Патент на изобретение №2162915

(54) СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ СКОПЛЕНИЙ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД

(57) Реферат:

Изобретение относится к области защиты окружающей среды и предназначено для ликвидации техногенных скоплений нефтепродуктов на поверхности грунтовых вод и предотвращения сброса нефтепродуктов в открытые водоемы и водозаборные горизонты. В зоне пятна загрязнения бурят по меньшей мере одну водопонижающую скважину, откачивают воду до образования депрессионной воронки, после чего накапливают нефтепродукты в воронке, а затем извлекают их. При этом в частном варианте выполнения водопонижающую скважину бурят в водоносную часть горизонта на глубине (Н_ск) ниже уровня раздела фаз, определяемую следующей зависимостью: Н_ск = 1,25(1+h_в/h_н)Q_нt_min/d²_ск, где h_в, h_н – толщины слоев в грунтовом массиве воды и нефтепродуктов соответственно, дм; Q_н – производительность нефтяного электронасоса, л/с; d_cк – диаметр водопонижающей скважины, дм; t_min – минимально возможное по настройке нефтяного электронасоса время извлечения нефтепродуктов, с. Вместе с тем в пределах пятна загрязнения выполняют водопоглощающие скважины и/или грунтовые выработки, в которые многократно направляют откачиваемую воду, что позволяет обеспечить геодинамическое равновесие грунтового массива. При этом нефтепродукты удаляют из воронки дискретно в минимально потребных для работы нефтяного насоса количествах, определяемых в оптимальном случае производительностью водоподъемного электронасоса. Указанную производительность (Q_в) водоподъемного электронасоса устанавливают по формуле Q_в = (2,5-3,5)h_вd_cкk_фq_cкв, где k_ф – коэффициент фильтрации грунтового массива, q_скв – удельный дебет скважины по воде (л/с/дм²). Изобретение позволяет осуществить локализацию и ликвидацию зон загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами при сохранении геодинамического равновесия грунтового массива. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к экологии и предназначено для ликвидации техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод и предотвращения сброса нефтепродуктов в открытые водоемы и водозаборные горизонты.

Известен способ извлечения техногенных скоплений нефтепродукта с поверхности грунтовых вод, который включает локализацию загрязнения путем создания в зоне загрязнения воронок депрессии, создаваемых в слое нефтепродукта на поверхности грунтовых вод путем его отбора с нижнего уровня на границе раздела фаз в каждой из добывающих скважин, оборудованных специальным заборным устройством, представляющим собой тонкостенный цилиндр с днищем, подвешиваемый точно на границе раздела фаз (см. авт. свид. СССР N 1657624, кл. E 21 B 43/00, опубл. 23.06.91 г.).

Недостатком известного технического решения является сложность реализации из-за необходимости использования специального заборного устройства и обеспечения точности его расположения в добывающей скважине. При несоблюдении точности подвеса в заборное устройство будет попадать вода и не будет соблюдаться условие сохранения геодинамического равновесия грунтового массива, а при расположении заборного устройства с определенным допуском выше уровня раздела фаз способ будет принципиально неработоспособным для тонкослойных скоплений, толщина которых находится в пределах границ указанного допуска.

Известен также способ очистки подземной гидросферы, согласно которому техногенные скопления локализуют путем создания воронок депрессии в зоне пятна загрязнения, накапливают нефтепродукты в воронке, после чего их извлекают см. авт. свид. СССР N 861328, кл. C 02 F 1/00, опубл. 07.09.81 г.).

Недостатком известного технического решения является существенное воздействие на геодинамическое равновесие грунтового массива, создающее провоцирующие условия для подвижек грунтового массива и обрушения грунтов, что не позволяет использовать данный способ вблизи зданий и производственных сооружений.

Известен способ извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, принятый в качестве прототипа, согласно которому в зоне пятна загрязнения бурят по меньшей мере одну водопонижающую скважину, ведут откачивание воды до образования депрессионной воронки, накапливают нефтепродукты в воронке, а затем извлекают их (см. заявку на патент Украины N 97115576, кл. C 02 F 1/00, дата подачи 20.11.97 г.).

