ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 2, с. 153-171
УТИЛИЗАЦИЯ И ЗАХОРОНЕНИЕ ОТХОДОВ
УДК. 621.39: 754.716
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД В ЦЕЛЯХ ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
© 2013 г. А. В. Жариков*, В. И. Величкин*, В. И. Мальковский*, В. М. Шмонов**
*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Старомонетный пер. 35, Москва, 119017
Россия. E-mail: malk@igem.ru **Институт экспериментальной минералогии РАН, ул. Академика Осипьяна 4,
Черноголовка, 142432, Россия. E-mail: shmonov@iem.ac.ru
Поступила в редакцию 05.12.2011 г.
Рассмотрены новые методы и подходы для изучения фильтрационных свойств кристаллических пород, реализованные c применением физического и численного экспериментов, а также результаты, полученные с их помощью для образцов пород из мест вероятного размещения могильников или хранилищ ВАО и ОЯТ: метавулканитов из района ПО Маяк и гранитоидов из района Красноярского ГХК. На основе сопоставительного анализа результатов проведенных исследований предложен комплекс методических приемов изучения фильтрационных свойств кристаллических пород из разрезов скважин, пробуренных в участках вероятного размещения подземных могильников или хранилищ ВАО и ОЯТ.
Ключевые слова: пористость и проницаемость горных пород, численное и физическое моделирование, скважинные могильники ВАО.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение петрофизических свойств - один из важнейших элементов в комплексе исследований по выбору геологических блоков, перспективных для захоронения или длительного контролируемого хранения высокорадиоактивных отходов (ВАО) и облученного ядерного топлива (ОЯТ) [12, 13]. Основная задача этих исследований -определение физических свойств горных пород и их пространственного распределения как в ближнем, так и дальнем полях могильника или хранилища, а также долгосрочный прогноз их возможных изменений в результате тектонических, тепловых, радиационных и других воздействий. В нашей стране петрофизические исследования в комплексе со скважинными и региональными геофизическими проводятся в настоящее время в рамках долгосрочных экологических программ [12]. В этих работах принимают активное участие сотрудники Лаборатории радиогеологии и радиоэкологии ИГЕМ, ИФЗ и ИЭМ РАН, Геологическо-
го факультета МГУ и многих других организаций [12, 13].
Основным агентом, осуществляющим перенос радионуклидов в геологической среде, являются подземные воды. Поэтому главное требование, предъявляемое к участку, выбранному для подземного захоронения или хранения ВАО и ОЯТ, заключается в минимизации риска, связанного с выносом радионуклидов потоком подземных вод в биосферу. В этой связи очевидна актуальность исследования фильтрационных свойств пород, и в первую очередь их проницаемости - одного из основных факторов, определяющих динамику движения как природных, так и техногенных флюидов в геологической среде. Проницаемость принадлежит к числу наиболее вариабельных физических свойств горных пород: может изменяться на многие десятичные порядки даже в породах одного литологического типа [20, 21], поэтому использование данных, полученных ранее для других объектов, или их экстраполяция не корректно. Так как величины проницаемости
плотных, малопористых кристаллических пород, как правило, малы, их определение связано с техническими и методическими трудностями. Поэтому часто проницаемость пород оценивают по их пористости. Как будет показано ниже, такой подход также не правомерен.
В настоящей работе предложен комплекс новых методических приемов исследования фильтрационных свойств кристаллических пород, интерпретации и применения полученных результатов для выбора участков для безопасного подземного захоронения или хранения ВАО и ОЯТ на основе данных физического и численного экспериментов. Изложены особенности определения проницаемости образцов плотных, малопористых пород, а также основы новой методики измерений, разработанной авторами. С применением данной техники проведены исследования фильтрационных свойств образцов метавулканитов, отобранных в районе производственного объединения "Маяк", и гранитоидов Нижнеканского массива из района Красноярского горно-химического комбината (ГХК). На основе сопоставительного анализа полученных экспериментальных данных и результатов микроструктурных исследований выявлены факторы, определяющие фильтрационные свойства пород. Сделан прогноз возможного изменения их проницаемости при нагревании вследствие тепловыделения ВАО. Использование результатов физического эксперимента в качестве исходных данных для численного позволило определить мощности монолитных блоков пород, достаточные для безопасного размещения могильников ВАО.
СПЕЦИФИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ОБРАЗЦОВ ПЛОТНЫХ,
МАЛОПОРИСТЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД
При экспериментальных исследованиях малых проницаемостей для фильтрации через образец, как правило, используют газ [20]. Такое решение вызвано следующими причинами: во-первых, исключаются геохимические преобразования образца вследствие взаимодействия флюид - порода, что особенно актуально, если эксперименты проводятся при высоких РТ-параметрах, во-вторых, газ обладает меньшей динамической вязкостью, чем жидкость, поэтому существенно сокращается время, затрачиваемое на измерения. Однако при этом обязательно применение специальных методик, учитывающих особенности характера течения газа через плотные, малопористые породы.
В случае, когда длина свободного пробега молекул газа становится сопоставимой с диаметром поровых каналов, вязкое течение сменяется кнуд-сеновским. Поэтому, как установлено в результате исследований фильтрации различных газов и жидкостей, газовая проницаемость отличается от проницаемости по воде, зависит от состава и давления фильтрующегося газа [25]. Таким образом, величины газовой проницаемости, полученные для разных газов, или даже для одного газа, но при разных давлениях не сопоставимы между собой и могут значительно (на порядок) превышать проницаемость образца для жидкости (рис. 1). Однако каждому газу соответствует следующее соотношение между проницаемостью по газу (к), давлением газа в опыте (р), параметром, характеризующим поровое пространство породы (Ь), и проницаемостью образца по воде (кш) [25]:
к = к ^1+ рр. (1)
Согласно (1), зная проницаемость по газу, можно определить проницаемость образца по воде (эту величину также часто называют жидкостной или абсолютной проницаемостью). Для этого необходимо произвести серию измерений газовой проницаемости к при различных средних давлениях газа и, экстраполировав полученную зависимость к = /(1/р) до /(1/р) = 0, найти искомую величину кК (см. рис. 1). Такой подход реализован в самом распространенном в настоящее время стационарном методе измерения проницаемости [4, 18, 20]. Однако опыт применения этого метода показал его недостаточную эффективность, особенно для определения малых проницаемостей. Действительно, для определения величины проницаемости по воде необходимо проводить целую серию измерений газовой проницаемости, каждое из которых весьма длительно, трудоемко и может содержать ошибку за счет неточного измерения объема профильтровавшегося газа.
Авторами разработана модификация нестационарного метода определения проницаемости, которая позволяет проводить высокоточные измерения в диапазоне 10-22—1015 м2 как при нормальных, так и при высоких РТ-параметрах [15]. Теоретические основы методики получены при рассмотрении одномерной нестационарной модели фильтрации аргона через образец цилиндрической формы. Эксперимент проводится следующим образом. Входное сечение образца соединяется с газовой камерой малого объема. В отличие от традиционной реализации нестационарного метода [22], выходное сечение образца
открыто в атмосферу (рис. 2а). В начальный момент времени при скачкообразном повышении давления во входную камеру подается некоторое количество газа. Затем в результате фильтрации через образец давление газа в камере уменьшается, причем скорость уменьшения давления зависит от проницаемости образца. Величина проницаемости определяется путем сопоставления экспериментальных данных о давлении во входном резервуаре (р,и(0) с результатами аналитического и численного решений уравнения фильтрации с учетом пористости породы и изменения свойств фильтрующегося флюида в зависимости от температуры и давления (рис. 26). Преимущества нового метода заключаются в том, что он дает возможность по данным единственного опыта определить как значение проницаемости образца (к), так и параметра Клинкенберга (Ь), увеличена точность измерений, уменьшена их трудоемкость, упрощена регистрация параметров.
Другая специфическая особенность исследований фильтрационных свойств малопористых кристаллических пород - необходимость особенно тщательной сушки образцов перед опытами. Микроструктурные исследования таких пород [20] показывают, что даже самое незначительное количество воды может закупорить поровые каналы и, таким образом, воспрепятствовать как фильтрации газа через образец при проведении исследований проницаемости, так и внести серьезную погрешность в определение пористости. Сам по себе этот вывод представляется вполне очевидным и учитывался в большинстве работ по лабораторным исследованиям фильтрационных
0.6 0.8 1.0 1/р, атм-1
Рис. 1. Проницаемость (к) образца в зависимости от обратного среднего давления (1/р) для различных газов (1 - водород, 2 - азот, 3 - углекислый газ) и жидкости (4 - изооктан) (по [25]).
свойств. Однако конкретные рекомендации относительно режимов сушки образцов отсутствуют. В [4] указаны только необходимые температуры. Авторами решена задача определения температуры и длительности сушки, достаточных для полного удаления воды из флюидопроводящих каналов [27]. Теоретически рассмотрена фильтрация водяного пара из образца в атмосферу, вызванная разницей давлений насыщенного пара в образце и атмосферного. Учтен эффект Клинкенберга и влияние искривления раздела фаз в поровых каналах. В деталях результаты иссл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.