Проблема комплексной отработки калийно-солевых и нефтяных месторождений на примере Соликамской депрессии

УДК 622.693

О.В.КОВАЛЕВ, И.Ю.ТХОРИКОВ, Д.Г.ПЕТРАКОВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт

ПРОБЛЕМА КОМПЛЕКСНОЙ ОТРАБОТКИ КАЛИЙНО-СОЛЕВЫХ И НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ СОЛИКАМСКОЙ ДЕПРЕССИИ

Сложность горно-геологических условий залегания пластов, недостаточная изученность свойств и строения горного массива, вмещающего отрабатываемые пласты, не позволяют полностью исключить аварии при эксплуатации горно-добывающих предприятий. В случае совместной отработки солевых и нефтяных месторождений, находящихся в пределах одного горного отвода и залегающих на различных глубинах, риск затопления рудников может существенно увеличиться из-за взаимовлияния горных работ, ведущихся на различных горизонтах.

Изложены основные методические подходы к обоснованию целесообразности эксплуатации нефтяных месторождений в пределах распространения калийных солей и приведен перечень основных проблем, требующих решения для обеспечения безопасности совместной отработки калийных и соляных месторождений.

Complex geological conditions of bedded deposits and insufficient data about properties and structure of rock strata often lead to emergency situations at mines. Joint mining of salt and oil seams inside the same mining lease at different depths may increase the risk of water flood in the mine.

The article presents basic methodical approaches for substantiation of expediency of mining oil deposits in the area of the salt seams propagation. Also the article gives the list of basic problems, which must be solved to provide save joint mining of oil and salt deposits.

Проблема комплексного освоения месторождений является практически такой же давней, как и сама разработка полезных ископаемых. Проблема является довольно многогранной, она включает несколько основных направлений - это разработка технологий по освоению бедных комплексных руд; комплексное освоение полезных элементов при богатом содержании основного элемента и попутном извлечении элементов с низким содержанием в исходной руде; комплексное освоение разнофазовых полезных ископаемых, например таких как нефть и газ, уголь и метан и др., а также разработка технологий по совместной разработке месторождений различных полезных ископаемых, находящихся в пределах одного горного отвода, но залегающих на различных глубинах. Если для первых из перечисленных проблем основной является задача создания эффективных технологий по наи-

более полному извлечению как руды из недр, так и всех полезных компонентов из руды, то в последнем случае основной является задача по созданию технологий, исключающих такую степень взаимовлияния одних разработок на другие, при которой может произойти полная или частичная потеря целесообразности извлечения другого полезного ископаемого. Одним из наиболее наглядных примеров такого взаимовлияния является проблема разработки нефтяных месторождений в районах залегания калийных солей.

Поскольку соляные залежи являются «генетическими экранами», геологически способствующими генезису (метаморфизму) углеводородов (жидких и газообразных), то практически всегда под соленосными толщами на тех или иных глубинах залегают месторождения углеводородов. Глубины залегания данных месторождений состав- 99

Санкт-Петербург. 2007

ляют до десяти километров и более, что делает их разработку не всегда эффективной. Однако, например, в Соликамской депрессии в пределах Верхнекамского месторождения калийных солей разведан ряд нефтяных месторождений (Уньвинское, Сибирское, Юрчукское и др.), которые залегают в том числе и в пределах участков, перспективных для разработки калийных солей.

Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС) - одно из крупнейших в мире и единственное разрабатываемое в России. В геолого-тектоническом отношении оно расположено в центральной части Соликамской депрессии Предуральского краевого прогиба. Месторождение представлено мощной (до 500 м) соляной толщей кунгурского яруса нижнего отдела пермской системы.* В верхней части разреза толщи развита многопластовая залежь калийных (сильвиниты) и калийно-магниевых (кар-наллитовая порода) солей общей мощностью 70-100 м. Калийная залежь залегает на площади около 4 тыс.км2 на глубинах 250450 м. Балансовые запасы сильвинитов и карналлитовой породы составляют (сырые соли): по категории А + В + С - 18,8 млрд т, по категории С2 - 107 млрд т. Разработка месторождения ведется рудниками ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит». Обеспеченность действующих предприятий разведанными запасами калийных солей составляет свыше 17-20 лет, а с учетом участков, находящихся в государственном резерве -более 100 лет. В ближайшие годы предусматривается освоение новых детально разведанных участков, находящихся в государственном резерве.

