Сапачёв Р.Ю.

Главная страница
Сведения об авторе

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ РАССОЛОВ В НАДСОЛЕВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПОРОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Сапачёв Р. Ю., Санкт-Петербургское представительство горного института Уральского отделения Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия

Калийное производство связано с образованием значительного количества твердых и жидких отходов, в том числе техногенных рассолов. Рассолы формируются в процессе технологического передела (обогащения) калийных руд, а также в результате растворения атмосферными осадками твердых (галитовых) отходов, складируемых на земной поверхности. Жидкие отходы накапливаются в специальных бассейнах — шламохранилищах, прудах-отстойниках и рассоло-сборниках. Часть осветленных рассолов (отстоявшихся) используется повторно в технологическом цикле обогащения руд — «оборотные» рассолы. Остающиеся в накопительных бассейнах техногенные рассолы являются избыточными.
Годовые объемы избыточных рассолов на каждом из Верхнекамских рудников составляют от нескольких сотен тысяч до 1,0—1,5 млн м³. Вследствие фильтрационных потерь рассолов из накопительных бассейнов, на локальных участках вблизи промплощадок и объектов хвостового хозяйства происходят процессы засоления почв и грунтов, поверхностных и подземных вод.
Для Верхнекамского промрайона подземный сброс в поглощающий горизонт, развитый вблизи кровли соляной залежи, рассматривается как наиболее перспективный способ утилизации техногенных рассолов, направленный на охрану подземных и поверхностных вод.
Полигон для закачки избыточных оборотных (техногенных) рассолов с минерализацией около 140 г/л был выбран на основе изучения и анализа горно-геологических и горно-техни-ческих условий севернее солеотвалов БКПРУ-3. Пласт-коллектор для закачки рассолов объединяет нижнюю часть терригенно-карбонатной толщи (ТКТ_н.ч.) и верхнюю часть верхней подтол-щи соляно-мергельной толщи (СМТ_2вч) при их суммарной мощности, равной 65 м. Выбор пласта-коллектора именно на этом участке во многом определялся повышенной (до 300 м²/сут) водопроводимостью пород (ТКТ_н.ч.+ СМТ_2в.ч.) в данной зоне (в сравнении с 10—30 м²/сут за ее пределами).
В 2002—2003 гг. выполнены опытные закачки техногенных рассолов/промстоков «БКПРУ-3» в поглощающий горизонт, позволившие оценить геометрию и фильтрационные параметры пласта-коллектора. На этой основе были разработаны две численные модели миграции закачиваемых промстоков:
а) локальная модель участка опытного опробования площадью около 10 км², включающая район расположения опытно-исследовательской скважины № 1-ОИ и наблюдательной скважины № 2-ОИ;
б) модель, охватывающая всю территорию полигона — около 70 км².
В качестве программного обеспечения использовалась программа DENS FLOW-2003 (Коносавский П. К.), позволяющая моделировать движение жидкостей с разной плотностью, т. е. учитывать плотностную конвекцию.
На первой модели была поставлена и решена обратная миграционная задача для оценки самого важного параметра поглощающего горизонта, определяющего емкостной потенциал и, соответственно, перспективы использования пласта-коллектора, — активной (эффективной) трещиноватости (na) слагающих пород, т. е. значения открытой трещиноватости, отнесенной ко всей мощности пласта-коллектора (~ 65 м). Для этого использовались результаты опытной закачки «оборотных» рассолов в скважину № 1-ОИ (06-08.2003), основной результат которой в виде графика изменения минерализации рассолов (С, г/л) во времени (t, сут) в наблюдательной скважине № 2-ОИ представлен на рис. 1.

Рис. 1. Изменение минерализации пластовых рассолов, отобранных из наблюдательной скважины № 2-ОИ в ходе опытной закачки «оборотных» рассолов в скважину № 1-ОИ (06-08.2003)

Результаты моделирования при использовании программы DENSFLOW-2003 выдаются в изолиниях мощности (m) ореола — зоны внедрения закачиваемой жидкости при постоянной ее минерализации, равной исходному значению (т. е. в данном случае — 143 г/л). Поэтому калибрование первой модели с поиском отвечающей результатам опытной закачки величины na должно ориентироваться на некоторую заранее известную на тот или иной момент времени мощность ореола закачиваемых рассолов в той или иной точке модели (в нашем случае — в наблюдательной скважине № 2-ОИ). Тарировочный график для перехода от средней минерализации рассолов в скважине № 2-ОИ к мощности ореола закачиваемых рассолов в этой же скважине представлен на рис. 2. Естественная минерализация (243 г/л) отвечает нулевой мощности ореола, а ее значение, равное 143 г/л, — полному заполнению мощности пласта-коллектора закачиваемыми рассолами. При этом предполагается, что зависимость С = f(m) носит линейный характер.
Анализ чувствительности первой модели показал, что плавный и непрерывный прирост мощности ореола закачиваемых в пласт «оборотных» рассолов имел место в скважине № 2-ОИ только в течение первых 13 сут опытной закачки. За это время средняя минерализация пластовых рассолов здесь снизилась с 243 г/л (среднее значение в естественных условиях) до 225 г/л. Согласно графику (см. рис. 2) этой минерализации отвечает мощность ореола, равная 11 м.

