Закономерности формирования и концепция освоения промышленных рассолов (на примере юга Сибирской платформы)

Автор приходит к выводу, что изучая проявления аномального пластового давления в каждой конкретной скважине, мы исследуем системное явление, характеризующее восточное крыло типичной, линейной синклинали, которая формируется над поверхностью срыва крыла аллохтона. Зона АК-АВПД отождествима со сместителем, и мы анализируем результаты глубокого бурения в надвиговых зонах, в зонах подобия, сингенетичных по геологическому и тектонофизическому строению, геодинамике и гидрогеологии.

Принципиально новый комплексный фактический материал, подтверждающий взаимосвязь сложившихся геологоструктурных, геодинамических представлений и гидрогеологических построений соискателя по гидрогеологии и гидродинамике АК-АВПД объектов, получен на Знаменском месторождениях промышленных рассолов и Ковыктинском ГКМ. Знаменское месторождение введено в стадию предварительной разведки по инициативе и при непосредственном руководстве автора. В пределах КГКМ глубоким бурением на сегодня выявлена самая крупномасштабная многоуровневая залежь промышленных предельно насыщенных рассолов. Здесь в разрезе соленосной толщи выделены пять интервалов АК-АВПД со своими барическими и гидрохимическими характеристиками. Эти интервалы коррелируют с горизонтами: бильчирским ангарской свиты, атовским верхнебельской, христофоровским бельской свиты, балыхтинским в верхах, межсолевым и осинским в низах усольской. Интервалы АК-АВПД разделены в разрезе блоками неизмененных нормально-осадочных пород с давлением, близким к гидростатическому. Это важный аргумент в пользу локализованного, геологически обусловленного распространения АК-АВПД зон по вертикали в гидрогеологическом разрезе соленосной толщи. Но в плане рассматриваемые АВПД зоны занимают значительные площади, и некоторые из них вскрыты более чем одной глубокой скважиной (64-52-18-60-61 Ковыктинские; 3, 3А Знаменские). Последнее увязывается с результатами обработки кривых восстановления давления (КВД), на которых не удается найти влияние границы второго рода - продуктивная рассолоносная зона работает на перелив с аномально-высоким дебитом как «неограниченный пласт».

Таким образом, для карбонатов соленосной гидрогеологической формации относительно широко распространенным активным трещиноватым коллектором могут быть зоны развития межпластовых срывов, условно объединенные плоскостью сместителя надвига. Косвенным признаком приуроченности интервалов АВПД к тектоническому сместителю следует считать небольшую (первые метры) толщину вскрываемых глубокой скважиной высокодебитных пластов или зон. Мощные, кратно превышающие по толщине отложения солей изолируют карбонатный коллектор, локализуют развитие активной трещиноватости по вертикали. Этим обусловлен «псевдопластовый» характер распределения АК и АВПД в резервуаре - галогенно-карбонатной гидрогеологической формации нижнего кембрия. АК, как правило, по данным каротажа совпадает в разрезе с карбонатным пластом, и характеризуется двумя параметрами аномальности - дебитом Q_an и давлением P_an. Объединить эти два параметра, фиксируемые при изучении реальных разрезов возможно в модели субгоризонтальной псевдопластовой фильтрационной неоднородности.

Поровое пространство карбонатных коллекторов исследуемой толщи является результатом сложного влияния разнообразных факторов. Емкость карбонатных коллекторов рассматриваемого разреза составляют главным образом поры и каверны выщелачивания, в меньшей мере - поры перекристаллизации и трещины с пустотами расширения. В основном встречаются сложные (порово-трещинный, порово-трещинно-каверновый, трещинно-поровый, трещинно-каверновый, трещинно-каверново-поровый и трещинно-порово-каверновый) и реже простые (трещинный, каверново-поровый и поровый) коллекторы (Комарова, Ильин, Шашин, 1981). Сложные (смешанные) коллекторы отмечаются во всех карбонатных горизонтах и имеют не менее двух взаимосвязанных систем фильтрации по полигональной сети основных систем трещиноватости. В порово-трещинном, каверново-трещинном, порово-каверново-трещинном и каверново-порово-трещинном типах коллекторов трещинная проницаемость значительно превышает межзерновую (порово-каверновую), а для трещинно-жильно-пластового выше на три-пять порядков. Трещинно-поровый, трещинно-каверново-поровый типы коллекторов характеризуются межзерновой и трещинной проницаемостью, сопоставимыми друг с другом. Емкость в сложных коллекторах обусловлена порами, кавернами, реже трещинами с пустотами расширения.

Рассмотрена гидродинамическая характеристика приточных объектов. Анализ КВД по приточным объектам галогенно-карбонатной гидрогеологической формации позволил уверенно разделить объекты по характеру рассолопроявлений, расчетным параметрам пласта, восстановления давления, дебитам и коэффициенту водопроводимости (км) на две группы. В первую, низкодебитную, попали скважины с нормальным, преимущественно поровым коллектором; во вторую - с аномально-проводящим. Значения параметров между группами различаются на 3-4 порядка независимо от метода расчета км. Проверена гипотеза о соответствии фактических КВД модели Полларда и модели Уоррена-Рута. Отсутствие на графиках зависимости P = f[t/(T+t)] двух параллельных прямых и переходного участка неустановившегося давления свидетельствует о несоответствии модели Уоррена-Рута поведению продуктивного пласта. В соответствии с моделью Полларда движение жидкости в пласте происходит в результате одновременного ее расширения в порах матрицы и трещинах (Голф-Рахт, 1986). Интерпретация КВД по модели Полларда дала удовлетворительный результат.