В пределах территории ВКМКС в под-солевых отложениях нижнего и среднего карбона и верхнего девона на глубинах 1600-2400 м открыто 12 месторождений нефти с начальными извлекаемыми запасами нефти 74 млн т категории А + В + С и более 27 млн т категории С3. В разработке находятся семь месторождений.

Наряду с месторождениями нефти в пределах территории ВКМКС насчитывает-

* Джиноридзе Н.М. Геология калийных солей и их разведка. М.: Недра, 1973. 100

ся 15 нефтеперспективных структур, из которых 10 подготовлено к глубокому бурению и 5 относятся к фонду выявленных. Почти все открытые месторождения нефти находятся вне промышленных участков в краевых частях ВКМКС. Исключение составляют месторождение нефти им. Архангельского, расположенное на площади Па-лашерского участка, и Логовское месторождение, расположенное на стыке Боровского и Половодовского участков ВКМКС. Остаточными запасами нефти предприятия, ведущие добычу нефти на территории ВКМКС, при годовом объеме добычи 2-2,5 млн т обеспечены на 15-17 лет.

Нормативными актами 60-70 годов прошлого века разработка нефтяных месторождений в границах распространения калийных солей была запрещена. Размер охранной зоны для буровых работ от границы распространения калийных солей составлял не менее 500 м. В тоже время в мировой практике такие зоны принимаются существенно большими (например, в Канаде - не менее 3,2 км). Однако в связи со сложившейся в настоящее время ситуацией со спросом на нефть и количеством подготовленных запасов в конце девяностых годов встал вопрос о добыче нефти, в том числе и на площадях горных отводов действующих рудников ОАО «Уралкалий».

Сохранение существующего годового объема добычи нефти на длительную перспективу (также как и его увеличение) возможно только за счет ввода в эксплуатацию новых месторождений нефти и поэтапного освоения нефтеперспективных структур. Последние находятся как в периферийных частях ВКМКС (запасы калийных солей категории С2), так и в пределах эксплуатируемых, подготавливаемых к промышленному освоению, и резервных его участков. В этой связи принципиально важной является оценка возможных вариантов совместной добычи нефти и калийных солей, а также необходимость разработки нормативной документации и долгосрочной стратегии освоения ресурсов ВКМКС, которые должны базироваться на создании комплексной системы, обеспечивающей безусловную со-

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.172

хранность и эффективную эксплуатацию всех месторождений.

Основными элементами такой системы должны быть: геолого-геофизическое изучение (уточнение особенностей) глубинного строения недр с целью дифференциации месторождений по горно-геологическим условиям совместной разработки; геомеханическое сопровождение, отражающее реальное строение горного массива и уровень техногенного воздействия на него добычи нефти и соли; взаимосогласованные технологические решения разработки нефтяных залежей (конструкция скважин, схемы разбуривания, режим эксплуатации) и сильвинит-карналлитовой толщи (параметры системы разработки; параметры зон смягчения; последовательность, порядок и количество отрабатываемых пластов); оперативный мониторинг состояния геологической среды, включающий систематическую оценку качества проводки и крепления нефтяных скважин на стадиях их строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации, гидрогеологические исследования, инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, прогнозирование на базе моделирования и инструментальный контроль напряженно-деформированного состояния ответственных элементов массива (зон распространения техногенных трещин, режим работы податливых и жестких целиков и т.д.), геофизический и сейсмологический контроль за изменением геодинамического состояния недр.

Реализация предлагаемой стратегии позволит научно обосновать целесообразность значительной интенсификации освоения нефтяных ресурсов на территории Верхнекамского месторождения без снижения темпов его разработки при обеспечении сохранности запасов калийно-магниевых руд.

Оценка возможности разработки нефтяных месторождений под толщей калийно-магниевых солей при условии обеспечения эффективного и безопасного освоения минеральных ресурсов Соликамской депрессии Пермской обл. требует многогранной оценки и должна решаться с учетом ценности калийных и нефтяных месторождений,

социально-экономической значимости их разработки как в масштабах РФ, так и в рамках влияния на мировые рынки данных видов сырья.

