Рф скважина для разведки полезных ископаемых

Цели и основные направления геологоразведки

Геологоразведочные работы — это мероприятия, направленные на выявление и подготовку к освоению в промышленных масштабах месторождений полезных ископаемых. В процессе выполнения таких работ в том числе изучается размещение пластов ископаемых, условия их образования и состав. Кроме того, изучаются компоненты, сопровождающие залежи полезных ископаемых, в том числе редкие металлы, попутный газ, сера и т. д., выясняется возможность их извлечения или же утилизации.

Геологоразведка сопряжена с анализом условий природы и климата в районах работ, социально-экономических предпосылок для реализации конкретных проектов. Она предусматривает изучение возможных способов добычи ископаемых при условии рациональной эксплуатации блоков и минимизации возможного вреда окружающей среде. Результатами осуществления работ по геологоразведке является расчёт и утверждение запасов полезных ископаемых, оценка их количественных ресурсов, в том числе прогнозная.

В случае, если залежи полезных ископаемых получают положительную оценку в результате поисково-оценочных мероприятий, проводится непосредственно разведка открытого месторождения. В её ходе выясняются геологическое строение участка, размеры, условия залегания и пространственное расположение залежей. Кроме того, вычисляются качество и количество ископаемых, технологические факторы, которые будут определять условия эксплуатации блока.

Сейсмическая, электрическая и гравитационная разведка

Одним из самых эффективных и популярных методов первичных геологических исследований месторождений, в основном залежей нефти и газа, является сейсморазведка. Её принцип базируется на регистрации сейсмических волн, которые создаются искусственным путём при помощи специального источника волн, в роли которого обычно выступает взрывчатка. Тротил размещается в неглубоких скважинах. Для инициирования как продолжительных, так и коротких импульсных колебаний могут применяться автомобильные вибраторы.

Вибрационная установка Nomad-65

С помощью источника в породе создаётся избыточное давление и распространяются колебания периодического типа. Эти волны наталкиваются на слои с разными показателями упругости, после чего меняют не только направление, но и амплитуду, а также создают новые колебания. По пути следования волн размещаются датчики-приёмники, которые фиксируют колебания и передают операторам полученные сигналы. Сейсмокомплексы представляют собой типовые системы, в состав которых входит один источник и до 300 приёмников, расположенных через 25–50 метров друг от друга. Если оператор правильно выбирает схему, это позволяет исследователям получать необходимую информацию без избыточных затрат.

Сейсмическая разведка: 1 — передающая система; 2 — приёмная система; 3 — сейсмоприёмники; 4 — сейсмическая волна; 5 — отражённая сейсмическая волна; 6 — нефтеносный пласт

В зависимости от того, как расположены друг относительно друга источники и приёмники колебаний, различают такие виды сейсморазведки:

• совмещённые источник и приёмник — 1D;
• расположение источника и приёмников на одной линии — 2D;
• расстановка приёмников на параллельных линиях по площади участка — 3D;
• периодическое повторение 3D-разведки при разработке месторождения — 4D.

После регистрации и записи колебаний проводится их анализ с целью определения особенностей распространения и свойств волн. В частности, извлекается геологическая информация о границах сейсмики. Полученные сейсмограммы требуют серьёзной обработки, поскольку они в условиях полевых работ обычно включают помехи. Что касается полезных волн, то они зачастую сложны для интерпретации. Для анализа данных применяется современная компьютерная техника.

Сигналы усиливаются, фильтруются, очищаются от нежелательных колебаний и конвертируются в цифровой формат, после чего поступают на сейсмостанцию для наблюдений. По результатам обработки геологи получают материал для дальнейшего толкования. Если на полученных геологических разрезах идентифицируются аномальные зоны распространения волн, то, как правило, это является свидетельством наличия залежей полезных ископаемых.

При наличии значительного преимущества — высокой точности измерений, сейсморазведка обладает рядом существенных недостатков. В частности, геологи не в состоянии определить качество залежей полезных ископаемых, не могут применять сейсморазведку на сложном рельефе местности. Кроме того, при наличии солевых горизонтов такая разведка неэффективна. Применение взрывчатки, в свою очередь, может негативно влиять на экосистему исследуемого района.

