СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ ПРЕДПРИЯТИЯ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ
METHOD FOR UTILIZATION OF INDUSTRIAL EFFECTS OF AN ENTERPRISE IN THE CONDITIONS OF CRYOLITHOZONE

Изобретение относится к горному делу, в частности к закачке жидких стоков расположенных в криолитозоне горнодобывающих предприятий в геологическую среду.
Технология закачки отходов и промышленных стоков в глубокие горизонты недр является одним из видов пользования недрами и одновременно с этим природоохранным мероприятием. Она обеспечивает локализацию и надежную изоляцию таких отходов и является альтернативой их сбросу в водный объект или на рельеф с оказанием как прямого воздействия, так и опосредованного - на почвы и донные отложения, даже с учетом предварительной очистки. В настоящее время успешно применяется как за рубежом, так и в России, в частности, в Урало-Поволжском регионе (Кадыров О.Р. Принципы наилучших доступных технологий применительно к глубинной закачке избыточных рассолов//Химическая техника №3/2017. URL: https://chemtech.ru/principy-nailuchshih-dostupnyh-tehnologij-primenitelno-k-glubinnoj-zakachke-izbytochnyh-rassolov/; Батретдинова А. О методе захоронения в недра жидких производственных стоков. URL:https://pandia.ru/text/77/353/67458.php и др.). Однако применение технологии возможно только при проведении исследований, в частности, гидрогеологических, для определения наличия в гидрогеологическом разрезе и свойств проницаемых водонасыщенных пластов, которые можно использовать в качестве поглощающих.
Известен способ подземного захоронения избыточных рассолов калийных предприятий (патент RU на изобретение №2188955, приоритет 02.11.2000, МПК E21F 17/16 (2000.01), патентообладатель ООО "Уралкалий", опубл. 10.09.2002 Бюл. №25), включающий бурение скважин и закачку в них рассолов, при этом вначале производят гидрогеологическое картирование и определяют места распространения рассольного горизонта в надсоляной толще с высокими фильтрационными параметрами, затем в одном из таких мест и вблизи рассолосборника предварительно бурят и обсаживают скважину, забой которой находится на 50-100 м выше предполагаемой глубины залегания кровли соляной залежи, далее осуществляют бурение опережающего ствола до пересечения кровли соляной залежи, после чего определяют интервал залегания рассольного горизонта выполнением откачки и гидрокаротажа, в котором устанавливают фильтровую колонну, и после проведения опытных испытаний, в соответствии с определенной приемистостью скважины, закачивают в нее избыточные рассолы.
Тип закачиваемых вод и геологические условия целевых пластов для закачки не соответствуют условиям криолитозоны, отсутствует контроль за температурой массива, что критически важно для криолитозоны.
Известен способ захоронения промышленных стоков предприятий (патент RU №2257474, приоритет 27.08.2003, МПК E21F 17/16 (2000.01), патентообладатель ОАО "Уралкалий", опубл. 27.07.2005 Бюл. №21), включающий бурение нагнетательных скважин на рассольный горизонт и закачку в них промышленных стоков, при этом производят бурение поисковых и оценочных скважин и выбирают участок с наиболее высокими коллекторскими свойствами, затем осуществляют бурение нагнетательных скважин на рассольный горизонт, а также наблюдательных скважин, в том числе на вышележащие пресноводные водоносные горизонты и для определения растекания промышленных стоков в плане, далее выполняют лабораторные исследования по химической совместимости стоков с пластовыми водами - рассолами и водовмещающими породами, после чего производят опытную закачку стоков, рассчитывают гидрогеологические параметры пласта - коллектора, в том числе его емкостной потенциал, приемистость поглощающего горизонта и производительность одной нагнетательной скважины, после этого осуществляют закачку промышленных стоков в необходимых объемах в нагнетательные скважины.
Во всех указанных выше способах тип закачиваемых вод и геологические условия целевых пластов для закачки не соответствуют условиям криолитозоны, отсутствует контроль за температурой массива, что критически важно для криолитозоны.
