CC BY
37
УДК 662.276
М. И. Старшов, И. М. Старшов, М. В. Залитова, А. Ю. Дмитриева
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Ключевые слова: битумосодержащие породы, природный битум, карьерно-скважинный метод, строение битумных залежей, физико-химические свойства природных битумов, критерии разработки.
С целью сохранения уникальных физико-химических свойств природных битумов (ПБ) и комплексного использования битумосодержащих пород необходимо применять нетрадиционные для нефтяной промышленности способы разработки. В работе выполнен анализ возможности применения комбинированного (карьерно-скважинного) метода разработки месторождений ПБ. Комбинация карьерных и скважинных методов разработки могут иметь различные варианты и будут зависеть от горно-геологических, технико-технологических, экологических показателей, что в конечном итоге и будет определять рентабельность производства.
Keywords: bituminous rocks, natural bitumen, quarry-borehole method, the structure of bituminous deposits, physic-chemical properties of natural bitumen, design criteria.
In order to preserve the unique physical and chemical properties of natural bitumen (NB) and the integrated use of bituminous rocks should be used for non-traditional ways to develop the oil industry. The paper analyzed the possibility of using the combined (quarry - borehole) method of mining NB. The combination of career and borehole development methods may have different options and will depend on the geological, technical, technological, environmental performance, which ultimately will determine the profitability of production.
Вопросы применения рудничных методов (карьеры, штольни, шахты) для добычи битумонос-ных пород требуют квалифицированного корректного решения. Скважинные методы добычи природного битума (ПБ) эффективны с применением термического воздействия на пласт, но это приводит к деструкции нативного ПБ при низких коэффициентах битумоизвлечения. С целью сохранения уникальных физико-химических свойств ПБ и комплексного использования битумосодержащих пород необходимо применять нетрадиционные для нефтяной промышленности способы разработки [1].
В данной работе авторы выполнили анализ возможности применения комбинированного (карь-ерно-скважинного) метода разработки месторождений ПБ.
На территории Татарстана рудничные методы добычи битумоносных пород были опробованы еще в XIX веке на месторождениях Фиков-Колокское, Сугушлинское, Сюкеевское и Шугуров-ское, на последнем из которых около сорока лет функционировал завод по производству товарных битумов. Специалистами Татарстана выполнены работы и сделаны расчеты по карьерным и шахтным методам разработки битумных месторождений. Некоторое время работал один карьер (местного значения) по добыче битумоносного песчаника на Спи-ридоновском участке. О комбинированной разработке нефтяных и битумных месторождений (если не считать ярегские нефтешахты, где применена комбинация горных выработок и скважин) в литературе практически нет сведений. Наиболее широко в горной практике применяются комбинации открытой и подземной разработки полезных ископаемых.
Очередность проведения открытых и подземных работ дает возможность выделить три варианта разработки месторождений:
1. Месторождение в первую очередь разрабатываются открытым способом, затем - подземным.
2. Месторождение отрабатываются подземным способом с последующим переходом на открытые работы.
3. Месторождение одновременно разрабатываются открытым и подземным способами.
Извлечение полезных ископаемых химическими методами из скважин, проходка которых осуществлена из подземных горных выработок, тоже следует рассматривать как комбинированные методы разработки. Такими методами в мировой практике добываются соли, сера, редкие и цветные металлы и другие полезные ископаемые [2].
Краткий обзор мировой практики показывает, что в горнорудной промышленности накоплен опыт по комбинированной разработке месторождений, позволяющий целесообразно и эффективно разрабатывать различные залежи полезных ископаемых.
Верхняя часть осадочной залежи Республики Татарстан, представлена отложениями пермской системы, содержит массовые скопления ПБ, которые представляют собой сильно окисленные, сверх-высоковязкие (300-630000 мПа-с) продукты с высоким содержанием смол (18-26 %), асфальтенов (4,675 %), серы (3,7-7,2 %), практически не содержащие легкие фракции. Массовые битумопроявления приурочены к коллекторам, экранированным в кровле глинистыми, глинисто-карбонатными или сульфатными покрышками разной (от 2 до 60 м) толщины, а распространение залежей ПБ по площади находится в тесной связи с выдержанностью покрышки.
