CC BY
45
УДК 622.755
ОЦЕНКА ЕМКОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФОРМИРУЕМОГО РЕЗЕРВУАРА В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ
А.В. Дроздов
АК «АЛРОСА»
Ул. Аммосова, 8, 677018 Якутск, Республика Саха (Якутия)
Рассмотрен метод оценки емкостных показателей формируемого резервуара при захоронении дренажных рассолов в многолетнемерзлые породы на Удачнинском ГОКе в Западной Якутии.
Подземное захоронение дренажных рассолов в недра криолитосферы является наиболее прогрессивным направлением в решении экологических проблем Западно-Якутского алмазоносного региона. Особо эффективно реализуются природоохранные мероприятия при отработке крупнейшего месторождения России — трубки Удачной, где удаление сточных вод производится в толщи многолетнемерзлых пород (ММП). В ближайшее время предусматривается аналогичным образом осуществлять ликвидацию минерализованных вод и на других алмазных месторождениях: Айхал, Юбилейная, Нюрбинская, Ботуобинская и др.
По сравнению с широко распространенным способом захоронения жидких отходов в глубокие горизонты этот метод ликвидации промышленных стоков имеет несомненные преимущества — технические, технологические, финансовые [1; 2]. В последующем он может найти применение не только на алмазодобывающих предприятиях Западной Якутии, но и в других регионах, которым свойственно развития мощных толщ ММП.
Классический вариант использования поглощающих свойств подземных резервуаров базируется на способности увеличения их влагоемкости за счет упругого сжатия и перераспределения распространенных в них водных растворов и газов, а также упругих, пластичных и деформационных показателей горных пород. Емкость геологической (криогидрогеологической) среды (резервуара), в которую обычно закачивают сточные воды, — сложная система, обладающая относительно устойчивыми свойствами с прочным скелетом горных пород. Чем больше макропустотность среды с высокой фильтрационной проницаемостью отложений, тем больше емкостные способности и приемистость геологогидрогеологического объекта. Экранирующие показатели пород, окружающих резервуары, должны быть способны к удержанию закачиваемых растворов в требуемых границах при изменяющихся гидростатических давлениях и геоста-тических нагрузках. Это положение установлено в нормативных документах, различных инструкциях и законодательных актах.
Основным условием использования коллекторов ММП при утилизации дренажных рассолов является безнапорный режим сброса жидких отходов горного
производства с поддержанием уровней воды в формируемом резервуаре на определенных экологически безопасных отметках. Для Октябрьского и Киенгского полигонов захоронения (Удачнинский горно-обогатительный комбинат (ГОК) установленной уровенной границей в направлениях основных водотоков является отметка +280 абс. м. Разработанный метод захоронения минерализованных стоков основан главным образом на свойстве формирования дополнительного резервуара в мерзлых толщах при изменении фазового состояния воды из твердого в жидкое. Общая емкость ММП на полигонах связана с высвобождением дополнительного объема (на 9%) при плавлении льда рассолами в трещинах, порах и кавернах; наличием открытых трещин в зонах тектонических нарушений; безльдистых кавернозных и пористых коллекторов; присутствием в текстурообразующих подземных льдах газовых включений. Кроме этого, за счет перетекания части техногенных стоков в подмерзлотный горизонт вовлекается и деформационная емкость прилегающей области подземной гидросферы. Следует учитывать, что ММП, как область закачки дренажных стоков, имеет тенденцию к изменению своих прочностных, фильтрационно-емкостных показателей, существенно воздействуя и преобразуя также подвижную (жидкую и газообразную) фазу.
В формировании емкостных запасов мерзлого массива играет роль вся совокупность водопроводящих и вмещающих коллекторов трещинно-жильного, по-рово-кавернозного и трещинного типов с преимущественной локализацией водовмещающей среды в пределах глинистых разностей пород. Фильтрационное поле может быть описано как модель среды с двойной пористостью или двойной трещиноватостью. Данные модели предполагают, что основные ресурсы емкости заключаются в порово-трещинных блоках пород, но фильтрационная (проводящая) составляющая приурочена к трещинно-жильным коллекторам, сформированным в межблоковых пространствах. Это крайне важно. При формировании полезной емкости мерзлых толщ основной объем коллекторов образуется при деградации цементной и инъекционной составляющей карбонатных и глинистых отложений. Сразу же следует уточнить следующее положение. Когда мы рассуждаем о емкостных свойствах пород техногенного талика, то имеем в виду гравитационную составляющую. Упругой емкостью пластов при безнапорном режиме закачки пренебрегаем, так как она на 2-3 порядка меньше формирующейся гравитационной емкости и практически не сказывается на конечном результате [3].
