Способ оценки полезной емкости природных криогенных резервуаров

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для оценки полезной емкости природных криогенных резервуаров при использовании их в качестве резервуара для складирования дренажных рассолов. Согласно заявленному способу закачивают определенный объем дренажных рассолов через скважины, пробуренные в интервал многолетнемерзлых пород, пространственно ограниченный слабопроницаемыми отложениями. Измеряют площадь растекания рассолов (S) и определяют на отстраиваемых разрезах мощность обводненной толщи в центре репрессивного купола для определенного (n-го) момента времени (h_n). Рассчитывают коэффициент эффективной емкости резервуара (n_эф). Далее оценивают общую мощность обводненной толщи ММП (V_общ) с учетом экологической безопасности для конечного этапа закачки дренажных рассолов на участке. Технический результат - повышение достоверности оценки полезной емкости резервуара при достижении экологической безопасности при закачке рассолов в мерзлый массив пород. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к оценке полезной емкости природных криогенных резервуаров многолетнемерзлых пород (ММП) при использовании их в качестве резервуара для складирования рассолов.

Известен способ петрофизической оценки в реальном времени подземных пластов. Сущность: определяют пористость и проницаемость пласта с применением количественного показателя состава пласта. Оценивают электрическое удельное сопротивление заполненного водой пласта с использованием указанной пористости пласта. Связывают различия между измеренным электрическим удельным сопротивлением пласта и указанным оцененным электрическим удельным сопротивлением заполненного водой пласта с наличием подземных скоплений углеводородов. Оценивают насыщение пласта остаточной водой с использованием указанной пористости пласта и проницаемости (патент RU №2315339, МПК G02V 11/00, приоритет 23.09.2002 г., опубл. 20.01.2008 г. Бюл. №2).

Недостатком данного способа является невозможность получения представительных характеристик пород-коллекторов по скважинам, заполненным различными водными растворами, кроме этого при существующей трещинной проницаемости пластов, а также для минерализованных вод со значительной изменчивостью концентрации солей. Удельные электрические сопротивления подземных вод в техногенном талике изменяются от 0,4 до 0,04 ом×м при минерализации от 25 до 250 г/л. Кроме этого, многолетнемерзлые породы (ММП) в большей части интервалов разреза не водонасыщены, что не позволяет использовать геофизические (электрические) методы для оценки пористости пород в криогенном разрезе и достоверно выполнять расчеты емкостных показателей пластов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ оценки естественных объемов природных криогенных резервуаров на примере Октябрьского подземного резервуара. Способ включает закачку (наливы) определенного объема дренажных рассолов в экологически безопасный интервал массива, обладающего естественной пустотностью, измерение мощности пласта, определение площади растекания этих рассолов и оценку полезной емкости на определенный момент времени [1]. На начальных этапах исследований для расчетов сотрудниками института «Якутнипроалмаз» был применен стандартный метод определения емкостных параметров полигона захоронения с использованием объемов продуктивной толщи и открытой пористости пород в пределах определенной гидрогеологической структуры. Для этих целей полезная гравитационная емкость пласта (ΔV) определялась по формуле, предложенной Н.И. Плотниковым [2], без учета упругоемкостных свойств пластов-коллекторов и заполнителя пустотности, т.к. эти величины несравнимо малы:

ΔV=S×H×n,

где: Н - мощность продуктивного пласта;

S - площадь пласта в пределах определенной гидрогеологической структуры;

n - пористость пород.

По прогнозам данных авторов полезная емкость резервуара в пределах экологически безопасных интервалах, к примеру, на Октябрьском полигоне Удачнинского ГОКа составляла 45 млн.м³.

Недостатком данного способа является недостаточная достоверность, основанная на завышенной мощности ММП, принятой для расчетов и равной 20 м. В то же время дальнейшими исследованиями определено, что мощность водопоглощающих интервалов на Октябрьском полигоне различная: от десятков сантиметров до 10-20 м [6]. Во-вторых, при оценке прогнозных площадей резервуаров данными авторами [1] за основу взят принцип использования неотектонических поднятий, т.е. все водораздельные участки оценивались как перспективные, без учета структурно-тектонической обстановки на полигонах закачки стоков. Хотя и уже в то время существовали данные о наличии граничных условий Октябрьского полигона захоронения. Этот участок располагается на междуречье Далдына и Сытыкана, в пределах которого была выделена благоприятная грабенообразная структура в ярусе ММП. Мерзлые породы этого опущенного и тектонически нарушенного блока в верхних частях осадочного чехла обладают максимальными значениями водопоглощающих свойств пород. В- третьих, при расчете полезной емкости резервуара в основу принималась гомогенная толща с эффективной пористостью 2-3% и более. Некоторые исследователи естественную емкость ММП на Октябрьском полигоне оценивали в 2-4% [3], другие же и того больше, до 9-10% [1]. Это на 1,5-2,0 порядка выше полученных фактических величин. Эта существенная разница связана с использованием в расчетах данных точечных лабораторных определений емкостных показателей криогенных пород.

