Ключевые аспекты освоения предельно-насыщенных металлоносных рассолов Восточной Сибири

УДК 553.79:556.34 А.Г. Вахромеев

КЛЮЧЕВЫЕ АСПЕКТЫ ОСВОЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО-НАСЫЩЕННЫХ МЕТАЛЛОНОСНЫХ РАССОЛОВ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

Рассмотрены приоритетные направления и основные результаты теоретических и прикладных исследований предельно-насыщенных металлоносных промышленных рассолов глубоких горизонтов юга Сибирской платформы в аспекте освоения их как гидроминерального сырья для получения брома, лития и других ценных элементов.

В 50-х гг. ХХ века глубокими скважинами на юге Сибирской платформы были впервые открыты фонтанные притоки «предельно-насыщенных» хлоридных кальциевых рассолов с минерализацией до 600 г/л и уникальными содержаниями калия и брома из доломитов «осинского» горизонта в низах усольской свиты [12]. Сегодня очевидно, что тем самым были сделаны крайне важные для гидрогеологии научные открытия ранее неизвестного типа рассолов и по сути самостоятельного типа промышленного сырья на бром, литий, магний, калий. Практически сразу в научной печати развернулась активная дискуссия о генезисе столь необычных рассолов. Сибирская платформа - единственная гидроминеральная провинция мира, где литий и бром находятся вместе в таких концентрациях. Дискуссия эта продолжается и поныне, отражая динамику развития одного из сложившихся направлений научной школы гидрогеологии глубоких горизонтов Сибирской платформы, созданной в Иркутске под руководством Е.В. Пинеккера. Пожалуй, основная цель этого научного направления - изучение закономерностей формирования и локализации залежей высококонцентрированных промышленных литиеносных рассолов. Однако в совокупности с разработкой способов добычи рассолов и технологии переработки их в химические продукты, с учетом технических решений по экологической безопасности проблема не только приобретает прикладную направленность, но и рассматривается под принципиально другим углом зрения - металлоносные (про-

мышленные) рассолы как руда, жидкое полезное ископаемое.

Для того, чтобы обосновать постулат о новом промышленном минерагениче-ском типе сырья [3], необходимо последовательно ответить на следующие ключевые вопросы:

• потребность в сырье промышленности;

• ресурсная база, гидрогеология предельно-насыщенных рассолов;

• реальная добываемость, буримость, технология освоения скважин и добычи сырья;

• перерабатываемость сырья - конкретные промышленные технологические переделы;

• положительная экономика добычи и технологических переделов;

• экологичность освоения нового типа сырья.

Гидрогеология и «буримость» залежей предельно-насыщенных рассолов -два ключевых направления, от которых по существу зависит перспектива реального освоения конкретных месторождений этого сырья.

Гидрогеология. Несмотря на очевидную перспективность рассолов Сибирской платформы как сырьевого источника многи редких элементов, металлов и неметаллов, в гидрогеологии рассолов необходимо выделить несколько основных факторов, определяющих реальность их промышленного освоения. Это уникально высокие концентрации полезных элементов: Вг; Ы, М^ и др. [12,1,10] с одной стороны и улучшенный до аномально проводящего

коллектор (АК) [8] - с другой. Сформулируем авторские представления о гидрогеологии аномально выделяющихся по гидродинамическим, фильтрационно-емкостным, геологическим и геохимическим признакам объектов.

Гипотеза о существовании двух типов фильтрационно-емкостной среды (ФЕС) в карбонатных породах-коллекторах галогенно-карбонатной гидрогеологической формации увязывает генезис и пространственную связь аномально водопроводящего коллектора с зонами межпластовых срывов, сформированными в едином геодинамическом процессе соляного тектогенеза - линейной дисгармоничной складчатости. Для трещинно-поровых, трещинных, трещинно-кавернозных коллекторов изменчивость фильтрационно-емкостных свойств обусловлена широким развитием вторичных процессов по субгоризонтальным системам трещиноватости, что благоприятствовало формированию вторичной емкостной и водопроводящей среды - аномального коллектора (АК), на несколько порядков превышающей величину основных фильтрационных параметров по отношению к таковым для первичной, неизмененной фильтрационной матрицы. Аппроксимация фильтрационной среды реализуется последовательно по принципу «вложения сред» или «двойной пористости» [8].