Исследованиями в строении битумных залежей в отличие от нефтяных выявлены определенные особенности:
а) наличие в поровом пространстве битумной залежи свободной воды. Песчаники в битумной части залежей шешминского горизонта, исходя из их пористости и проницаемости, могут содержать максимум 20 % остаточной воды;
б) в теле битумных залежей имеются водоносные пропластики небольшой (до 0,5 м) толщины (Мордово-Кармальская, Ашальчинская, Сугушлин-ская и др.). Они имеют линзовидное строение и с законтурной областью залежи не сообщаются;
в) в теле отдельных битумных залежей водоносные пласты значительной (более 3 м) толщины, прослеживающиеся по всей площади залежи (Шугуровская, Кармалинская) или по отдельным зонам (Ашальчинская), сообщаются с законтурной водоносной областью.
При испытаниях битумных скважин на приток только в единичных скважинах, расположенных в присводовых бесконтактных зонах, получен безводный ПБ. В остальных скважинах, даже когда вскрывалась только кровля (1-5 м) битумного пласта и до водобитумного контакта (ВБК) оставалось более 10-15 м, были получены притоки ПБ со значительным количеством воды или воды с пленками битума. Дебиты чисто битумных скважин изменяются от 0,05 до 102 м3/сут. По консистенции ПБ жидкий, плотность его 0,95-1,02 г/см3. Площадь залежей изменяется от 1000 до 60000 м2 средняя толщина битумного пласта - 5,3-13,1 м, среднее биту-мосодержание - 5,8-13,8 %, средняя пористость -16-34 % .
С 1970 г. в Татарстане ведутся работы по решению проблем разведки, подсчета запасов ПБ, теоретические и лабораторные исследования и проводятся опытно-промышленные работы по их добыче. Полигоном для отработки скважинного способа добычи ПБ в Татарстане стали Мордово-Кармальское и Ашальчинское месторождения, на которых испытывались следующие технологии добычи: низкотемпературное окисление; пароцикли-ческая обработка призабойной зоны; закачка паро-газа; внутрипластовое горение, инициирование закачкой пара; вибровоздействие на плат в сочетании с тепловыми методами; гидродобыча битумоносной породы и другие.
Под комбинированными методами разработки можно рассматривать сочетание вариантов применения открытого, подземного и скважинного методов разработки месторождений полезных ископаемых. Комбинированные способы разработки месторождений различных полезных ископаемых среди традиционных способов добычи занимают не последнее место, так как имеются возможности наиболее целесообразно и с наибольшим экономическим и технологическим эффектами использовать горно-геологические особенности разрабатываемых месторождений. При комбинированной разработке, когда на одном и том же месторождении применяются различные варианты открытой и скважинной добычи, наиболее целесообразно используются запасы недр, обеспечивается более полное извлечение полезных ископаемых, достигаются высокие техни-
ко-экономические показатели добывающих комплексов.
Комбинации карьерных и скважинных методов разработки могут иметь различные варианты и будут зависеть от горно-геологических, технико-технологических, экологических показателей, что в конечном итоге и будет определять рентабельность производства. Ниже мы приводим возможные гипотетические варианты карьерно-скважинных методов разработки месторождений ПБ.
1. Месторождение в первую очередь разрабатываются скважинным методом, а далее отработка ведется карьером. такая комбинация будет связана с тем, что продуктивный пласт содержит маловязкий подвижный ПБ и вскрытие его в первую очередь карьером будет связано с интенсивным испарением углеводородов (потеря полезного ископаемого), созданием пожаро- и взрывоопасных концентраций углеводородов в зоне карьера. Возникнут также проблемы с налипанием породы к режущим механизмам и транспортным агрегатам горнорудного оборудования. Кроме того, вторичное вскрытие битумного пласта можно обосновать и низким коэффициентом битумоотдачи при скважинной разработке (0,2-0,3), т.е. оставшиеся 70-80 % запасов углеводородов можно добрать открытыми работами. Возможность открытой доразработки конечно будет определяться граничным коэффициентом вскрыши.
