Методология гидрогеологической подготовки месторождений серы к эксплуатации Кузьменко, Эдуард Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность проблемы

Одной из важне, лх задач подготовки месторождений рудного сырья для ввода их в эксплуатацию является изучение гидрогеологиче ских условий. При вгом непрерьшно повышаются требования к достоверности и информаті'-щости представляемых результатов, что определяет необходимость совершенствования существующих и создания новых методов гидрогеологических исследований.

Самородная сера является одним из необходимых для народного хозяйства видов минерального сырья. В СССР до 1991 г. производство серы составляло около 5 млн.тонн. Во всем мире в это время добывалось до 60 млн.тонн. Более 50 приходилось на самородную серу, остальное получали из горючих полек..ых ископаемых и отходов металлургического производства. В 1990 г. дефицит серы в СССР составил 0.8 млн. тонн. В настоящее врйіія в регионе стран СНГ поставщиками cai .ородной серы являются Предкарпатский сероносный бассейн 2-э Украине ( 80 добычи и ,»о 90 разведанных запасов - более 100 млн.тонн) и Гаурдак-Кугитанский сероносный район (Туркменистан). Россия получает серу в основном за счет Астраханского и Оренбургского местороадений природного сероводор<-чосодержащего газа. В последнее время добыча сегі падает. В частности, в Предкарпатс-ком бассейне она сократилась с 2.25 млн.т. в 1990 г. до 1.9 млн;т. г- 1992 г. Дефицит серы только на Украине в 1992 г. составил 0.4 млн.т. и покрывался поставками из Польши.

-Стабилизагию добычи серы л дальнейш.'Л рост ее хотя бы до прежних размеров прогнозировать трудно. Тем не менее основные рудники Украинк работают и наращивают эксплуатационные площади в пределах своих горных отводов, соответственно продолжаются научно-исследовательские работы, обеспечивающие требуемый технологический уровень и рентабельность яроизводс.ва. Из семи мееторсдений, запасы котопнх были утвервдены в ГКЗ СССР, четыре разрабатываются.

- Специфика эксплуатации местороадений серы заключается в том, что большая часть их отрабатывается методом подземной выплавки серы (ПВО. Сущности метода заключается в нагр^тания в плвст через скважины горячей воды (теплоносителя), плавлении, серы в рудном пласте и последующем извлечении жидкой серы на поверхность.

Успех такого метода добычи определяется в первую очередь гидрогеологическими- , условиями: степенью и характером пронт'-'аемости продуктивных горизонтов и наличием водоупоров в их кровле и под. -

. ⁴

шве. Поэтому количественная оценка гидрогеологических условй серных местороадений является одним из определяющих факторов технологии.

Материалы детальной разведки местороаздений самородной серы согласно действующей инструкции бывшей 11(3 СССР представляются ; масштабе 1:10000 (сеть гидрогеологических скважин 600*400 м). Масштаб подготовки месторождений к екснлуатации 1:2000 (сеть добычных гаглжин 40*40 м ) . Разрыв в масштабах и в сети очень велик, Необходимо или усиление гидрогеологических исследований в рамках детальній разведки, или промежуточная стадия пгдрогеологическоі доразведки, включающая етап разработки дополнительного комплексі геологических и гидрогеологических исследований с це\г-ю виборі конкретная участков добычи, определения очередности их эксплуатации и обоснования технологической схемы отработки серных залежей.

В . істоящеє время ^езерв залежей с благоприятной геофильтра-ционной обстановкой для отработки исчерпан. В работу вовлекайте» участки с низкой водопроницаемостью или практически непрошщае-ше. Поэтому при подготовке к эксплуатации залежи в ней создаето* .искусственная техногенная проницаемость. Возникает задача ' предварительной оценки природной проницаемости.с целью выбора реяиш интенсификационных воздействий на рудный пласт, . a также задачг контроля развития техногенной проницаемости.

При.выплавке серы.гидрогеологическая ситуация непрерцвга меняется: развиваются новые проницаемые зоны, и потовк теплоносителя меняет свое -направление и интенсивность. Эти процессы нуждаются в непрерывном контролере целью управления ими.