Целью изобретения является повышение достоверности определения полезной емкости природных криогенных резервуаров при соблюдении экологической безопасности захоронения дренажных рассолов (ДР).

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем закачку определенного объема жидких рассолов через скважины в экологически безопасный интервал массива, обладающего естественной пустотностью, но в основном залеченной льдом, пространственно ограниченный слабопроницаемыми отложениями, измерение мощности пласта, площади растекания этих отходов и оценку полезной емкости, дополнительно определяют среднюю мощность обводненной толщи пород в центре репрессивного купола для n-го момента времени (h_cp)_n, рассчитывают коэффициент эффективной емкости резервуара (n_эф), а общий полезный объем природного криогенного резервуара оценивают с учетом данного параметра.

Расчет коэффициента эффективной емкости пород на определенный период времени внутри техногенного талика ведут по формуле

n_эф=V_n/S_n×h_n,

где V_n - объем сброшенного рассола на определенный период времени (n), м³;

S_n - площадь растекания рассолов на определенный период времени (n), м²;

h_n - мощность обводненной толщи пород в центре репрессивного купола для n-го момента времени, м.

А оценку полезной емкости природного криогенного резервуара (V_общ) ведут по формуле

V_общ=S_общ×n_эф×h_к,

где S_общ - общая площадь участка закачки, м²;

n_эф - коэффициент эффективной емкости резервуара;

h_к - мощность толщи пород на конечном этапе его эксплуатации, м.

Удаляемые (закачиваемые) в ММП дренажные рассолы неравновесны ко льду и могут переводить его в жидкую фазу, ликвидируя флюидоупорность. Их взаимодействие совершается путем фазовых переходов воды, что сопровождается взаимным изменением объемов фаз с сохранением химического состава раствора. При сбросе рассолов в мерзлую толщу начинается процесс формирования дополнительной емкости за счет изменения твердой фазы воды - льда в горных породах. В мерзлом массиве формируется техногенный целик, в котором концентрация ДР со временем понижается до равновесной. При этом в случае отсутствия гидродинамических воздействий происходит плотностная конвенция с образованием в верхних слоях опресненного слоя. Последующие поступления высокоминерализованных дренажных рассолов приводят к расширению зоны влияния, развитию репрессионного купола и отжатию при определенных условиях вниз части объемов ДР.

Определение полезной емкости природного криогенного резервуара с учетом коэффициента эффективной емкости и среднего положения уровня воды в центре репрессивного купола для определенного (n-го) момента времени позволяет повысить достоверность выполняемых расчетов и выполнить прогноз количественных показателей объемов закачиваемых рассолов на конечной стадии эксплуатации участка закачки. Проведенные исследования позволили подтвердить значения емкостных параметров формируемого техногенного целика в ММП. Данные приведены в таблицах 1 и 2.

Рассмотрим используемые варианты определения емкости природного резервуара в ММП для Октябрьского и Киенгского полигонов захоронения.

На фиг. 1 показана схема расположения полигонов захоронения дренажных рассолов Удачнинского ГОКа, где 1 - полигоны захоронения {А - Октябрьский, В - Киенгский); 2 - карьер «Удачный»; 3 - ось Далдынской флексуры; 4 - кимберлитовая трубка.

На фиг. 2 показано определение среднего положения уровня воды в центре репрессивного купола (h_cp)_n на определенный (n) момент времени, где h₁, h₂, h₃ - мощность обводненной толщи пород в центре репрессивного купола для n-го момента времени, м; S₁, S₂, S₃ - площади растекания рассолов для n-го момента времени.

Способ осуществляется следующим образом.

По данным геологических служб в районе Удачнинского ГОКа были определены природные резервуары ММП, пригодные для складирования и пространственно ограниченные слабопроницаемыми отложениями. На Октябрьском полигоне 1А (фиг. 1) в экологически безопасный интервал природного криогенного резервуара ММП бурятся скважины и производят закачку определенного объема жидких ДР. Данные занесены в графу 3 таблицы 1.

Затем определяют площадь растекания ДР по заданной экологически безопасной изолинии (в частности, отметка +280 абс. м). Площадь растекания определяют по графическим материалам с использованием программного обеспечения, к примеру, AutoCADa (в компьютере) или при помощи курвиметра (на бумажном носителе) (фиг. 2). Данные занесены в графу 2 таблицы 1. По данным фактических наблюдений (фиг. 2) по закачным скважинам определяют текущую мощность обводненной толщи в центре репрессивного купола (h_n) на определенный момент времени, которые заносят в графу 4 таблицы 1. С учетом этих данных рассчитывают коэффициент эффективной емкости резервуара (изданные занесены в графу 5 таблицы 1.