Недостатком известного способа является существенное негативное воздействие на геодинамическое равновесие грунтового массива, препятствующее безопасному его использованию в условиях размещения зданий и производственных сооружений в пределах зоны пятна загрязнения.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, исключающего негативное влияние на геодинамическое равновесие грунтового массива при ликвидации тонкослойных скоплений нефтепродуктов путем возврата откачиваемых грунтовых вод в водоносный горизонт в пределах зоны пятна загрязнения.

Для решения поставленной задачи в известном способе извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, согласно которому в зоне пятна загрязнения бурят по меньшей мере одну водопонижающую скважину, откачивают воду до образования депрессионной воронки, накапливают нефтепродукты в воронке, а затем извлекают их, в соответствии с изобретением в пределах зоны пятна загрязнения выполняют грунтовые выработки и/или водопоглощающие скважины, в которые многократно направляют откачиваемую воду в объемах, обеспечивающих геодинамическое равновесие грунтового массива, а нефтепродукты накапливают и удаляют дискретно в минимально потребных для работы нефтяного электронасоса количествах.

При этом водопонижающую скважину бурят ниже уровня раздела фаз на глубину (H_ск), определяемую следующей зависимостью:
H_ск=1,25(1+h_в/h_н)Q_н t_min/d²_ск, (1)
где h_в, h_н – толщины слоев в грунтовом массиве воды и нефтепродуктов, соответственно, дм;
Q_н – производительность нефтяного электронасоса, л/с;
d_ск – диаметр скважины, дм;
t_min – минимально возможное по настройке нефтяного электронасоса время извлечения нефтепродуктов, c.

Накапливающуюся же в водопонижающей скважине воду удаляют погружным водоподъемным электронасосом, производительность которого устанавливают в соответствии с естественной миграцией грунтовых вод, при этом производительность водоподъемного электронасоса (Q_в) определяют следующим образом:
Q_в=(2,5-3,5)h_вd_скk_фq_скв, (2)
где k_ф – коэффициент фильтрации грунтового массива;
q_скв – удельный дебет (л/с/дм²) скважины по воде.

В частном варианте выполнения заявляемого способа воду, откачиваемую из водопонижающей скважины, подают в расположенные в зоне пятна загрязнения емкости, стенки которых имеют коэффициент фильтрации, близкий к коэффициенту фильтрации грунтового массива.

Обеспечение подпитки грунтового массива за счет многократного возврата воды, откачиваемой из водопонижающей скважины, в зону пятна загрязнения позволяет обеспечить геодинамическое равновесие грунтового массива и предотвратить подвижки и обрушения грунта. Для реализации этого в пределах пятна загрязнения выполняют грунтовые выработки, водопоглощающие скважины или емкости, в которые направляют откачиваемую воду. При этом объем откачиваемой и возвращаемой в грунтовой массив воды определяется производительностью водоподъемного электронасоса и устанавливается в зависимости от коэффициента фильтрации грунтового массива, удельного дебета и геометрических параметров скважины согласно вышеприведенной зависимости (2).

Накопленный при этом объем нефтепродуктов должен быть не менее минимально извлекаемого по условиям настройки нефтяного электронасоса (Q_нt_min), т. е.

0,785H_скd²_ск/(1+h_в/h_н)=Q_нt_min, (3)
что и определяет минимально целесообразное заглубление скважины ниже уровня раздела фаз по предложенной выше зависимости (1).

Воды в водопонижающей скважине накопится значительно больше по сравнению с нефтепродуктами, но удалять ее при наличии подвижности водоносных слоев не следует с большой скоростью, поскольку оптимальным будет являться баланс естественного притока и удаления воды. При этом оказывается возможным определить диапазон регулирования производительности водоподъемного электронасоса при сохранении устойчивости геодинамических условий грунтового массива. При бурении скважины в зоне техногенных скоплений нефтепродуктов и создании воронки депрессии положение зоны пятна загрязнения изменяется за счет привлечения в область, создаваемую воронкой депрессии, грунтовых вод вместе с нефтепродуктами, образующими в водопонижающей скважине слой определенной толщины. Таким образом, в скважине происходит накопление нефтепродуктов и воды, которые удаляются соответствующими электронасосами.