Известен способ захоронения жидких стоков в геологической среде (патент RU на изобретение №2313796, приоритет 13.06.2018, МПК B65G 5/00 (2006.01), патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Грозненский государственный нефтяной технический университет имени акад. М.Д. Миллионщикова" (RU), опубл. 07.02.2020 Бюл. №4), включающий выделение в геологической среде областей, обладающих развитой системой открытых трещин, имеющих гидродинамическую проницаемость и наличие механизма нисходящей фильтрации флюидов, бурение к этим областям закачных скважин и закачку через эти скважины сточных вод, отличающийся тем, что выделение в геологической среде областей с нисходящей фильтрацией флюидов включает установление областей массива пород вулканитного типа, обладающих открытым действующим разломом, при этом в выделенных областях с нисходящей фильтрацией флюидов сверху лежащий осадочный чехол, представленный осадочными породами, прилегает к нижележащему массиву вулканитов, а открытый действующий разлом связывает осадочный чехол с массивом вулканитов, причем выделенные области с нисходящей миграцией флюидов исследуют путем отбора кернов и при необходимости искусственно увеличивают проницаемость этих областей вокруг существующего разлома.
Во всех указанных выше способах тип закачиваемых вод и геологические условия целевых пластов для закачки не соответствуют условиям криолитозоны, отсутствует контроль температуры массива, что критически важно для криолитозоны.
Наиболее близким техническим решением является способ закачки дренажных вод, расположенных в криолитозоне карьера и рудника "Мир", реализуемый системой обратной закачки (СОЗ) минерализованных дренажных вод (Проблемы эксплуатации системы обработки закачки дренажных вод карьера и рудника Мир / Дроздов А.В., Гензель Г.Н. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2015. - №4. - С. 304-316.) в приуроченные к выявленным зонам тектонических дислокаций гидрогеологические структуры подмерзлотного метегероичерского водоносного комплекса (МИВК), которые выявлены комплексом геолого-геофизических исследований. Непосредственно для проведения процесса закачки проведены исследования по схематизации гидродинамических условий, изучению физико-химических и газовых показателей природных рассолов, оценке совместимости дренажных стоков и природных рассолов. Проводилось гидрогеологическое моделирование процесса обратной закачки с отстраиванием гидродинамических моделей, а также модельные расчеты по прогнозу изменения гидродинамических режимов при различных режимах закачки рассолов в МИВК. Практически дренажные воды перекачиваются в оборудованный накопитель, откуда через закачные скважины СОЗ удаляются в МИВК с расходом, равным сумме дебита откачки дренажных рассолов из карьера, объемов атмосферных осадков и вод оттайки, аккумулируемых в накопителе.
Способ недостаточно учитывает гидрогеохимические особенности закачиваемых вод, существует риск закачки в толщу ММП недостаточно температурно сбалансированного потока утилизируемых стоков, что может привести к нарушению целостности массива ММП.
Технической проблемой, решаемой разработанным способом, является повышение эффективности и экологичности закачки промышленных отходов.
Технический результат - снижение теплового потока в толщу многолетнемерзлых пород, что позволяет обеспечить сохранение природного температурного режима пласта-коллектора, не допуская антропогенного воздействия на многолетнемерзлые породы.
Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа закачки промышленных стоков предприятия в условиях криолитозоны, включающего проведение комплекса геологических, геофизических и гидрогеологических исследований для оценки состояния толщи многолетнемерзлых пород, оценку гидрогеологических параметров пласта-коллектора, выбор участка с приемлемыми коллекторскими свойствами, исследование совместимости минерализованных (пластовых) вод с закачиваемыми промышленными стоками, бурение опытных, рабочих и наблюдательных скважин, закачку стоков в пласт-коллектор и мониторинг состояния недр, оценивают гидрогеологические параметры подмерзлотного пласта-коллектора, в качестве рабочих бурят закачные скважины, в качестве промышленных стоков закачивают смешанные в накопителе дренажные воды карьера и осветленные дренажные воды хвостохранилища обогатительной фабрики, при этом предварительно проводят исследование совместимости дренажных вод хвостохранилища обогатительной фабрики с минерализованными (пластовыми) водами и дренажными водами карьера, мониторинг состояния недр проводят с термометрией по скважинам, причем скважины бурят с обсаживанием промежуточными обсадными колоннами.
Заявляемый способ поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена схема отведения дренажных вод из хвостохранилища ОФ №3 в накопитель и закачки на участке СОЗ; на фиг. 2 - разрез участка закачки.
Перечень позиций, приведенных в графических материалах:
1 - накопитель минерализованных вод
2 - закачные скважины
3 - метегеро-ичерский водоносный комплекс
4 - Восточный разлом
5- участок обратной закачки
6 - система обратной закачки
7 - наблюдательные скважины
8 - контрольно-разведочные скважины
9 - хвостохранилище третьей очереди обогатительной фабрики (ОФ) №3
10 - временный водовод
11 - зона ММП
12 - промежуточные колонны 0 630 мм
13 - промежуточные колонны 0 127 мм.