Эффективный контроль применения фильтрационной характеристики гидродинамическими методами предполагает использование адекватных фильтрационных моделей. Выполнено обоснование фильтрационной модели продуктивного пласта по КВД с использованием диагностических критериев. По Б.С. Концанову (1980), И.М. Березюку, В.Г. Рейтенбаху (1982) фильтрационная модель выбирается из числа конкурирующих моделей с помощью диагностического критерия d, вычисляемого по кривой восстановления давления, причем для зонально-неоднородного пласта d·> 2,5, для однородного пласта при фильтрации ньютоновской жидкости по закону Дарси 1,9 < d < 2,5:

где М_i (i-0, 1, 2) - детерминированный момент i-ого порядка забойного давления P_c(t).

Изложенный алгоритм использован для обработки КВД эталонной скв. 3А Знаменской площади, полученных на разных этапах освоения продуктивного рассолоносного горизонты (зоны) в усольской свите, в интервале глубин 1818-1826 м. Результаты определения диагностического критерия таковы.

;;

Итак, результаты расчетов подтверждают модель «зонально-неоднородного пласта», одновременно подтверждая субпластовый характер фильтрационного поля. Это вполне согласуется с геолого-геофизическим данными, указывает на трещинно-карстовую и жильно- пластовую природу коллектора и позволяет перейти к обоснованию структурно-гидрогеологической модели изучаемых объектов. Как правило, простая гидрогеологическая структура или элементарная ячейка гидрогеологического пространства представлена сложным, смешанным типом коллектора (как поровым, каверновым, так и трещинным типами). Оба типа связаны с вторичными процессами - наложенной трещиноватости, кавернообразования и описываются моделью среды с «двойной пористостью».

Аномально-высокодебитные приточные объекты, вскрытые глубокими скважинами в галогенно-карбонатной толще Сибирской платформы, по классификации Е.В. Пиннекера, (1977), отражающей распределение подземных вод внутри гидрогеологического резервуара, соискатель относит к трещинно-порово-пластовому и жильно-пластовому типам сложной гидрогеологической структуры (рис 1). Для них характерно АВПД явление, фиксируемое практически в каждом случае вскрытия предельно насыщенных рассолов.

При подсчете запасов рассолов в резервуаре граничные условия схематизируются как «неограниченный пласт». С другой стороны, зоны разуплотнения и наложенные структуры образуют «наложенную» фильтрационную матрицу. Предложенная автором модель предполагает, что в формировании геологических запасов промышленных рассолов галогенно-карбонатной гидрогеологической формации играет роль вся совокупность водопроводящих коллекторов как порового, так и трещинно-карстового, трещинно-жильного типов с преимущественной локализацией водовмещающей среды в пределах карбонатных пластов. Фильтрационное поле описывается моделью среды с двойной пористостью (Баренблатт, 1972; Голф-Рахт, 1986). Основные ресурсы (геологические запасы) рассолов заключены в резервуарах нормально-осадочных пород, в водоносных горизонтах с каверново-поровым и каверново-порово-трещинным коллектором (НК), в то время как основные эксплуатационные запасы (извлекаемые ресурсы, в том числе и упругие запасы) локализованы в зонах межпластовых срывов (АК) и развитых по ним наложенным трещинно-жильно-пластовым коллекторам. При формировании эксплуатационных (извлекаемых) запасов главную роль будет играть наложенная фильтрационная матрица тектонического и карстового генезиса (АК), пространственное расположение которой обусловит дренирование пород залежи (НК) с дебитами, обеспечивающими рентабельность планируемого производства.

Рис. 1 Версия структурно-гидрогеологической модели зон АК-АВПД на примере центральной части КГКМ (по данным глубокого бурения и геофизических исследований) - активизация трещинного коллектора в зонах межпластовых срывов. (На основе геолого-геофизической модели А.В. Сметанина, 2000, с доп. Ю.А. Агафонова, А.Г. Вахромеева, 2004).

Авторская формулировка уточняет понятие «месторождение промышленных вод» (Бондаренко, 1982) применительно к залежам концентрированных рассолов Сибирской платформы. Поскольку гидрогеологическая структура описывается моделью фильтрационной среды с двойной пористостью, то основная задача на стадии прогноза - найти участок с такими геологическими условиями, чтобы транспортная (перераспределяющая) система («сеточная» фильтрационная структура) дренировала блоки в расчетном объеме; перепускала заданное количество воды; изучаемая матрица (суммарный и эффективный объем пористых блоков и трещинных каналов) обеспечивала расчетные упругие запасы. Наложенная фильтрационная структура перераспределяет пластовое давление в контурах месторождения промышленных рассолов при добыче рассолов.

Таким образом, автором сформулированы положения о геологической обусловленности процессов формирования и пространственного распределения вторичной наложенной фильтрационной среды в карбонатных коллекторах юга Сибирской платформы. Геодинамическая модель увязывает АВПД и АК обьекты, вскрытые глубокими скважинами, с плоскостью тектонического сместителя регионального надвига, объясняет гидравлическую взаимосвязь трещинного и порового коллектора, расширяя традиционную в нефтяной геологии и геофизике региона ФГМ порового пласта.

В главе 3 рассмотрена геохимия концентрированных рассолов в аспекте их оценки как сырья для получения ценных элементов. Дана гидрогеохимическая характеристика рассолов, уровень изученности перечня элементов в концентрированных рассолах хлоридного кальциевого и магниево-кальциевого типа. Тенденции изменчивости концентраций отдельных элементов при направленном изменении параметров хлоридной системы детально описаны в работах А.С. Анциферова, В.И. Вожова, А.А. Дзюбы, И.К Зайцева, В.М. Попова, М.А. Голевой, И.К. Жеребцовой, Л.З. Садыкова, Е.В. Пиннекера, Л.Н. Гомоновой, М.Б. Букаты, С.Л. Шварцева и других исследователей. В галогенно-карбонатной гидрогеологической формации наблюдаются в основном предельно насыщенные (Пиннекер, 1966, 1977, 1998) рассолы с минерализацией 440-500 кг/м³. Результаты обработки выборки химических анализов по 22 пробам предельно насыщенных рассолов на значительно большем фактическом материале подтверждают фундаментальный вывод Е.В. Пиннекера, впервые предложившего выделить эту группу рассолов. Важно и то, что расширилась площадь распространения предельно насыщенных рассолов, притоки которых были получены на Тутурской, Верхоленской, Балаганкинской, Знаменской, Ковыктинской и ряде других площадей, границы распределения совпадают в плане с контурами Верхнеленской впадины.

