Перспективы использования глубокозалегающих водоносных горизонтов для закачки слабоминерализованных вод
А.М. Янников1, С.А. Янникова1, И.В. Зырянов2, А.Ю. Корепанов1
1 Институт «Якутнипроалмаз», ПАО АК «АЛРОСА», г. Мирный, Российская Федерация
2 Политехнический институт – филиал в Мирном Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова, г. Мирный, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2022 стр. 76-81
Резюме: В процессе ведения добычных работ на коренных месторождениях алмазов, а также при дальнейшем обогащении кимберлитовых пород формируются дренажные и оборотные воды, требующие последующей очистки или иного способа экологически безопасной утилизации. В данной статье рассмотрены возможность и перспективы использования глубокозалегающих водоносных комплексов для закачки указанных типов вод, образующихся на обогатительных и добычных объектах Айхальского ГОКа. Выполнен анализ структурно-тектонического строения территории с целью выделения перспективных участков, охарактеризованы основные гидродинамические параметры целевых коллекторов. Дана экспертная оценка целесообразности проведения дальнейших исследований, определены основные направления, описаны объёмы и их методологическая составляющая.
Ключевые слова: Якутская алмазоносная провинция, Алакит-Мархинское кимберлитовое поле, дебалансные воды, нижнекембрийский водоносный комплекс, карбонатные коллекторы, насыщенные рассолы, ненасыщенные рассолы
Для цитирования: Янников А.М., Янникова С.А., Зырянов И.В., Корепанов А.Ю. Перспективы использования глубокозалегающих водоносных горизонтов для закачки слабоминерализованных вод. Горная промышленность. 2022;(1):76–81. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-1-76-81
Информация о статье
Поступила в редакцию: 20.12.2021
Поступила после рецензирования: 19.01.2022
Принята к публикации: 22.01.2022
Информация об авторах
Янников Алексей Михайлович – кандидат геологоминералогических наук, заведующий лаборатории горногеологических проблем разработки месторождений Института «Якутнипроалмаз», ПАО АК «АЛРОСА», г. Мирный, Российская Федерация; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2169-123Х; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Зырянов Игорь Владимирович – доктор технических наук, заведующий кафедрой горного дела, Политехнический институт – филиал в Мирном Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова, г. Мирный, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Янникова Светлана Александровна – ведущий инженер лаборатории горно-геологических проблем разработки месторождений Института «Якутнипроалмаз», ПАО АК «АЛРОСА», г. Мирный, Российская Федерация Корепанов Алексей Юрьевич – заведующий сектором гидрогеологических исследований лаборатории горногеологических проблем разработки месторождений Института «Якутнипроалмаз», ПАО АК «АЛРОСА», г. Мирный, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Особенности горно-геологического строения коренных месторождений Западной Якутии, а также технологический цикл обогащения, применяемый в настоящее время при добыче алмазов, приводят к формированию минерализованных вод, требующих очистки, в объёме более 1 млн м3 в год. Для решения данного вопроса реализован раздельный сбор природных рассолов и слабоминерализованных вод.
Данные технические решения позволяют собранные высокоминерализованные дренажные воды, с минерализацией больше 60 г/л, закачивать на участках, где в качестве рассолопоглощающей толщи выступают коллекторы в толще многолетнемерзлых пород, а слабоминерализованные воды (менее 60 г/л) – складировать в бессточные накопители (хвостохранилища). Особенностью выбранных технических решений является вопрос дальнейшей очистки накопленных в хвостохранилищах вод при их рекультивации, т.к. по сути применяемые в настоящее время технические решения только отсрочивают решение проблемы [1–4].
На наш взгляд, одним из вариантов окончательного решения вопроса утилизации слабоминерализованных вод явилась бы их закачка в глубокозалегающие, свыше 1200 м от дневной поверхности и находящиеся в области горных пород с положительной температурой, подмерзлотные водоносные комплексы. Для первичного обоснования предложенного решения рассмотрим геолого-гидрогеологические условия территории исследований, а также выполним гидрогеологическую стратификацию Алакит-Мархинского кимберлитового поля с краткой характеристикой выделенных единиц.
