. Буферная зона. Пузырь закачанной пресной воды окружен буферной зоной с градиентами плотности жидкости и содержания твердых частиц между закачанной и природной водой. циальный подход в отношении воды, предназначенной для пополнения запасов водоносных горизонтов. Закачиваемая или просочившаяся вода будет влиять на подземную воду, уже содержащуюся в водоносном пласте. Новая вода стремится вытеснить природную, создавая пузырь пресной воды, окруженный защитной буферной зоной смешанных вод (рис. 2). Этот буфер характеризуется градиентом плотности между природной и закачанной водой, вызванным различи22 ем химического состава и содержания растворенной твердой фазы в каждом из этих водных объемов. Как и при хранении газа, подземные пласты-коллекторы должны быть тщательно изучены в отношении неоднородности строения, граничных условий, геохимических характеристик, гидравлических свойств и качества воды. Это достигается путем гидрогеологических исследований, поверхностных и скважинных геофизических исследований, посредством бурения, эксплуатационных испытаний водоносного пласта, детального пластового мониторинга и регулярного отбора проб воды. Расчет характеристик и численное моделирование течения подземных вод позволяет пространственно оконтурить пласт, оценить темпы притока (заполнение водой) и оттока (отбор) и осуществить прогноз реакции системы на действие различных напряжений. Подземные пласты-коллекторы, добытые флюиды, заводнение, каротажные диаграммы, пробы флюидов и компьютерные модели – это понятия, которые используются не только в водном хозяйстве. Между техническими, геофизическими и геологическими концепциями, в равной степени относящимися к добыче нефти/газа и воды, существует множество общего. Действительно, история нефтегазодобычи изобилует случаями, когда на месторождении добывалось больше воды, чем углеводородов. 2 Опираясь на свой опыт измерения и описания свойств пластов и флюидов для нефтегазодобывающей отрасли, компания Schlumberger также занимается изучением и других типов коллекторов, стремясь более качественно оценивать запасы подземных вод, осуществлять их мониторинг и отслеживание. Вкладывая средства в персонал и технологии, компания Schlumberger накопила значительный опыт оценки, описания и мониторинга водоносных пластов, а также управления ресурсами подземных вод (рис. 3). За последние годы компания занималась реализацией проектов, направленных на решение проблемы водопотребления на шести континентах. Инженеры, гидрогеологи и геофизики Schlumberger часто сталкиваются с трудностями, связанными с ПХВ, управлением водными ресурсами, управлением запасами подземных вод в прибрежных зонах, мониторингом подземных вод и водными технологиями для подземных выработок и экологически чувствительных зон. В данной статье обсуждаются аспекты, влияющие на поиски источников питьевой воды, а также технологии, используемые для поддержания ее поставок. Практические примеры из ОАЭ и США прольют свет на неНефтегазовое обозрение которые уникальные проблемы, стоящие перед водохозяйственными органами, и на технологии, применяемые ими для управления этим ценным ресурсом и его сохранения. Оценка водоносных пластов Коллекторские и емкостные свойства водоносных пластов могут изменяться в широком диапазоне. Это зависит как от геологии слагающих их пород, варьирующихся от мелкозалегающих гравиев и песков до глубинных трещиноватых пород и карстов, так и от качества воды, изменяющейся от пресной до слабоминерализованной и соленой. 3 Чтобы понять и предсказать поведение подземных систем хранения и отбора воды, необходимо точно измерить и выделить многочисленные характеристики водоносного пласта. Для оценки пласта требуется многопараметрическая оценка локальных и региональных геологических, гидрогеологических и гидрологических условий. На свойства природной подземной воды влияет как порода, через которую она просачивается, так и порода, в которой она будет храниться. Гидрологи должны подробно охарактеризовать бассейн, окружающий водоносный горизонт, и региональную тектонику, под действием которой он сформировался. На основе такого описания определяются механизмы хранения и гидродинамики. Для оценки загрязнения воды необходимо анализировать химический состав не только подземных вод в целевом пласте, но и перебрасываемых вод. Все перебрасываемые воды должны соответствовать требованиям стандартов качества в отношении концентрации, источника и типа загрязняющих веществ. Они должны проверяться на содержание распространенных загрязнителей, таких как азот из стоков, содержащих удобрения, а также биологических загрязнителей, содержащихся в сельскохозяйственных отходах, ливневых и канализационных стоках. Перебрасываемые воды проверяются на совместимость с природной подземной водой и породой водоносного пласта по химическому составу. Последствия несовместимости могут быть самыми разными: от появления солевых отложений до Лето 2008 Год Приобретенная компания 2000 Westbay: разработка систем многоуровневого заканчивания, а также датчиков давления и пробоотборных зондов для подробного описания и мониторинга глубокозалегающих сложных водоносных горизонтов. 2001 Van Essen Instruments: разработка необслуживаемых устройств регистрации данных для систем мониторинга подземных вод. 2001 SaracinoKirbySnow: консультационные услуги в области совместного водопользования, хранения подземных вод и поддержания их качества. 2005 Waterloo Hydrogeologic: разработка экологического программного обеспечения для управления данными о подземных водах, их анализа, моделирования и визуализации. 2007 Missimer Groundwater Science: консультационные услуги с опытом проектирования групп скважин, модели рования подземных вод, оценки водных ресурсов и подземного хранения вод. 2007 Water Management Consultants: консультационные услуги по базовым экологическим отчетам, исследованиям воздействий иобезвоживанию горных выработок; персонал с опытом в области гидрогеологии, инженерно строительного обеспечения, гидравлики и геохимии. Рис. 3. Приобретенные компании. На рубеже веков компания Schlumberger начала реализацию программы расширения своего опыта и возможностей в области услуг по управлению водными ресурсами. Причина Следствие Неравновесное содержание карбонатов Отложение солей и связанное с этим снижение проницаемости. Введение растворенного кислорода Закупоривание изза образования метагидроксида железа. Выщелачивание рассеянных элементов, таких как мышьяк, молибден, никель и уран, внедрен ных в дестабилизированные сульфидные минералы или сорбированных на них. Катионный обмен Снижение жесткости и повышение концентрации натрия в воде. Окисление органического вещества Растворение карбонатных минералов и повышение проницаемости. Снижение минерализации Разбухание и диспергирование глин. Биологическая активность Снижение концентрации растворенного органического углерода и некоторых дезинфекционных побочных продуктов. Закупоривание изза роста водорослей. Биологически опосредованные окисли Повышение концентраций восстановленного тельновосстановительные реакции железа и марганца. Рис. 4. Потенциальное взаимодействие флюидов в системах ПХВ. Всегда необходимо проверять совместимость химических составов закачиваемой воды и воды, уже присутствующей в водоносном горизонте. Если их составы не совместимы, то это может привести к нежелательным последствиям и снизить эффективность извлечения воды во всей системе. закупоривания поровых каналов или иного ухудшения качества водоносного пласта-коллектора (рис. 4). С другой стороны, некоторые реакции могут повысить качество хранящейся воды за счет снижения концентрации органических веществ и микроорганизмов, что считается природным побочным эффектом подземного хранения воды. 2. Arnold R, Burnett DB, Elphick J, Feeley TJ III, Galbrun M, Hightower M, Jiang Z, Khan M, Lavery M, Luffey F and Verbeek P: “Managing Water—From Waste to Resource,” Oilfield Review 16, no. 2 (Summer 2004): 26–41. 