Многоуровневая цифровая модель осадочной толщи района расположенияСибирского химического комбината | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 329.

Многоуровневая цифровая модель осадочной толщи района расположенияСибирского химического комбината

Представлена многоуровневая иерархическая цифровая модель района полигона глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината, которая согласованно описывает различные участки геологической среды с разным уровнем детальности. Представленная модель состоит из пространственно вложенных моделей трех рангов. В работе описаны структуры, принципы построения и схемы согласования моделей различных рангов. Эта модель может использоваться для анализа литолого-стратиграфической структуры района полигона глубинного захоронения, выполнения прогнозных расчетов изменения состояния пласта-коллектора и распространения ореола загрязнения.

Multilevel digital model of sedimentary layer of the Siberian Chemical Combine area.pdf В процессе работы предприятий атомного энерго-промышленного комплекса образуется значительное количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Одним из способов обращения с ЖРО является глу-бинное захоронение - закачка их в стратифицирован-ные осадочные геологические формации без намерения последующего извлечения и переработки [1]. Этот ме-тод обращения с ЖРО применяется на Сибирском хи-мическом комбинате (СХК) - одном из крупнейших предприятий атомной отрасли России. Глубинное за-хоронение осуществляется через сеть нагнетательных скважин на специально оборудованном полигоне. Гео-логическое строение района размещения полигона глу-бинного захоронения является основным фактором, обеспечивающим экологически безопасную изоляцию ЖРО от области активной жизнедеятельности челове-ка. В результате смешения ЖРО с пластовыми водами и взаимодействия с вмещающими породами формиру-ется сложная геотехнологическая система - пласт-коллектор. Для обеспечения безопасности эксплуата-ции полигона глубинного захоронения необходим по-стоянный контроль состояния пласта-коллектора и прогнозирование процессов, протекающих в геологи-ческой среде [1]. Для решения этих задач целесообраз-но использовать современные геоинформационные технологии и методы математического моделирования. В последние годы был разработан ряд цифровых моде-лей, которые имели различные пространственные мас-штабы, и с разным уровнем детальности описывали геологическую среду района полигона глубинного за-хоронения ЖРО СХК. Например, в работах [2, 3] в ка-честве объектов моделирования рассматривались непо-средственно прифильтровые зоны нагнетательных скважин. Другие модели имели более мелкий масштаб и описывали пласты-коллекторы, а также примыкающие к ним буферные горизонты в границах полигона глубин-ного захоронения [1, 4, 5]. Мелкомасштабные цифровые модели рассматривали всю толщу осадочного чехла в районе расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК [1, 6, 7]. Модели разных масштабов [1-7] ис-пользовали различные исходные данные, основывались на разных методах описания геологической среды и не согласовывались друг с другом. В связи с необходимо-стью комплексного обеспечения безопасности эксплуа-тации полигона глубинного захоронения ЖРО СХК, была разработана представленная в настоящей работе иерархическая многоуровневая модель, которая согласо-ванно описывает различные участки геологической сре-ды с разным уровнем детальности.Район полигона глубинного захоронения ЖРО СХК расположен в краевой части Западно-Сибирской плат-формы, вблизи ее сочленения с Саяно-Алтайской складчатой областью [1]. Геологический разрез района представлен терригенными, преимущественно конти-нентальными, слабосцементированными отложениями мезо-кайнозойского платформенного чехла (мелового, палеогенового, неогенового и четвертичного возраста), которые несогласно залегают на метоморфизирован-ных, сцементированных, собранных в складки породах фундамента, представленных глинистыми сланцами (рис. 1). Возраст кровли фундамента датируется верх-ним палеозоем.I* \256Рис. 1. Геологический разрез района полигона глубинного захоронения ЖРО СХКСоотношение между различными системами индексации слоевВ толще осадочного чехла прослеживается нерав-номерное чередование песчаных и глинистых пород, что предопределяет этажное развитие водоносных и водоупорных горизонтов, характеризующихся фильт-рационной неоднородностью в плане и разрезе. Наряду с общепринятой системой стратификации гидрогеоло-гического разреза для района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК была разработана условная система, которая