2. Рассмотрим месторождения, содержащие два битумных пласта. Верхний пласт содержит подвижный ПБ, поэтому разработка начинается сква-жинным способом на два горизонта. После отработки объектов и ликвидаций скважин, верхний пласт отрабатывается открытым способом.
3. Месторождения содержат два битумных пласта. Верхний пласт содержит неподвижный ПБ, поэтому при экономически выгодном коэффициенте вскрыши отработка верхнего пласта начинается открытыми работами. После достижения предельной глубины карьера, второй пласт разрабатывается скважинами со дна карьера, если нижний пласт в плане практически совпадает с верхним.
4. Одновременная отработка месторождения карьерным и скважинным способами. Карьерным способом отрабатываются участки с экономически выгодным коэффициентом вскрыши, а другие части месторождения отрабатываются скважинами с поверхности, наклонно-горизонтальными скважинами через борта карьера или битумосодержащая порода добывается скважинной гидродобычей (СГД) с поверхности. Несомненно, в теоретическом плане возможны еще и другие варианты карьерно-скважинного метода разработки, но мы отразили пока возможные комбинации применительно к горно-геологическим параметрам битумных месторождений Татарстана.
Разработка месторождений ПБ комбинированным (карьерно-скважинным) способом выдвигает ряд специфических требований к геологоразведочным работам для выявления запасов битумонос-ного песчаника и проектирования карьера. Разведка и подсчет запасов ПБ на месторождениях Татарстана проводится в настоящее время с учетом лишь
требований скважинных методов разработки. Технические средства для комбинированного способа добычи состоят из оборудования для скважинной добычи - в основном для теплового воздействия, и для карьерной разработки.
Основные горнотехнические параметры битумных месторождений (предельный коэффициент вскрыши, крепость вскрышных и продуктивных пород, глубина карьера и т.д.) определяют систему разработки месторождений открытым способом, а это в свою очередь служит основанием для правильного выбора транспортных средств.
Если битумное месторождение имеет небольшую глубину залегания и толщину пласта, крепость пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова составляет f=1-2, и в системе разработки предусматривается небольшая производительность, то для разработки этого месторождения можно использовать строительное оборудование.
В настоящее время нет разработанных и общепринятых критериев для определения методов разработки месторождений битумоносных пород. В первом приближении такую информацию может дать коэффициент вскрыши, по граничному значению которого (Кв=3,5) можно прорабатывать системы карьерного или шахтного способов разработки для того или иного битумного месторождения. При коэффициенте вскрыши Кв< 3,5 глубина карьера не должна превышать 45 м. При большей глубине залегания продуктивного пласта коэффициент вскрыши должен быть меньше единицы. Эти критерии разработаны канадскими специалистами. Авторы работы предлагают ввести коэффициент ценности (Кц) би-тумоносной породы, который будет определяться по формуле:
Кц= Б/5,
где Кц - коэффициент ценности битумоносной породы; Б - битумонасыщенность породы (%), в формулу подставляется величина безразмерная.
В таблице 1 даются рекомендации по оценке битумоносной породы.