3. Карст –тип рельефа, образованный путем растворения карбонатных пород. Типичными примерами карстового рельефа являются карстовые долины, пещеры и испещренные углублениями поверхности. 23 Литология по газо вому каротажу Положение регист ратора данных Заканчивание Измеренная глубина, м Пористость 0 % Проницаемость Интерпретация 40 0 мД 10 000 Проницаемость 35 Умеренная проницаемость Песок 30 Обсадная колонна из ПВХ Неэкранированная зона 25 Очень низкая проницаемость 40 Кровля водоносного горизонта Низкая проницаемость Прибор Diver 1 45 Зона 1 55 Очень низкая проницаемость Низкая проницаемость Зона 2 65 Прибор Diver 2 60 Фильтр из ПВХ Водонасыщенный пласт Умеренная проницаемость 50 70 Зона 3 75 85 Глины Подошва водоносного горизонта Обсадная колон на из ПВХ Низкопроницаемый водоупор 80 90 Рис. 5. Каротажная диаграмма водоносного пласта. На разрезе неэкранированного водоносного горизонта, типичного для ОАЭ, показан верх свободной поверхности воды (синяя линия) ниже песчаной гидропроводной ненасыщенной зоны. Данный пласт разделяется на три зоны, выделенные на литологической колонке газового каротажа (дорожка 3). Зона 1 в верхней части разреза характеризуется наилучшей комбинацией литологии, пористости и проницаемости (дорожки 3, 4 и 5 соответственно). В зоне 2 эти свойства хуже. Зона 3 (переходная зона над глинами) обладает некоторой пористостью и низкой проницаемостью. В ней происходит четкое фациальное изменение на подошве водоносного пласта. Контакт с размывом (несогласие) ниже зоны 3 отмечает кровлю глинистого слоя (зеленая линия). Эти низкопроницаемые отложения формируют водоупор, отклоняющий поток подземных вод в соседние проницаемые слои. (Сокращение: ПВХ – поливинилхлорид). 24 Пробы воды сами по себе не дают достаточно данных для оценки жизнеспособности схем хранения в водоносных пластах, и потому все более важную роль играют скважинные и поверхностные геофизические исследования высокого разрешения. Технологии оценки пластов нефтяных месторождений и водоносных горизонтов, вскрытых группами скважин, становятся все более схожими, так как методы измерения и оценки свойств пластов, разработанные для нефтегазовой отрасли, адаптируют и к оценке ресурсов подземных вод. 4 С самого начала каротаж приборами на кабеле для поиска нефти и газа был тесно связан с обнаружением воды. Действительно, петрофизика нефти и газа была основана на расчетах водонасыщенности S w по измерениям в процессе каротажа приборами на кабеле потенциала спонтанной поляризации и удельного электрического сопротивления пласта. Сначала промысловые петрофизики рассчитывали S w для определения процента порового пространства породы, занятого водой, после чего они делали вывод, что остальное пространство занято углеводородами. Раньше нефтедобыча опережала водную отрасль в отношении технологий измерений, что было вызвано, главным образом, относительно низкой рыночной стоимостью воды. Пока вода оставалась дешевой и ее было много, применение высокотехнологичных подходов в разработке ресурсов подземных вод было экономически нецелесообразным. Но это отставание постепенно сокращается по мере истощения легкодоступных запасов пресной воды и роста необходимости в альтернативных источниках водоснабжения для удовлетворения увеличивающегося спроса на воду. Базовая программа скважинных геофизических исследований для проекта группы скважин может предусматривать лишь кавернометрию, гамма-каротаж, каротаж сопротивлений, измерения вертушечным расходомером и, возможно, акустический каротаж – таков стандартный комплекс методов, применяемый большинством компаний, производящих каротаж в водозаборных скважинах. Для подробного описания водоносного горизонта требуется проНефтегазовое обозрение вести расширенный комплекс измерений. Каротажные приборы компании Schlumberger, разрабатывавшиеся исключительно для нужд нефтедобычи, все чаще используются для оценки неоднородности водоносных пластов, качества воды и подземной гидродинамики водоносных горизонтов. Для технико-экономического обоснования ПХВ привлекается широкий диапазон данных, существенная часть которых – это данные поверхностных и скважинных геофизических исследований, а оставшуюся часть получают при бурении или отборе проб (рис. 5). Для полного изучения водоносного пласта требуется знание не только его основных фильтрационно-емкостных параметров, но и геомеханических, структурных и геохимических характеристик. На основе базовых данных по литологии, стратиграфии и строению создаются модели потока подземных вод и транспорта растворенных веществ, в которые вводится подробная информация о водоносной системе, полученная из различных источников. Распределение пор по размеру, общую и эффективную пористость, объемную плотность, минералогический состав, мощность пласта и механические свойства пород можно определить по каротажным данным (рис. 6). Знание ориентации и проницаемости трещин и разломов, которые часто служат каналами для флюидов, очень важно для оценки локальной и региональной геомеханики и проектирования гидрологических испытаний и сетей мониторинга подземных вод. Тип, геометрию и ориентацию трещин помогают определить скважинные данные, такие как обеспечиваемые пластовым микросканером Fullbore Formation MicroImager FMI, объединенные с данными поверхностной сейсмосъемки и межскважинного просвечивания. Напряженное состояние в пласте можно оценить по результатам измерений треугольных вывалов (breakouts) в стволе скважины и трещин, возникающих при бурении и при пробных мини-ГРП. Другие геомеханические свойства рассчитываются по данным акустического и плотностного каротажа. Эти свойства используются для оценки и предсказания региональных и локальных напряжений в окрестЛето 2008 Функция Прибор AIT Array Induction Imager Tool Многозондовый прибор индукционного каротажа Измерение пластового удельного электрического сопротивления при пяти радиусах исследования (от 10 до 90 дюймов) с сильной фокусировкой для выделения напластования, определения глубины проникновения бурового раствора и оценки минерализации пластовой воды. CMR Измерение времен затухания колебаний свободных протонов в поровом Combinable Magnetic Resonance Tool пространстве пласта для оценки распределения пор по размерам, эффек Комбинируемый прибор тивной пористости, общей пористости и гидропроводности. ЯМРкаротажа DSI Dipole Shear Sonic Imager Прибор дипольного волнового акустического каротажа Измерение интервальных времен пробега продольных и поперечных волн и медленности волн Стоунли для определения анизотропии напряжений, геомеханических свойств, пористости, проницаемости, проводимости трещин, а также калибровки данных поверхностной сейсмосъемки. FMI Fullbore Formation MicroImager Пластовый микросканер Получение полностью ориентированных трехмерных изображений распре деления удельного электрического сопротивления или акустических свойств пласта вокруг скважины. Определение простирания и оценка падения плас тов и трещин, а также оценка текстуры пород и отложений. MDT Modular Formation Dynamics Tester Модульный динамический пластоиспытатель RST Reservoir Saturation Tool Прибор для определения насыщен ности пласта Отбор проб флюидов, измерение пластовых давлений, получение данных о проницаемости и анизотропии, миниГРП. Измерение спектра гаммаизлучения, вызванного воздействием нейтронов из источника, для определения весовых долей нескольких основных породообразующих элементов. Рис. 6. Расширенный комплекс скважинного каротажа. Каротажные приборы, ранее применявшиеся только в области добычи нефти и газа, все чаще используются для точного описания систем подземных вод. ности ствола скважины и компоновке заканчивания, а также для прогнозирования проседания или деформации, вызванной нагнетанием или закачкой воды. Гидрогеологические свойства, такие как гидропроводность, удельная гидропроводность и водовместимость, вертикальный поток, капиллярное давление и поровое давление, дают много информации о том, как подземные воды будут протекать через водоносный комплекс. 