Проиллюстрируем приоритетность, новизну основных положений гипотезы о модели с двойной пористостью, которая:

• впервые конкретизирована геологической моделью магистрального сместите-ля или зон межпластовых срывов и принципиально уточняет геолого-генетическую модель аномального коллектора;

• устанавливает разный порядок ФЕС в разных скважинах при единстве гидродинамических (давление) и гидрохимических показателей приточных объектов;

• применима в практике промысловых исследований глубоких скважин как для объектов, характеризующихся аномально-высоким пластовым давлением (АВПД), так и для объектов с нормальным

гидростатическим давлением, ибо модель магистрального сместителя или межпластового срыва - это зона активного, улучшенного коллектора. Формирование АВПД-системы в ней и первично и вторично, и связано с внешними факторами -наличием мощной солевой толщи, изоляцией крупных тектонических блоков, активной современной геодинамикой, а значит - наличием геостатической нагрузки, передаваемой на коллектор;

• геологическая модель зон межпластовых срывов объединяет емкостное и транзитное пространство пород-коллекторов различных типов - поровых, порово-каверновых, трещинных с «нормальными» и аномальными параметрами.

Опираясь на классификацию, предложенную Е.В. Пиннекером [13], аномально высокодебитные приточные объекты в глубоких скважинах юга Сибирской платформы отнесены к трещинно-порово-пластовому и жильно-пластовому типам сложной гидрогеологической структуры [8]. АВПД-явление, фиксируемое практически в каждом случае вскрытия «предельно-насыщенных» рассолов, характеризует особенности гидрогеодинамической структуры резервуаров [8].

Гидродинамическая особенность аномального коллектора (АК) как поле сверхгидростатических давлений (СГСД) или аномально-высоких пластовых давлений (АВПД) - генетически связана с геодинамикой соленосного этажа [1] и зонами межпластовых срывов [11]. Геолого-генетический механизм формирования аномальных коллекторов и современных зон аномально-высоких давлений на Сибирской платформе реализуется через передачу на флюидную систему величины геостатического давления, формирующегося за счет веса горных пород аллохтон-ной пластины [8,4,6].

Рассматриваемая гипотеза по-новому раскрывает геологическую роль высококонцентрированных рассолов [6] в палео-и современных неотектонических (геодинамических) процессах, в частности - в процессе надвигообразования в осадочном

чехле Сибирской платформы [15,14,9], где они играют роль:

• «жидкости гидроразрыва» в природном геодинамическом механизме гидроразрыва, формирующегося в плоскости развития максимальных напряжений и объединяющего локальную трещинова-тость в единый магистральный разрыв -сместитель зоны межпластового срыва в поле тангенциальных напряжений при значениях пластового и порового давлений до величин, превышающих давление гидроразрыва компетентных слоев осадочных горных пород, как правило, карбонатов, среди более мощных галогенных прослоев. Благоприятными факторами здесь служит разная реология первично-осадочных горных пород и слоистость, т.е. чередование в разрезе горных пород с разными прочностными физико-механическими свойствами. Наличие в разрезе условно «слабого» пропластка по сравнению с выше- и ниже-залегающими локализует распространение трещиноватости и ее обьединение в магистральный разрыв, субгоризонтально ориентированный в пространстве;

• «смазки» в основании аллохтон-ных пластин, снижая трение поверхностей срыва и обеспечивая процесс надвигания значительных по масштабу геологических блоков [4] и эффект «всплытия» аллохтона при этом;

Этим гидрогеологическим явлением - широким площадным распределением АВПД-слоев за счет активной геодинамики галогенной части разреза обьясняется инверсия пластовых и поровых давлений в флюидной системе подсолевого терриген-ного комплекса, где замеры в глубоких скважинах показывают повсеместно аномально низкое пластовое давление, составляющее 0.8-0.9 от гидростатики.