На начальных этапах исследований при прогнозных расчетах был применен стандартный метод определения емкостных параметров резервуара на полигоне с использованием объемов продуктивной толщи и эффективной пористости пород в пределах определенной криогеологической структуры. Для этих целей полезную емкость пласта (АV) можно определить, используя формулу (1), предложенную Н.И. Плотниковым [4], несколько упростив без учета упругоемкостных свойств пластов-коллекторов и заполнителя пустотно-сти:
АУ = 8 • Н - п, (1)
где: Н — мощность продуктивного пласта; 5 — площадь пласта в пределах определенной гидрогеологической структуры; п — эффективная пористость пород.
Полезный объем резервуара в пределах экологически безопасных интервалах составлял величину, превышающую фактическое значение емкости на полигоне в 5 раз. В чем недостатки расчетов, проведенных данным способом?
Во-первых, мощность продуктивной толщи принималась равной 20 м. Другие авторы выделяли даже несколько рассолопроводящих пачек-коллекторов мощностью от 7,0 до 53 м, расположенных субгоризонтально по всему междуречью [5]. Однако по результатам выполненных нами детальных исследований мощность водопоглощающих зон, приуроченных к разрывным нарушениям криогенного массива, обладает резкой изменчивостью и меньшими значениями: от десятков сантиметров до 10-20 м [6].
Во-вторых, при оценке прогнозной площади резервуара за основу взят прин-цип использования I геотектонических поднятий, т.е. все водораздельные участки в районе оценены как перспективные, без учета структурно-тектонической обстановки, хотя уже существовали представления о граничных условиях Октябрьского полигона. Дальнейшая закачка стоков подтвердила правильность излагаемых нами положений о границах резервуаров, связанных со структурнотектоническими особенностями на объектах захоронения, и необходимости введения корректировок при расчетах природных емкостей в ММП [2].
В-третьих, при оценке емкости резервуаров за основу принималась гомогенная толща пород с эффективной пористостью от 2-4 [5] до 9-10% [7]. Это на 1,5-2 порядка выше полученных нами фактических величин эффективной емкости массива ММП в пределах экологически безопасных интервалов (будет рассмотрено ниже). Природа таких расхождений в целом понятна. Эта существенная разница в большей степени связана с использованием данных точечных лабораторных определений емкостных показателей льдонасыщенных пород, нежели проведенная нами интегральная оценка эффективной емкости массива ММП, по объемам формирования техногенного талика.
Имея дело со смешанным (порово-кавернозно-трещинным) типом коллекторов в гетерогенной среде ММП, полезная емкость которой в основном заполнена льдом, и учитывая ее резко анизотропные показатели, довольно сложно выполнять расчеты емкостных параметров пород (гравитационного недостатка насыщения) формируемого резервуара, обладающего пространственно-временными неоднородностями, и осуществлять прогноз вероятных объемов закачки.
Анализируя результаты проводимых исследований, автор в 1988 г. сделал расчет величины эффективной емкости пород техногенного талика новым методом. В предложенном варианте расчета использовались фактические показатели объемов сброшенных рассолов и их пространственно-временное распределение в криогенном ярусе (рис.). Характер, масштабы и динамика формирования техногенного талика в мерзлом массиве указывают на емкостные параметры пород ниже экологически безопасного уровня независимо от типа коллекторов и их гетерогенной распространенности в используемой толще. Захороняемые рассолы вначале заполняют свободную емкость коллекторов в мерзлых породах и далее, растворяя лед, формируют основной объем техногенного талика.
В расчетах емкости природного резервуара в ММП и для прогноза его заполнения используется коэффициент эффективной емкости яЭф [1]. Это результат отношения фактического объема сброшенных дренажных вод (V) в мерзлую толщу полигона к площади их растекания (5) по требуемой отметке и к средней
мощности обводненной толщи hep, т.е.:
пэф = V: S ■ hQр, (2)
где: V — объем сброшенного рассола на определенный период времени; S — площадь распространения рассолов по экологически безопасной отметке репрессивного купола (или изолиния +280 абс, м).
Определив площадь растекания по изолинии +280 абс. м, производим оценку емкостных параметров пород на определенный период времени внутри техногенного талика.
В центральной части репрессивного купола допускается превышение высотных ограничений, но только не в пределах уреза речной сети, где возникает опасность выхода закачиваемых рассолов на дневную поверхность. При прогнозах необходимо использовать осредненные параметры емкости пород (поровой и трещинной), намного превышающей емкость трещин. Эти значения принимаются на основе данных эксплуатации конкретного полигона захоронения и проводимых режимных наблюдений.