5 Не менее важно и то, что эти свойства помогают охарактеризовать перенос загрязняющих веществ. На качество подземных вод влияют концентрации химических элементов, минералогия, литология и минерализация. Чтобы измерить эти концентрации, применяются геохимические приборы (например, спектрометр гамма-излучения нейтронного захвата для элементного анализа Elemental Capture Spectroscopy ESC), оценивающие минерализацию подземных вод и измеряющие содержание породообразующих элементов, таких как кремний, кальций, железо, сера, углерод, кислород, титан и алюминий. Оценка водоносного пласта является непрерывным процессом, и с момента начала использования подземного коллектора в качестве хранилища воды необходимы мониторинг и выявление условий, способных привести к ухудшению ее качества. Мониторинг подземных вод Методики мониторинга водонасыщенных пластов существенно отличаются от применяемых для нефтяных и газовых месторождений. Мониторинг подземных вод основан на сетях недобывающих наблюдательных скважин, предназначенных исключительно для отслеживания условий в гидрогеологической системе, которые 4. Понятие «группа скважин» (well field), широко распространенное среди специалистов по подземным водам, описывает участок, на котором имеются несколько скважин (более одной) и связанные с ними трубопроводы для закачки, отбора или мониторинга подземных вод. 5. Водовместимость – интегрированная по глубине процентная доля подземных вод, которая может быть извлечена из хранилища в результате снижения давления в экранированном водоносном горизонте. Она определяется как выделившийся объем на единицу снижения гидравлического напора на единицу площади пласта. Удельная гидропроводность – это гидропроводность, деленная на вертикальную мощность водоносного слоя. Эти свойства являются мерой способности пласта отдавать воду. 25 Обсадная колонна диаметром 4 дюйма Цемент Уровень воды Фильтр диаметром 4 дюйма Гравийная набивка Кровля глин Конечная глубина Рис. 7. Конструкция типичной мониторинговой скважины. Показан ствол скважины диаметром 8½ дюйма (22 см), законченный обсадной колонной и фильтром из поливинилхлорида (ПВХ) диаметром 4 дюйма (10 см). могли бы вызвать изменения качества или количества подземных вод. Относительно малая глубина залегания большинства водоносных горизонтов обуславливает относительную дешевизну бурения таких скважин, а критическая важность мониторинга для защиты запасов воды делает их наличие абсолютно необходимым. Хотя в водозаборных скважинах также проводится мониторинг, наблюдательные скважины обеспечивают горизонтальный и вертикальный охват бассейна подземных вод, создавая трехмерную сеть для изучения представительной части всей системы. Сеть наблюдательных скважин, пробуренных вокруг одной или нескольких добывающих скважин, может выявить изменения в системе подземных вод и предупредить о надвигающейся угрозе водоносному пласту. Сети мониторинга могут предоставить базовые данные для картирова26 ния пространственного и временного распределения различных характеристик воды и помочь в выявлении кратковременных изменений потока подземных вод, вызванных закачкой, естественным заполнением и оттоком, а также отбором ее в сельскохозяйственных и промышленных целях. Кроме того, данные скважинного мониторинга позволяют осуществлять учет водопользования в реальном времени, что дает возможность следить за соблюдением водопользователем нормативных требований. Наконец, данные мониторинга подземных вод полезны для калибровки компьютерных моделей гидрогеологической системы. Типичная наблюдательная скважина представляет собой неглубокий ствол, пробуренный немного ниже требуемой глубины мониторинга конкретного интервала водоносного пласта, в который спущена вертикальная труба или обсадная колонна с щелевым фильтром (рис. 7). Труба или обсадная колонна диаметром от 1 до 4 дюймов (2,5–10 см) спускается в ствол так, чтобы секция щелевого фильтра оказалась в наблюдаемом интервале, где вокруг него создается фильтрующая набивка из окатанного гравия или сортированного песка. Остальная часть ствола изолируется цементным или бентонитовым раствором. Вода входит в обсаженный интервал скважины через фильтр и поднимается внутри обсадной колонны до тех пор, пока давление водяного столба не уравновесит давление воды в наблюдаемом интервале. Качество воды определяется путем ее периодической откачки из скважины и лабораторного химического анализа. Мониторинг давления жидкости в водоносном пласте осуществляется посредством измерения высоты водяного столба в скважине, а положение уровня воды определяется по расстоянию между верхом скважины и уровнем воды в обсаженном стволе по измерительной ленте, просто спускаемой в наблюдательную скважину. До недавнего времени данные измерений подземных вод получались вручную. Это занимало много времени и требовало выезда обученного полевого специалиста на каждую из группы скважин на дренируемом участке, площадь ко- торого могла превышать 100 км 2 (39 кв. миль). В тех районах, где доступ к наблюдательным или мониторинговым скважинам затруднялся изза сильных снегопадов, наводнений или неблагожелательно настроенных землевладельцев, сбор данных мог оказаться еще более сложным. В зависимости от ситуации данные измерений могли быть получены в лучшем случае раз в неделю или даже раз в сезон и реже, что резко уменьшало число точек для отслеживания тенденций и, в конечном счете, делало данные практически бесполезными. С развитием технологии датчиков процесс сбора данных из мониторинговых скважин стал намного проще. Один из подходов к отслеживанию изменения уровня воды в скважинах предусматривает установку датчика давления на некоторой глубине ниже поверхности водяного столба. По значениям давления, измеренным этим датчиком, вычисляется уровень воды. Раньше такие датчики были связаны проводами с поверхностным оборудованием для возможности отображения или регистрации давления. Но при этом поверхностное оборудование нуждалось в электропитании и могло стать объектом вандализма. К началу 1990-х гг. скважинная электроника продвинулась до такого уровня, что стала возможной постоянная установка в мониторинговой скважине небольшого автономного блока в составе датчиков давления и температуры, памяти для хранения данных и источника питания. Первый такой блок, известный как автоматический регистратор данных о подземных водах Diver, был разработан голландской компанией Van Essen Instruments. Приборы семейства Diver для долговременного мониторинга характеристик подземных и поверхностных вод оказались надежными и легко устанавливаемыми (рис. 8). Регистраторы данных Diver можно запрограммировать на регистрацию давления и температуры в любое заданное время, что в корне отличается от процесса ручного сбора данных. Регистраторы данных нашли применение и в управлении водоносными пластами в береговых зонах, где их используют для мониторинга солености. Граница между пресной и Нефтегазовое обозрение www.vanessen.com A Schlumberger product by Van Essen Instruments R температуру и давление, а также электропроводность. И если увязать значения электропроводности с результатами лабораторных измерений общего содержания растворенных твердых веществ, то эти значения можно использовать для отслеживания изменений солености во времени. Регистраторы данных Diver могут работать без вмешательства человека до 10 лет. Они являются экономичным средством отслеживания изменений в мониторинговых скважинах, однако данные все еще приходится собирать на месте. В большинстве базовых операций регистратор подвешивается в скважине на стальном тросе. Для извлечения данных из памяти это устройство поднимается на поверхность. Достижения в области электроники