Геолого-гидрогеологические условия территории исследований
Геологические условия изучаемой площади, а именно наличие двух этажей строения (кристаллического фундамента и осадочного чехла), определяются ее нахождением в пределах древнего кратона – Сибирской платформы, а именно приуроченностью к сочленению северо-восточной части Тунгусской синеклизы и юго-западной Анабарской антеклизы [5].
Осадочный чехол изучаемой площади сложен палеозойскими карбонатно-терригенными и карбонатными породами, относящимися к двум циклам осадконакопления, вулканогенно-осадочным породам пермского и триасового периодов, а также четвертичных субаэральных отложений различных генетических типов. Общая мощность осадочной толщи изменяется от 2200 до 3600 м. Выделяемые структурные этажи, маркируются перерывами в осадконакоплении, а также угловыми и стратиграфическими несогласиями [6].
Нижнепалеозойские отложения перекрыты магматическими породами трапповой формации пермо-триасового возраста. Магматические образования, известные в районе работ, относятся к двум эпохам платформенного магматизма: среднепалеозойской (D3-С1) и позднепалеозойской-раннемезозойской (Р2-Т1).
Первая эпоха выделяется по проявлениям ультраосновного магматизма, а именно по формации кимберлитов, слагающих трубки взрыва. Вторая эпоха связана с внедрением магм основного состава трапповой формации: долеритов и габбро-диабазов, представленных практически всеми типами и формами гипабиссальных интрузий [1] (рис. 1).
Рис. 1 Геологическая карта территории исследований
Fig. 1 Geological map of the surveyed area
Кристаллический фундамент сложен анабарским гранулитовым комплексом, ассоциирующимся с далдынской, верхнеанабарской и хапчанской сериями архея. Описание пород кристаллического фундамента выполнялось при бурении параметрической скважины №706 и по ксенолитам многочисленных кимберлитовых трубок Алакит-Мархинского и Далдынского полей. В качестве объекта аналога выступали породы Анабарского кристаллического массива.
Далдынская серия в пределах участка исследований сложена преимущественно глубоко метаморфизованными бескварцевыми сланцами. Верхнеанабарская серия представлена кварцсодержащими метаморфизованными кварцитами, с линзами гнейсов и высокоглиноземистых сланцев. Хапчанская серия сложена преимущественно гнейсами биотит-гранатового состава и кальцифирами. В зонах динамического воздействия глубинных разломов, определяемых по широкому распространению зон смятия и дробления, распространены метаморфические породы верхнеламуйкского комплекса, сформировавшиеся в результате диафтореза в условиях амфиболитовой фации в позднеархейское – раннепротерозойское время [6–8]. Гидрогеологические условия Алакит-Мархинского кимберлитового поля определяются его принадлежностью к Тунгусскому криоартезианскому бассейну [9]. В пределах осадочного чехла выделяются следующие водоносные горизонты и комплексы:
1. Надмерзлотные воды на территории исследований формируются в пределах сезонно-талого слоя (СТС) и в несквозных подрусловых и подозёрных таликах.
2. Межмерзлотные воды относятся к Нижнеордовикскому межмерзлотному водоносному комплексу (далее НоВК).
Характерной особенностью которого является спорадичность планового распространения, и наличие многолетне-мерзлых пород выше и ниже рассолонасыщенной части разреза. Линзы НоВК характеризуются незначительным напором подземных вод, крайне низкими фильтрационными параметрами и невысокой водообильностью отложений. Водоносные комплексы подмерзлотных вод.