Приведем пример расчетов емкостных показателей ММП по уже заполненному резервуару на Октябрьском полигоне и рассмотрим динамику его наполнения на разные периоды времени (табл. 1). На 30 декабря 1986 г. эффективная мощность техногенного талика составила 0,018 м, далее происходит ее рост до 0,041 м. Данное увеличение объясняется тем, что в начальный период происходит заполнение свободных коллекторов в общей емкости резервуара ММП.
Таблица 1
Расчетные значения емкостных параметров ММП на Октябрьском полигоне
Дата Площадь (S), млн м2 Объем сброшенного рассола (V), тыс. м3 Эффективная мощность толщи (т), м Средняя мощность обводненной толщи (hcp), м Коэффициент эффективной емкости (^ эф)
30.12.1986 г. 0,12 2,1 0,018 80 0,0002
30.06.1987 г. 1,18 48,0 0,041 90 0,0005
1.01.1988 г. 1,57 206,2 0,131 100 0,0013
1.10.1988 г. 3,16 431,2 0,136 105 0,0013
1990 г. 11,1 1502,8 0,135 115 0,0012
1992 г. 12,3 2557,2 0,208 120 0,0017
1994 г. 14,8 3943,6 0,266 125 0,002
1996 г. 16,5 5577,9 0,338 130 0,0026
1998 г. 18,4 7212,7 0,392 132 0,003
2000 г. 19,9 8642,1 0,434 135 0,0032
Рис. Схематический разрез формируемого талика в ММП для расчета коэффициента эффективной емкости резервуара на полигоне захоронения
В последующем подключаются объемы емкости, образующиеся дополнительно (9%) при плавлении льда. Разделив расчетную величину эффективной мощности техногенного талика на среднюю мощность внутри репрессивного купола, получим коэффициент эффективной емкости (гравитационной) в криогенном массиве в разные периоды времени. Величина этого коэффициента зависит от пространственных показателей репрессивного купола, которые напрямую связаны с фильтрационно-емкостными свойствами криогенных пород на полигоне.
Идентифицируя прилегающие площади с одинаковой геолого-структурной обстановкой на полигоне, т.е. создав граничные условия расчетной фильтраци-онно-емкостной модели, можно сделать прогноз потенциальной емкости резервуара в пределах экологически безопасных интервалов ММТТ. В начале 1988 г. произошел переток сбрасываемых дренажных вод в подмерзлотный водоносный горизонт, выразившийся в резком подъеме уровней воды в этой водонасыщенной толще.
Анализ полученных данных при пересчете удельной емкости на разные периоды времени (начало и конец 1988 г.) указывает на резкое увеличение эффективной мощности используемой толщи (см. табл. 1), хотя расчетные параметры довольно близки. Все это свидетельствует о представительности расчетных показателей пород и учете процессов, происходящих в техногенном талике криогенной толщи при формировании емкости резервуара с проявлением эффекта упругой емкости подмерзлотного горизонта.
Наблюдения за уровенным режимом техногенного и подмерзлотного водоносных горизонтов позволили продолжать эксплуатацию системы захоронения на полигоне до практически полного заполнения емкости резервуара в безопасных интервалах. Существовала определенная закономерность возрастания коэффициента эффективной емкости талика в зависимости от продолжительности закачки стоков. Это было связано с тем, что в 1991 г. обнаружено ассиметричное увеличение площади распространения закачиваемых рассолов по трещинным нарушениям в юго-восточном направлении, т.е. произошло вовлечение новых участков криогенного массива в направлении Киенгского полигона. Для последующих расчетов и прогнозов необходимо использовать коэффициент эффективной емкости пород, который, к примеру, для Октябрьского полигона составляет 1-ЗхЮ-3. По данным проведенных натурных наблюдений на полигонах период формирования полезной гравитационной емкости резервуара техногенного талика в ММП исчисляется годами [1].
При захоронении рассолов в мерзлых толщах процесс плавления льдов и последующего разбавления закачанных стоков идет достаточно интенсивно и зависит от многих факторов. Так, после налива крепких дренажных рассолов, равновесная концентрация (М = 50-60 г/дм3) в прискважинной зоне на начальных этапах освоения полигона наступает через 10-20 суток.
Процесс разбавления закачанных высокоминерализованных стоков происходит повсеместно. Даже на конечной стадии эксплуатации Октябрьского полигона исходная минерализация в центре техногенного талика сохранялась только в первые часы закачки. Далее при существующей интенсивности сброса за счет различных факторов она уменьшается более чем на половину. Если оценивать по солевому балансу разбавление всей общей массы сброшенных дренажных
рассолов (М = 273 г/дм3) в мерзлые толщи полигона, то даже по грубым прикидкам видно, что вступило во взаимодействие свыше 50 млн м3 пресной воды, находящейся в твердой фазе. По балансу минерализации закачанных рассолов и вод техногенного талика, а также по его размерам можно рассчитать льдистость пород и эффективную емкость резервуара в криогенном массиве.