используется в целом ряде работ, посвященных вопросам поиска источников во-доснабжения и захоронения ЖРО в этом районе [1-7]. В соответствии с данной системой, по совокупности геологических, фильтрационных и емкостных призна-ков, в разрезе мезо-кайнозойских отложений выделяет-ся семь литологических горизонтов преимущественно песчаного состава и восемь относительно водоупорных глинистых слоев. Песчаные горизонты нумеруются снизу вверх римскими цифрами: I, II, III, IV, IVа, V, VI, а водоупорные слои обозначаются буквами латинского алфавита: А1, А2, В, С, D, Е, F, G. Захоронение ЖРО осуществляется в эксплуатационные горизонты II и III осадочного чехла, которые отделены от вышележащих водоносных слоев и палеозойского фундамента пачкой из глинистых водоупоров (А1, А2, В, D, Е) и буферных горизонтов (I, IV, IVа) (рис. 1).Для решения различных задач по обеспечению безопасности и оценки последствий эксплуатации по-лигона глубинного захоронения ЖРО СХК необходимо иметь согласованные модели геологической среды раз-ных пространственных масштабов от прифильтровых областей отдельных нагнетательных скважин до всего района расположения полигона. В соответствии с этим представляемая в работе многоуровневая модель вклю-чает в себя несколько цифровых моделей различных масштабов (рангов). Ранг модели возрастает с укруп-нением ее масштаба и повышением уровня детальности описания геологической среды. Анализ результатов применения цифровых моделей в работах [1-7] пока-зал, что для контроля состояния пласта-коллектора и прогнозирования процессов, протекающих в геологи-ческой среде, необходимо использование моделей трех рангов:- района расположения полигона (модель I ранга);- эксплуатационных и буферных горизонтов и раз-деляющих их водоупорных пластов в пределах полиго-на (модель II ранга);- прискважинной области (модель III ранга).Каждая из моделей состоит из совокупности субго-ризонтальных слоев, что обусловлено стратифициро-ванной структурой моделируемой геологической толщи. Слой представляет собой тело, сверху и снизу ограниченное поверхностями, которые имеют не более одной точки пересечения с любой вертикальной линией. При этом каждая из поверхностей раздела слоев толщи одновременно является подошвой перекрывающего слоя и кровлей для слоя подстилающего, исключение составляют поверхности, соответствующие кровле и подошве всей области моделирования.Прослои модели большего ранга выделяются из слоев модели меньшего ранга путем их расщепления. Выделение слоев осуществляется в соответствии со стратифицированным строением и технолого-гидрогеоло-гическими особенностями геологической среды. В зависимости от ранга модели, каждому слою соответствуют элементы стратифицированной толщи различного масштаба. В модели I ранга в качестве слоя рассматриваются водоносные или водоупорные горизонты, выделяемые в соответствии с системой технологической стратификации СХК. Слоям модели II ранга соответствуют преимущественно песчаные или глинистые прослои стратифицированной литологической толщи пластов-коллекторов, примыкающих к ним буферных горизонтов и водоупоров, которые их разделяют. В моделях III ранга слои описывают пропластки отдельных литологи-ческих разностей в осадочных толщах, вскрываемых фильтрами нагнетательных скважин.Для обозначения слоев используются комбинированные индексы, которые однозначно определяют соотношения вложенности между слоями моделей различных рангов. Нумерация слоев всех моделей осуществляется сверху вниз. Слоям модели I ранга присваивается индекс s, значение которого изменяется от 1 до 15. Соотношение между системой стратификации, принятой на СХК, и индексацией слоев в модели I ранга представлено в табл. 1. Например, модельному слою с s = 1 соответствует неоген-четвертичный водоносный комплекс (VI водоносный горизонт), а слою модели с s = 15 - первичные коры выветривания палеозойского фундамента (водоупорный пласт A1).Прослои модели II ранга детально описывают структурные особенности эксплуатационных и буферных горизонтов, а также разделяющих их водоупоров (слои модели I ранга s = 7-13) в пределах территории полигона. Общее число слоев модели II ранга составляет 159 (табл. 1). Для их идентификации используется комбинированный индекс s,s´, в котором s´ соответствует порядковому номеру прослоя модели II ранга в слое s модели I ранга.