Глубину водопонижающей скважины выполняют в соответствии с зависимостью (1), которая была получена на основании моделирования процессов гидродинамики в грунтовых массивах, что достаточно надежно обеспечивает накопление в ней количества нефтепродукта, необходимого для цикла работы нефтяного электронасоса.

Использование вышеуказанной совокупности существенных признаков обеспечивает безопасные условия проведения работ при извлечении техногенных скоплений в пределах зоны пятна загрязнения за счет соблюдения геодинамического равновесия грунтового массива, а также эффективное вымывание техногенных скоплений за счет многократного введения воды в зону пятна загрязнения. То есть многократная подача удаляемой воды в зону техногенного скопления нефтепродуктов позволяет не только поддерживать водный баланс в данной зоне, но и значительно повысить эффективность экологической очистки территории за счет создания условий непрерывного привлечения нефтепродуктов с различных глубин в зоне загрязнения, т.е. активизировать процесс привлечения нефтепродуктов на поверхность грунтовых вод.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид в плане скопления нефтепродуктов на территории промышленного объекта; на фиг. 2 – сечение А-А по фиг. 1.

Способ извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод реализуется следующим образом.

В пределах территории техногенных загрязнений бурят разведочные скважины 1, с помощью которых выявляют границы зоны пятна загрязнения 2, его исходное положение и толщины слоев воды и нефтепродуктов. Затем вскрывают горизонт грунтовых вод бурением по меньшей мере одной водопонижающей скважины 3 с углублением в водоносную часть горизонта на глубину H_ск = 1,25(1+h_в/h_н)Q_нt_min/d²_ск ниже уровня раздела фаз. Водопонижающую скважину 3 оборудуют нефтяным и водоподъемным электронасосами 4, 5 соответственно. В зависимости от расположения на очищаемой территории жилых и промышленных объектов в доступных местах выполняют водопоглощающие скважины 6 или грунтовые выработки 7. В частном случае в выработках 7 помещают емкости 8 для предотвращения размывания грунта. Распределение откачиваемой воды между водопоглощающими скважинами 6, грунтовыми выработками 7 и емкостями 8 реализуется системой трубопроводов 9, снабженной вентилями 10. Для сбора откачиваемых нефтепродуктов служит нефтеналивная емкость 11.

По окончании вышеуказанных подготовительных операций с помощью водоподъемного электронасоса 5 производят водопонижение грунтовых вод в зоне скопления нефтепродуктов (см. фиг. 2). Образовавшаяся депрессионная воронка 12 обеспечивает локализацию нефтепродуктов в пределах пятна загрязнения 2. После накопления минимально потребного по условиям работы нефтяного электронасоса 4 количества нефтепродуктов в воронке 12 включают нефтяной электронасос 4, который откачивает нефтепродукты в нефтеналивную емкость 11.

В процессе водопонижения откачиваемую воду направляют в грунтовые выработки 7 или водопоглощающие скважины 6. При этом выбор очередности заполнения скважин 6 и выработок 7 осуществляется в соответствии с гидрогеологическими условиями очищаемой территории, обуславливающими геодинамическое равновесие грунтового массива. Таким образом, обеспечивается полностью управляемая во времени и пространстве циркуляция воды в водоносном горизонте, что предотвращает его неконтролируемое обезвоживание и позволяет исключить подвижки и обрушение грунтового массива в зоне пятна загрязнения 2. Наряду с этим циркуляция активированной при многократном контакте с нефтепродуктами воды обеспечивает высокоэффективную промывку загрязненных грунтов, что в конечном итоге обеспечивает более качественную экологическую их очистку.