3. Верхнекембрийский подмерзлотный водоносный комплекс характеризуется повсеместным распространением, приурочен к карбонатным разностям отложений моркокинской (Є3 mrk) и мархинской (Є3 mrh) свит верхнего кембрия, характеризующихся частым тонким переслаиванием глинистых и карбонатных пород лагунной фации. Верхнекембрийские отложения вскрыты в интервале глубин 550–1220 м, общая мощность их составляет 670 м. Породы верхнекембрийского водоносного комплекса характеризуются низкими коллекторскими свойствами. Значения коэффициентов водопроводимости колеблются в пределах 0,02–0,60 м2/сут с преобладанием величин более 0,1 м2/сут, коэффициентов пьезопроводности – 103–104 м2/сут. Повышенными на порядок значениями параметров (до 10 раз) отличаются лишь зоны динамического воздействия основных региональных разломов; значение коэффициента водопроводимости здесь составляет 5,2 м2/сут, коэффициента пьезопроводности – 1,5*105 м2/сут. Верхнекембрийский водоносный комплекс напорный, величина пластового давления коллекторов составляет 40–55 кгс/см2, что соответствует уровню от 208 до 312 м от кровли. По химическому составу воды относятся к хлоридным натриево-магниево-кальциевым рассолам различного насыщения, с минерализацией, от 144 до 348 г/л. Причём с увеличением глубины залегания коллекторов увеличивается и параметр минерализации рассолов [10; 11].
Среднекембрийский водоносный комплекс в пределах изучаемой территории вскрывается на глубинах порядка 1300 м от дневной поверхности (а.о. –650/–700 м). Общая мощность комплекса достигает 600 м. Водопроводимость изменяется в пределах от 0,01 до 0,35 м2/сут. Подземные воды обладают напором над кровлей до 350 м. Они представлены хлоридными рассолами с минерализацией до 403 г/л. От подошвы верхнекембрийского водоносного комплекса среднекембрийский водоносный комплекс изолирован практически водоупорными породами нижней пачки Мархинской свиты мощностью 90–110 м.
Нижнекембрийский водоносный комплекс был вскрыт в интервале 2540–2650 м от дневной поверхности. Водосодержащие коллекторы приурочены к карбонатно-терригенным породам эмяксинской свиты. Комплекс напорный, напор над кровлей составляет до 1350 м (пластовое давление составляет порядка 170 атм). Водопроводимость изменяется по разрезу в пределах от 0,01 до 0,2 м2/сут. Протерозойский водоносный комплекс и переходная зона между осадочным чехлом и кристаллическим фундаментом вскрыты в интервале 2868–3102 м от дневной поверхности. При проведении опытно-фильтрационных работ с данного интервала не было получено значимых притоков флюидов, что позволяет охарактеризовывать данные коллекторы как «сухие».
Обоснование возможности использования глубокозалегающих водоносных комплексов
Суммарный прогнозный объём, формируемый на объектах Айхальского ГОКа слабоминерализованных вод (с минерализацией 4–15 г/л), требующих выбора схемы экологически безопасной утилизации, в течение ближайших 10 лет составит ≈ 13 млн м3. Как было сказано ранее, закачка вод с такой некондиционной минерализацией в толщу многолетнемерзлых пород невозможна, т.к. требуется ее увеличение до 60–80 г/л, что при таких объёмах вод технически сложно выполнимо и экономически нецелесообразно. Поэтому авторами предлагается вариант закачки слабоминерализованных вод в глубокозалегающие региональные среднекембрийский, нижнекембрийский и протерозойский водоносные комплексы (далее СВК, НВК и ПрВК), имеющие повсеместное распространение. По причине их залегания гораздо ниже нулевой изотермы, а также наличия в разрезе водоносных комплексов вод с высокой минерализацией фактор минерализации подаваемых в недра вод не является определяющим. В Алакит-Мархинском районе указанные водоносные комплексы были вскрыты нефтепоисковой параметрической скважиной №706. Результаты, полученные при бурении, были использованы для представленной ранее гидрогеологической стратификации разреза.