За счет этого же явления флюидная система галогенно-карбонатной толщи и нижезалегающей терригенной толщи изолируется, гидродинамически перекрывается сверху и локализует флюидопоток - вероятную вертикальную циркуляцию не только рассолов, но и нефти и газа нижними по отношению к АВПД-системе соле-

вым, подсолевым этажами и водопроницаемой частью трещинных коллекторов кристаллического фундамента. Именно этот фактор является базовым для аккумуляции залежей УВ в нижнем, подсолевом этаже и определяющим для их сохранности, что доказывает важнейший прикладной характер рассматриваемой гипотезы.

Субгоризонтальные зоны аномального коллектора (АК) активной наложенной трещиноватости поднимают на несколько порядков обменную поверхность в системе «вода (рассолы) - порода». Повышение пластовой температуры и давления активизирует процесс эмиграции редких элементов из породы в систему сильного электролита. Формируются условия, благоприятствующие ускоренному процессу концентрирования в рассолах элементов, которые в породе находятся в рассеянном состоянии с содержаниями, близкими к кларковым. Это объясняет установленные закономерности накопления промышлен-но-ценных элементов в исследуемой хло-ридной геохимической системе, явление ускоренного концентрирования редких, рассеянных и редкоземельных элементов по сравнению с формированием их общего солевого состава, парагенетические ассоциации и соотношения впервые обнаруженных и исследованных иттрия, тантала, ниобия с ранее изученными калием, рубидием, цезием, литием, стронцием, бромом, магнием. Значительное по масштабам увеличение обменной поверхности эндогенных кластитов в зонах межпластовых срывов, повышенная температура и аномально-высокое давление, а также низкие значения рЬ и восстановительная обстановка -вот основные факторы, благоприятствующие активизации обменных процессов в системе вода-порода и ускоренному концентрированию редких, рассеянных и редкоземельных элементов и минеральных солей и в итоге формированию уникально-высоких концентраций изучаемой хлорид-ной системы и парагенетически связанных ценных редких, рассеянных элементов и минеральных солей [3,7].

Таким образом, впервые сформулирована гипотеза о геолого-генетической взаимосвязи всех трех аномалий, благодаря общим геологическим условиям (вне-масштабным по отношению к конкретной залежи), формирующим все три явления в едином геологическом процессе. В итоге предлагаемая геологическая модель формирования АВПД-системы в галогенно-карбонатной толще осадочного чехла платформы, основанная на шарьяжно-надвиговой теории [15,14], объединяет все три явления:

• аномальный коллектор жильно-пластового типа;

• аномальное давление до величины горного;

• аномальные концентрации ценных компонентов.

Рассматривая особенности минераге-нии нового, аномально богатого типа промышленного сырья, оставим пока открытым целый ряд вопросов, без которых невозможно отнести это сырье к промышленному типу. Наличие и контуры залежи, ее параметры, запасы - первый необходимый блок изученности, но надо также доказать технологичность сырья, т. е. его до-бываемость, разрабатываемость и перера-батываемость в зоне рентабельности.

Глубокое бурение и добыча. «Бури-мость» и «добываемость» промышленных предельно-насыщенных рассолов Сибирской платформы - второй важнейший блок, который сегодня малоизучен и практически не освещен в литературе. С момента вскрытия продуктивной зоны глубокой скважиной мы имеем дело с весьма неравновесной «природно-технической» системой, локализованной в особых геодинамических природных условиях. Незначительное нарушение термобарических условий при вскрытии продуктивных пластов глубокой скважиной или в процессе добычи рассолов приводит к сдвигу фазовых равновесий, процессу самопроизвольной, зачастую лавинообразной кристаллизации солей из этой пересыщенной системы и формированию кристаллических осадков в эксплуатационной колонне глу-

боких скважин или на внутренней поверхности трубопроводов. В результате зарастания трубного пространства и призабой-ной зоны затрудняется эксплуатация продуктивных интервалов. Эта проблема ограничивает промышленное освоение месторождений промышленных рассолов Сибири.

