Введение к работе
Актуальность работы
Объектом исследований является Куюлусское месторождение подземных вод (КМПВ), расположенное в северо-западной части Южно-Мангышлакского артезианского бассейна (ЮМАБ) и имеющее площадь около 3 тыс. км2, которое используется в качестве одного из основных источников централизованного водоснабжения для г. Актау, центра Мангышлакской области Республики Казахстан и для целей орошаемого земледелия и пастбищного скотоводства на прилегающей территории. Южно-Мангышлакский артезианский бассейн является перспективной гидрогеологической структурой на получение углеводородного сырья в домеловых отложениях.
Территория Мангышлакской области характеризуется весьма ограниченным и крайне неравномерным распределением поверхностных водных ресурсов. Существующий дефицит пресных питьевых вод предопределил в качестве основного источника их получения процесс опреснения морских вод Каспийского моря с минерализацией 10-14 г/дм3. Дополнительным источником водоснабжения служат практически невосполнимые запасы слабоминерализованных подземных вод (ПВ) альб-сеноманского комплекса Куюлусского месторождения. Как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам, опреснение морской воды обходится пятикратно дороже, чем использование в системе водоснабжения подземных вод. В связи с этим особое значение приобретает бережное и оптимальное использование запасов подземных вод и достоверность проводимых гидродинамических и геомиграционных прогнозов.
Изученная территория относится к аридной зоне с преимущественным распространением средне- и высоко минерализованных ПВ, не пригодных для хозяйственно-питьевых, а зачастую и производственно-технических целей. Исключением являются альб-сеноманские отложения, где развиты солоноватые ПВ, относящиеся к Куюлусскому месторождению. Наличие напорно-безнапорного режима, обусловленного выходами водоносных отложений на дневную поверхность, литолого-фациальная изменчивость водовмещающих пород, осложненная наличием тектонических нарушений различного гидродинамического характера, а также практическое отсутствие восполнения запасов, в целом, предопределяют уникальность и многие особенности данного месторождения. Условия формирования подземных вод весьма сложные и использование аналитических методов для их изучения встречает значительные трудности, вследствие этого математическое моделирование является более надежным средством прогнозирования эксплуатации месторождения. Изучение гидрогеологических и "ругну факторов, определяющих формирование состава подземны:. ^^ пЧ'^остепенное
2 значение При этом существенным является прогноз движения подземных вод, некондиционный состав которых обусловлен естественными факторами. Цель работы и задачи исследований
Основной целью диссертационной работы является уточнение гидрогеологических условий и разработка палеомиграционной модели в связи с решением проблемы формирования Куюлусской линзы солоноватых вод в гетерогенно-слоистых отложениях альб-сеноманского комплекса Южного Мангышлака.
Основные задачи исследований формулируются следующим образом' 1) изучить и обобщить ранее существующую и новую информацию о северо-западной части ЮМАБ, при\(енительно к поставленной проблеме формирования линзы солоноватых вод; 2) изучить многолетний режим и процессы формирования ЭЗПВ при водоотборе на Куюлусском месторождении, а также балансовые я гидродинамические особенности ненарушенного состояния; 3) исследовать особенности процесса формирования упругих запасов подземных вод в гетерогенно-слоистом водоносном пласте с весьма низкими фильтрационными свойствами глинистых слоев. Количественно оценить гидродинамические параметры слабопроницаемых слоев; 4) изучить влияние основных механизмов миграции на условия формирования линзы солоноватых вод. Выявить влияние величин миграционных параметров в возможном диапазоне их изменения на размеры переходной зоны и длительность ее формирования; 5) провести палеомиграционное моделирование условий образования существующей линзы солоноватых вод. Материалы, положенные в основу исследований
Исходным гидрогеологическим материалом послужили:
во-первых, материалы геолого-гидрогеологической съемки масштаба 1. 200 000, геологические, гидрогеологические, гидрохимические, литолого-фациальные и структурно-тектонические карты и разрезы, геофизические исследования, полученные как в процессе разведки, так и при последующей эксплуатации Куюлусского месторождения.
во-вторых, данные о гидродинамическом и гидрохимическом режиме водоносных горизонтов за период времени с 1958 по 2005 г, содержащиеся в фондовых отчетах, выполненных при разведке Кольцовской экспедицией под руководством К.Ф. Орфаниди, и коллективом авторов кафедры гидрогеологии МГРИ -РГГРУ при эксплуатации Куюлусского водозабора и последующих переоценках эксплуатационных запасов подземных вод.
В работе использованы опубликованная и фондовая литература большого числа авторов, в том числе: У.М. Ахмедсафина, Ю.А. Висковского, И.К. Гавич, Г.Ч. Диккенштейна, В.Н. Корценштейна, Н. Н. Ленченко, А.Б. Лисенкова, К.Ф. Орфаниди, Ж.С. Сыдыкова и др.