Рис. 2 Структурно-тектоническая схема территории исследований
Fig. 2 Structural and tectonic diagram of the surveyed area
Использование для опытной закачки пробуренной ранее скважины №706 не совсем целесообразно, т.к. данная скважина в настоящее время затампонирована. Негативным фактором также является ее расположение в центральной части локальной положительной структуры кристаллического фундамента (рис. 2), что было продиктовано ее назначением – поиском скоплений углеводородов и каустобиолитов, приуроченных, как правило, к положительным структурам – «ловушкам». Но такие зоны, как правило, характеризуются пониженной и затухающей трещиноватостью, т.к. находятся в рамках палеорельефа, на «водоразделах». Поэтому бурение поисково-оценочных скважин необходимо производить в склоновых зонах локальных понижений кристаллического фундамента, коррелируемых с зонами линейного растяжения в палеорифтовых системах и зонами динамического воздействия главных региональных разломов. Авторами предлагается бурение четырёх поисково-оценочных скважин глубиной порядка ≈ 2800 м, расположенных в рамках восточной части Айхальской депрессии, в районе внедрения убогоалмазоносных трубок «Ноябрьская» и «Надежда», а также на северном склоне Центральной депрессии, в зоне динамического воздействия Северо-восточного глубинного разлома (рис. 2). Потенциальная приемистость коллекторов на данных участках должна быть обеспечена следующими факторами:
1. Протерозойский комплекс приурочен к венд-рифейским отложениям, несогласно залегающим на кристаллическом фундаменте (подтверждено скважиной №706). Именно потенциальное наличие зон открытой трещиноватости на контакте осадочного чехла и кристаллического фундамента в зонах линейных растяжений и в палеорифтовых системах может обеспечить существенную дополнительную приемистость опытных скважин.
2. Области питания данных комплексов территориально приурочены к анабарскому кристаллическому массиву, и в настоящее время они проморожены; т.е. вкупе с потенциальной глубинной разгрузкой, произошедшей в течение как четвертичных оледенений, так и на этапах кайнозойской и неотектонической активизаций и сдвижений, это должно было поспособствовать формированию дополнительной потенциальной «свободной емкости» коллекторов среднекембрийского, нижнекембрийского и протерозойского водоносных комплексов.
3. Глубокое залегание указанных водоносных комплексов даже в режиме свободного налива обеспечивает высокое (более 200 кгс/см2) призабойное и пристволовое давление.
4. Горно-геологические условия территории позволяют в случае получения недостаточных или неудовлетворительных результатов по проницаемости коллекторов среднекембрийского, нижнекембрийского и протерозойского водоносных комплексов выполнить в опытных скважинах гидроразрыв пластов, который не повлияет на гидрогеологические условия отрабатываемых месторождений и не создаст дополнительной экологической нагрузки на территорию.
Для дополнительного обоснования принципиальной возможности закачки в указанные водоносные комплексы выполним прогнозные расчёты, использовав следующие решения динамики подземных вод и допущения: для изолированного в разрезе и неограниченного в плане пласта закачиваемые воды могут занять часть его порового пространства только за счёт увеличения степени упругого сжатия всего объёма пластовых вод и вмещающих пород, что обеспечивается вследствие необратимого повышения пластового давления [12–14].
Повышение пластового давления прогнозируется на основе формулы Тейса, которая для условия r2/4at≤0.1 с достаточной для прогноза точностью заменяется приближённой формулой:
(1)
где ΔP – изменение давления, МПа;
γ – объёмная масса закачиваемых вод, т/м3;
Q – производительность закачки, м3/сут;
Km – водопроводимость, м2/сут;
а – пъезопроводность, м2/сут;
Rк – приведенный радиус нагнетательного узла, м;
t – время эксплуатации, сут
Из формулы 1 получим изменение давления:
(2)
Выполним расчет:
Данные:
водопроводимость Km = 3 м2/сут;
пьезопроводность a = 10 000 м2/сут;
дебит закачки Q = 120 м3/ч (2880 м3/сут);
объёмная масса закачиваемых вод γ = 1.0 т/м3;
куст из четырех скважин на площади (100 х 100 м) F = 10 000 м2;
время работы участка закачки t = 10 лет (3650 сут).