Закладка взрывного источника сейсмических колебаний

Ещё одним популярным видом геологоразведки является разведка электрическая. Данное направление включает способы исследования недр, которые применяются для изучения как верхних слоёв породы, так и для глубинной разведки. В свою очередь, они делятся на две большие группы.

Методы электрической разведки:

• Индукционные методы.
• Методы сопротивлений.

Исследование недр индукционными методами предусматривает создание электромагнитного поля за счёт эффекта магнитной индукции под влиянием переменного электрического поля или же магнитного поля. При обладании информацией о параметрах источника поля оператор может свободно измерить магнитные и электрические составляющие индуцированного поля и, следовательно, восстановить параметры среды их возникновения.

Магниторазведка

В свою очередь, методы сопротивлений основываются на пропускании через грунт электродов с постоянным током. Измеряется напряжение, которое вызвано данным током, поступающее от первой ко второй группе электродов. При наличии информации о напряжении и силе тока можно вычислить показатель сопротивления среды, через которую пропускается электричество. Благодаря конфигурации электродов точно устанавливается участок пространства, в которой меняется сопротивление.

Принципиальная схема электроразведки методами сопротивлений: 1 — питающая линия; 2 — измерительная линия; 3 — измерительные заземления; 4 — питающие заземления; 5 — область исследования; 6 — линии тока

Электроразведочная станция для вертикального электрического зондирования

Поиск возможных залежей полезных ископаемых производится в том числе способом гравитационной разведки. Он основан на принципе измерения показателя ускорения свободного падения. Последнее зависит не только от параметров планеты в целом, но и от аномальной плотности пород в районах поисков. Таким образом, неоднородность плотности подземных горизонтов легко вычисляется в гравитационном поле.

Гравиразведка

Поиск залежей твёрдых ископаемых

Хотя конкретные способы разведки месторождений зависят от возможности применения определённых технических средств в конкретных условиях, для выявления залежей твёрдых полезных ископаемых (руд, минералов и т. д.) соответствующие мероприятия, как правило, проводятся в шесть типовых стадий:

1. Геофизические и геолого-съёмочные работы. Данный этап включает исследование крупных геологических структур, в которых, вероятно, присутствуют полезные ископаемые. Перспективные площадки по завершению данной стадии передаются на специализированные поисковые работы.

2. Поиск месторождений. Геологи работают над обнаружением запасов определённых видов полезных ископаемых. Работы осуществляются в несколько промежуточных этапов. Вначале проводится поиск общего характера с целью выявления границ зоны потенциального размещения ископаемых. После этого обустраиваются горные выработки или скважины для выполнения структурно-геологических исследований. По результатам оценивается потенциальное промышленное значение месторождений. Если исследования оказались продуктивными, в этом случае осуществляется подсчёт ресурсов в категории C2. Составляются прогнозы добычи в количественном плане, а также разрабатывается технико-экономическое обоснование (ТЭО) продолжения геологоразведки.

3. Предварительная разведка. Геологи определяют промышленное значение участка, параметры месторождения, технологические свойства и размеры формаций полезных ископаемых, условия залегания. Составляется предварительная характеристика условий освоения блока. Результатами этой работы являются расчёт запасов не только в категории C2, но и C1, а также ТЭО на проведение детальной разведки. На этапе предварительной разведки применяется бурение (глубокое, колонковое или ударно-канатное). При изучении месторождений цветных металлов обустраиваются штольни, небольшие шахты, шурфы с целью отбора проб.

4. Детальная разведка. Данный этап работ проводится исключительно на участках с доказанной промышленной ценностью запасов. Осуществляется дополнительный подсчёт запасов в категориях A и B. По завершению этого этапа должны быть собраны данные, достаточные для начала промышленной эксплуатации месторождения согласно требованиям к изученности исследуемой зоны, в соответствии с классификацией запасов и прогнозными ресурсами.