Концентрированные рассолы рассмотрены как комплексное сырье. Показано превышение промышленных кондиций в 70 раз по брому и в 50 раз по литию для рассолов юга Сибирской платформы. Обоснование выбора извлекаемых компонентов выполнено с учетом разработанных технологий, реализованных в промышленном или опытно-промышленном масштабах. Приведены составы рассолов проявлений и месторождений Сибирской плаатформы и возможный ассортимент продукции при их комплексной переработке.

Для отражения закономерностей площадного распределения этих элементов соискателем построены прогнозные карты, на которых выделены поля концентраций, представляющие как научный, так и практический интерес для оценки прогнозных ресурсов и эксплуатационных запасов брома и лития в рассолах. При этом автор учел сделанные ранее построения (П.И. Трофимук, А.А. Дзюба, З.И. Павлова, Е.К. Фокин, Л.Н. Гомонова, Е.В. Пиннекер, В.И. Вожов, З.А. Другова, Г.А. Серебренникова, С.С. Бондаренко).

Приведены новые данные по геохимии редких элементов, устойчивые содержания которых выявлены аналитическими исследованиями во всех глубинных пробах рассолов, подвергнутых количественному анализу. Это иттрий, ниобий, молибден, торий, марганец, тантал и вольфрам, причем иттрий, цирконий и редкоземельные элементы определены впервые. Выявлены закономерности накопления РЗЭ и иттрия в рассолах Сибирской платформы. Установлено, что РЗЭ обладают свойством избирательного концентрирования в рассолах с многократным повышением общей минерализации (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты концентрации РЗЭ в рассолах

Если соотношения Nd, Ce, и Th с Eu в земной коре колеблется от 1.36 до 2.38, то в морской воде они возрастают на порядок (24-60), а в рассолах уже до 106-443. Полученные данные не противоречат гипотезе (Шмакин, 1976; Таусон, 1977; Таусон, Шмакин, 1988) о парагенезисе редких земель и иттрия со Sr, Pb, K, Rb, Zr, Zn в низкотемпературных гидротермальных образованиях. Выявленные концентрации РЗЭ имеют один порядок с существующими промышленными кондициями на твердые виды редкоземельного сырья, что позволяет рассматривать рассолы как новый самостоятельный генетический тип месторождений РЗЭ. Явление парагенезиса известных (Sr, Br, Mg, Ca, C, Rb) и описываемых (Y, Zr, Ta, Nb, Th, РЗЭ) элементов, высокая степень корреляционной взаимосвязи, а также высокие средние концентрации этих элементов в рассолах представляют интерес как с научной, так и с прикладной точек зрения. Элементы, обнаруженные в рассолах в устойчивых концентрациях (иттрий, ниобий, цирконий и др.), пользуются повышенным спросом на мировом рынке с тенденцией к возрастанию, обеспечивая развитие передовых промышленных технологий. Изучение закономерностей накопления редких элементов в системе и способов технологического извлечения может существенно поднять рентабельность освоения гидроминерального сырья.

В главе 4 изложены результаты научных исследований, технические и технологические решения в специальном гидрогеологическом бурении и добыче рассолов. Изучение залежей предельно насыщенных рассолов Сибирской платформы глубокими скважинами - проблемная на сегодня область теоретических и прикладных гидрогеологических исследований. Отсутствие отработанных в промышленном масштабе технологий гидрогеологического бурения высокодебитной и аномальной по барическим параметрам и минерализации продуктивной зоны с момента ее вскрытия глубокой разведочной и эксплуатационной скважиной - по сути, природно-технической системой, является основным сдерживающим фактором в освоении уникальных залежей рассолов. Рассмотрены стадии строительства и испытания глубокой гидрогеологической скважины (рис 2). В производстве, на буровых интервалы геологического разреза с характеристиками АК-АВПД-АМ называют «рапоносными зонами», или «рапопроявляющими горизонтами». Существование «рапоносных зон», встреченных в карбонатных породах ангарской и усольской свит, является одной из существенных проблем при разведке месторождений углеводородов на Сибирской платформе. В практике глубокого бурения по АК-АВПД-объектам в Восточной Сибири используется два принципиально разных подхода. Первый - управляемое вскрытие за счет противодавления сверхтяжелым (с удельным весом до 2,5 г/смі) буровым раствором. После вскрытия зоны дополнительной обсадной колонной перекрывают аномальный продуктивный объект. Такая конструкция скважины называется «тяжелой». Если же рассолопроявляющий горизонт, продуктивная зона являются целевым объектом поисков, то традиционный подход неприемлем. «Задавка» и последующая изоляция продуктивной зоны означает, по сути, потерю всей гидрогеологической информации об этом пласте. В специальных гидрогеологических исследованиях рассолоносного пласта с АВПД получение информации о продуктивности пласта решается через исследование его на депрессиях, значимо отличающихся друг от друга. Полный комплекс специальных гидрогеологических исследований АК-АВПД-объекта - короткие экспресс-выпуски, или длительная опытная эксплуатация (ОПЭ) на несколько месяцев или лет - возможны только при работе пласта на управляемый перелив, (второй подход) с одновременной утилизацией объемов флюида, получаемых на поверхность. Принципиально, что проектирование и строительство полигона захоронения (закачивающих гидрогеологических скважин) опережает работы по рассолопродуктивному обьекту и скважине, которая бурится с целью его изучения. Бурение «на переливе» решает основную задачу - безаварийное вскрытие гидрогеологической скважиной «Аномальной» рассолоносной зоны и ее последующее освоение.