. Гидрогеологические исследования при подготовка мееторовдений серы к эксплуатации в основном базируются на опытно-фгшьтрацион-ных работах на ол»шо"ных сквазшнах и на исследовании разреза скважин по керновому материалу и геофизическим методам. При вксл-луатации контролируются приемистость скважин, температурные поля, добыча. Этого недостаточно. Сложность гидригеологическоГ обстано-, вки я специфика решаемых задач требуе пространственной динамической оценки геофильтрационной сі. уводи: картирования водопроводи-мости в трехмерном пространстве, оценки направления и интенсивности фильтрационных потоков, регистрации напора подземных вод.

Отсвда следует вывод, что как при подготовке серных месторождений к эксплуатации, так и при ГОо требуется гтривиаЛ^аая методология исследований, вклхчаяцая" приншшиальь ' не ый подход t

'' <-

імплексировашго эффективных методов исследования, позволяющих
іенить и контролировать природио-техногенную гидрогеологическую
гтуацию с целью .оптимального управления эксплуатацией. Разрабо-
еа такой методоло, им кйк нового те?^- їлогического направления в
гльтрационной подготовка к. эксплуатации серных местороадени
юдетавляет собой актуальную проблему, имеющую важное народнр-
>зяйственное значе. ю. .''"."

Цель работы ;. ,

Целью работы является разработка методологии изучения и оцен-[ природно-техногенной геофильтрационной ситуации месторождений *ры Цредкарпатья для гидрогеологического обоснования их разрабо-м методом подземной выплавки.

Основные задачи исследований Для достижения указанной цели решались следующие задачи;

4. Разработка методики исследования природной геофильтрацион-;ti ситуации на стадии подготовки месторождений серы к вксплуата-га.

5. Разработка методики оценки техногенных гидрогеологических.

!ЛОВИЙ. .

3. Создание моделей пространственного распределения гефильт-
1ЦИ0ННЫХ характеристик серных месторожде-ий в природных условиях
в эксплуатационный пери д.

4. Выработка рекомендаций по технологии эксплуатации руд мё-
1ом ПВС на основе анализа геофильтрационной ситуации.

Методика исследований . -^Для решения поставленных задач выло, лен комплёко теорет"чес-IX, экспериментальных исследований и конструкторских разработок, работе нашли применение современные достижения подземной гидро-шамики, петрофизики, теории поля, наземной и скважинной геофи-фк и др. Широко использованы возможности вычислительной тех-

[КИ.

Основными составными частями выполненного комплекса иеследо->ваний являются:

1. Гидрогеологическая характеристика месторождений серы и об-
)р оуществухщих методов определения проницаемости горных п^сод
т подготовке залежей к эксплуатации; обоснование задача раэ-
іботки методологии гидродинамических и геофизических иссле-
>ваний серных месторождений в задачах управления их експлуэтвци-

L '''.'";:

2. Исследование изменения петрсфизическм характеристик го,-

них пород при выплавке из них серы, статистическая обработке данных петрофизических измерений и обоснование рационального комплекса исследований для оценки гесфильтрационной ситуации.

3. Разработка комплекса наземных геофизических исследований о целып картирования водопроводимости горных пород в плане и изменения ее в процесе вксплуатации.

4-. Разработка способа геофизического сопровождения бурения гадрог .(логических скважин на базе исследования влектрического поля в приустьевой зоне.

5. "Экспериментальное обоснование модификации расходометрии скважин при импульсном возбуждении скважины и исследование вертикальной фильтрационной зональности продуктивно^- горизонта.

6. Аналитическое и вкспериментальное обоснование модификации скважи ю-наземного варианта естественного поля для картирования фильтрационных потоков.

7. Разработка комплексного подхода к интерпретации геологических, гидрогеологических и геофизически^ данных и построение трехмерных моделей распределения геофильтрационных характеристик продуктивного горизонта в динамике их природно-техногенного развития. .