Несколько позднее другие авторы, анализируя данные по полигону с использованием методов математического моделирования, подтвердили значения удельных емкостных параметров техногенного талика в ММП и обоснование природы поглощающей способности криогенных толщ при воздействии на них рассолов, а также происходящих при этом процессах [8].
Для вновь введенного Киенгского полигона расчеты коэффициента эффективной емкости ММП показали несколько иную закономерность формирования резервуара в экологически безопасных интервалах криолитозоны (табл. 2). Если проследить характер пространственного распространения минерализованных вод, закачанных на Октябрьском полигоне, то можно обнаружить реакцию уро-венного режима рассолов подмерзлотного горизонта вблизи Киенгского полигона уже через 5 лет захоронения стоков.
Таблица 2
Расчетные значения емкостных параметров ММП на Киенгском полигоне
Дата (год) Площадь (5), млн. м2 Объем сброшенного рассола (V), тыс. м3 Эффективная мощность толщи (т), м Средняя мощность обводненной толщи (Ьсв), м Коэффициент эффективной емкости, (яэф)
2003 2,046 833,9 0,408 100 0,0041
2004 3,977 1510,8 0,38 110 0,0035
2005 5,443 2187,3 0,401 120 0,0033
2006 9,210 3208,4 0,348 130 0,0027
Анализ многолетних наблюдений по распространению дренажных стоков в техногенных водоносных горизонтах ММП на полигонах закачки показал, что в настоящее время произошло слияние репрессивных куполов обоих источников гидродинамического воздействия по наиболее проницаемым разрывным нарушениям Вилюйско-Котуйской тектонической зоны. Вот почему на Киенгском полигоне наблюдается картина уменьшения коэффициента эффективной емкости толщ ММП. Поэтому при прогнозах потенциальных емкостей резервуаров необходим учет фактора взаимосвязи техногенных горизонтов на полигонах захоронения. Их гидравлическая взаимосвязь существенно осложняет эффективность использования коллекторов ММП и должна вносить определенные коррективы в технологию закачки стоков. Контроль миграции закачиваемых рассолов от эксплуатируемых скважин в экологически опасных направлениях должен быть своевременным и более предметным.
Таким образом, емкостные свойства ММП на полигонах захоронения формируются главным образом в результате фазового перехода воды из твердого состояния в жидкое, при плавлении льда рассолами. Естественная (открытая) пус-тотность мерзлого массива низкая и не превышает первых процентов от его общей потенциальной емкости резервуара, которая формируется годами. Коэффициент эффективной емкости пород экологически безопасного интервала на достаточно хорошо изученном и уже использованном Октябрьском полигоне по
расчетам, выполненными разными способами, составил 0,001-0,003. Для Клиентского полигона захоронения величина этого показателя изменяется в сторону уменьшения от 0,004 до 0,002, и связана с частичным заполнением емкости резервуара за счет миграции закачанных стоков из Октябрьского полигона.
ЛИТЕРАТУРА
1 .Дроздов А.В. Подземное захоронение дренажных рассолов в многолетнемерзлые породы (на примере Удачнинского ГОКа в Западной Якутии) // Геоэкология. — 2005. — №'3, — С. 234-243.
2.Дроздов А.В. Структурно-тектонические критерии оценки приемистости массивов для захоронения сточных вод алмазодобывающих предприятий в криолитозоне Западной Якутии // Криосфера Земли. — 2006. — Т. X. — № 2. — С. 27-45.
3. Гавич И.К. Гидрогеодинамика: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1988.
4. Плотников Н.И. К вопросу захоронения вредных промышленных стоков в глубокие горизонты земной коры // Вопросы формирования состава подземных вод. — М.: Изд-воМГУ, 1963, —С. 164-191.
5. 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.
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.
7. Порохняк А.М., Рассудов А.В. Захоронение жидких отходов в криолитозоне. — М.: Недра, 1993.
8. Сердюков Л.И., Артемьева Е.Л., Строгова Е.В. и др. О природе поглощающей способности многолетнемерзлых пород при захоронении в них дренажных рассолов // Горный журнал. — 1996. — № 7-8. — С. 5-12.
ESTIMATION OF CAPACITOR PARAMETERS OF THE FORMED TANK IN EVERFROST BREEDS
A.V. Drozdov
AK «ALROSA»
Ammosov’s St., 8, 677018 Yakutsk, Republic Sakha (Yakutia)
The method of an estimation of the capacitive parameters of the formed basin surveyed at a burial place of drainage salt brines in perennially frozen ground on Udachny GOK in the Western Yakutia.
Дроздов Александр Викторович, горный инженер-гидрогеолог, кандидат геолого-минералогических наук, АК «АЛРОСА».
