Тема: ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТУТУЯССКОЙ МУЛЬДЫ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА В СВЯЗИ С ПЕРСПЕКТИВОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Научно-технический прогресс сопровождается неуклонным ростом энергопотребления, при этом существенную долю источников энергии составляют ископаемые виды топлива: уголь, нефть, газ. В последнее время всё больше внимания уделяется нетрадиционным источникам углеводородов, за счёт которых возможно расширение ресурсной базы энергетического сырья. Одним из наиболее перспективных видов ископаемых углеводородов является метан угольных пластов, прогнозные ресурсы которого на территории Российской Федерации сопоставимы с ресурсами традиционных источников природного газа.
Первый в России проект по добыче угольного метана реализуется в Кузнецком угольном бассейне, благодаря его изученности и инфраструктурной доступности. Здесь уже ведётся опытно-промышленная добыча на Талдинской и Нарыкско-Осташкинской площадях, планируется освоение ресурсов угольного метана на площади Тутуясской мульды, геологической структуры в юговосточной части бассейна (рис.1). Тутуясская мульда характеризуется уникальными гидрогеологическими условиями, благодаря которым в районе формируются крупные запасы пресных подземных вод высокого качества. На площади структуры разведаны месторождения подземных вод регионального значения. В связи с перспективой добыча метана из угольных пластов возникает проблема сохранения запасов и качества пресных подземных вод.
Актуальность диссертационного исследования обусловлена тем, что промышленная добыча метана из угольных пластов оказывает существенное воздействие на поле напоров подземных вод в регионе газодобычи, при этом закономерности развития нарушенного режима фильтрации и влияние промысла на пресные подземные воды Тутуясской мульды не определены. Вместе с тем, региональная изменчивость условий движения подземных вод ограничивает применимость принципа аналогий при оценке гидрогеодинамических условий реализации угольнометанового промысла в различных районах.
Существенный вклад в изучение подземных вод Кузнецкого бассейна внесли П.И. Бутов, М.А. Кучин, Г.М. Рогов, Г.А. Плевако, Ю.Н. Акуленко, В.Д. Покровский, В.К. Попов, Ю.В. Макушин, Н.М. Рассказов, С.Л. Шварцев. В последние годы изучением гидрогеологических условий бассейна занимались О.Е. Лепокурова, Е.В. Домрочева, В.П. Дегтярёв и другие учёные.
В работах исследователей Кузбасса рассмотрены закономерности формирования фильтрационных потоков и состава подземных вод региона. Отдельные труды посвящены исследованию вопросов отработки месторождений угля в сложных гидрогеологических условиях, а также проблемам использования подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения и оценке защищённости подземных вод от загрязнения и истощения.
Объектом исследования является природно-техническая
гидрогеологическая система, охватывающая площадь Тутуясской мульды и её палеозойское обрамление. Предмет исследования - формирование водопритока к угольнометановым и водозаборным скважинам, влияние эксплуатационного водоотбора на поле напоров подземных вод.


Цель исследования - установить формы и масштабы влияния добычи метана из угольных пластов на подземные воды Тутуясской мульды, в частности на месторождения подземных вод.
В соответствии с поставленной целью, решались следующие задачи:
1. Изучить данные об условиях, определяющих характер водообмена в недрах района от дневной поверхности до подошвы угленосной толщи.
2. Проанализировать закономерности распределения проницаемости пород, выполнить геофильтрационную схематизацию объекта исследований.
3. Построить модели нарушенного режима фильтрации и выявить закономерности формирования водопритока к угольнометановым скважинам.
4. Определить потенциал влияния угольнометанового промысла на подземную гидросферу региона, в частности на месторождения подземных вод.
Научная новизна работы:
1. Впервые осуществлена прогнозная оценка формирования нарушенного режима фильтрации при эксплуатации угольнометановых скважин в районе Тутуясской мульды. Определены закономерности влияния добычи угольного метана на подземную гидросферу района.
2. Разработана геофильтрационная схема, учитывающая
гидрогеодинамические условия южной провинции Кузнецкого бассейна. Схематизация охватывает все актуальные элементы гидрогеодинамической структуры от глубокозалегающих угленосных толщ до водных объектов на земной поверхности.
3. Построены гидрогеологические модели работы угольнометановых скважин и водозабора Тутуясского месторождения подземных вод. Выявлен характер влияния эксплуатации скважин на напорное гидродинамическое поле.
4. Определены принципы неконфликтного недропользования для обеспечения сохранности запасов пресных подземных вод в процессе добычи метана из угольных пластов.