и передачи данных открывают новые возможности для сбора данных о подземных водах. Например, начал применяться кабель для передачи данных Diver, благодаря которому можно непосредственно считывать данные или получить доступ к памяти регистратора с устья скважины, исключая необходимость поднимать регистратор на поверхность. Но еще большую гибкость в сборе и управлении данными по группе скважин обеспечивает система управления данными DiverNETZ, предназначенная для сетей мониторинга подземных вод (рис. 9). Радиус действия беспроводного канала этой системы достигает 150 м (490 футов), и полевые техники могут найти и Традиционный сбор данных: выезд на каждую скважину Система сбора данных Diver*NETZ: получение данных с нескольких скважин Рис. 8. Регистратор данных CTD-Diver. Этот компактный датчик длиной всего 183 мм (7,2 дюйма) подвешивается в мониторинговой скважине и регистрирует давление, температуру и электропроводность воды. Передатчик Diver Регистратор Diver соленой морской водой в таких пластах находится в состоянии динамического равновесия, перемещаясь в зависимости от увеличения или уменьшения объема закачки воды на суше, приливно-отливных явлений, штормов или изменения атмосферного давления. Это перемещение происходит относительно медленно, и до того, как в местных водяных скважинах будет отмечено повышение солености, может пройти много времени. Для выявления наступления соленой воды обычно требуется плотная сеть мониторинга и другой тип регистраторов данных. Автоматический же регистратор CTD-Diver измеряет Лето 2008 Ручной приемник Рис. 9. Беспроводной сбор данных. Система Diver-NETZ позволяет техникам быстро получить точные данные о подземных водах без необходимости выезжать на каждую скважину. 27 извлечь данные, не подходя к каждой скважине. Теперь не надо преодолевать препятствия на площадках скважин, получать разрешение на проход на огороженные частные территории, перемещаться по крутым склонам и Пакер Измерительное отверстие Отверстие для закачки Зонд пробо отборника Контейнер пробо отборника Герметичные соединения Рис.10. Технология многоуровневого мониторинга. Система заканчивания Westbay позволяет осуществлять мониторинг температуры и давления жидкости, отбирать пробы и закачивать, либо откачивать жидкости для испытания на гидропроводность в нескольких зонах одной скважины. 28 пересекать реки, что повышает безопасность при одновременном ускорении процесса сбора данных. В 2007 г. компания Schlumberger осуществила пробный проект DiverNETZ совместно с властями города Гуэлф, провинция Онтарио, Канада. Испытательный участок площадью свыше 150 км 2 (58 кв. миль) охватывал 16 скважин на 12 объектах. До этого проекта городским техникам приходилось вручную собирать данные о подземных водах, выезжая на каждую скважину, открывая ее, опуская измеритель уровня воды и записывая его показания. Система Diver-NETZ оказалась на 70% эффективней ручного метода. Вместо поездки двух человек для сбора данных продолжительностью 75 часов оказалось достаточно одной 4-часовой поездки одного человека. Новая программа сбора данных позволила резко снизить затраты на один отсчет с 10 канадских долларов до 25 канадских центов. В то же время объем собираемых за месяц данных возрос с 300 до 3 000 отсчетов. Этот подход позволил остаться в рамках городских законов, не превышая бюджета. Хотя регистраторы данных доказали свою простоту и эффективность при мониторинге подземных вод, для испытания отдельных зон в скважине требуется другой подход. Последние 30 лет геологи и геофизики, нуждавшиеся в технологиях высокоразрешающего мониторинга подземных вод, применяли системы, позволявшие следить за гидрогеологическими условиями в нескольких точках в скважине. 6 Одна из первых таких коммерческих технологий была разработана компанией Westbay Instruments из Ванкувера, провинция Британская Колумбия, Канада, позднее приобретенной компанией Schlumberger. Изначально предназначенная для мониторинга порового давления на оползнеопасных участках, она достаточно быстро нашла применение и для решения других инженерно-геологических и строительных задач, таких как описание геологических хранилищ, отслеживание загрязнения подземных вод и, в конечном счете, общее управление использованием ресурсов подземных вод. Многоуровневая система описания и мониторинга подземных вод Westbay частично основана на технологии, используемой на нефтяных месторождениях. Специалистам по подземным водам давно известно, что даже небольшие изменения давления могут повлиять на химический состав проб флюида, отобранных в скважине. Кроме того, они желали предотвратить смешивание проб, взятых на разных глубинах. Эти проблемы решаются с помощью нефтепромысловых приборов, спускаемых на кабеле, таких как пластоиспытатель многократного действия Repeat Formation Tester RFT, и разработчики системы Westbay приняли аналогичный подход для отбора проб подземных вод. Данная система мониторинга отбирает пробы и проводит измерения в нескольких отдельных точках одной скважины. В системе Westbay используется модульный корпус, пакеры, муфты с отверстиями и другие компоненты, необходимые для поддержания целостности ствола при сохранении возможности разобщения многочисленных зон для испытаний и мониторинга .7 Корпус системы уплотнен по всей длине, что исключает переток воды вниз и вверх внутри него, а надувные пакеры снаружи корпуса разобщают ствол на несколько испытываемых и контролируемых зон и предотвращают перемещение воды по кольцевому пространству (рис. 10). Внутри корпуса системы Westbay имеются специальные зонды, спускаемые на кабеле, которые способны находить скважинные клапаны и управлять ими для открытия доступа пластовым флюидам в зоны между пакерами. Эти зонды также выполняют множество других функций, например, надувают и сдувают пакеры, измеряют температуру и давление воды, отбирают пробы на месте и выполняют гидравлические и другие специальные испытания. Специальный пробоотборный зонд способен отбирать и сохранять отдельные пробы флюидов при пластовом давлении с минимальным их нарушением и без повторной промывки. Узлы корпуса системы Westbay обычно изготавливаются из поливинилхлорида или полиуретана, пригодных для большинства гидрогеологических условий; но они также Нефтегазовое обозрение Сбор и ввод данных Визуализация поверхности • Управление информацией • Картирование Интерпретация каротажных данных • База данных географической • Интерпретация данных • Корреляция по скважинам информационной системы электромагнитной съемки • Параметры пласта Анализ данных • Фациальное моделирование • Моделирование разломов • Моделирование трещин • Анализ результатов гидро динамических исследований Калибровка • Настройка модели • Представление после обработки Анализ неопределенностей • Процессы апскейлинга • Ввод параметров водоносного пласта Трехмерное моделирование течения и массопереноса Концептуальная модель • Условия с постоянной и переменной насыщенностью • Трехмерная геологическая модель • Моделирование в зависимости от плотности • Концептуальная гидрогеологическая модель • Геомеханика Рис.11. Сетевой график проекта хранения подземных вод. Сетевой график Hydro GeoAnalyst связывает приложения для описания подземных вод с аналогичными приложениями, используемыми в нефтегазовой отрасли. могут быть сделаны из стали для условий высокого давления и температуры. Компании, использующие подземные воды, постепенно признают ценность вертикальных профилей давления и химического состава, получаемых по существенно большему количеству точек – от 30 до 40 в интервале 120 м (390 футов), – чем регламентировалось прежними стандартами. Этот тип данных высокого разрешения за длительный период играет важную роль в новейших программных комплексах для моделирования и интерпретации, используемых в управлении ресурсами подземных вод. Построение общей картины Чтобы отслеживать изменяющиеся условия в водоносном пласте, необходимы не только самые последние мониторинговые данные, но и статические и динамические модели самого подземного резервуара. Для определения рисков, связанных с такими изменениями, требуется глубокое знание пласта, включающее его гидропроводность, водовместимость, эффективную пористость, направление потока подземных вод и другие аспекты его гидрогеологического режима. Все это обеспечивается путем обработки данных скважинного мониторинга и Лето 2008 проб воды с помощью моделирующих программ, которые помогают гидрогеологам определить характеристики притока, оттока и степени заполнения водоносного пласта. Как и в случаях с некоторыми другими средствами, описанными выше, для моделирования поведения систем подземных вод было адаптировано программное обеспечение для анализа разработки нефтяных и газовых коллекторов. Наилучшее управление бесчисленным множеством процессов и анализов, необходимых для оценки водоносного пласта, достигается с помощью систематизированного сетевого графика. 