5. Доразведка. Проводится на участках, которые были в недостаточной степени изучены на предыдущих этапах работы. Кроме того, она осуществляется в пределах флангов, обособленных участков, в глубоких горизонтах горных отводов. На этой стадии проводится последовательный перевод ресурсов из категорий C1 и C2 в более высокие классы, подсчитываются новые выявленные запасы. На ряде объектов при этом строятся глубокие шахты как разведочного, так и эксплуатационно-разведочного назначения.

6. Эксплуатационная разведка. Такой вид разведки проводится одновременно с проходческой работой, направленной на подготовку выработок. Мероприятия по разведке реализуются до момента начала очистных работ с целью обеспечения добычи на текущем этапе, а именно для уточнения информации о залежах, полученной на стадиях детальной разведки. Речь идёт о данных относительно качества, условий залегания, строения и морфологии пластов. На этапе эксплуатационной разведки проходка вертикальных, горизонтальных и наклонных выработок является основным методом работ. Кроме того, возможно обустройство перфораторных — безкерновых — или же колонковых скважин для получения керна.

Особенности разведки нефтегазовых месторождений

Специфика геологоразведки нефтегазовых месторождений обусловлена особенностями залегания и природными свойствами этих полезных ископаемых. Отличительной чертой нефти и газа является то, что их залежи находятся обычно в одних и тех же районах. Газ может быть как растворён в нефти, так и образовывать газовые шапки в верхней части пространства, занимаемого «чёрным золотом».

Накопление углеводородного сырья происходит в осадочных оболочках планеты. В общей сложности в мире выявлено порядка шести сотен нефтегазоносных бассейнов. Нефть и газ находятся на глубинах от одного до нескольких километров и распределены по микроскопическим пустотам. Около 85% запасов сконцентрированы в алевритовых песчаных породах с глиняной прослойкой, остальные ресурсы — в породах карбонатного типа. Огромны запасы шельфовых месторождений, однако степень их изученности крайне мала. Пронедра писали ранее, что, по данным Минприроды, более 90% площади арктического шельфа не разведаны.

Геологические экспедиции, которые занимаются изучением нефтегазовых месторождений, выполняют комплекс работ по исследованию структуры блоков, выделению продуктивных пластов, вычислению предполагаемых дебитов нефти, газа и конденсата, давления в залежах. Все эти данные используются для составления проектов эксплуатационных работ, а также для расчётных обоснований промышленной разработки участков.

Стартует геологоразведка по стандартной схеме — со съёмки и составления геологических карт. В дальнейшем применяется гравитационная разведка. Выявление запасов по данной методике обусловлено отличительной особенность пород, насыщенных нефтью и газом — их плотность меньше, соответственно, и меньшим будет ускорение свободного падения. Нефтегазовые ресурсы выявляются в том числе с применением специфической аэромагнитной разведки, направленной на выявление антиклиналей — геологических ловушек для углеводородов мигрирующего характера на глубинах до семи километров.

Аэромагнитная съёмка выполняется с помощью магнитометров, расположенных в хвостовом коке самолёта

Особенностью же проведения сейсморазведки является то, что такой вид исследования при поиске нефтегазовых запасов осуществляется не только для выявления залежей, но и с целью определения оптимальных мест для бурения скважин разведочного назначения. Одним из эффективных методов обнаружения ресурсов «чёрного золота» и «голубого топлива» является низкочастотное сейсмическое зондирование. Данный способ основан на анализе аномального изменения спектра естественного сейсмического фона в районе размещения залежей на частотах до 10 герц.

Оборудование для сейсморазведки

Нефть и газ также выявляются при помощи методики геохимической разведки. Геологи анализируют состав подземных вод на предмет содержания органических компонентов и газов. Рост концентрации таких элементов в единице объёма пробы воды может указывать на близость пласта. Тем не менее, самым достоверным и эффективным способом разведки углеводородов в настоящее время является непосредственное бурение скважины для выявления степени достаточности их объёмов для промышленного освоения месторождения. В среднем только в трети случаев после бурения обнаруживаются такие запасы.