Рис. 2. Тарировочный график m = f (С) для наблюдательной скважины № 2-ОИ

За пределами указанного отрезка времени прирост мощности ореола по скважине № 2-ОИ практически прекращается: при любых значениях na в пределах от десятых долей процента до 8— 10% и при любой длительности закачки, превышающей 13 суток, мощность ореола на модели оставалась равной 11м. Это связано с тем обстоятельством, что в непосредственной близости от скважины № 2-ОИ, к западу — северо-западу от нее, резко снижается проницаемость пород пласта-коллектора. Ореол «упирается» в этот слабопроницаемый барьер, а преимущественное направление дальнейшей миграции закачиваемых промстоков меняется на западное — юго-западное, совпадающее с областью распространения пород высокой водопроводимости.
К сожалению, в этом направлении нет наблюдательных скважин, по которым можно было бы оценить значение na. Поэтому для такой оценки могут быть использованы только данные за первые 13 сут опытной закачки с ориентацией на мощность ореола к концу этого срока, равную 11 м. В процессе калибрования модели было проверено несколько разных значений эффективной трещиноватости.
Далее на базе второй модели решались прямые прогнозные задачи миграции рассолов при длительной их закачке в пласт-коллектор и при увеличенном до 1,5% расчетном значении па. Поправка введена в связи с тем, что при длительной закачке, по сравнению с кратковременной опытной закачкой, эффективная емкость поглощающего горизонта становится функцией времени и увеличивается в 2—3 раза за счет постепенного заполнения сбросными рассолами более мелких трещин и даже крупных тупиковых каверн и пор. В этом же направлении «работает» и диффузия солей в среде с двойной пористостью: она направлена из пористых блоков пород-коллекторов в его трещинное пространство и связана с более высокой минерализацией естественных рассолов, насыщающих пористую матрицу пород ( 240 г/л), по сравнению с минерализацией закачиваемых «оборотных» рассолов (140 г/л).
Моделирование показало, что при годовом объеме закачки рассолов, равном 0,5 млн м³, емкость пласта-коллектора в отведенных и заложенных в численную модель границах полигона будет исчерпана через 15 лет (рис. 3), а при закачке 1,0 млн м³/год — через 10 лет (рис. 4).

Рис. 3. Контур и изолинии мощностей ореола промстоков при их закачке в скважину № 1-ОИ — прогноз для подземного сброса продолжительностью t = 15 лет (5475 сут) при расходе нагнетания Q = 0,5 млн м³/год (1370 м³/сут) и активной трещинноватости пласта-коллектора п = 1,5%

Рис. 4. Контур и изолинии мощностей ореола промстоков при их закачке в скважину № 1-ОИ — прогноз для подземного сброса продолжительностью t = 10 лет (3650 сут) при расходе нагнетания Q = 1 млн м³/год (2740 м³/сут) и активной трещинноватости пласта-коллектора п = 1,5%

В обоих случаях ореол закачиваемых рассолов/промстоков расширяется преимущественно в западном — юго-западном направлении. Время «условного», но не абсолютного, исчерпания емкости поглощающего горизонта в заданных границах полигона определялось по моменту касания ореола какой-либо из его границ (в данном случае — западной). Заданные границы полигона для моделирования миграции техногенных рассолов/промстоков по поглощающему пласту-коллектору совпадают с контуром горного отвода для «БКПРУ-3».
Таким образом, увеличение объема закачки сбросных промстоков в два раза потенциально снижает на 5 лет «условную» продолжительность использования полигона — за счет значительно более полного насыщения мощности пласта-коллектора во втором варианте.

THE USE OF NUMERICAL SIMULATION TOOLS TO JUSTIFY THE FEASIBILITY OF EXCESS BRINE DISPOSAL IN THE OVERLYING STRATA OF SALT DEPOSITS

Sapachyov R. Yu., Saint-Petersburg Representative Office of Mining Institute, Ural Department of Russian Academy of Sciences, Saint-Petersburg, Russia

The paper considers the issue of managing the potassium industry's underground excess brine flow, coming into the absorbing top layer of the salt bed. Two models have been developed to justify the feasibility of the underground brine flow discharge: a) a local model simulating a pilot site of approximately 10 km2, which includes the pilot pumping area with two investigation boreholes, and b) a large-scale model that includes the surrounding area of about 70 km².
The first model was used to address the issue of inverse migration in order to assess the active (effective) fissuring (na) of constituent rocks. This parameter is the basic feature of the adsorbing horizon and characterizes the layer potential capacity. This value provides the perspective of the collector layer uses.
The second model was used to resolve the specific forecasting tasks and describe the brine migration at their continuous pumping into the collector layer.
The results of numerical simulation have demonstrated the efficiency of the excess brines pumping into the overlying absorbing strata at the Verkhnekamsky potassium and magnesium salt field. The perspective of further application of this method for improvement of environmental situation in the areas of operation of potassium establishments has also been demonstrated.

Главная страница

Сведения об авторах

Сапачёв Роман Юрьевич, м. н. с, Санкт-Петербургское представительство Горного института УО РАН, просп. Юрия Гагарина, 2, оф. 17—18 (6 этаж), Санкт-Петербург, 196105, Россия. Тел./факс (812) 378-66-05. E-mail: r_sapatshevdogpisem.net

Последние изменения внесены 24.04.07