8 Специалисты по водным ресурсам компании Schlumberger разработали сетевые графики, связывающие существующее программное обеспечение, применяемое для подземных вод, с нефтегазовыми приложениями. Проектный сетевой график Hydro GeoAnalyst помогает группам 6. Ellis D, Engelman B, Fruchter J, Shipp B, Jensen R, Lewis R, Scott H and Trent S: “Environmental Applications of Oilfield Technology,” Oilfield Review 8, no. 3 (Autumn 1996): 44–57. 7. Одна из компаний установила в скважине 60 надувных пакеров; единственным фактором, ограничивающим число пакеров в системе Westbay, является длина обсадной колонны. Самая большая глубина установки этой системы на сегодняшний день составляет 1 270 м (4 167 по ресурсам строить и оценивать гидрологические модели и их имитации практически в реальном времени. Такой сетевой график позволяет гидрогеологам, гидрохимикам, геологам и менеджерам водных ресурсов обмениваться данными, усиливая междисциплинарное взаимодействие. При этом каротажные и другие промысловые данные объединяются с данными моделирования, чтобы проверять правильность корреляций и интерпретации. Интерактивные трехмерные изображения и средства просмотра разрезов дают возможность визуализировать взаимосвязи между геологией и гидрогеологией, а трехмерная анимация потоков подземных вод дает дополнительную информацию и является инструментом для изучения различных вариантов эксплуатации (рис. 11). С помощью систем моделирования по сейсмическим данным Petrel футов), что по большинству стандартов для таких систем считается большой глубиной. 8. Herrmann R, Pearce M, Burgess K and Priestley A: “Integrated Aquifer Characterization and Numerical Simulation for Aquifer Recharge and Storage at Marco Lakes, Florida,” in Hydrology: Science & Practice for the 21st Century, Proceedings of the British Hydrological Society International Conference, Vol. 1. London: British Hydrological Society (2004): 276–283. 29 топливные загрязнения, и химические реакции, протекающие по мере их продвижения через систему. Кроме того, эта программа моделирует физические свойства: направленную проницаемость, гравитационное разделение фаз, двойную пористость и двойную проницаемость. Ниже приведены практические примеры, иллюстрирующие применение этих технологий для нефтяных и водонасыщенных пластов. 20 млн англ. галл. Рис.12. Сравнение проектов ПХВ и хранения воды на поверхности. Сравнение наземного хранения питьевой воды в резервуарах и ее подземного хранения в водоносном пласте показывает, что последнее обладает явными преимуществами. Если в пласте хранится 4 млрд англ. галл. воды, то для хранения такого объема на поверхности потребуется 200 резервуаров емкостью 20 млн англ. галл. каждый. Эти резервуары (черные кольца, составляющие прямоугольник) могут занимать площадь 1,5 × 3 км (0,9 × 1,9 мили) и оказывать существенное негативное влияние на окружающую среду. Однако надо учитывать, что количество пресной воды, хранящейся под землей (красный овал), по объему эквивалентное вместимости 200 наземных резервуаров, вызывает изменения давления во время закачки и отбора воды на большей площади (зеленый овал). можно импортировать каротажные диаграммы, данные поверхностных измерений удельного электрического сопротивления (электромагнитные измерения во временнóй области) и данные поверхностных сейсмических исследований и использовать эту информацию для построения детальных трехмерных моделей водоносного пласта. Эта модель может быть в дальнейшем уточнена с использованием входных данных трехмерных геофизических исследований на поверхности, геологических карт, фациальных моделей, сейсмических параметров и геостатистических моделей. Чтобы понять закономерности течения и массопереноса в очень сложных ус30 ловиях, модель водоносного пласта импортируется из Petrel в программу пластового моделирования ECLIPSE. Программа ECLIPSE обладает целым набором инструментов для оценки производительности скважин, которые ранее были недоступны для гидрогеологии, и может учитывать специальные условия, такие как эффекты плотности для моделирования поведения пластов с соленой водой, проникновение соленой воды в береговые структуры или неэкранированность пластов со свободной поверхностью воды, проникновение ливневых вод и поверхностных речных стоков. Она также может моделировать неводные жидкие фазы, такие как нефтяные и Подземное хранение вод в водоносных пластах в засушливых районах Климат оказывает значительное влияние на водоснабжение в любой стране. В частности, засушливый климат, характеризующийся малым количеством осадков и высоким темпом испарения влаги, может затруднить бытовую, сельскохозяйственную и промышленную деятельность. Эмират Абу-Даби, ОАЭ, уже давно сталкивается с проблемами, создаваемыми климатом, и сегодня он испытывает все бóльшую потребность в воде в связи с ростом экономики и численности населения. Истощение невозобновляемых водоносных пластов или пластов, восстановление запасов воды в которых происходит медленно, заставило этот эмират и большинство стран, входящих в Совет сотрудничества арабских государств Персидского залива, перейти на опреснение как основной источник получения хозяйственнобытовой воды. Было высказано мнение, что наилучшим долгосрочным решением проблемы регионального водоснабжения является создание сети крупных опреснительных заводов. Однако в Абу-Даби столкнулись с одной трудностью: эти заводы оказались уязвимыми перед загрязнениями и другими стихийными бедствиями, что не позволяет исключить риск их аварийных остановок. Но в случаях продолжительных остановок поставок воды может не хватить для покрытия существующих потребностей. Кроме того, опреснительные заводы производят практически неизменное количество воды, в то время как потребность в ней значительно увеличилась в связи с быстрым развитием различных секторов экономики и ростом численности населения. Чтобы обеспечить стратегический запас воды на случай Нефтегазовое обозрение чрезвычайных ситуаций, было предложено реализовать проект ПХВ по созданию запаса пресной воды объемом 30 млрд англ. галл. (136 382 756 м 3). Технологии опреснения и ПХВ в этом засушливом регионе дополняют друг друга. Свыше 90% пресной воды, поставляемой для бытовых нужд в Абу-Даби, производится путем опреснения морской или слабоминерализованной подземной воды. Избыток воды с опреснительных заводов можно отправить на хранение для использования в будущем, и для этого хорошо подходят мелкозалегающие водоносные пласты в данном регионе. В районах с засушливым климатом хранение воды в природных водоносных горизонтах является привлекательной альтернативой хранению в поверхностных водохранилищах, озерах и резервуарах (рис. 12). По сравнению с методами поверхностного хранения, проекты ПХВ характеризуются значительно меньшей стоимостью строительства и меньшими вероятными отрицательными последствиями для окружающей среды, такими как потери поверхностных вод на испарение, эвтрофикация и возможность катастрофического разрушения дамб и разлива удерживаемых ими водохранилищ. 