Исследование технологии специального гидрогеологического бурения на переливе, с одновременным захоронением рассолов, и конструкции, которая обеспечила бы работоспособность этой технологии, привели автора к серии приоритетных технических решений, разработанных для аномальной по геохимии, дебитам и давлениям продуктивной зоны. Основным, базовым из представляемых технических решений является «Способ вскрытия продуктивного пласта». Идея реализована в двух вариантах, общим для которых является опережающее формирование поглощающей зоны при бурении первого поглощающего пласта-коллектора ниже пачки (толщи) регионального водоупора. В первом варианте перед тем, как проходить продуктивную зону с АК-АВПД, бурится нагнетательная скважина. В ней формируется зона поглощения, обвязываются устья нагнетательной и продуктивной гидрогеологических скважин. Вскрытие высокодебитного пласта с АК-АВПД производится «на перелив» с одновременной закачкой в поглощающую зону. Во втором варианте это решение совмещено в единой конструкции разведочной гидрогеологической скважины. Этим обеспечивается захоронение поступающего из продуктивного интервала промышленного рассола на любом этапе ГРР (вскрытие, опробование, испытание, ОПЭ).

Сформулирована рабочая гипотеза процесса кристаллизации солей в лифтовых трубах, установлены факторы, влияющие на старт процесса и его протекание во времени. С момента вскрытия продуктивного интервала долотом геохимическая система становится природно-технической. При отборе жидкости из пласта (зоны) формируется разница давлений (депрессия) «забой - устье», скважина фонтанирует. Поднимаясь по лифтовым трубам на поверхность, поток рассола (одна, жидкая фаза) проходит через два природно-технических барьера, на которых меняются свойства системы, ее фазовое состояние. Это «температурный» и «барический» барьеры, природа которых аналогична известным геохимическим барьерам (Перельман,1977; Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия, 1982). На «температурном» формируется твердая фаза - кристаллы солей, и поток далее становится двухфазным - жидкая и твердая фазы. На «барическом» идет дегазация водорастворенного газа, система также становится двухфазной - жидкость и газ. Пузырьки газа выступают центрами кристаллизации солей, и далее по потоку «система» превращается в трехфазную. Зарождение и формирование кристаллов солей - основная техническая проблема, обусловленная природой выявленных барьеров. Экспериментами доказано, что температурный барьер является главным для исследуемой природно-технической системы, определяющим в процессе кристаллизации солей в скважине. Барический барьер вторичен и усиливает эффект «лавинообразной» кристаллизации.

Отсюда основное решение - разработка системы мероприятий по борьбе с температурным барьером. По условиям локализации в транспортной системе выделяемые барьеры подвижны, т.е. условная точка привязки барьера по глубине начала кристаллизации меняется при изменениях существенных PVT-условий - температуры колонны, давления по стволу на каждом режиме. В пределах ствола скважины, в трубах происходящие «природно-технические» процессы обратимы. Если же выпадение солей сместится в призабойную зону (ПЗП), в пласт, то процесс кольматации ПЗП автор считает необратимым.

Таким образом, выявлены и охарактеризованы закономерности фазовых превращений в потоке, происходящих при скважинной добыче предельно насыщенных рассолов. Научно обоснована и подтверждена на практике работоспособность технических решений для природно-технической системы «рассолоносная АК-АВПД зона - скважина», позволяющих обеспечить стабильную работу продуктивной гидрогеологической скважины в заданном диапазоне ограничений, т.е. в допереходном режиме, в режиме одной, жидкой фазы. Для предотвращения негативных процессов в скважине при транспортировке рассола подобраны такие условия, при которых равновесие системы либо не нарушается, либо находится в допустимом интервале колебаний параметров, не приводящих к сбросу солей.

Стационарность температурных условий в колонне лифтовых труб, работающей концентрированным промышленным бромо-литиевым рассолом, реализована соискателем благодаря постоянному прогреву эксплуатационной колонны, через систему «термоса» - тепловой завесы. Разработана конструкция для ее осуществления, позволяющая управлять температурным «природно-техническим» барьером, добиться эффекта непрерывной работы скважины и, следовательно, всего подземного и наземного комплекса - промысла, включающего скважины, трубопроводы, установки по переработке рассолов.

Сформулировав представления о формировании «природно-технических» температурного и барического барьеров в рабочем пространстве «природно-технической» транспортной системы - гидрогеологической скважины и решив на практике эти две физико-химические задачи через доступные технические приемы или оборудование, автор решает проблему добычи рассолов в целом. Технические решения характеризуются дополнительным экономическим и экологическим эффектами и прошли всестороннюю апробацию на полигоне Знаменского месторождения промышленных рассолов.

В главе 5 приведены основные результаты технологических исследований переработки сверхкрепких и предельно насыщенных хлоридных кальциевых и магниево-кальциевых рассолов. Создание в 1991 г. специализированного научно-производственного предприятия БРАЙНСИБ («Brines of Siberia» - сибирские рассолы) позволило автору развернуть специальные НИОКР работы по технологической тематике, а также работу с научными и проектными организациями. Цель исследований - найти применимые, освоенные промышленностью технологии для рентабельной переработки этого сырья в заводских масштабах, либо разработать принципиально новые по отношению к хлоридной кальциевой солевой системе. Технология должна быть доработана до промышленного внедрения, с конкурентоспособной продукцией на выходе. Рассмотрены варианты селективной и комплексной переработки рассолов, технологии, выбранные для реализации проекта, запатентованные и апробированные на рассоле Знаменского месторождения. По результатам изучения рынка возможных к извлечению из Ca-Mg рассолов автором условно выделяются две группы продуктов. Первая - известные на рынке химические элементы и соединения, широко используемые мировой промышленностью - элементарный бром, антипирены, бромид лития, кальция, соли лития - LiCl, Li₂CO₃, LiF, LiОН•Н₂О, оксид магния. Не менее интересна в маркетинговом плане вторая группа продуктов, обеспечивающая региональный рынок. Это соли и соединения для изготовления буровых растворов; фторид и комплексные соли лития в качестве добавки к выплавке первичного алюминия; броморганические соединения, заменяющие растворы цианидов в кучном выщелачивании золота. Каждый из продуктов серьезно влияет на экономические и экологические показатели потребляющего регионального производства.