Т а б л и ц а 1Система стратификации, принятая на СХКVIGVFIVaEIVDIIICIIBIA2A1Индекс s слоя в модели I ранга123456789101112131415Количество слоев в модели II ранга------33413119141110--Иерархическая модель включает в себя несколько моделей III ранга (прискважинных моделей), для обо-значения порядкового номера которых используется индекс q. В каждой из моделей III ранга число состав-ляющих ее слоев уникально и определяется литолого-структурными особенностями геологической среды и строением фильтра конкретной нагнетательной скважи-ны. Эти слои идентифицируются с помощью комбини-257рованного индекса s,s ,s ,q, в котором s,s наследуются от индексов моделей меньших рангов (s - от слоя модели I ранга, s´ - от модели II ранга), а s´´ обозначает порядковый номер прослоя в слое s´ модели II ранга. Значение индекса q соответствует номеру модели III ранга.Плановая дискретизация слоев модели каждого ранга осуществляется с помощью равномерной квадратной сетки. Положение узла сетки модели I ранга определяется индексом ij. Сопряжение сеток моделей различных рангов достигается путем разбиения ячейки сетки модели меньшего ранга на n2 ячеек сетки моделей большего ранга (n - целое число, равное соотношению длин сторон ячеек моделей меньшего и большего рангов). Индексы, обозначающие узлы сеток моделей II и III рангов, являются комбинированными. Для модели II ранга - i,i´,j,j´, а для модели III ранга - i,i´,i´´,j,j´,j´´. В обоих случаях последняя величина в индексе обозначает положение узла в сетке, а предыдущие части индекса наследуются от ячейки модели меньшего ранга.Геометрическое строение стратифицированной толщи описывается заданием абсолютных отметок для всех поверхностей, соответствующих кровлям модельных слоев, и абсолютных отметок подошвы самого нижнего слоя, которая, одновременно, является подошвой всей моделируемой геологической толщи. Для обозначения кровли каждого из слоев модели применяется индексация, аналогичная индикации, используемой для обозначения этих слоев.Положение каждой поверхности раздела s (для модели II ранга - s,s´, для модели III ранга - s, s´,s´´) определяется значениями абсолютной отметки hi,js в узле i, j (в модели II ранга - hii×,j,j × s,s×, III ранга - hii×,i ××,j,j ×,j ××,s,s × s ××). Мощность слоя однозначно определяется значениями соседних поверхностей раздела:- для модели I рангаm i j = h s(1)для модели II рангаmsi,i',j,j '(2)(3)hs, s ', ' j+1 j '; - для модели III рангаms,s',s" l,s,s',s" l.s,s',s' '+1i,i',i' ',j,f,j'' = i,i',i' ',j,f,j'' i,i',i' ',j,j ',j'' .Расчет значений сеточных функций абсолютных отметок поверхностей раздела слоев осуществляется путем выполнения площадной интерполяции данных, полученных на основе анализа геологических колонок скважин, вскрывающих исследуемую литологическую толщу. Интерполяция проводится с помощью геостатистического метода Кригинг [8].Геофильтрационные и емкостные свойства геологической среды описываются набором двумерных сеточных функций для каждого слоя. Значения этих функций в узлах сетки рассчитываются путем площадной интерполяции аналогично значениям абсолютных отметок. Диапазон изменения параметров геологической среды, задаваемых в модели, приводится в табл. 2.Т а б л и ц а 2Параметры геологической средыНаименование параметраДиапазон измененияГоризонтальный коэффициент фильтрации (kx, ky ), м/сут0,02 ÷ 15Вертикальный коэффициент фильтрации ( kz), м/сут1,5 · 10-5 ÷ 1,0 · 10-2Полная пористость (N), %30 ÷ 40Активная пористость (N*), %5 ÷ 15Упругоемкость (ц), 1/м1,0 · 10-6 ÷ 1,0 · 10-3Пространственная вложенность слоев и ячеек моделей обусловливает согласование всех параметров при переходе от модели меньшего ранга к модели большего ранга. Для примера рассмотрим согласование параметров для моделей I и II рангов. Из условия сохранения объема среды, при переходе от модели меньшего ранга к модели большего ранга, следуют соотношения согласования мощности:ms ij = 1lLm i , i ',jj , (4)полной пористости:Tmis , i , s ` ,'j, j `Ni, i ', j , j 'Ns = i',j',s'n m ijактивной пористости:Tmis , i , s ` ',j,j `N* is ,, is ',' j,j 'N*sj=i', j ', s 'n2m i jупругой емкости:3mis ,, is ','j,j ' η is ,, is ','j,j 'η i ,s i',j',s'(5)(6)(7)Соотношения согласования латеральных и верти-кального коэффициентов фильтрации вытекают из ус-ловий равенства гидропроводности ячеек в моделях большего и меньшего рангов. Коэффициенты фильтра-ции в модели I ранга связаны с коэффициентами фильтрации модели II ранга следующими соотноше-(KX)ims -1 V~* V~*ij / , / .i 'mis ,, is ' 'j, j '(KX)is ,, is ' j ,1j J -(K Y ) i, j s=ms ij ^ ^ s , s 'i',s'у j' m i,i'j,j' ( Y ) i,i'j,j'J ' -1n(KZ)i , j=2Е Sm(8)(9)(10)i, j \ s Z i,i',j,j' JМодель I ранга (модель района расположения полигона) описывает всю геологическую толщу осадочного чехла Западно-Сибирской плиты в районе размещения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК (рис. 2).p. СамуськаF,