Бурение разведочной скважины «Шахринав-1п», Таджикистан

В современной России геологоразведка нефтегазовых ресурсов производится не только с целью немедленной разработки конкретных блоков, но и для общего прироста количества углеводородов в соответствии с требованиями Энергетической стратегии, рассчитанной до 2020 года. Напомним, что, по мнению Владимира Путина, геологоразведка крайне важна для экономики России. Открытие и изучение новых месторождений — это работа на перспективу, поскольку выявленные ресурсы фактически являются сырьевым вкладом в будущее страны.

В докладе авторы демонстрируют технологию и результаты использования нетрадиционного комплекса геофизических методов для поиска подземных вод в сложных геологических условиях. В результате исследований все поставленные задачи были успешно выполнены.

Технология заключается в следующем:

1) На первом этапе на всей поисковой площади проводится экспрессная радоновая съемка, с целью выявления тектонических нарушений и выделения связанных с ними перспективных участков для постановки детализационных работ;

2) На втором этапе методом резонансно-акустического профилирования выполняются детальные исследования выделенных перспективных участков с целью локализации трещиноватых зон, как наиболее вероятных коллекторов для подземных вод;

3) На третьем этапе методом переходных процессов осуществляется разбраковка выявленных трещиноватых зон путём качественной оценки их водообильности.

При гораздо более высокой эффективности, данный комплекс работ выполняется нами в более сжатые сроки, чем это принято в геофизическом сообществе. После камеральной обработки данных выбирается лучшее место для расположения водозаборной скважины.

Предлагаемая нами технология особенно актуальна в сегодняшней непростой экономической ситуации в России.

Введение

Из геофизических методов в состав поисково-оценочных работ на подземные воды в большинстве технических заданий обычно включают электроразведку ВЭЗ и сейсморазведку, использование которых для горно-складчатых районов малоэффективно. Некоторого повышения эффективности работ в этом случае можно добиться, существенно уплотнив сеть измерений и проводя её обработку, как минимум, в двумерной инверсии. Но такой путь приведёт к существенному увеличению стоимости услуг и сроков выполнения работ.

Даже в «тучные» советские времена ставились жесткие сроки выполнения работ и редко когда на геофизику средства не экономились. Вследствие этого, поставленные задачи нередко пытались решить бурением многочисленных поисковых скважин, но для горно-складчатых районов при таком подходе они часто оказываются практически сухими. В итоге это приводило к значительному незапланированному удорожанию работ. Предлагаемая нами технология, при существенном снижении стоимости гидрогеофизических работ, позволяет также исключить бурение малодебитных скважин и поэтому особенно актуальна в сегодняшней непростой экономической ситуации.

С 2003 года авторы провели данным комплексом методов наземные исследования в Италии (провинция Тоскана), в Таджикистане, Болгарии, в Ленинградской области под Выборгом на Балтийском гранитном щите, а также на нескольких десятках крупных объектов в Уральском ФО. В результате проведенных исследований были успешно решены основные поставленные задачи с минимально возможными издержками для Заказчика.

Ниже приведена методика и результаты работ по некоторым из этих объектов.

Анализ геологической модели залегания трещинно-жильных вод

В платформенных районах водоносные горизонты зачастую хорошо выдержаны по площади. И если при бурении скважины на известный горизонт на ожидаемой глубине достаточно воды не было обнаружено, существует большая вероятность, что, пробурив чуть глубже, целевой горизонт всё же будет достигнут. Проблема только в том, что в неглубоких, широко распространённых в центральной России так называемых «скважинах на песок», дебиты воды обычно бывают небольшие. А более глубокие скважины на так называемые «известняки», дебиты в которых бывают гораздо выше, приходится порой бурить до 350 м. При этом есть вероятность, что и в толщах известняка будут встречены лишь слаботрещиноватые зоны, а дебит пробуренной скважины будет незначительным.

В горно-складчатых районах, кроме обычно слабо обводнённой коры выветривания в кровле скальных пород, водоносных горизонтов практически нет. Водообильные зоны здесь локализованы вблизи разломов в субвертикальных трещиноватых зонах (рис.1). Поэтому для традиционных методов геофизики точный выбор мест под поисковые скважины — задача очень непростая.