Для решения этой проблемы доказана промышленная буримость аномальных коллекторов, раскрыт смысл предлагаемых новых технических решений по вскрытию зон АВПД и АК бурением и изоляции продуктивного интервала с АВПД и АК обсадной колонной, а также по технологии освоения продуктивного интервала и добычи сырья - рассолов из продуктивной зоны, с глубины 1,8-2,3 км до поверхности земли, через обоснование величины допустимой депрессии, расчета внешнего диаметра лифтовых труб, разработку схемы обвязки устья добывающей скважины с приемными емкостями. Применяемая технология вскрытия, освоения продуктивного интервала и последующей добычи должна обеспечивать непрерывность подачи сырья (рапы) до конечной точки - завода (установки) по переработке сырья - и работоспособность технических решений.

Ранее автору впервые удалось найти решение безопасного вскрытия аномальной зоны на перелив с одновременным захоронением поступающего на поверхность рассола, технически возможной добычи (отбора) этого сырья из продуктивной зоны и обеспечить технологические условия транспорта - перетока по эксплуатационной колонне-трубе на поверхность, при которых система остается равновесной [2,5]. Решение спроектировано в экспериментальной версии, реализовано в конкретной скважине. В процессе полевых геологоразведочных работ на Знаменском месторождении обеспечен длительный цикл гидродинамических исследований. Основное преимущество способа добычи [5] - возможность управления свойствами термобарически нестабильной системы, содержащей в своем составе вещества, склонные к фазовым переходам. Именно к

таким веществам относятся склонные к кристаллообразованию рассолы с концентрацией солей выше 450 г/л, обычно 560630 г/л.

В процессе бурения глубокой рассо-лодобывающей скважины перед вскрытием зоны АВПД ствол скважины обсаживается эксплуатационной колонной. До спуска этой колонны выбирается интервал поглощения, который изолируется разделяющими пакерами. Условие гарантированного захоронения расчетных объемов рапы в аварийном или плановом случае перелива обеспечивается проведением опережающего гидроразрыва в заданном интервале геологического разреза. Собственно «способ добычи жидкого полезного ископаемого, склонного к температурному фазовому переходу» [5] предполагает защиту эксплуатационной колонны от солей, оседающих на стенках (колонны) из рассола в процессе его перемещения от пласта к устью скважины в процессе вскрытия и эксплуатации залежи. Добычу осуществляют термостатированием эксплутацион-ной колонны в интервале вероятного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки горячего теплоносителя по межколонному пространству в сформированную зону поглощения. Используется эффект «термоса» или сосуда Дьюара - тепловой завесы вокруг эксплуатационной колонны глубокой рассолодо-бывающей скважины, чем и обеспечивается стационарность температурных условий.

Предложенный «способ добычи...» через сохранение стационарных температурных условий в эксплуатационной колонне, работающей жидким флюидом, позволяет добиться эффекта непрерывной работы скважины и, следовательно, всего подземного и наземного комплекса - наземной части промысла, включающей трубопроводы и коммуникации, заводы по переработке бромо-литиевых рассолов. Это дает возможность оптимизации параметров работы продуктивной зоны, что важно для всего производственного комплекса и его технико-экономических пока-

зателей. Если для поверхностных трубопроводных систем конструкция «труба в трубе» приводит к удорожанию транспортной системы в целом, то для глубоких скважин общепринятая система «телескопа» как раз благоприятствует термостати-рованию рабочей колонны через следующую - кондуктор, что и предполагает этот способ. Благоприятствует предлагаемому техническому решению и то, что в скважинах с глубиной температура повышается на величину геотермического градиента. Поэтому в термостатировании нуждается именно верхняя часть скважины, которая находится в интервале температур ниже Ткрит25°С. Технически это легко увязывается с общепринятой в бурении конструкцией «телескопа», поскольку в этом верхнем интервале геологического разреза применяется конструкция «колонна в колонне». Предлагаемое техническое решение позволяет повысить технико-экономические показатели освоения месторождения за счет снижения объемов глубокого бурения и оптимизации работы промысла.

Технический эффект - обеспечение принципиальной возможности осуществления промышленной добычи концентрированных природных рассолов, склонных к фазовым переходам, улучшение работы добычного и транспортируемого оборудования. Например, снижается примерно на 50% внутреннее, разрывающее давление на эксплуатационную колонну. Экономический эффект - сокращение объемов глубокого бурения отдельных закачивающих скважин. В реальных условиях Знаменского месторождения это около 1700 тыс. у. е. на одну скважину.