Рассчитанный коэффициент эффективной емкости (общей пустотности) пород экологически безопасного интервала в толще ММП по Октябрьскому полигону (n_эф)_n, соответствует от 0,0002 до 0,0032 (табл. 1), составляя средневзвешенную величину (n_эф)_ср=0,002. Общая площадь полигона (S_общ) составляет 36,0 км², а мощность обводненной толщи ММП (h_к) на конечном этапе эксплуатации участка определена величиной 135 м. Поэтому общая потенциальная емкость резервуара (V_общ) установлена в объеме около 10,0 млн. м³.

V_общ=S_общ×(n_эф)_ср×h_к=36,0 млн.м²×0,002×135 м≈10,0 млн.м³

Выполним для подтверждения применимости данного способа расчет коэффициента эффективной емкости в ММП и общую потенциальную емкость резервуара на Киенгском полигоне 1В. Анализ данных показал несколько иную закономерность формирования резервуара в экологически безопасных интервалах криолитозоны на данном объекте (табл. 2). Если проследить характер пространственного распространения минерализованных вод, закачанных на Октябрьском полигоне, то можно обнаружить реакцию уровенного режима рассолов подмерзлотного горизонта вблизи Киенгского полигона уже через 5 лет захоронения стоков.

Таблица 1.

Рассчитанный коэффициент эффективной емкости (общей пустотности) пород экологически безопасного интервала в толще ММП на Киенгском полигоне (n_эф)_n соответствует от 0,0041 до 0,0014 (табл. 2), составляя средневзвешенную величину (n_эф)_ср=0,002. Общая площадь полигона (S_общ) составляет 55,6 км², а мощность обводненной толщи ММП (h_к) на конечном этапе эксплуатации определена величиной 150 м. Поэтому общая потенциальная емкость резервуара (V_общ) установлена в объеме 16,7 млн.м³.

V_общ=S_общ×(n_эф)_ср×h_к=55,6 млн.м²×0,002×150 м=16,7 млн.м³.

Предлагаемый способ позволяет повысить достоверность определения оценки полезной емкости природного криогенного резервуара ММП и выполнить прогноз количественных показателей объемов закачиваемых рассолов на конечной стадии эксплуатации участка закачки при соблюдении экологической безопасности региона.

Список использованных источников

1. Порохняк A.M., Рассудов А.В. Захоронение жидких отходов в криолитозоне. - М.: Недра, 1993. - 112 с.

2. Плотников Н.И. К вопросу захоронения вредных промышленных стоков в глубокие горизонты земной коры // Вопросы формирования состава подземных вод. - М.: Изд-во МГУ, 1963. С. 164-191.

3. Атрощенко Ф.Г. Исследование процессов, контролирующих миграцию минерализованных вод при их захоронении в многолетнемерзлые породы // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия. - Томск: ТПУ, 2000. - С. 579-583.

4. Гавич И.К. Гидрогеодинамика: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1988. - 349 с.

5. Сердюков Л.И., Артемьева Е.Л., Строгова Е.В. и др. О природе поглощающей способности многолетнемерзлых пород при захоронении в них дренажных рассолов // Горный журн. - 1996. - №7-8. - С. 5-12.

6. Дроздов А.В., Готовцев С.П. Особенности миграции рассолов в криолитозоне при их подземном захоронении // Формирование подземных вод криолитозоны. - Якутск: ИМЗ СО РАН. - 1992. - С. 31-48.

1. Способ оценки полезной емкости природных криогенных резервуаров, включающий закачку определенного объема жидких дренажных рассолов через скважины в экологически безопасный интервал массива, обладающий естественной пустотностью, но в основном залеченный льдом, и пространственно ограниченный слабопроницаемыми отложениями, измерение мощности пласта, площади растекания этих рассолов и оценку полезной емкости, отличающийся тем, что дополнительно определяют мощность обводненной толщи пород в центре репрессивного купола для определенного (n-го) момента времени (h_n), рассчитывают коэффициент эффективной емкости резервуара (n_эф), а общий полезный объем природного криогенного резервуара оценивают с учетом данного параметра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчет коэффициента эффективной емкости пород внутри техногенного талика ведут по формуле
n_эф=V_n/S_n×h_n,
где V_n - объем сброшенного рассола на определенный период времени (n), м³;
S_n - площадь растекания рассолов на определенный период времени (n), м²;
h_n - мощность обводненной толщи пород в центре репрессивного купола для n-го момента времени, м.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценку общей полезной емкости природного криогенного резервуара (V_общ) выполняют по формуле
V_общ=S_общ×(n_эф)_cp×h_к,
где S_общ - общая площадь участка закачки, м²;
(n_эф)_сp - средневзвешенная величина коэффициента эффективной емкости резервуара;
h_к - мощность обводненной толщи пород на конечном этапе его эксплуатации, м.