Методика работ

При решении гидрогеологических задач самым распространенным методом геофизики является вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ). Но многие специалисты указывают на недостатки ВЭЗ при работе в сложных геологических условиях, например, в горно-складчатых районах. Поэтому для поиска подземных вод в массивах скальных пород некоторые предпочитают использовать электроразведку методом переходных процессов (МПП), которая обеспечивает более высокую производительность и экономичность работ, а также возможность достижения большей точности и глубины исследований (Андреев Н.М., 2005).

Рисунок 1 Характер распределения подземных вод в горно-складчатых районах.

При традиционном подходе для обнаружения разрывных дислокаций, как правило, сначала проводится магниторазведка, электроразведка и сейсморазведка (Колодий А.А и др., 2012). Разработан «прямой» метод — ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), который позволяет определять даже содержание воды в недрах. Тем не менее, даже такой дорогостоящий метод, применявшийся на Балтийском щите, слабо способствовал решению поставленной задачи, и ряд поисковых скважин там оказались практически сухими. Причина этого в том, что, по аналогии с МПП, в ЯМР получают интегральную характеристику всего объема пород под генераторной петлёй. В случае если до применения ЯМР работы по выделению трещиноватых зон в скальных горных породах были сделаны некачественно, то с большой долей вероятности водозаборная скважина будет малодебитной.

Рисунок 2 Выделение разрывных дислокаций по данным радоновой съёмки.

В предлагаемой нами технологии последовательность геофизических работ следующая:

На 1-ом этапе на всей поисковой площади проводится экспрессная радоновая съемка с целью выявления дизъюнктивных дислокаций и выделения, связанных с ними, перспективных участков, для постановки детализационных работ (Семинский К.Ж. и др., 2009). В результате получаем карту изолиний (рис.2) или карту графиков распределения плотности потоков радона (ППР) из грунта. Несмотря на то, что ширина разломов зачастую бывает небольшая (до 1 — 3 м), шаг измерения ППР из грунта вдоль профилей обычно равен 20 м. Связано это с тем, что наиболее перспективными являются узлы тектонических нарушений с целой серией трещин. Кроме того, потоки радона формируют ореолы в толщах рыхлых отложений, перекрывающих разломы в скальном основании, что приводит к значительно большей ширине фиксируемых над ними на поверхности земли аномалий ППР.

На 2-ом этапе методом резонансного акустического профилирования (РАП) (И.В.Зуйков и др., 2015) выполняются детальные исследования выделенных перспективных участков с целью локализации трещиноватых зон, как наиболее вероятных коллекторов для подземных вод. В результате работ получаем серию геомеханических разрезов (рис.3) с элементами геолого-геофизической интерпретации.

Рисунок 3 Зоны повышенной трещиноватости и вероятного обводнения пород по данным РАП

На 3-ем этапе с помощью МПП осуществляется разбраковка выявленных трещиноватых зон путём качественной оценки их водообильности. Построенные при этом геоэлектрические разрезы позволяют корректировать на разрезах РАП глубину трещиноватых зон.

Как показывает практика, вероятность ошибочного прогноза при применении данного комплекса методов не превышает 7%.

Результаты применения данной технологии на ряде объектов

В ряде посёлков Пластовского района Челябинской области имелись большие проблемы с водоснабжением. Связано это со скальным основанием территории, расположенным близко к поверхности. После нескольких успешных демонстраций наших возможностей, администрация района регулярно приглашает нас на проведение геофизических работ для выбора точки под бурение скважины в очередном посёлке. По результатам наших работ были уже успешно заложены скважины в таких поселках как Радиомайка, Нижний Кумляк, Степное, Верхняя Кабанка, Борисовка.