Реализована программа технологических исследований рассолов Cl-Ca-Mg типа. апробированы следующие технологические переделы: по брому: метод паровой отгонки; метод ионного обмена; метод экстракции; по бромпродуктам: бромистый литий; броморганические соединения (антипирены, реагенты для извлечения золота), бромистый кальций;- по литию и соединениям: хлорид, карбонат; гидроксид (моногидрат гидроокиси) лития; фторид лития и литиевые соли для алюминиевой промышленности; по магнию: бишофит; оксид магния; по буровым растворам: солевая основа; полимеры для обработки раствора, стойких к двухвалентным катионам.

Из числа известных и промышленно освоенных технологий получения брома, к рассолам Восточной Сибири адаптирован метод паровой отгонки, используемая крупнейшими мировыми производителями этого продукта «Ethyl Corp» и «Great Lakes» (США), а также «Dead Sea Bromine» (Израиль). Основана эта технология на отгонке элементарного брома водяным паром после окисления бромид-иона (Ксензенко, Стасиневич, 1995). Технология коренным образом переработана для предельно насыщенных рассолов Cl-Ca-Mg типа до стадии «Рабочий проект», защищена патентами, и впервые в России начата строительством.

Ионообменное извлечение брома основано на способности анионообменных смол селективно сорбировать элементарный бром (окисленная форма) из растворов. При реализации способа достигается концентрация брома в десорбирующем растворе 180-200 кг/м³. По сравнению с паровой отгонкой брома непосредственно из рассола после окисления бромид-иона способ десорбции брома со смолы является менее энергоемким, т.к. не требует нагревания всего объема рассола. Паровая отгонка брома после концентрирования его на анионите значительно упрощает технологический процесс по сравнению с химической десорбцией брома, повышая эффективность процесса. Несомненные преимущества ионообменной технологии: при паровой десорбции брома со смолы сокращается расход пара; узел десорбции брома с насыщенного анионита можно организовать на предприятии - потребителе; транспортировка насыщенного бромом анионита менее экологически опасна, чем жидкого брома; возможен вариант десорбции брома со смолы органическим экстрагентом; насыщенный раствор брома в экстрагенте можно использовать для синтеза броморганических продуктов.

Исследовано экстракционное извлечение брома после окисления бромид - иона с использованием смеси броморганических соединений (дибромэтан - ДБЭ) для рассолов Знаменского месторождения (Рябцев и др, 2003). По разработанной технологии можно получать бром в виде трёх товарных продуктов: растворы брома в ДБЭ или тетрабромэтане низкой концентрации (100-140 кг/м³); растворы брома в ДБЭ высокой концентрации (не менее 1500 кг/м³); жидкий бром. Выход брома в концентрат составляет около 94 %. Насыщенная бромом ионообменная смола может транспортироваться на предприятие оргсинтеза, где будет организовано получение концентрата брома в ДБЭ.

Использование комплексной технологии получения брома и гидроксида лития позволит осуществить экономичный процесс получения бромида лития (Менжерес и др, 1998; пат РФ, 2003; Рябцев и др, 2003, 2004) с использованием промежуточных продуктов. Так, хлор, полученный при электрохимической конверсии LiCl, используется для окисления бромид - иона; образующаяся при конденсации паров Br₂ и Н₂О бромная вода является источником брома для получения бромида лития. Технология существенно снижает себестоимость производимых продуктов - себестоимость бромида лития не превысит 2,5 долл. США за 1 кг (стоимость 54 % раствора LiBr на мировом рынке составляет 12 долл. США за 1 кг). С развитием производства тепловых насосов необходимость бромида лития резко возрастает.

Технология получения гидроокиси лития, основанной на селективной сорбции хлорида лития и конверсии его в гидроокись, и гранулированный сорбент многократного действия впервые разработаны Н.П. Коцупало, АО «Экостар» (г.Новосибирск) на рассолах Знаменского месторождения, апробирована на опытной установке АО «Завод редких металлов», г. Новосибирске (Авт. св-во СССР, 1985; заявка, 1998; пат. РФ, 1988, 1989, 1991, 1994, 1995, 1997, 2001, Коцупало, Рябцев и др, 2001, 2004, 2008;). Технология получения окиси магния путем осаждения гидроокиси доломитовым молоком (пат.РФ, 2004) с дальнейшим термическим разложением опробована на опытной установке Сакского химического завода; бишофита путем карбонатизации гидроокиси магния в растворе CaCl₂. Технологии позволяют получить гидроокись магния с последующей переработкой в жженую магнезию, и периклазы, безводный хлорид магния при прокаливании бишофита в токе HCl (Пат. РФ, 1996); смеси безводных хлоридов кальция и магния путем сушки на распылительной сушилке (процесс опробован нами на установке «Niro Atomiser» на АО «Ангарская нефтехимическая компания»); смеси шестиводных хлоридов кальция и магния, полученной на промплощадке Знаменского месторождения в промышленных объемах путем естественного выпадения этих солей из раствора при низких температурах.