Способ осуществляется следующим образом.
Поиск перспективных криогидрогеологических структур для закачки дренажных рассолов карьера «Мир» начат одновременно с разведкой глубоких горизонтов месторождения (1977-1979 гг.).
На основе полученных данных о геологическом строении территории с увеличением глубины карьера была разработана рациональная схема водозащиты месторождения, включающая создание кольцевой тампонажной завесы вокруг трубки, ввод внутрикарьерного водоотлива с обратной закачкой остаточных притоков из накопителя минерализованных вод 1 через систему закачных скважин 2 обратно в дренируемый метегеро-ичерский водоносный комплекс (МИВК) 3. Для этих целей за Восточным разломом 4 с 1987 г. было начато сооружение участка обратной закачки по удалению дренажных рассолов в подмерзлотный комплекс МИВК 5. Проведенные гидрохимические исследования показали, что смешанные воды накопителя и МИВК относятся к одному гидрохимическому типу (щелочные воды хлоридного натриевого состава) и несущественно отличаются по величине минерализации. Закачка на участке системы обратной закачки вод (СОЗ) 6 на ручье Тымтайдах производится с 1990 г.
3
На первом этапе на участке СОЗ 5 были пробурены и опробованы закачные 2, наблюдательные 7 и контрольно-разведочные скважины 8 (которые в дальнейшем были переведены в наблюдательные) для определения фильтрационно-емкостных свойств пород МИВК. В результате работ второго этапа уточнены расчетные гидрогеологические параметры, отработана технология закачки. С 1993 г. находится в действии третий этап, связанный с промышленной эксплуатацией СОЗ 5, бурением резервных закачных скважин. Закачка осуществляется в безнапорном постоянном режиме. Приемистость каждой скважины 2 составляет до 600 м/ч. Такой режим защиты месторождения от подземных вод действует по настоящее время.
Проведенный комплекс геофизических исследований определялся поставленными в разные периоды проведения работ геологическими и гидрогеологическими задачами, геолого-техническими условиями работ и включал в себя следующие методы:
- каротаж естественной радиоактивности (ГК) в верхней безводной части разреза - для литолого-стратиграфического расчленения отложений и корреляции разреза вскрываемых отложений по пластам;
- кавернометрия (ДС) - для контроля отсечения толщи ММП, измерения фактического диаметра скважин 2, 7, 8, определения вспомогательного параметра, используемого при количественной оценке коллекторов, контроля технического состояния стволов скважин 2, 7, 8 в процессе бурения во всех вновь пробуренных скважинах 2, 7, 8;
- каротаж магнитной восприимчивости (КМВ) - для выделения в разрезе долеритов;
- инклинометрия - для определения фактического искривления скважин 2, 7, 8 в процессе бурения;
- термометрия - для определения температурного режима многолетнемерзлых пород (ММП), геотермического градиента и выделения интервалов коллекторов;
- расходометрия - для выделения интервалов коллекторов.
Выполненные опытные работы позволили выделить поглощающие зоны в интервале разреза; уточнить емкость участка 5; обосновать возможность эксплуатации участка 5 в опытно-промышленном режиме.
Проводимый гидрохимический контроль направлен на оценку изменения качественного состава подземных вод в результате смешения пластовых и закачиваемых вод и проводится по наблюдательным скважинам 7 участка СОЗ 6. Результаты выполненного гидрохимического опробования по стволам опытных скважин 7, 8 подтвердили прогнозные закономерные изменения минерализации с глубиной и состава вод по латерали.
По химическому составу транспортируемые дренажные воды рудника "Мир" представляют собой сероводородные хлоридные натриевые рассолы с минерализацией 90-130 г/л, имеющие отрицательную температуру (минус 1,5 -минус 2°С) и содержащие растворенные природные газы преимущественно углеводородно-азотного состава. Концентрация сероводорода в рассолах составляет до 20 мг/л. Рассолы обеднены микрокомпонентами, агрессивны к бетонам и металлам в связи с наличием в них сульфидов.