Таблица 1 - Категория ценности битумоносных пород
Категория ценности битумоносной породы Коэффициент ценности Кц
1. Малоценные 1,0
2. Средней ценности 1,0-1,5
3. Умеренно ценные 1,5-2,0
4. Ценные 2,0-2,5
5. Весьма ценные 2,5-3,0
6. Исключительно ценные 3,0
Коэффициент вскрыши не дает полной информации для выбора варианта разработки месторождений битумоносных пород. Необходимо учитывать: рельеф местности; площадь месторождения; запасы ПБ и битумосодержащей породы; запасы сопутствующих компонентов (ванадий, никель, сера и др.); количество продуктивных пластов и глубину их залегания; расположение, форму и размеры пла-
стов; выдержанность пластов по толщине и битумо-содержанию; физико-механические свойства вскрышных, вмещающих и продуктивных пород; наличие водоносных горизонтов, климатические условия; физико-химические свойства ПБ и др.
Разработать критерии на перечисленные выше горно-геологические параметры битумных месторождений на данный момент не представляется возможным. Необходимо иметь большой статистический материал по техническим, технологическим и технико-экономическим показателям действующих карьеров.
Для применения скважинных методов разработки необходима текучесть ПБ в пластовых условиях. При скважинных способах ПБ добываются термическими методами. Разогрев может быть осуществлен внутрипластовым горением, нагнетанием пара и горячей воды, электропрогревом и другими источниками тепла. Каждый из названных способов имеет свои критерии применения. Применение внутрипластового горения рекомендуется в широких пределах изменения плотности и вязкости, плотность битума должна быть не менее 0,850 г/см3, а значение вязкости находится в пределах от 0,075 до 5 Па-с. Промысловые опыты осуществлялись в залежах нефти вязкостью от 0,0008 Па-с до 5,5 Па-с, а также в битумных пластах, где вязкость доходила до 500 Па-с, а плотность до 1 г/см3. По технико-экономическим показателям для применения тепловых методов необходимо выбирать объекты, содержащие не менее 1 млн.т запасов. Чем больше запасов ПБ, тем выше темп добычи, тем больше объем производства, что приводит к удешевлению добываемой продукции.
При сочетании скважинного и карьерного способов разработки, естественно, каждый объект должен удовлетворять комплексу требований для скважинного и карьерного способов разработки. Критерии к объекту для комбинированного способа добычи ужесточаются, т.к. увеличиваются ограничивающие параметры. Если не выполнено требование одного из способов разработки объект для комбинированного способа не подойдет. Кроме того, по отдельным параметрам берутся верхние или нижние пределы. Например, если для скважинной добычи объект должен иметь запасы ПБ не менее 1 млн. т, тогда и для комбинированного способа требуются объект с запасом не менее 1,0 млн.т.
В таблице 2 приведена сводка критериев для комбинированного (скважинно-карьерного) способа разработки. Приведенные критерии основаны на имеющихся опытах по скважинным и карьерным методам. По мере накопления информации они могут быть изменены [3].
Первоочередными объектами, которые необходимо рассмотреть для карьерно-скважинных методов разработки, мы считаем залежи в уфимских песчаниках. Они наиболее изучены и даже имеют выходы на дневную поверхность, глубина залегания их колеблется до 250 м. Эти залежи сосредоточены на юго-востоке Татарстана.
Таблица 2 - Критерии комбинированного (карьерно-скважинного) метода разработки месторождений ПБ
Параметр, размерность Скважинный Карьерный Комбинированный
ВГ Нагнетание пара
Вязкость ПБ в пластовых условиях, Па-с >0,01 >0,050 >0,050 0,01-0,50
Плотность ПБ, г/см3 >0,87 >0,880 >0,980 0,87-0,98
Средняя нефтенасы-щенность в охватываемом объеме, % >40 >40 >40 >40
Пористость, % >18 >18 н >18
Глубина залегания пласта, м <2100 <1000 <45 <2100
Температура пласта, □ С н н н н
Начальное пластовое давление, МПа н н н н
Эффективная толщина пласта, м >3 >6 - >3
Проницаемость пласта, мкм2 >100 >100 н >100
Литология, тип коллект песч. песч. н песч.