Исходные материалы и личный вклад автора

Диссертация вштолнена во, время работы автора'-- в' Ивано-Франковском институте нефти и газа (ИФИНГ) в 1979-93 гг. Некоторые ее положения разработаны при выполнении хоздоговорных и госбюджетных работ по темам: "Разработка методики изучения гидрогеологических условий Тримновского месторождения серы на Сазе исследования скважин методом расх'дометрии при восстановлении давления", "Изучение геологических и гидрогеологических условий месторождений серы в Предкарпатье геофизическими методами", " Разработка вффек-. тивной методики геофизического контроля вксплуатации се± ;ых мес- торождений методом ПВС ^п, " Разработа методики построения геофильтрационной модели в районе дооачных участков Загайпольского се- ' рного рудника", " Разработка метода и средств контроля технологических процеосог и осложнений при бурении скважин на основе изучения геов. ктрических потенциалов", " Поисков)'" работы с целью выявления гидрогеологических структур" и др. Кроме того, для исследований привечались первичные материалы «р.ядовых отчетов по результатам геологоразведочных работ ПО " Зь'.адук, геология " ,

Специализированной геологоразведочной экспедиции.

Во время проведения' тематических работ в ИФШ{Г автор принимал з ішх участие в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя. Отдельные разделы втих работ выполнялись совместно с зотрудниками кафедр полевой нефтегазовой геофизики и геофизических исследований скважин; чье частив в подготовке отчетов и со-этветствующих публикаций отражено- в рамках соавторства.

Все научные положения, выдвигаемые на защиту, разработаны ав
тором самостоятельно. .'.;.' о

Научная ц е.н нос т.ь и новизна работы

Научная новизна псаученных результатов состоит ь~следующем.

1. редложена схема гидрогеологического районирования Предка- .-
шамкого сероносного бассейна, определено место каждой залежи
;еры в этой классификации.

2. Сформулированы методические задачи системного подхода к юследованию геофильтрационной ситуации как оі.ределякщего фактора жсплуатации сернкх месторс дений.

3. Выявлены закономерности .распределения петрофизических ха-іактеристик горных пород продуктивного горизонта, исследованы вм-шрические связи физических свойств с гидрогеологическими параметрами, на базе чего обоснован комплекс методов исследования при-юдно^техногенной гидрогеологической ситуации.

4. Предложе: а классификация видов водопроъодимости для коли-:ественной оценки развития природной и искусственной проницаемос-и горных пород, определен комплекс дистанционных методов для переяащего. изучения коллекторов по втому параметру.

5. Разработана модификация рас. одометрии гидрогеологических кважин при импульсном возбуждении, выведены эмпирические форму-ы, ссотзвляпцас основу интергчетации.

6. Предложена методика обобщенной интерпретации данных рас-одометрии. По данным полевых работ выполнен анализ вертикальной ильтрационной зональности продуктивного горизонта и созданы обо-щенные фильтрационные схемы по експлуатируемым месторождениям..

7. Установлена и обоснована возможность контроля технологгче-ких₀операций бурения гидрогеологических скважин и литолого-стра-играфического расчленения ps реза при проходке скваяпш по наблю-егчям электрического поля на поверхности земли. Разработан ме-эд и средства контроля бурения на основания изучения геовлектря-эских потенциалов. ,

8. Предлог эн и анадітически обоснован принципиально новый ме-

ханизм формирования фильтрационных влектрических потенциалов, на базе чего разработана модификация метода естественного электрического .поля для картирования фильтрационных потоков.

9. Предложен способ моделирования распределения геофильтрационных характеристик проницаемости в трехмерном пространстве на базе комплексной интерпретации гидрогеологических и геофизических данных. Обоснована возможность исследования динамики геофильтраци ошзой ситуации в задачах управления эксплуатацией серных залежей.

Ос-новные защищаемые положения

1. Схема гидрогеологического районирования Предкарпатского роносного бассейна.

При гидрогеологическом районировании ПСБ в развитие существу-
щих региональных геологической и гидрогеологических схем проведе
на их ^"тализация с вцплением елементов Солее высокого порядка -
геолого-структурных областей и соответствующих им гидродинамиче
ских зон> Эти области ( зоны ) увязаны по. всем гидрогеологическим
показателям, вследствие чего достигается ^тинство системы і Локи
рования о принципу формирования*подземных вод. в том числе по ге
огидродинамическому признаку, химическому составу и минерализации
а также в градации по фильтрационным свойствам горных пород. Каяці
месторождение самородной серы в соответствии'с предложенной схеме
районирования находит свое место в пределах выделенных геогчдроди
намических зон. ' . ' . . ^-.-

2.-Классификация видов водопроводимости серных месторождений.