Однако, помимо утилизации дренажных вод карьера "Мир", в последние годы стала насущной проблема режима эксплуатации третьей очереди представляющего собой гидротехническое сооружение открытого типа хвостохранилища третьей очереди ОФ №3 9, связанная с попаданием в него части ежегодно поступающего поверхностного стока, что определяет необходимость перекачки маломинерализованных вод (ММВХ) из системы гидротехнического сооружения 9 для обеспечения его безопасной эксплуатации. По результатам проведенных исследований определено, что по механизму формирования и химическому составу ММВХ являются дренажными, поэтому существует возможность их утилизации совместно с дренажными водами карьера "Мир". Проведены лабораторные эксперименты по смешиванию дренажных вод ОФ №3 с рассолами подмерзлотных водоносных комплексов (МИВК и олекминского), также выполнено гидрогеологическое моделирование с имитацией совместной закачки дренажных вод карьера «Мир» и ОФ №3. Практическая реализация перекачки ММВХ в подмерзлотный пласт осуществляется в теплое время года по монтируемым водоводам 10 из хвостохранилища 9 в накопитель минерализованных вод 1 на ручье Тымтайдах и дальнейшей закачкой через систему закачных скважин 2 участка системы обратной закачки (СОЗ) 6.
В связи с тем, что промышленное предприятие расположено в криолитозоне, большое значение имеет вопрос сохранения температурного режима.
Непосредственно в накопителе СОЗ 1 Тымтайдах, который практически является буферной емкостью, ввиду его линейных параметров (площадь и глубина), химического состава и физических характеристик перекачиваемых дренажных вод, сформировалось несколько отличных по температуре и минерализации зон. С точки зрения температуры - верхняя толща, имеющая положительные температуры, составляет не более 4 метров, ниже залегают рассолы, имеющие круглогодичную отрицательную температуру. По минерализации верхние 1,5 метра представлены водами смешанного генезиса, существенно распресненными из-за поступления паводка и атмосферных осадков. Перекачиваемые из хвостохранилища 9 воды имеют более высокую минерализацию, что позволяет дестратифицировать воду в накопителе 1, вовлекая в закачку в том числе и верхний распресненный слой, а последующее смешивание закачиваемых вод с природными рассолами МИВК позволяет понижать их суммарную температуру до околонулевых значений, в результате достигается мультипликационный эффект снижения антропогенной нагрузки на криолитосферу, а именно уменьшение теплового потока, за счет понижения температуры закачиваемых смешанных вод, что в свою очередь приводит к нейтральному температурному влиянию закачки и повышению толерантности массива ММП к размещаемым водам.
Кроме того, частичная дестратификация воды в накопителе 1 в связи с уменьшением минерализации его вод (на 15-20 г/л) позволяет замедлить процесс осадконакопления в закачных скважинах 2, то есть снизить его негативное влияние на их приемистость, продлевая срок службы скважин. Так, по результатам проведенных исследований выяснилось, что при смешении различных типов рассолов процессы выпадения осадка и интенсивность реакции изменяются во времени. При смешении вод МИВК, обладающего высокими фильтрационными свойствами, и дренажных вод ОФ №3, относящихся к одному гидрохимическому типу (хлоридный натриевый щелочной), но отличающихся по величине минерализации, установлено, что скорость выпадения осадка в конце опыта значительно выше, чем через 2 часа от его начала. Эти факторы обеспечивают быстрый разнос по площади закачиваемых вод и разубоживание смешанных вод, не позволяя тем самым оказывать негативное влияние на приемистость закачных скважин, а также сохраняя температурный режим по путям фильтрации. При обустройстве скважин 2,7,8 с целью перекрытия зоны ММП 11 и дальнейшего бурения до проектной отметки применяют промежуточные обсадные колонны 11,12. Так, в закачных скважинах 2 располагают промежуточные обсадные колонны 11 из стальных труб ∅ 630 мм, при этом тампонаж заколонного пространства до устья исключает повторное замерзание промывочной жидкости и исключает деформацию обсадной колонны 11. Для наблюдательных скважин 7 применяют промежуточные обсадные колонны 12 ∅ 127 мм. С целью изучения температурного режима горных пород, проверки технического состояния скважин 7 один раз в год проводятся наблюдения за температурным режимом подземных вод (термометрия).
При реализации способа снижается риск загрязнения окружающей среды, причем не только дневной поверхности, но и снижается объем испарений в атмосферный воздух, который, так же, как и природная вода, является транслокационной средой, то есть не накапливающей загрязнения, а распространяющей их на некоторое расстояние. Экономическая эффективность способа может быть достигнута за счет снижения капитальных и текущих затрат по сравнению с альтернативными методами очистки и утилизации стоков и отходов. Кроме того, следствием снижения риска загрязнения окружающей среды является снижение возможных затрат на устранение последствий загрязнения от возникновения ситуаций, связанных с нарушениями технологических режимов на очистных установках, и от аварий.