Расчёт:
т.е.
повышение уровня составит 780 м.
Исходя из выполненных выше расчетов и статического уровня водоносных комплексов справедливо сделать вывод, что максимальная производительность 4 закачных скважин, пробуренных по указанной схеме, в режиме свободного налива составит = 140 м3/ч (3360 м3/сут). Использованная в расчётах прогнозная величина коэффициента водопроводимости (3 м2/сут) является ожидаемым параметром при бурении скважин на рекомендуемых участках.
Выполненный прогноз основан на результатах корреляции влияния глубинных разломов на гидродинамические условия месторождений Мирнинского кимберлитового поля, являющегося по сути для решения данной задачи объектом-аналогом.
Для главных месторождений трубок «Интернациональная» и «Мир» влияние глубинных разломов независимо от глубины залегания водоносного комплекса происходило схожим образом [1, c. 96–121; 15; 16]. Наблюдалось пропорциональное увеличение гидродинамических характеристических коэффициентов. Это обусловлено не только структурно-тектоническими особенностями формирования территории, но и литолого-фациальными условиями образования пород-коллекторов.
Применительно к территории исследований влияние зон динамического воздействия глубинных разломов было изучено для верхнекембрийского водоносного комплекса (далее – ВВК) по нескольким десяткам скважин, пробуренным в разное время в пределах карьерных полей трубок «Айхал» и «Юбилейная». По результатам интерпретации опытно-фильтрационных работ проницаемость коллекторов ВВК в зонах влияния разрывных нарушений увеличивалась на порядок (в 10–12 раз) относительно средних параметров [17–19]. Указанные факты, на наш взгляд, делают правомочным увеличение полученных по скважине №706 характеристических гидродинамических коэффициентов, характеризующих СВК, НВК и ПрВК, на подобную вличину.
Заключение
На основании результатов проведенных исследований правомочно сделать следующие выводы:
Проблема безопасной утилизации слабоминерализованных вод является весьма актуальной и требует своевременного проработанного технического решения, одним из которых может явиться их закачка в глубокозалегающие водоносные комплексы. Проведенный анализ геолого-гидрогеологического и структурно-тектонического строения территории позволяет с большой уверенностью говорить о целесообразности применения данного метода.
Для реализации закачки слабоминерализованных вод авторами рекомендуется бурение четырёх поисково-оценочных скважин глубиной порядка ≈ 2800 м на следующих участках:
– первый участок предлагается в рамках восточной части Айхальской депрессии, в районе внедрения убогоалмазоносных трубок «Ноябрьская» и «Надежда»;
– второй опытный участок – на северном склоне Центральной депрессии, в зоне динамического воздействия Северо-восточного глубинного разлома.
3. Для дополнительного подтверждения возможности использования коллекторов среднекембрийского, нижнекембрийского и протерозойского водоносных комплексов были выполнены расчёты с применением стандартных решений динамики подземных вод. Результаты расчётов также указывают на возможность организации участков закачки в рамках данных территорий.
4. Реализация предложенного варианта утилизации слабоминерализованных вод позволит решить вопрос с последующей рекультивацией существующего хвостохранилища, так как несомненным плюсом будет являться планомерная постоянная закачка образующихся дебалансных вод, а не постоянное их накопление в бессточных накопителях с переносом решения вопроса на последующие временные периоды.
Список литературы
1. Колганов В.Ф., Акишев А.Н., Дроздов А.В. Горно-геологические особенности коренных месторождений алмазов Якутии. Мирный: Мирнинская типография; 2013. 568 с.
2. Лоншаков В.Г., Дружинин И.А., Тимушева Л.В. Обзор проблем в области гидрогеологии и пути их решения. В сб.: Сборник научных трудов 2-й научно-практической конференции по вопросам гидрогеологии и водообеспечения, г. Ижевск, 30 июня 2020 г. Ижевск: Ижевский нефтяной научный центр; 2020. С. 45–52.