Решение указанной проблемы, следовательно, должно базироваться на следующих определяющих постулатах:

• анализ существующих технических и технологических решений по вскрытию и разработке данных месторождений;

• геомехано-геодинамическая оценка техногенного воздействия на состояние горного массива как с точки зрения технической безопасности (безопасность горных работ в рудниках, состояние ВЗТ), так и с точки зрения экологической безопасности (селитебные районы; состояние запасов надсолевых пресных вод; характер и степень оседания земной поверхности и т.д.);

• разработка возможных технологических вариантов совместной (совмещенной или последовательной во времени) отработки соляных и нефтяных месторождений и оценка степени влияния технологических параметров соляных и нефтяных разработок друг на друга, а также на безопасность ведения горных работ.

Необходимо отметить, что опыт отработки калийных солей (как на Верхнекамском месторождении, так и на ряде других месторождений в Канаде, Марокко) показывает, что одним из основных факторов, обеспечивающих надежность принимаемых технологических решений является наличие достоверной геологической информации о техногенно-возмущаемом соляном массиве. Это подтверждается анализом факторов, обуславливающих затопление целого ряда соледобывающих предприятий в мире.

Как показал предварительный анализ указанной проблемы, для обеспечения отсутствия влияния выработанных пространств действующих рудников на состояние стволов нефтяных скважин (разведочных, добычных, контурных) необходимо, чтобы они находились за зоной сдвижения массива горных пород.

- 101

Санкт-Петербург. 2007

По времени совместная отработка нефтяных и соляных месторождений может вестись по следующим основным вариантам:

• предварительная отработка соляных пластов и последующая отработка нефтяных месторождений;

• предварительная отработка нефтяных залежей и последующая отработка калийных солей на площадях, подработанных извлечением нефти;

• одновременная эксплуатация калийных и нефтесодержащих пластов.

Все перечисленные варианты требуют геомеханического обоснования (и последующего сопровождения в процессе эксплуатации) тех или иных элементов технологии. В первом случае необходимы способы и средства крепления ствола скважин, обеспечивающие их безаварийную эксплуатацию в выработанных пространствах (как в открытых, так и в уплотнившихся) и в зонах сдвижения массива горных пород. Необходимо отметить, что время полных сдвижений земной поверхности при ее подработке может составлять до 50 лет, а максимальные скорости перемещений наблюдаются в первые 35 лет. При использовании камерных систем разработки с жесткими целиками максимальные скорости перемещений могут наблюдаться и через десятки лет после отработки. При добыче нефти в районе закрытых рудников необходимо обеспечить отсутствие прорывов надсолевых вод в горные выработки старых рудников, поскольку это может инициировать неуправляемые процессы растворения солей и образования пустот значительных размеров, что неминуемо приведет в лучшем случае к нарушению целосности колонны, а в худшем - к образованию значительных провалов земной поверхности.

В случае одновременной эксплуатации калийно-солевых пластов и нефтяных зале-

жей кроме перечисленных выше проблем необходимо обосновывать размеры целиков под нефтяные скважины, а также размеры и параметры зон смягчения вокруг данных целиков. Данные параметры рассчитываются с целью задания определенных (безопасных) параметров, характеризующих деформирование водозащитной толщи. При наличии многогоризонтной отработки (горизонт калийной соли и горизонт нефтяных пластов) необходимо учитывать деформирование всего горного массива (с учетом изменения скоростей оседания во времени), что без анализа накопленного опыта сделать с требуемой точностью практически весьма затруднительно. Поскольку такой опыт отсутствует, надежность подобных прогнозов будет довольно низкой.

При третьем варианте отработки (предварительная отработка нефтяных месторождений) горные работы на горизонте залегания калийных солей могут производиться только в районе плоского дна мульды сдвижения от нефтяных разработок либо вне зоны сдвижения. Разработка калийных солей должна вестись только после ликвидации добывающих и нагнетательных нефтяных скважин (с полной цементацией их ствола) с оставлением целиков и зон смягчения вокруг данных целиков.

Экспертные оценки показывают, что во всех случаях, кроме первого, потери балансовых запасов калийных солей (неизвлекае-мые) составят десятки процентов, поскольку необходимо оставлять значительные целики и вести отработку только в пределах плоского дна мульды сдвижения.

Оценка средств и методов обеспечения целосности ВЗТ показывает, что данный аспект проблемы может быть решен при условии замещения (возможно частичного) нефти в пласте иным флюидом.

102 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.172