В 2008 году, пробуренная по результатам наших поисковых работ на гранитном массиве скважина в п. Радиомайка глубиной 40 м, как было и предусмотрено, попала в разлом, залеченный карбонатными отложениями. Дебит скважины составил 400 м3/сутки, хотя ранее в округе было пробурено немало сухих. Позже выяснилось, что вода из этой скважины имеет неприятный «болотный» запах, а на её поверхности в вёдрах появляется пленка. Весной 2016 г нас снова пригласили в п. Радиомайка для поиска места для новой скважины, теперь в другом конце посёлка. За прошедшие годы нами был проведён большой объём исследований возможностей наших оригинальных технологий для решения различного рода задач, в том числе выявления и картирования очагов внедрения глубинных углеводородных флюидов. Использование данных технологий позволило выяснить, что на расстоянии около 150 м от старой скважины находится именно такой очаг, из которого, вероятнее всего, сероводородный газ с неприятным запахом и углеводороды попадали через разлом в воду этой скважины. Поэтому поисковый участок для новой скважины был выбран по возможности дальше от этого места.

Недавно, применяя данную технологию на очень сложном в гидрогеологическом плане объекте в Выборгском районе Ленинградской области, мы добились неплохого результата. Ранее здесь в течение 4 лет проводились поисковые работы широким спектром методов геофизики: электроразведка (ЕП, ЭП, БИЭП, ВЭЗ, КВЭЗ), магниторазведка, сейсморазведка (МПВ, МОГТ) и ЯМР. Было пробурено более 20 скважин, треть из которых оказались безводными, остальные малодебитные. В конечном итоге, традиционные геофизические подходы позволили обеспечить объект водой в объеме лишь 50 м3/сутки. Для сравнения, наши специалисты провели все работы (от полевых до камеральных) на площади 9 км2 в течение 3-х месяцев. После проведения опытно-фильтрационных работ, на первой пробуренной скважине стало ясно, что необходимый запас водных ресурсов в объеме 100 м3/сутки нами был найден, а максимальный дебит специалисты оценивают в 250 м3/сутки.

Выводы

Результаты применения предлагаемого нами комплекса геофизических методов убедительно свидетельствуют о целесообразности широкого внедрения его в практику поисковых работ на подземные воды в самых сложных геологических условиях.

Есть основания предполагать, что данную технологию можно было бы успешно применять и в сложных условиях Восточной Сибири, в том числе в пределах многолетнемерзлых пород, как для поисковых целей на подземные воды, так и выбора оптимальных мест для подземного захоронения промышленных стоков на площадках нефтегазодобычи.

Библиография

Андреев Н.М. [2005] Электроразведка МПП при поисках трещинно-карстовых вод. Тезисы доклада на международной научно-практической конференции Инженерная геофизика — 2005, г. Геленджик, с.97-101.

Зуйков И.В., Varga M., Бединов В.В. [2015] Результаты применения метода Резонансно-Акустического Профилирования (РАП) при поисках коренных месторождений золота (Мали). Инженерная геофизика — 2015, г. Геленджик.

Колодий А.А., Ясницкий А.А., Диброва А.И., Шабарин В.Н. [2012] Оценка эффективности комплекса инженерно-геофизических методов для поисков и трассирования тектонических нарушений. Тезисы доклада на международной научно-практической конференции Инженерная геофизика — 2012, г. Геленджик.

Семинский К.Ж., Бобров А.А. [2009] Радоновая активность разнотипных разломов земной коры. Геология и геофизика, т.50, № 8, с.881-896

In this report, the authors demonstrate examples of the using of unconventional complex of geophysicalmethods for underground water survey in complicated geological settings of rocky regions. As a result ofthese surveys the all objectives of the projects were successfully resolved.This technology consists of the following: 1) At the first stage the express radon survey must be carried onin the entire survey area in order to localize faults and allocate the prospective areas associated with themfor setting detailed works; 2) At the second stage detailed studies of selected prospective areas are carriedout by resonans-acoustic profiling in order to localize fractured zones as the most likely reservoirs forgroundwater; 3) At the third stage the fractured zones undergo grading in accordance with their watery bytransient electromagnetic method.This complex of works with a much higher efficiency is performed in a shorter time than it is accepted inthe geophysical community. As a result of office analysis the best locations for drilling water wells arechosen.The relevance of this technology is especially apparent in the current difficult economic situation inRussia.