Таким образом, основным результатом исследований в блоке «бурение - освоение - добыча» следует считать комплекс технических решений по освоению и добыче сырья - промышленных рассолов в «природно-технической» системе «продуктивная трещиноватая зона - призабой-ная зона - ствол скважины - устьевое оборудование - приемные емкости (накопители)». Комплекс включает:

• безопасное вскрытие бурением на технически управляемом переливе,

• освоение продуктивного интервала, обвязка скважины, устья,

• запуск продуктивной зоны, выход на оптимальный режим отбора флюида,

• обеспечение технических и термобарических условий транспорта сырья на поверхность с сохранением равновесного состояния флюидной системы,

• ключевое техническое решение, обеспечивающее непрерывность скважин-ной добычи и захоронения пересыщенных рассолов.

Изложенные положения отражают современное состояние теоретических основ гидрогеологии, поисково-разведочных работ (поисковой металлогении), ключевых проблемных вопросов освоения, т.е. бурения и добычи богатейшего гидроминерального сырья Сибири.

Библиографический список

1. Анциферов А.С. Гидрогеология древнейших нефтегазоносных толщ Сибирской платформы. - М.: Недра, 1989. -176 с.

2. Вахромеев А.Г., Данилов В.А. , Карпов Ю.А., Кузьмин С.Б., Абалаков А.Д. Опыт формирования системы экологической безопасности при разведке и освоении высоконапорных рассолоносных горизонтов (на примере Знаменского месторождения) //Разведка и охрана недр. - 2001. -№ 5. - С. 43-48.

3. Вахромеев А.Г. Минерагения концентрированных рассолов осадочного чехла Сибирской платформы // Геология, поиски и разведка месторождений рудных полезных ископаемых. Межвузовский сборник научных трудов. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. - Вып. 25. - С. 86-97.

4. Вахромеев А. Г., Попова Н. Н. Закономерности локализации зон АВПД в геологическом разрезе осадочного чехла юга Сибирской платформы // Геология, поиски и разведка месторождений горючих ископаемых. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2003. - С. 6-16.

5. Вахромеев А.Г. Способ добычи

полезного ископаемого, склонного к температурному фазовому переходу. Патент № 2229587, 27. 05. 2004 Бюл. №15. Заявка № 2002101184/03(000709)- приоритет 19. 02. 2002 (6).

6. Вахромеев А. Г Аномальные давления флюидов как индикатор напряженного состояния соленосной формации осадочного чехла Сибирской платформы. //Матер. Всероссийского совещания «Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии: фундаментальный и прикладной аспекты»

- Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005. - Вып. 3. -С.113-116.

7. Вахромеев А. Г. Геохимия редкоземельных элементов в концентрированных рассолах юга Сибирской платформы //Геология и минерагения юга Сибири: Вестник ГеоИГУ. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2005. - Вып. 4. - С. 67- 73.

8. Вахромеев А.Г. Закономерности локализации «предельно-насыщенных» рассолов в разрезе осадочного чехла на юге Сибирской платформы //Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. - Иркутск, 2006. - С.151-154.

9. Вахромеев А.Г.. Сизых В.А. Роль шарьяжно-надвиговой тектоники в формировании аномально-высоких пластовых давлений и промышленных металлоносных рассолов Сибирской платформы //Доклады РАН. - 2006. - Т.407, №2. - С.1-5.

10. Дзюба А.А. Разгрузка рассолов Сибирской платформы. - Новосибирск: Наука, 1984. - 156 с.

11. Дубровин М.А.. Соляная тектоника Верхне-Ленской впадины Сибирской платформы. - Новосибирск: Наука, 1979. -95 с.

12. Пиннекер Е.В. Рассолы Ангаро-Ленского артезианского бассейна. - М.: Наука, 1966. - 332 с.

13. Пиннекер Е.В. Проблемы региональной гидрогеологии. - М.: Наука, 1977.

- 196 с.

14. Сизых В.И. Шарьяжно-надвиго-вая тектоника окраин древних платформ. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, Филиал