В главе 6 рассмотрены прикладные аспекты гидрогеологических исследований аномальных коллекторов, методология ГРР на промышленные рассолы. Обоснованные выше подходы, гидрогеологические модели положены в основу оценки прогнозных геологических и извлекаемых запасов рассолов и полезных компонентов калия, магния, брома, бора, лития, рубидия, стронция, марганца и цезия по парфеновскому и боханскому резервуарам терригенной гидрогеологической формации (табл.2). В таблице 3 эксплуатационные запасы рассолов и полезных компонентов лития, магния, стронция,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 2

Геологические и извлекаемые запасы промышленных рассолов и ценных компонентов продуктивных горизонтовтерригенной гидрогеологической формации юга Сибирской платформы

Таблица 3

Эксплуатационные запасы рассолов и полезных компонентов по перспективным участкам галогенно-карбонатной формации юга Сибирской платформы, по материалам исследований глубоких скважин

Расчетный срок эксплуатации принят равным 25 годам брома, бора и йода по галогенно-карбонатной формации оценены на примере семи перспективных участков. В качестве первоочередного объекта поисково-разведочных работ и последующего освоения предложена группа месторождений (проявлений), включающая Знаменское, Ковыктинское и Омолойское, разработка которых обоснована высокой продуктивностью коллектора и близостью к автотранспортным и строящимся газотранспортным магистралям.

Результаты региональной оценки прогнозных эксплуатационных запасов рассолов и полезных компонентов лития, рубидия, цезия, стронция, брома, калия, и магния на 26 перспективных участках региона отражены на одноименной карте (т 2, приложение 6.1.). Общие запасы брома по перспективным участкам оценены в 58 тыс. т/год, или около 1,5 млн.т на расчетный срок эксплуатации водозаборов. Подчеркнем, что исходные данные для расчетов получены при испытании гидрогеологических объектов глубоких скважин. В совокупности гидрогеологические и геолого-геофизические материалы по рассматриваемым участкам позволяют, с нашей точки зрения, отнести рассчитанные величины эксплуатационных запасов к категориям С₁+С₂. При невозможности расчета гидрогеологических параметров запасы отнесены к категории С₂. Изложенный подход апробирован в ГЭК Госплана, с участием экспертов ГКЗ СССР, 1990 г. и представлен автором в докладе на специализированном НТС № 7 МинАтома (1998). Следует отметить, что суммарные прогнозные эксплуатационные запасы лития и брома практически закрывают заявленную годовую потребность соответствующих отраслей промышленности России.

На примере Знаменского месторождения промышленных рассолов по материалам предварительной разведки (табл. 4) приведена повариантная оценка зксплуатационных запасов рассолов и извлекаемых компонентов гидродинамическим и гидравлическим методами, как по одиночному водозабору, так и по лицензионному участку на основании системы водозаборных скважин. Средний расчетный дебит скважины на максимальном понижении составил около 1000 мі/сут.

Таблица 4

Знаменское месторождение глубоких промышленных рассолов. Оценка эксплуатационных запасов рассолов и полезных компонентов (версия автора)

Только на Знаменском участке в контуре лицензионного отвода на недра запасы рассолов на водозабор из 9 скважин при понижении 2000 м оцениваются автором (табл.3) в 11 тыс. мі/сут (4 млн.м³/год) по категории С₁+С₂; на расчетный срок (25 лет) около 100 млн.куб.м. При этом эксплуатационные запасы брома составляют С₁ +С₂ - 42000 т/год; на расчетный срок С₁ + С₂ - 1,0-1,1 млн.т. Эксплуатационные запасы Li -мет составляют 1950 т Li/год или в пересчёте на Li₂CO₃ - 10300 т/год, что примерно соответствует производительности завода на озере Сильвер-Пик, США. Мы видим, что ГРР стадии предварительной разведки позволили значительно прирастить извлекаемые запасы по Знаменскому месторождению промышленных вод. Нельзя исключить такую возможность для других перспективных участков.

Раскрыта этапность освоения и общая схема создания производств товарных продуктов по этапам освоения, геолого-экономическая эффективность проектируемого производства, приведены основные технико-экономические показатели производства по четырем вариантам. Даны рекомендации по первоочередным обьектам поисково-разведочных работ, выявлению и последующему освоению месторождений, участков.

Особое внимание автор уделяет экологическим аспектам поисково-разведочного цикла и последующего освоения месторождений (участков) с аномальными характеристиками. Рассмотрены два аспекта - экологическая безопасность производства работ и экологические эффекты от применения продуктов переработки рассолов в экологически - неблагоприятных перерабатывающих производственных циклах.

В диссертации дано теоретическое обобщение и новое решение крупной научной проблемы - обоснования сырьевой значимости предельно насыщенных поликомпонентных рассолов Сибирской платформы как самостоятельного гидроминерального сырья на основе разработки современных представлений о закономерностях формирования и локализациии залежей, современной прогрессивной технологии ГРР, добычи, переработки и последующей утилизации сырья. Проблема имеет важное народнохозяйственное значение, инновационный характер, обеспечивает повышение производительности, рентабельности основных производственных циклов, техническое перевооружение и реконструкцию поисково-разведочного, добывающего и перерабатывающего комплексов, охрану окружающей среды.

Представлены результаты гидрогеологических исследований залежей концентрированных промышленных рассолов, дана их гидрогеохимическая характеристика. Установлен фактор флюидодинамического контроля локализации зон аномальных коллекторов, аномально- высоких пластовых давлений. Апробированы новые подходы разведки месторождений рассолов глубокими гидрогеологическими скважинами. Исследована и предложена эффективная технология эксплуатации залежи промышленных рассолов с аномальными параметрами минерализации, дебита и давления как природно-технической системы, технологии комплексной переработки рассолов в химические продукты. Основные проблемы, возникающие в ПТС «пласт - скважина», обусловлены именно гидрогеологическими особенностями залежи промышленных рассолов - аномально высоким давлением, аномальной минерализацией и аномальным дебитом. Сочетание этих основных факторов предопределяет необходимость тщательного обоснования технологии гидрогеологического бурения, первичного вскрытия и эксплуатации ПТС.