9 А минимальная площадь, занимаемая объектами ПХВ на поверхности, не дает правильного представления об объеме хранения, который может достигать миллиардов галлонов (рис. 13). Этот подход может помочь достичь стратегической цели создания 180суточного запаса пресной воды для основных городов эмирата – Аль-Айн и Абу-Даби – на случай непредвиденных проблем с производством воды на опреснительных заводах. 10 Такой план предусматривает использование водоносных пластов в восточной части эмирата Абу-Даби для закачки в них пресной воды с опреснительно- 9. Эвтрофикация – процесс, при котором стоки отходов животноводства, удобрений или канализационных отходов повышают питательность водной среды, вызывая чрезмерное разрастание флоры. Последующее разложение растений приводит к снижению содержания кислорода в воде и гибели водных организмов. 10. Bradley CC, Ali MY, Shawky I, Lavannier A and Dawoud MA: “Microgravity Investigation of an Aquifer Storage and Recovery Site in Abu Dhabi,” First Break 25 (November 2007): 63–69. Лето 2008 го завода в населенном пункте Кидфа (Qidfa) в эмирате Фуджейра (рис. 14). Закачка опресненной воды в водоносный комплекс будет осуществляться примерно 200 дней в году, после чего ее можно будет отбирать для увеличения поставок воды в летний сезон и другие периоды пикового потребления. В случае сбоя водоснабжения или необходимости обеспечить дополнительные объемы воды для удовлетворения пикового спроса этот объект ПХВ сможет работать с производительностью 20 млн англ. галл. в сутки (90 992 м 3/сутки) при возможности ее повышения до 100 млн. англ. галл. в сутки (454 609 м 3/сутки). Компания Schlumberger провела исследование потенциала системы ПХВ, инициированное правительством Абу-Даби и контролируемое Управлением охраны окружающей среды этого эмирата (Environment Agency—Abu Dhabi – EAD). На начальном этапе определялась площадка ПХВ, для чего требовался анализ геологической и гидрогеологической информации: литологических, каротажных и сейсмических данных, данных о распределении качестве воды и обзорных карт. Все эти данные были объединены в географической информационной системе (ГИС) и базах данных Hydro Manager, после чего с помощью программ гидрогеологического моделирования Petrel и ECLIPSE строились трехмерные гидрогеологические модели. Специалисты компании Schlumberger по водоснабжению в сотрудничестве с EAD провели совместные работы по определению положения и первичному испытанию потенциальных площадок. Они установили зону хранения, мощность пласта и связанные с ним гидравлические параметры, после чего провели испытания пластов-кандидатов. Рабочая группа классифицировала все потенциальные площадки ПХВ для оптимизации выбора. Для площадок с наивысшим приоритетом были разработаны стратегии разведочного бурения и пробурены скважины, в которых затем проводился комплекс каротажных исследований с использованием, в том числе, аппаратного комплекса для каротажа приборами на кабеле Platform Express, приборов CMR и FMI и зонда ECS. Рис.13. Поверхностное оборудование объекта ПХВ. Площадь, занимаемая участком закачки в Абу-Даби практически ничего не говорит об объеме воды, хранящейся под землей. Эта установка двойного назначения позволяет закачивать (с правой стороны) и отбирать воду с помощью погружного насоса (труба большего размера слева). Данное устье – одно из двух, использовавшихся для пробного испытания ПХВ. Для закачки примерно 30 млн англ. галл. (136 383 м3), что составляет почти полтора объема крупноразмерного поверхностного резервуара, потребовалась лишь одна скважина. После освоения каждой скважины на площади проекта в них устанавливались регистраторы данных Diver для непрерывного мониторинга уровня воды, электропроводности и температуры, что обеспечило надежную регистрацию изменений, вызванных закачкой воды или пробной откачкой. Полученные данные анализировались с помощью программы Saphir компании KAPPA Engineering и графической аналитической программы AquiferTest Pro для получения оценки фильтрационных параметров водоносного пласта. Результаты этого начального этапа позволили специалистам проекта ПХВ выбрать участок пласта с требуемыми для хранения воды характеристиками. Пробная площадка находится на северо-востоке эмирата к юго-западу от местечка Швайб (Shwaib) на западной стороне северной части Оманских гор. Ее площадь составляет примерно 4 км 2 (1,5 кв. мили), а рельеф представляет собой дюны, сложенные рыхлыми кварцевыми песками, ниже которых залегает ненасыщенная зона мощностью 50 м (164 фута), подстилаемая 25-метровым (82-футовым) водонасыщенным пластом. Этот пласт сложен четвертичными рыхлыми эоловыми и речными песками, пылеватыми глинами и известко31 КАТ АР Шарджа Доха Опреснительный завод в Кидфе Дубаи АбуДаби Площадка ПХВ в Швайбе АльАйн О Б ЪЕ Д И Н Е Н Н Ы Е А Р А Б С К И Е Э М И Р А Т Ы САУДОВСКАЯ А Р А В И Я 0 0 км ОМАН Север 75 мили 75 Рис.14. Площадка ПХВ в Швайбе. Пресная вода для закачки на площадке ПХВ в Швайбе (к северу от города-оазиса Аль-Айна) поступает с опреснительного завода в Кидфе по 170-километровому (105-мильному) двойному трубопроводу (голубая линия), переходящему через горный хребет высотой более 800 м (2 625 футов). Данная площадка расположена выми материалами, отложившимися в палеоруслах, врезавшихся в миоценовые аргиллиты. Он разделен надвигом, простирающимся с севера на юг, на два блока: верхнюю ненасыщенную (вадозную) зону и нижнюю водонасыщенную зону. 11 Ниже залегают мелкозернистые миоценовые осадки свиты Фарс (Fars), подразделяющейся на верхнюю и нижнюю подсвиты. Верхний Фарс сложен преимущественно аргиллитами и переслаивающимися доломитовыми мергелями, известняками и алевролитами, а Нижний Фарс преимущественно аргиллитами и эвапоритами. 12 EAD контролировало технические аспекты данного проекта, относившиеся к гидрогеологии и геологическому 32 на западной стороне Оманского хребта, рядом с областями, где питание пластов с относительно пресной водой происходит за счет редких дождей. Эти запасы помогут удовлетворить будущие потребности Абу-Даби и АльАйна в пресной воде. строению площадки. Это исследование предусматривало закачку опресненной воды в мелкозалегающий пласт для изучения течения и перемешивания воды в нем с последующей ее откачкой и испытанием сразу после откачки (рис. 15). С целью дальнейшего изучения пласта, определения влияния надвига и проверки применимости гравиметрических методов для выделения границ коллектора были проведены микрогравиметрические и поверхностные электромагнитные съемки. На этом этапе было пробурено две скважины для ПХВ, дополнивших несколько уже имевшихся на площадке проекта мониторинговых скважин. Испытание проводилось с использо- ванием циклов закачки-хранения-отбора с периодом хранения 30 суток, чтобы можно было оценить потенциальные гидрохимические взаимодействия, провести расширенный химический анализ воды и облегчить сбор данных мониторинга с окружающих скважин во время циклов (рис. 16). В проекте применялось следующее программное обеспечение: комплекс программ геологического моделирования Petrel, комплекс программ динамического моделирования подземных вод ECLIPSE-H2O, система управления, анализа и отчетности для анализа качества воды AquaChem и комплекс программ для прогнозирования совместимости воды по химическому составу PHREEQC. 