Дйфференциров'анный подход к определению понятия'"водопроводи-мость" специфичен для месторождений о изменяющимися при эксплуатации фильтрационными характеристиками. Для месторождении серы целесообразнб выделение следующих видов водопроводимости: природная;, техногенная интенсификационнвя, прогнозная, техногенная во-допроводимость выплавки. Сравнительный ая- таз условий формирования каждого вида водопроводимости и количеі венная оі^нкя являются основой для разработки методики их определения на различных стадиях гидрогеологической подго-овки серных залежей к эксплуатации. Прогнозная.водопроводимооть является наиболее эффективным параметром, характеризупдим способность горных пород к образованию техногенной .ідопроводимости и реализации подземной выплавки.

3. Методика оценки природной, техногенной у, лрогиозной ьодо-проводимо.ети по площади геофизичесі .ми методам»'.

На основании .^следования физико-геолопіче"'«их услогай cev-ных месторождений и анализа разрепяящей способности геофі-,- ичесі.^х

методов доказана целесообразность их применения для решения широкого круга разведочных и эксплуатационных гидрогеологических за дач. В работе впервые выявлена закономерности в распределении пе-трсфизичеоких характеристик с учето» динамшщ Их при выплавке и эмпирические связи физи^ских свойств с гидрогеологическими филь трационными параметрами пород серных месторождений. Это явилось основой оценки применимости различных геофизических методов и их комплекса по указанному направлению.' Проведенными полевыми измерениями и модельными экспериментами доказана достаточная надежность полученных результатов. Обобщением проведенных исследований является разработанная методика картирования водопроводимости по функции комплексного вероятностного показателя, предусматривающего интегральное использование -различных геофизических, гидрогеологических и геологических методов.

4. Разработка модификации расходометрии при импульсном возбу-
вдьнии сквагшны. Методика оценки фильтрационных свойств месторож
дений серы в разрезе.

Способ расходометрии п-и импульсном возбуждении, основанный яа регистрации расхода воды в скважине при возбуявдении ее одиночными импульсами давления, которые создаются нагнетанием воздуха, оптимален для исследования низкопроницаем х разрезов. Предложенное аналитическое обоснов- ше метода и соответствующий интерпретационный аппарат позволяют определять абсолютные значения коэф-и.:{иентов фильтрации и водопроводимости по скважине с точностью, эопоставимой с одиночными откатеами, а также строить эпюры распределения фильтрационных параметров по глубине исследуемого ге ізон-га. Обобщенные фильтрационные схемы по эксплуатируемым месторождениям, :встроенные по данным полевых расходометричёских исследова-тай, являются основой для количественной характеристики вертикальной фильтрационной зональности участков серных месторождений.

5. Методика картирования фильтрационных потоков в межскважин-
гом "ространстве на базе исследования фильтрационно-электрических
ютенциалов. <

Фильтрационные потоки являются непосредственным источником ілектрического поля Рассмотренный механизм образования этого тго-ія связывается с существованием электрических потенциалов течения і механо-влектрических потенциалов. Величина электрического потенциала и распределение его в пространстве функционально связаны ; интенсивностью фильтрационных потоков и Фильтрационным- характеристиками пласта-коллектора. Предложенный скважияно-назешшн

ваі зич измерений позволяет получить систему наблюдений на уровне исследуемого пласта независимо оа глубины его залегания. Разработанная методика интерпретации дает-возможность определения путей движения фильтрационных потоков и качественную характеристику их интенсивности, что подтверждено полевыми исследованиями.

6. Пространственное моделирование распределения гидрогеологических фильтрационных характеристик на месторождениях серы по комплексу геолого-гидрогеологических и геофизических данных.

Необходимыми исходными данными для построения трехмерных моделей являются: распределение водопроводимости по площади; теофи-льтрационные разрезы по скважинам; распределена фильтрационных влектрических потенциал в в межекважинном лрос^анстве. Особенность предлагаемого способа мат латического моделирования заклю-<, чается в использовании принципиально нового комплекса прямых, фу-¹ н диональних и эмпирических методов, что повышает точность вычислений и достоверность результатов, а также в криіериальном подходе к интерпретаций вероятностно-статистических моделей. Схема решения предусматривает следующую последовательность? задание исходной модели трехмерного распределения коэффициента фильтрации; п^чесчет поля фильтрации в поле давлений; расчет поля фильтрационных Электрических потенциалов по полю давлений; сравнение полученного поля потенциалов с наблюденным и переопределение модели в случае недопустимо большого расхождения. Существование решения,, его устойчивость й сходимость следуют из теорий критериального подхода и доказаны численными експериментами. Сходимость результатов моделировании о полевыми исследованиями «довлетворительная.