Плотность скважин в зоне пятна загрязнения зависит от конфигурации и размеров зоны техногенных скоплений нефтепродукта, но расстояние между ними и их расположение должно быть таким, чтобы обеспечить локализацию зоны в полном объеме. Каждую из скважин оборудуют своим нефтяным и водоподъемным электронасосами 4 и 5. При этом электронасос 4 на подвеске опускают в скважину 3 ниже уровня нефтепродукта так, чтобы его заборное устройство совпадало с уровнем раздела фаз нефтепродукт-грунтовая вода. При включении в работу электронасоса 5 образуется депрессия вокруг скважины 3 в водоносном слое, в результате чего деформируется первоначальный исходный контур зоны пятна загрязнения 2 до полной его ликвидации.

В период времени накопления нефтепродукта образовавшаяся воронка 12 депрессии в слое нефтепродукта самоликвидируется за счет естественного перераспределения потока в грунте, подготавливая электронасос 4 к работе, по окончании которой новый цикл наполнения и извлечения нефтепродукта повторяется до окончательного его удаления из пределов радиуса влияния каждой скважины 3. Динамика удаления воды из водопонижающей скважины 3 позволяет создавать воронки депрессии таким образом, чтобы обеспечивать безопасные условия локализации зоны пятна загрязнения 2 и извлечения нефтепродукта.

Положение глубины уровней слоя нефтепродуктов и его толщины с определенной периодичностью, но не реже одного-двух раз в неделю, замеряют в каждой из скважин, и в зависимости от полученных данных заборное устройство нефтяного электронасоса 4 устанавливается всегда на уровне раздела фаз.

Таким образом, с использованием предлагаемого способа представляется возможным осуществлять локализацию и ликвидацию зон загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами типа газового конденсата, керосина или бензина в условиях размещения строений на поверхности земли с заранее определенной динамикой создания депрессионных воронок и, следовательно, без опасения возможного разрушения этих строений, так как при таком способе не создаются условия интенсивных геодинамических подвижек и обрушений грунтового массива. Эффективность очистки при этом существенно повышается за счет многократного промывания загрязненной зоны водой, удаляемой из водопонижающих скважин, способной захватывать и увлекать за собой нефтепродукты.

Формула изобретения

1. Способ извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод, характеризующийся тем, что в зоне пятна загрязнения бурят по меньшей мере одну водопонижающую скважину, откачивают воду до образования депрессионной воронки, накапливают нефтепродукты в воронке, а затем извлекают их, отличающийся тем, что в пределах зоны пятна загрязнения выполняют грунтовые выработки и/или водопоглощающие скважины, в которые многократно направляют откачиваемую воду в объемах, обеспечивающих геодинамическое равновесие грунтового массива, а нефтепродукты накапливают и удаляют дискретно в минимально потребных для работы нефтяного электронасоса количествах.

2. Способ извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод по п.1, отличающийся тем, что водопонижающую скважину бурят ниже уровня раздела фаз на глубину (Н_ск), определяемую следующей зависимостью:
Н_ск = 1,25 (1 + h_в/h_н) Q_н t_min/d²ск,
где h_в, h_н – толщины слоев в грунтовом массиве воды и нефтепродуктов соответственно, дм;
Q_н – производительность электронасоса извлечения нефтепродуктов, л/с;
d_ск – диаметр скважины, дм;
t_min – минимально возможное по настройке нефтяного электронасоса время извлечения нефтепродуктов, с.

3. Способ извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод по п.1 или 2, отличающийся тем, что воду, откачиваемую из водопонижающей скважины, подают в расположенные в зоне пятна загрязнения емкости, стенки которых имеют коэффициент фильтрации, близкий к коэффициенту фильтрации грунтового массива, а производительность водоподъемного электронасоса (Q_в) устанавливают в пределах
Q_в = (2,5 … 3,5) h_в d_ск К_ф q_скв,
где К_ф – коэффициент фильтрации грунтового массива;
q_скв – удельный дебет скважины по воде, л/с/дм².

РИСУНКИ