3. Flexer V., Baspineiro C.F., Galli C.I. Lithium recovery from brines: a vital raw material for green energies with a potential environmental impact in its mining and processing. Science of the Total Environment. 2018;639:1188–1204. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.05.223
4. Choubey P.K., Kim M.-S., Srivastava R.R., Lee J.-C., Lee J.-Y. Advance review on the exploitation of the prominent energy-storage element: lithium. Part I: from mineral and brine resources. Minerals Engineering. 2016;89:119–137. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2016.01.010
5. Данилов Ю.Г. Месторождения алмазов в Якутии. В кн.: Алмазы. Алмазодобывающая промышленность: сб. науч.-техн. информации. 2012. Вып. 2. С. 5-7.
6. Кирюхин В.А. Региональная гидрогеология. СПб.: СПГГИ; 2005. 344 с.
7. Дроздов А.В., Иост Н.А., Лобанов В.В. Криогидрогеология алмазных месторождений Западной Якутии. Иркутск: ИрГТУ; 2008. 507 с.
8. Дроздов А.В. Горно-геологические особенности глубоких горизонтов трубки Удачная. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011;(3):153–165.
9. Дроздов А.В., Мельников А.И. Роль разрывных дислокаций в обводнении алмазодобывающих рудников Якутии. Известия Сибирского отделения РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2014;(2):71–81. Режим доступа: https://repository.geologyscience.ru/bitstream/handle/123456789/11548/p95.pdf?sequence=1&isAllowed=y
10. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Трифонов Н.С., Павлов С.С., Ильин А.В. Рассолы глубоких горизонтов кимберлитовой трубки Удачная. В кн.: Новиков Д.А., Алексеев С.В., Сухорукова А.Ф. (ред.) Подземные воды востока России: материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), г. Новосибирск, 18–22 июня 2018 г. Новосибирск: Новосибирский национальный исследовательский государственный университет; 2018. С. 47–52.
11. Алекcеев C.В., Алекcеева Л.П., Шоуакаp-Cташ О., Фpейп Ш., Шабо Ф., Кононов А.М. Изотопный состав (H, O, Cl, Sr) подземных рассолов Сибирской платформы. Геология и геофизика. 2007;48(3):291–304.
12. Alexeev S.V., Alexeeva L.P., Vakhromeev A.G. Brines of the Siberian platform (Russia): Geochemistry and processing prospects. Geochemistry. 2020;117:104588. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2020.104588
13. Bozau E., Sattler C.-D., van Berk W. Hydrogeochemical classification of deep formation waters. Geochemistry. 2015;52:23–30. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2014.10.018
14. Dubihski J. Sustainable development of mining mineral resources. Journal of Sustainable Mining. 2013;12(1):1–6. https://doi.org/10.7424/jsm130102
15. Musakaev N.G., Borodin S.L., Rodionov S.P. Mathematical model of the downward two –phase flow of a heat-transfer agent in an injection well. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mathematical Modelling, Programming & Computer Software. 2019;12(3): 52–62. https://doi.org/10.14529/mmp190305
16. Гладков А.С., Дроздов А.В., Кошкарев Д.А., Потехина И.А., Афонькин А.М. Оценка структурно-тектонического строения глубоких горизонтов трубки Айхал для постановки гидрогеомеханического мониторинга. Известия Сибирского отделения РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2015;(2):46–56.
17. Янников А.М. Газодинамическая характеристика коллекторов во внешнем контуре месторождения трубка «Интернациональная». Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. 2018;(4):98–101. https://doi.org/10.17308/geology.2018.4/1672
18. Янников А.М. Интенсивность и продолжительность движения пластовых вод из малодебитных коллекторов толбачанской свиты. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. 2018;(1):139–141. https://doi.org/10.17308/geology.2018.1/1461
19. Янников А.М. Изменения коэффициента проводимости в околотрубочном пространстве кимберлитовой трубки «Интернациональная». Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. 2019;(2):146–149. https://doi.org/10.17308/geology.2019.2/1804