Пространственное моделирование распределения гидрогеологических характеристик.является завещающим этапом а методологической схеме выполненных исследований.

П р а к т и ч ее кая з'ачимоегь и реализация работы

С практической точки зрения результаты научных исследований р-^лизованы при гидрогеологическом обосновании эксплуатации серных залежей ПСБ. Конкретно решены следующие задачи.

1. Прогнозирование на р Jkbi полях участков е благоприятными для эксплуатации фил?^рационными характеристиками.

2. Изучение фильтрацион >й зональности в екг^жинах и достав< ление вертикальных фильтрационных схем.

3. Оценка изменения геофи *ьтр^г' '.ионных характеристик елвбопро-ницаемых руд щ.і интглсификационном воздействии на пласт ( гидр^

эазрывы, кислотные обработки ).

4. Моделирование геофильтрационной ситуации в_ч трехмерном про-: ітранстве для обоснования технологии отработки добычных участков.

5. Картирование техногенных потоков и характеристика динами-еи их развития, во времени и в пространстве в процессе эксплуатации,

6. Оконтуривание выплавленных зон как учес чов повышенной іроницаемости. '...'_

Результаты работ внедрены на всех разрабатываемых методом ПВО іесторождениях самородной серы в Предкарпатье: Язовском, Немировс-!Ком, Загайпольском. Предложенные научные разработки являются ба-юй для создания новой технологии эксплуатации крупнейших забалансовых месторождений: Гримновского, Шевченковского, Великокаменец-:ого. При внедрении научных исследований в практику серодобывающих іредприятий получен экономический аффект в размере 600 тыс.руб. уровень цен 1990 г. ).

Отдельные научные результат., внедрены в практику работ ПО Севукргеология " (водоснабжение промузлов),.ПО "Запукргеология" разведка месторождений серы ), ПО " Укрнефть " ( интенсификация рбычи нефти ), Стебникского калийного завода (картирование соля-юго карста ) и ряда других организаций.

Апробация работы

Распространению информации и внедрению способствовала научная : методическая литература, содержащая результаты исследований ав-ора в данном направлении и насчитывающая 68 наименований.

Основные положения диссертации рассматривались в ряде сообще-ий автора на следующих совещаниях международного, всесоюзного и еспубликвнского уровней: Всесоюзный семинар-симпозиум "Бурение еотехнологических скважин" (Москва, ГИГХС, 1984)', III конферен-ия молодых ученых и специалистов института геологии и геохимии АН ССР (Львов, 1984), VIII Всесоюзный научно-технический иеминвр-овещание "Внедрение достижений научно-технического прогресса в рэктику геологических и маркшейдерских работ на предприятиях инудобреяий" (Ивано-Франковск, 1987), IX Всесоюзный научно-тех-ический семинар-совещание "Геофизические методы в геологии, ин-енерной геологии и шахтной геологии" (Донецк,1987), отраслевое овещание "Перспективы расширения сырьевой базы предприятий серой промышленности" (Коломия, 1987), республиканский нзучнг>-тех-ический семинар "Применение геофизических методов ггри гид. >гео-огических,инженерно-геологических исследованиях и охряне окру-ащей среды" (Симферополь, 1987), VII Международнкй конгресс по

маркшейдерскому делу (/нинград, 1988), X Всесоюзный научно-технический семинар "Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических задач" (ВСЕГИНГЕО, 1989). XIV Всесоюзный семинар "Моделирование развивающихся систем" (Киев, VijO), Всесоюзный научно-технический семгаар "Использование геофизических методор для решения геоэкологических, инженерно-геоло-логических и гидрогеологических задач" (Ташкент, 1991), II и Ш Меадунаглцные семинары "Прикладные проблемы моделирования и оптимизации" (Славское, 1992,1993). Результаты работ докладывались на нзучно-тохнических семинарах в Польше (Тарнобжег, 1990 - Научно-исследовательский центр серной промышленности "Сяркополь"; Варшава, 1990 - Предприятие геофизических исследований).

Структура и объем работы