Исследованиями соискателя установлено, что предельно насыщенные промышленные рассолы (ПНР) - флюидная, флюидодинамическая система, которая формируется в особых, четко идентифицируемых геологических, геодинамических, структурно-гидрогеологических условиях. 1. Аномальный коллектор характерен для геологически обусловленных интервалов средней, галогенно-карбонатной гидрогеологической формации, и это четкое отличие. Он субгоризонтален, изолирован солями и характеризуется АВПД. 2. АВПД как гидродинамическая характеристика четко характеризует локализованные в разрезе отдельные резервуары (рассолоносные зоны, горизонты) галогенно-карбонатной толщи. 3. Именно для этих интервалов галогенно-карбонатной толщи типичны аномальные значения минерализации и концентраций ценных элементов предельно насыщенного типа рассолов. Концентрированные рассолы глубоких горизонтов осадочного чехла платформ рассмотрены как геодинамический агент, жидкость природного гидроразрыва, обеспечивающая смазку в основании аллохтонных пластин. ПНР - это флюидная геохимическая система, с функциями низкотемпературной гидротермальной рудоформирующей системы, предельно агрессивной к вмещающим породам и минералам, особенно в зонах активной трещиноватости, проницаемых интервалах, с широким развитием процессов дробления, милонитизации, увеличивающих на несколько порядков обменную поверхность в реакции «вода - порода». Рассматривая флюидную систему в аспекте растворитель - растворенное вещество, мы делаем акцент на «работу» растворителя в геохимическом (и флюидодинамическом) цикле «растворение - эмиграция из породы - обогащение растворителя - перенос вещества - сброс на геохимическом барьере». Именно геологическая среда и ее важнейшие геологические параметры обеспечивают уникальность состава и свойств, «богатство» предельно- насыщенных рассолов галогенно-карбонатных гидрогеологических формаций платформ. В то же время важнейшие параметры геологической среды играют определяющую роль в формировании основных рисков изучения и последующего освоения залежей этого типа сырья глубокими гидрогеологическими скважинами.

Экономическая целесообразность освоения промышленных рассолов рассмотрена автором для объектов юга центральной, а также западной части Сибирской платформы - Туруханского края, для Русской платформы - зоны Оренбургского вала. Обоснованы параметры кондиций по результатам ГРР на Знаменском месторождении. Получено одобрение ТЭС, направленных в Госплан СССР и положительное экспертное заключение по ГРР на Знаменском месторождении в процессе экспертизы в МинГЕО России, Минатоме. Опубликованы в статьях и монографиях высокие экономические показатели процесса добычи и переработки гидроминерального сырья юга, центра, западных частей Сибирской платформы и объектов-аналогов на Русской платформе. Все это в совокупности позволяет считать доказанным тезис о реальности и рентабельности добычи и переработки глубоких промышленных рассолов - нового типа бромо-магниево-литиевой руды платформенных гидрогеологических областей.

Оценка эксплуатационных запасов и геолого-экономические расчёты позволяют рассматривать Сибирскую платформу как крупную гидроминеральную сырьевую провинцию для организации промышленного производства брома, соединений магния и лития с низкой себестоимостью. Вопрос о промышленном использовании гидроминерального сырья Иркутской области неоднократно рассматривался на уровне правительственных органов. В 1998 году на основе доклада (Вахромеев А.Г., Коцупало Н.П., Рябцев А.Д.) решением Научно-технического совета МинАтома России «Сырьевая база и горно-технологические вопросы» под председательством академика Н.П. Лаверова сырьевая база гидроминерального сырья Иркутской области официально признана «…перспективной, альтернативной по отношению к твердым месторождениям литиевого сырья и пригодной для промышленного производства лития, брома, магния, кальция и других продуктов, необходимых как для предприятий МинАтома России, так и других отраслей народного хозяйства».

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

Теоретически обоснованы закономерности формирования зон улучшенных коллекторов, аномальных параметров залежи ПНР; разработан и апробирован прогнозно-поисковый комплекс площадных геофизических методов на ПНР в резервуарах осадочного чехла платформ. Раскрыты особенности гидродинамики и установлено влияние геодинамических факторов на формирование залежи ПНР. Впервые на примере резервуаров осадочного чехла юга Сибирской платформы в единой геодинамической модели увязаны проблемные вопросы гидрогеологии «жидкой поликомпонентной руды» - шарьяжно-надвиговый контроль распределения аномального коллектора, аномально-высоких пластовых давлений и аномальных концентраций редких элементов.

Данные, собранные в процессе НИОКР при проведении поисково-разведочного бурения на глубоких гидрогеологических скважинах, совершенно однозначно подтверждают перспективы гидроминеральной провинции Сибирской платформы как гигантского резервуара промышленных рассолов с уникально высокими 9-12 кг/мі и более содержаниями брома, а также широкой гаммы редких, рассеянных элементов и минеральных солей.

Разработана и получила промышленное применение новая прогрессивная технология бурения, исследования и последующего освоения гидрогеологических скважин с АК-АВПД объектами, позволяющая вести углубление проявляющего высокодебитного пласта с параллельной утилизацией поступающих на поверхность объемов флюида. Прямая экономия от внедрения только при бурении Знаменского опытного участка составила 1.7 млн долл. на одну разведочную скважину. Обеспечена непрерывность работы объекта на перелив для исследования проявляющего объекта с получением важнейших гидрогеологических параметров, повышающая безопасность буровых работ и способствующая охране окружающей среды. Создание пионерного способа «Добычи…»наряду со способом «Вскрытия…» и конструкцией скважины для их осуществления …явилось решением крупной научно-практической проблемы и позволяет осуществлять управляемое вскрытие аномальной по параметрам продуктивной зоны в процессе строительства глубокой гидрогеологической скважины.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие «природно-технических» барьеров в стволе глубокой скважины. С позиций термодинамики раскрыты механизмы образования соляных пробок, показано влияние природно-технических барьеров на фазовое состояние системы. Найдены и экспериментально обоснованы решения по термодинамически устойчивой работе природно-технической системы «пласт - скважина». Создан, на уровне изобретений, комплекс специальных технических средств и приемов для надежной управляемой работы гидрогеологической скважины. Эти решения являются ключевыми для реального освоения месторождений глубоких предельно насыщенных кальциевых рассолов.