Геологические запасы, млн.т >1 >1 - >1
Плотность сетки скважин, га/скв. <16 <4 - <16
Водонасыщенность,% <50 <50 - <50
Коэффициент вскрыши, м3/м3 - - <3 5** <1 0*** <3.5** <1 0***
Показатель рентабельности (по Канаде), безразм - - >5.0* >5.0*
Примечание: *- при извлечении ПБ на наземных установках; ** - при глубине карьера не более 45 м; *** - при глубине карьера более 45 м; н - не нормируется
К настоящему времени в отложениях уфимского яруса выявлено и в разной степени разведано более 50 месторождений ПБ. Выполнен анализ и изучена горно-геологическая характеристика и рассчитаны коэффициенты вскрыши, показатели экономической рентабельности. Кроме того, выполнен графический анализ некоторых горно-геологических показателей - битумонасыщенность, запасы, площадь, толщина пласта, коэффициент вскрыши - в зависимости от глубины залегания битумоносного пласта. Выявить какие-либо четкие закономерности пока не удалось. Хотя, можно отметить, что битумонасыщенность (Б, %) лежит в пределах 5-10 %. Запасы, имея большое количественное разнообразие, в среднем колеблются в пределах 3-8 млн.т. Практически никакой закономерности не наблюдается для площадей битумных залежей. Колебание значений площадей битумных залежей находится в пределах от 1000 до 60000 тыс.м2. Толщина битумных пластов имеет разброс в значениях, но в общем укладывается в интервал 3-11 м. Как и следовало предполагать, коэффициент вскрыши с увеличением глубины залегания имеет тенденцию роста [4].
Как отмечалось ранее, критерии карьерно-скважинного способа разработки битумных месторождений это есть совокупность карьерных сква-
жинных критериев. Поэтому, при выборе битумных месторождений под карьерно-скважинный метод разработки в первую очередь необходимо обосновать критерии карьерной разработки.
Основными параметрами, определяющими целесообразность применения открытого (карьерного) способа разработки битумных месторождений являются следующие: наличие достаточного количества промышленных запасов природного битума; коэффициент вскрыши; физико-химические свойства ПБ; экономические и экологические факторы.
По запасам месторождения ПБ (разведанные месторождения) могут быть объектами для карьерной разработки, но хуже обстоит с другими параметрами. Из рассматриваемых месторождений нет объектов с глубиной залегания менее 45 м и коэффициентом вскрыши менее 3,5, или же с глубиной залегания более 45 м и коэффициентом вскрыши менее 1. Этот же вывод вытекает при анализе экономического показателя рентабельности. Из рассмотренных объектов ни одно месторождение не ложится в зону рентабельности. Например, битумный участок с битумонасыщенностью 10% должен иметь коэффициент вскрыши Кв<1,1 (только тогда он попадает в зону рентабельности). Разведанные и принятые к анализу битумные месторождения по анализируемым критериям значительно превосходят эти граничные значения и поэтому не могут быть объектами комбинированного (карьерно-скважинного) метода разработки.
Что касается скважинных методов разработки, то все рассмотренные месторождения пригодны для скважинной добычи. Здесь исключение составляют Спиридоновский и Ново-Шугуровский участки. Для скважинной разработки неприемлемым является малая глубина их залегания (4,6 м) и слабая битумонасыщенность (2%). По коэффициенту вскрыши они подходят на карьерную разработку, однако не проходят по параметру экономической рентабельности и по величине битумонасыщенности.
В последние годы в нефтяной и в энергетической литературе ПБ как важнейшему сырью ближайшего будущего стало придаваться исключительно большое значение. Это связано, во-первых, с тем, что истощаются ресурсы нефтей и газа, а во-вторых, также и с тем, что запасы ПБ оказались несравненно большими. Для того, чтобы обеспечить необходимый объем добычи углеводородного сырья необходимы новые источники. Такими источниками могут быть ПБ, извлекаемые из битумоносных пород. Значительные скопления ПБ в терригенных и карбонатных коллекторах пермского возраста выявлены на территории Татарстана.