Ключевые слова

многоуровневая иерархическая цифровая модель, жидкие радиоактивные отходы, глубинное захоронение, multilevel hierarchical digital model, liquid radioactive wastes, underground injection

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Данилов Владислав ВладимировичСибирский химический комбинатаспирант кафедры физики Северской государственной технологической академии, ведущий инженер-технолог лаборатории геотехнологического мониторингаnmd@ssti.ru
Истомин Андрей ДмитриевичСеверская государственная технологическая академиякандидат физико-математических наук, доцент, заместитель зав. кафедрой физикиnmd@ssti.ru
Носков Михаил ДмитриевичСеверская государственная технологическая академиядоктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физики, проректор по научной работе и международной деятельностиnmd@ssti.ru
Всего: 3

Ссылки

Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: ИздАТ, 1994. 256 с.
Зубков А.А., Макарова О.В., Данилов В.В. и др. Техногенные геохимические процессы в песчаных пластах-коллекторах при захоронении жидких радиоактивных отходов // Геоэкология. 2002. № 2. С. 133-144.
Истомин А.Д., Носков М.Д., Кеслер А.Г. и др. Моделирование распределения радионуклидов в пласте-коллекторе при глубинном захоронении кислых жидких радиоактивных отходов // Радиохимия. 2007. Т. 49, № 2. С. 182-187.
Pozdniakov S.P., Bakshevskay V.A., Zubkov A.A. et al. Modeling of Waste Injection in Heterogeneous Sandy Clay Formations // Underground Injection Science and Technology / Еd. by C.F. Tsang and J. Apps. Elsevier, 2005. Р. 203-218.
Зубков А.А., Данилов В.В. Носков М.Д., Истомин А.Д. Прогнозное моделирование распространения фильтрата ЖРО в пластах-коллекторах полигона глубинного захоронения ЖРО СХК // Геоинформатика. 2007. № 4. С. 36-43.
Alexandrova L.N., Glinsky M.L., Danilov V.V. et al. Prediction of Radioactive Liquid Waste Migration at the Siberian Chemical Combine Underground injection Site Based on Mathematical Modeling // Abs. of Sec. International symposium «Underground injection science and technology». Berkeley, 2003. 77 p.
Слинко А.М., Тер-Саакян Н.Ф., Зильберштейн Б.М. и др. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Северска Томской области методом математического моделирования. Отчет ФГУГП «Гидроспецгеология». М., 2004. 187 с.
Матерон Ж. Основы прикладной геостатистики. М.: Мир, 1968. 408 с.
Всеволожский В.А. Ресурсы подземных вод южной части Западно-Сибирской низменности. М.: Наука, 1973. 88 с.
Surfer. URL: <http://www.goldensoftware.com>
Stanford Geophysical Modeling Software (S-GeMS). URL: <http://sgems.sourceforge.net/>
Finite Element subsurface FLOW system (Feflow). URL: <http://www>. scintificsoftwaregroup.com
Processing Modflow Pro. URL: <http://www.webtech360.com>
Groundwater Modeling System (GMS) for the PC. URL: <http://www.ems-i.com/gms/downloads.html>
 Многоуровневая цифровая модель осадочной толщи района расположенияСибирского химического комбината | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 329.

Многоуровневая цифровая модель осадочной толщи района расположенияСибирского химического комбината | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 329.

Полнотекстовая версия