Одновременно с комплексом длительных гидродинамических исследований, выполненных впервые в практике гидрогеологии Сибирской платформы, организованы и выполнены исследования технологий переработки ПНР. Коренным образом доработаны известные технологические линии, такие как паровая отгонка брома или осадительная технология гидроокиси магния. Разработаны новые технологии мирового уровня или прогрессивные технологические решения, серьезно улучшающие уже известные переделы. Показано, что кальциево-магниевые рассолы - высокотехнологичное сырье. Обоснованы базовые технологии для организации рентабельной промышленной переработки рассолов кальциево-магниевого типа: 1) паровой отгонки брома с десорбцией ионообменными смолами, с параллельным электролизным получением хлора из гидроминерального сырья; бромида лития; 2) сорбционная с извлечением и концентрированием хлорида лития, моногидрата гидроокиси лития, фторида лития и литийсодержащих фтористых солей; 3) осадительная с получением соединений магния - бишофита, гидроксида, с последующим прокаливанием - оксида, периклаза; 4) осадительная или методом распылительной сушки с получением солевой основы буровых растворов. Технологии вторичных переделов широко варьируются, но повышают рентабельность получение броморганических соединений - антипиренов, реагентов для извлечения рудного золота методом кучного выщелачивания, реагентов для обработки буровых растворов.

Научно-технические решения, технологические схемы добычи «жидкой руды» и ее переработки на конечные продукты - бром, литий, их соединения, магнезия углекислая, добавки в электролит для выплавки первичного алюминия и составы буровых растворов, защищены патентами и внедрены в практику геологоразведочных работ на гидроминеральное сырье Сибирской платформы. Результаты опытно-технологических исследований положены в основу геолого-экономической оценки последующего освоения залежей глубоких рассолов. Ряд научных разработок вошли составными частями в проектную документацию по объектам недропользования.

Часть научно-практических разработок применима для региональных промышленных производств. Так, для извлечения золота из бедных руд, эфелей и вторичных концентратов в Ленском золотопромышленном районе, Иркутская область, предложена гидрометаллургическая технология кучного выщелачивания дибромантином (ДБА), что обеспечивает удешевлённое и упрощённое извлечение золота по сравнению с цианидной технологией. Улучшаются не только технико-экономические показатели производства, но и состав стоков с точки зрения их воздействия на природные экосистемы.

Внедрение литиевых добавок из промышленных рассолов в производстве первичного алюминия из криолит-глиноземных расплавов на Братском алюминиевом заводе снизит ущерб от загрязнения окружающей среды на 433,5 доллара США на тонну алюминия и даст дополнительную прибыль 14 S/т за счет экономии электроэнергии. Суммарное годовое снижение ущерба для БрАЗа при производительности 890000т алюминия оценивается в 385 млн.долл., прибыль в 12,5 млн.долл. (2000г). Однако гораздо более значимым, важнейшим для экологии Иркутской области, крупнейшего по масштабам производителя алюминия в мире, автор считает экологический эффект, который оценивается через снижение на 22-38% суммарного годового обьема выбросов в атмосферу газообразного фтора.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ

1. В коллективных монографиях:

1. Вахромеев А.Г. Раздел 1.3. Знаменский проект разработки промышленных рассолов и его роль в развитии Верхоленья. Раздел 5. Гидроминеральные ресурсы Верхнеленского района. С. 25-32, 97-108. // Абалаков А.Д., Селиков Ф.Т., Гуков В.П. и др. Территориальная организация природопользования при газопромысловом освоении Верхоленья. - Новосибирск: изд. СО РАН, 2000. - 251 с.

2. Вахромеев А.Г. Раздел 1.2. Газоносность месторождения и подсчет запасов. Раздел 1.5. Аномально-высокое пластовое давление и вопросы охраны окружающей среды. С. 12-13, 19-21. // Абалаков А.Д., Зиганшин Э.С., Медведев Ю.О. и др. Экологические аспекты освоения Ковыктинского газоконденсатного месторождения. - Иркутск: изд-во Института географии РАН, 2001. - 194 с.

3. Вахромеев А.Г. Раздел 1.3. Экологическая безопасность на нефтегазовых месторождениях. Раздел 1.5. Аномально-высокое пластовое давление и вопросы охраны окружающей среды. Гл. 2. Ковыктинское газоконденсатное месторождение. Гл. 3. Обьекты-аналоги, использующие экологически- безопасные технологии. Гл. 4. Технические решения по бурению эксплуатационных скважин. Гл. 5. Обеспечение технической и экологической безопасности. Раздел 7.4. Подземные воды. Раздел 7.5. Охрана подземных вод зоны замедленного водообмена. С. 17-22, 28-138, 187-220. // Абалаков А.Д., Половиткин В.П., Вахромеев А.Г. и др. Геоэкология кустового безамбарного бурения нефтегазовых месторождений.- Иркутск: Изд.-во “Арт-Пресс”, 2003. - 334 с.

4. Вахромеев А.Г. Введение, Гл. 1. Сырьевая база и области применения соединений лития в России и за рубежом; Заключение, с. 3-37, 120-123. // Баранов А.Н., Вахромеев А.Г. Коцупало Н.П., и др. Получение литиевых продуктов из сибирских рассолов для экологизации производства алюминия.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. - 125 с.