13 Система управлеНефтегазовое обозрение ния информацией Hydro GeoAnalyst и программное обеспечение Hydro Manager обеспечили полное управление данными о подземных водах и скважинными данными, их анализ и визуализацию. Поскольку ПХВ – надежный подход к созданию долгосрочных запасов воды и управлению ими, он требует исключительных управленческих стратегий, подкрепленных современными технологиями описания водоносных пластов и техническим опытом. Сложности с точным описанием пласта, качеством воды и наличием требуемой инфраструктуры до недавнего времени ограничивали использование ПХВ. В данном проекте была проверена и подтверждена жизнеспособность ПХВ как экономически эффективной и надежной альтернативы поверхностному хранению воды. Эффективность этого объекта ПХВ составила 88%, а проект показал возможность успешного хранения в нем 4 млрд англ. галл. (18 184 367 м 3) воды. Результаты исследования станут основой для разработки модели водоносного пласта, улучшения плана испытания ПХВ и уточнения прогнозных эксплуатационных характеристик ПХВ в этом регионе. Такая схема ПХВ также является важной составляющей в создании здесь стратегических запасов воды. Правительство Абу-Даби приняло концепцию ПХВ в качестве решения для хранения стратегического и сезонного запаса пресной воды. Бассейн подземных вод реки Мохаве Совершенно иной подход к питанию водоносного комплекса был продемонстрирован на бассейне подземных 11. Ненасыщенная зона, также называемая вадозной, – это обычно интервал между земной поверхностью и верхним уровнем свободной поверхности грунтовых вод. Поры в этой зоне содержат и воду, и воздух. Поры в насыщенной зоне практически всегда заполнены водой. 12. Bradley et al, сноска 10. 13. PHREEQC – компьютерная программа, разработанная Геологической службой США для моделирования химического состава, реакций в непроточных системах, одномерного транспорта растворенных веществ и обратных геохимических расчетов. Подробнее о данной программе см.: http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/ phreeqc/ (данные на 29 апреля 2008 г.). Лето 2008 Рис.15. Вода, вышедшая при пробном отборе. Пресная вода, извлеченная при пробном испытании на объекте ПХВ, перекачивалась на расстояние свыше 2 км (1,2 мили) и попадала в понижение между дюнами. Эта вода просачивалась примерно на 30 м (98 футов) вертикально вниз обратно в пласт. Мониторинг процесса осуществлялся через соседнюю наблюдательную скважину. вод реки Мохаве (Mojave), находящемся под пустыней Мохаве в южной Калифорнии. Близость этого бассейна к высокоурбанизованному региону вокруг Лос-Анджелеса привела к повышенной потребности в его воде. Постоянный поток в реке Мохаве, являющейся главным источником поверхностных вод в регионе, занимает лишь малую часть ее русла, которое большую часть времени остается сухим и заполняется лишь в короткие периоды сильных дождей. Одной из организаций, управляющих использованием вод этого бас- сейна, является Водохозяйственное управление Мохаве (Mojave Water Agency – MWA), которое, будучи подрядчиком штата, совместно с другими водными хозяйствами Калифорнии, отвечает за управление использованием водных ресурсов региона, обеспечивая стабильное водоснабжение для текущих и будущих целей. План MWA по управлению региональными водными ресурсами предусматривает стабилизацию снижающихся уровней подземных вод и обеспечение достаточного водоснабжения для растущего населения. Эта программа 33 Высокое Нагнетательная/откачивающая скважина для ПХВ 5 5 0 ,4 5 0 ,3 5 0 ,2 0 ,1 5 Нагнетательная скважина для ПХВ Давление 0 ,5 Соленость Соленая вода Пресная вода Низкое Мониторинговая скважина Севе р Север Соленая вода Давление Соленость Высокое Пресная вода Низкое Рис.16. Режим водоносного горизонта на разных этапах испытания. На плане этапа хранения (слева вверху на рис.) показан пузырь закачанной опресненной воды (синяя область) и буферная зона (переход от зеленого к желтому и оранжевому цвету), окруженная исходной соленой водой в пласте (красная область). Синяя зона изображает пузырь пресной воды для извлечения. На разрезе (слева внизу на рис.) показаны нагнетательные (красные линии) и мониторинговые (зеленые линии) скважины для ПХВ, вскрывшие регионального восполнения запасов и отбора воды (regional recharge and recovery – R 3) играет основную роль в долгосрочной стратегии MWA по управлению водными ресурсами. 14 Реализация проекта R 3 позволит местным поставщикам воды использовать перебрасываемую из других местностей воду для пополнения запасов подземных вод в этом пустынном районе южной Калифорнии. Данный проект предусматривает использование воды, перебрасываемой из северных районов штата по системе каналов, акведуков и трубопроводов, оператором которых является Проект водоснабжения штата Калифорния (California’s State Water Project), представляющий собой крупнейшую 34 Севе р Скважина для ПХВ Мониторинговая скважина неэкранированную зону (серая область) до входа в водоносный горизонт. Пузырь пресной воды (синяя область) окружен соленой водой (красная область). На трехмерном изображении (справа вверху на рис.) показан купол пресной воды, возникший на этапе закачки, на месте которого во время откачки сформировалась депрессионная воронка (справа внизу на рис.). Для закачки и отбора воды во время данного испытания использовалась лишь одна скважина. в стране государственную водопроводную систему. Эта перебрасываемая вода будет распределяться по высокогидропроводным (проницаемым) отложениям поймы реки Мохаве, где эта вода просочится в подземный водоносный комплекс реки. В периоды повышенного спроса MWA будет извлекать воду через несколько восполняющих скважин проекта R 3 и направлять ее через надежную водопроводную систему местным поставщикам воды. Ключевой этап программы R 3 состоит в строительстве объектов добычи и поставки подземных вод ниже по уклону от зоны питания поверхностных вод. Исходя из масштаба и сложности данного проекта, MWA сочло необхо- димым разработать высококачественные прогнозные модели для оценки различных схем системы питания и отбора воды или проверки альтернативных эксплуатационных вариантов. Результирующие модели охватывают верхнюю часть бассейна реки Мохаве, саму реку и поверхностные питающие объекты. Концептуальная гидрогеологическая модель включает подробное описание локальных структурных и гидростра- 14. Will RA, Yeh M, Eckhart L, Slade RC and Williamson MS: “Numerical Modeling of a Complex Regional Aquifer Recharge and Recovery System (R3) in the Upper Mojave River Basin, California,” (abstract) http://ngwa.confex.com/ ngwa/expo07/techprogram/P4712.HTM (данные на 19 мая, 2008 г.). Нефтегазовое обозрение тиграфических особенностей, выделенных по данным, полученным MWA и другими управлениями. Эта трехмерная гидрогеологическая модель разделена на зоны, представляющие слои, выделенные по геологическим и геофизическим данным (рис. 17). Нестационарная модель течения обеспечивает точное представление реки Мохаве. Хотя река не является единственным ключевым гидрологическим элементом модели, она создает серьезные трудности для нестационарного моделирования, связанные с длительными периодами низкого уровня воды в сухие сезоны и эпизодическими наводнениями зимой. Значения интенсивности инфильтрационного заполнения реки Мохаве были введены в модель, разработанную компанией Schlumberger (рис. 18). Эта модель помогает MWA в изучении ливневых наводнений и взаимодействия подземных вод в ненасыщенной зоне. Калиброванные модели позволяют инженерам-строителям, гидрогеологам и городским планировщикам рассматривать альтернативные варианты системы R 3 для изучения возможных изменений в расположении контура или поверхности питания пласта и продолжительности восполнения его запасов, а также для анализа расположения, конструкции и графика отбора для водозаборных скважин. Ограничивающие факторы включают стоимость инфраструктуры, защиту береговых районов и исчезающих видов фауны, а также влияние на качество воды, на существующие городские объекты водозабора и на потребителей ниже по течению реки. С готовой инфраструктурой проект R 3 сможет обеспечить очистку и хранение 40 000 акро-футов или 13 млрд галл. США (49 млн м 3 ) перебрасываемой воды ежегодно. Инициативы в области подземных вод Свыше 60% населения планеты