Строение пермских отложений, геологические запасы ПБ, закономерности их образования и размещения изучались учеными и специалистами КГУ, ТатНИПИнефти и других научных организаций. Этими исследованиями удалось выявить следующие особенности битумных месторождений Татарстана: 1) рассредоточенность залежей ПБ на обширной территории с небольшими запасами (не более 10 млн.т); 2) залежи ПБ имеют водобитумные контакты на разных уровнях, разница отметок дохо-
дит до 20 м; 3) внутри битумных пластов содержатся линзовидные или более обширные водонасосные пласты толщиной 2-4 м; 4) битумные пласты неоднородны, чаще всего в подошвенной зоне содержат высокопористые пропластки, которые являются источниками обводнения; 5) залежи имеют низкую пластовую температуру (не более 7 - 12 □ С) и низкое пластовое давление (не более 0,2-0,4 мПа); 6) пластовые ПБ находятся в жидких, полужидких и твердых состояниях, вязкость текучих битумов доходит до нескольких тысяч мПа.
При разработке месторождений природных битумов комбинированным методом возникнут и экологические проблемы, которые необходимо решать с применением новейших технологий. Экологические проблемы будут связаны с возможными загрязнениями атмосферного воздуха газами при скважинных методах разработки. При этих методах разработки (особенно при внутрипластовом горении) образуются кислые газы, которые необходимо утилизировать.
В связи с этим необходим постоянный мониторинг за герметичностью трубопроводных систем и запорной арматуры.
При карьерном способе разработки возникнут специфические проблемы по охране окружающей среды:
1. Испарение углеводородных фракций, что предполагает естественную или принудительную вентиляцию карьера.
2. Сбор и очистка грунтовых и поверхностных вод.
3. Рекультивация поверхности и восстановление ландшафта.
Поэтому мы считаем, что для определения методов разработки битумных месторождений Татарстана необходимо учитывать многие факторы (геологические, технические, технологические, экологические) и проводить специализированные исследования.
Литература
1. М.И. Старшов, Н.Н. Ситников, Н.Т. Исхакова, Горючие сланцы, 7, 2, 156-167 (1990).
2. И.М. Старшов, М.И. Старшов, Х.Э. Харлампиди, Вестник Казанского технологического университета, 5, 339342 ( 2009)
3. М.И. Старшов, И.М. Старшов, Материалы VII международной конференции «Нефть, газ - 2000», «Эко-центр», Казань, 2000, Т.2, С.162-165.
4. М.И. Старшов, И.М. Старшов, Материалы научно-практической конференции «Нетрадиционные коллекторы нефти, газа и природных битумов. Проблемы их освоения», Издательство Казанского университета, Казань, 2005, С.258-263.
5. А.Ю. Дмитриева, М.В. Залитова, И.М. Старшов, М.Х. Мусабиров, Вестник Казанского технологического университета, 17, 254-257 (2014)
© М. И. Старшов- к.т.н., доцент кафедры химической технологии органических материалов Бугульминского филиала КНИТУ; И. М. Старшов- к.т.н., главный инженер проекта ООО «Технологические системы защитных покрытий»; М. В. Залитова - ст. препод. каф. химической технологии органических материалов Бугульминского филиала КНИТУ; А. Ю. Дмитриева - к.т.н., зав. каф. химической технологии органических материалов Бугульминского филиала КНИТУ, alina_dmitrieva_1971@inbox.ru.
© M. 1 Starsov - candidate of technical Sciences^ docent ofthe Department of chemical technology of organic materials Bugulma branch KNRTU; I. M. Starsov - candidate of technical Sciences, chief engineer of the project of " Technological systems of protective coatings "; M. V. Zalitova - ^ectorer ofthe Department ofchemical technology of organic materials Bugulma branch KNRTU; A. Yu. Dmitrieva- candidate of technical Sciences, head. the Department of chemical technology of organic materials Bugulma branch KNRTU, alina_dmitrieva_1971@inbox.ru.