Методы исследований
Работа выполнена методами аналитических решений для типовых расчетных схем и численного эксперимента с использованием гидродинамического и миграционного моделирования конкретного объекта (Куюлусского месторождения подземных вод Южного Мангышлака). Большое место в исследованиях заняла постановка, реализация и интерпретация результатов аналитических и численных модельных экспериментов по определению диапазона гидродинамических и основных миграционных параметров как водоносных, так и слабопроницаемых отложении в рамках поставленной задачи. Научная новизна S Впервые построена палеомиграционная нестационарная модель формирования слабосолоноватой линзы подземных вод Куюлусского месторождения с оценкой элементов водного и солевого балансов подземного потока. Установлены основные механизмы массопереноса и миграционные параметры этого процесса. S Установлена аналитическими расчетами и численным моделированием геофильтрации значимая роль упругой емкости глинистых слоев в гетерогенно-слоистом водоносном комплексе в формировании ЭЗПВ на месторождении. S Впервые на диагностическом графике изменения уровня при откачках в гетерогенно-слоистых и многослойных системах даны все обобщенные зависимости определения временных границ этих периодов и показано, что в условиях ЮМАБ некоторые из этих периодов могут выпадать. Защищаемые положения
В формировании линзы солоноватых подземных вод Куюлусского месторождения наряду с конвективным вытеснением, определяющую роль играют процессы диффузионного выноса солей из глинистых слоев и слоистое строение водоносных горизонтов, что предопределило существование переходной зоны изменения минерализации, измеряемой десятками километров.
Продолжительность формирования солоноватых вод Куюлусского месторождения не превышает 1млн. лет. За этот период времени за счет внедрения инфильтрационных вод из изученной части пласта в вышележащие горизонты было вынесено 530 млн. тонн солей, что составляет 25% от общего их количества на,-начало рассмагриваемого периода.
На известном диагностическом графике изменения понижения уровня во времени в слоистой толще без устойчивого питания на верхней границе обобщены данные о временных границах характерных периодов. При невысокой емкости питающих слоев.
4 когда разность величин волоотдач водоносного и питающих пластов меньше двух порядков, период псевдостабилизации режима не выделяется.
Гидродинамические параметры глинистых слоев альб-сеноманского комплекса составляют: ко - Ю'7 - 10"' м/сут, р* = 3*Ю'5 1/м. Такие значения параметров исключают возможность перетекания между водоносными горизонтами комплекса но площади их распространения, но значительно увеличивают упругие запасы подземных вод Куюлусского месторождения.
Прикаратауский региональный разлом, осложняющий южный борт Каратауской мегантиклинали является полупроницаемым барьером на пути движения подземных вод в центральную часть Южно-Мангышлакского артезианского бассейна, вызывающим увеличение фильтрационного сопротивления пластов в среднем на два порядка.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Выполнена количественная оценка параметров глинистых слоев альб-сеноманского водоносного комплекса КМПВ. Показано, что в условиях длительной эксплуатации действующего водозабора при сохранении существующего режима водоотбора заметного изменения минерализации и химического состава ПВ не произойдет. Результаты исследований по выявлению закономерностей формирования химического состава подземных вод Куюлусского месторождения позволяют существенно повысить надежность и достоверность прогнозов изменения качества подземных вод в процессе их эксплуатации. Автором диссертационной работы составлен алгоритм обработки базы данных наблюдений за качеством подземных вод, построены и внедрены на производстве численные модели прогноза изменения качества при изменении режима эксплуатации скважинами различных горизонтов альб-сеноманского комплекса. Апробация работы и публикации
Результаты выполненных работ по теме диссертационной работы получили высокчто оценку на НТС ТОО "МАЭК-Казатомпром" в сентябре 2005 г. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: 1) V и VI Международные конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2001 и 2003); 2) Научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых МГГРУ "Молодые наукам о земле" (Москва, 2002); 3) Всероссийское совещание "Современные проблемы изучения и использования питьевых подземных вод", посвященное памяти Н.Н. Биндемана (ГИДЭК, Звенигород, 2003); 4) Международная научная конференция, посвященная 100-летию академика Г.В. Богомолова. "Проблемы водных ресурсов, геотермии и геоэкологии" (Минск, 2004); 5) Научные семинары в "Геолинк
5 консалтинг": "Актуальные проблемы гидрогеологии и геоэкологии" (Москва, 2003 и 2005); 6)Международная конференция "Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии", посвященная 80-летнему юбилею А А. Карцева (Москва, 2005). По теме диссертации опубликовано 9 статей и одна в печати. Личный вклад «втора
Автором непосредственно разработаны основные принципы учета гетерогенно-слоистого строения пластов и определение параметров глинистых толщ при длительной эксплуатации месторождения водозабором подземных вод Решены как фильтрационные задачи по уточнению величин гидродинамических параметров, так и задача массопереноса с оценкой приемлемых значений миграционных параметров и учетом процесса рассоления глин. На основании численных и аналитических расчетов обоснованы временные границы периодов диагностического графика. Автор непосредственно участвовал в постановке проблемы, в обсуждении и интерпретации полученных данных. Структура п объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, общим объемом fS~4p страниц, включаетЗЗ рисунка, <} таблицы. Список литературы содержитЭб наименований. Благодарности
Автор глубоко признателен и благодарен научным руководителям профессору, заслуженному деятелю науки РФ, лауреату Государственной премии СССР, д.г.-м.н. И.К. Гавич я к.г.-м.н. Н.Н. Ленченко за всемерную поддержку и помощь при подготовке диссертации. Искреннюю признательность автор приносит: А А. Рошалю, Д.С. Кузнецову (Геолинк Консалтинг); Г.Е. Ершову (ЗАО ГИДЭК); М.П. Антипову, Ю.А. Воложу (Геологический институт РАН), И.С. Зекцеру (ИВПАН), а также профессорам кафедры гидрогеологии РГТРУ А.Б. Воронову, А Б. Лисенкову, В М Швецу за неоценимую помощь, многочисленные консультации и обсуждения.
Работа выполнена при поддержке гранта МО РФ №А03-2.13-178