живет в прибрежных регионах. Эта доля населения ежедневно увеличивается и, по некоторым оценкам, может вырасти до 75%. В результате ресурсы подземных вод в ряде населенных районов побережья выказывают признаки чрезмерного использования. Последствия этого иногда проявляются в ухудшении качества вод, отбираемых из соседних водоносных горизонтов, когда понижение уровня грунтовых вод открывает пути для проникновения морской воды и загрязнения ею подземных пресных вод. Откачка воды из прибрежных водоносных пластов приводит к возникновению депрессий в водоносных пластах прибрежной зоны. Если между водоносным горизонтом и берегом нет непроницаемого барьера, то откачка чрезмерного количества воды из плас- Геологические единицы Поверхностные отложения Пачка 1 2 080 000 2 040 000 Ос ьY Пачка 2 Пачка 3 2 000 000 Пачка 4 Пачка 5 Пачка 6 Коренные породы 1 960 000 8 000 Ось Z 6 000 4 000 2 000 Север 0 6 680 000 6 720 000 6 800 000 6 760 000 6 840 000 6 880 000 6 920 000 Ось Х Рис.17. Гидрогеологическая модель. Ортогональное сечение, построенное по цифровым высотным данным, полученным со спутника, показывает бассейн верхнего течения реки Мохаве, штат Калифорния, США. Русло в середине изображения описывает плавную s-образную кривую в аллювиальных отложениях водораздела от прилегающих Лето 2008 гор. Поперечный разрез, полученный по каротажным данным, разделен на основные гидростратиграфические горизонты и отображает главный водоносный пласт (желтая область), коренные породы и горы (фиолетовая область). Эта модель является отправной точкой для последующего нестационарного моделирования. 35 1 Гидропроводность K, фут/сутки 1 000 –0,001 Север 6 680 000 6 720 000 6 760 000 6 800 000 6 840 000 6 880 000 6 920 000 Ось Х Рис.18. Распределение гидропроводности. Эта карта водоносных объектов разделена на подземный пласт речной поймы и региональный водоносный горизонт. Первый из них (оранжевая область) сложен гидропроводными песками и гравиями, отложившимися геологически позднее, когда уровень воды в реке был выше. Не удивительно, что пойма описывает такую же плавную s-образную кривую, что и на предыдущем рисунке. Цвет этой кривой изменяется от оранжевого до желтого в соответствии с уменьшением гидропроводности. Оценки гидропроводности по различным источникам подверглись трехмерной интерполяции с использованием детерминистских и стохастических методов. Сегодня река течет, в основном, под землей. Уровень грунтовых вод в более широкой части оранжевой области находится близко к дневной поверхности. та оказывается причиной проникновения в него морской воды, и этот процесс создает угрозу водоснабжению. Схожая картина наблюдается и в нефтяных и газовых скважинах. Извлечение избыточного объема нефти или газа может привести к образованию конуса подземных вод, что негативно повлияет на добычу углеводородов. Население прибрежных районов ждет решения этой проблемы. Водохозяйственные управления округов Лос-Анджелес и Ориндж, Калифорния, США, используют схожие с ПХВ концепции для защиты от наступления морской воды. 15 В результате многолетнего интенсивного отбора воды для нужд местного сельского хозяйства уровень подземных вод стал ниже уровня моря, и морская вода из Тихого океана проникла на 5 миль (8 км) вглубь 36 суши. Для остановки ее дальнейшего продвижения Водохозяйственное управление округа Ориндж (Orange County Water District) разработало программу искусственного пополнения запасов подземных вод для создания подземного гидравлического барьера. Смесь регенерированной воды, состоящей из 5 млн галл. США (18 927 м 3) воды, подвергшейся обратноосмотической обработке, 9 млн галл. США (34 000 м 3) воды, очищенной путем адсорбции активированным углем, и 8,6 млн галл. США (32 555 м 3) воды из глубокой скважины, ежедневно проходит очистку до достижения показателей, отвечающих строгим требованиям стандартов штата для питьевой воды. Закачка этой воды в береговые водоносные горизонты осуществляется через 23 многоуровневые нагнетательные скважины, удаленные на 4 км (6,4 мили) от берега вглубь суши. Разность плотностей пресной и соленой воды играет положительную роль, поскольку закачиваемая «новая» вода создает под землей пресноводную буферную зону. Эта буферная зона, также называемая куполом пресной воды, не пускает соленую воду к городским водозаборным скважинам. Результаты закачки отслеживаются с помощью мониторинговых скважин. Имея нужные инструменты и технологии, очень важно обратить внимание и на другие аспекты проблемы пресной воды. Недостаток и загрязнение воды во многих случаях являются социальными проблемами, которые можно решить отчасти путем изменения спроса на воду и совершенствования ее использования. Одним из путей к этой цели, хотя и не таким простым, как может показаться на первый взгляд, является информирование и просвещение населения. Компания Schlumberger тоже работает в этом направлении. В 1998 г. компания Schlumberger начала реализацию Программы передачи передового опыта в просвещении населения (Schlumberger Excellence in Educational Development – SEED), в рамках которой нынешние и бывшие сотрудники компании и их супруги передают свой опыт молодому поколению учащихся. Эта глобальная некоммерческая образовательная программа предоставляет доступ к знаниям и технологическим ресурсам учащимся в возрасте от 10 до 18 лет и их преподавателям в микрорайонах, в которых проживает и работает персонал компании Schlumberger. Программа SEED предусматривает проведение различных мероприятий на основе реальных проектов, практических научно-образовательных семинаров и совместных международных проектов, 15. Подробнее о программе очистки воды и искусственного пополнения запасов подземных вод в округе Ориндж см. в обсуждении Water Factory 21: http://www.ocwd.com/_html/wf21.htm (данные на 29 апреля 2008 г.). 16. Дополнительную информацию об этих организациях см. в интернете. Подробнее об инициативах SEED см.: http://www.seed.slb.com/. Интернет-сайт MIT Media Lab: http://learning. media.mit.edu/ (данные на 29 апреля 2008 г.). Нефтегазовое обозрение обычно посвященных глобальным вопросам, таким как вода, изменение климата и альтернативные источники энергии. Следуя инициативам ООН в отношении пресной воды, компания Schlumberger запустила Водный проект SEED (SEED Water Project), чтобы развить мировоззрение, информированность и умения учащихся и преподавателей, важные для изучения качества и доступности воды, поддержания и повышения качества водных ресурсов в своем регионе и обмена данными и идеями с другими участниками. На семинарах, проводимых волонтерами SEED, слушатели узнают об источниках воды и региональной водосборной площади, учатся проводить точное определение качества воды и изучают роль воды в различных культурных контекстах (рис. 19). Волонтеры SEED побуждают слушателей к изучению состояния местных источников воды, используя недорогие комплекты оборудования для определения качества воды. Эти комплекты, предоставляемые в рамках проекта SEED, позволяют слушателям анализировать пробы местной воды на рН, концентрацию растворенного кислорода, биохимическую потребность в кислороде, температуру, мутность и содержание нитратов, фосфатов и колиформных бактерий. Школы SEED также имеют возможность выклады вать данные на интернет-сайте, служащем площадкой для сравнения данных и обсуждения результатов в глобальном масштабе. Водный проект SEED реализуется персоналом и волонтерами компании Schlumberger совместно с Массачусетским технологическим институтом (MIT) и его Медиа-Лабораторией (Media Lab). 16 Работа слушателей и волонтеров программы SEED является частью общественной инициативы в области защиты окружающей среды, набирающей обороты по всей планете. –МВ Рис.19. Рисунки из разных концов мира. Участники программы SEED из Эквадора, Казахстана, Мексики и Индии демонстрируют свои таланты, прославляя воду в своих произведениях. Лето 2008 37