Теоретическая значимость. Построены численные модели нарушенного режима фильтрации при эксплуатации угольнометановых скважин, демонстрирующие гидравлическую обособленность коллекторов подземных вод зон замедленного и активного водообмена. Показано определяющее влияние закономерной фильтрационной неоднородности угленосных отложений Кузбасса на структуру фильтрационных потоков в зоне замедленного водообмена.
Практическая значимость. Выводы настоящей работы актуальны для обоснования видов и объёмов гидрогеологических исследований на Тутуясской площади в связи с планируемой добычей метана из угольных пластов.
Разработанную геофильтрационную схему правомерно использовать для структуризации и параметрического наполнения гидрогеологических моделей при решении разнообразных геогидродинамических задач в пределах южного Кузбасса. Материалы диссертационного исследования применялись при составлении производственных отчётов ТФ ИНГГ СО РАН с 2014 по 2016 год.
Защищаемые положения:
1. Гидродинамическая зональность Тутуясской мульды характеризуется вертикальной и плановой фильтрационной неоднородностью пород. В контексте решаемых задач область фильтрации правомерно схематизировать в виде двухслойной толщи, отражающей вертикальную гидродинамическую зональность. При этом структура природно-технической гидрогеологической системы сводится к перечню характерных показателей проницаемости, типовых начальных и граничных условий.
2. Гидрогеологические условия района определяют формирование водопритока к угольнометановым скважинам за счёт естественных запасов подземных вод зоны замедленного водообмена в интервале глубин 500-2000 м. Фильтрационная неоднородность угленосных отложений в зоне замедленного водообмена определяет интенсивное затухание гидродинамических возмущений в разрезе, тем самым способствует локализации влияния угольнометановых скважин.
3. Ресурсы Тутуясского месторождения пресных подземных вод формируются на всей площади водосборного бассейна реки Тутуяс, следовательно, в процессе развертывания и эксплуатации угольнометанового промысла на данной площади, необходимо принимать меры по защите природных вод от загрязнения.
Фактический материал и методика исследования.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена полнотой рассмотрения данных предшествующих исследований подземных вод Кузбасса, а также применением апробированного научно-методического аппарата. В работе использовались опубликованные данные научных исследований, фондовые материалы, карты и цифровые модели рельефа из официальных источников.
На первом этапе работы проводился сбор и обобщение данных о природных условиях региона и анализ технологических особенностей скважинной добычи метана из угольных пластов. Для определения пространственного положения элементов гидрогеодинамической структуры применялся морфоструктурногидрогеологический анализ региональной модели рельефа. В результате разработана геофильтрационная схема объекта исследований.
Второй этап включил в себя постановку модельных экспериментов, в ходе которых решались прогнозные задачи о гидродинамических условиях работы угольнометановых скважин и водозаборов подземных вод. Гидрогеологическое моделирование осуществлялось с помощью вычислительного модуля MODFLOW, реализующего конечно-разностную аппроксимацию уравнения фильтрации.
На заключительном этапе работы выполнена интерпретация результатов моделирования, анализ гидрогеодинамических условий добычи метана из угольных пластов и оценка потенциала влияния данного промысла на подземную гидросферу района, составление карт и схем, описание результатов, формулирование выводов. Картографические материалы оформлены с помощью геоинформационной системы ArcGIS.
Личный вклад автора состоит в сборе и обобщении фактического материала, разработке и оптимизации геофильтрационной схемы объекта исследований, в проведении модельных экспериментов и анализе их результатов. В ходе работы над диссертацией автор неоднократно посещал район исследований для сбора данных полевых гидрогеологических опробований, а также участвовал в выполнении хоздоговорных работ, непосредственно связанных с темой диссертационного исследования.
Апробация. Результаты исследований докладывались на тематических научных конференциях в период с 2014 по 2018 годы в Томске, Новосибирске и Санкт-Петербурге. В составе коллектива авторов были подготовлены доклады на Коровинских чтениях в ТПУ в 2014 году и на Роговских чтениях в ТГАСУ в 2015 году. Индивидуальные доклады диссертанта состоялись на международных симпозиумах имени М.А. Усова в ТПУ с 2014 по 2018 годы, Трофимуковских чтениях в НГУ и всероссийской конференции по проблемам гидрогеологии Евразии в ТПУ в 2015 году, а также на международной конференции «Экологические проблемы недропользования» в СПбГУ в 2016 году.
Благодарности. В ходе выполнения диссертационного исследования автор активно консультировался с С.Л. Шварцевым, В.К. Поповым, Е.М. Дутовой, О.Г. Савичевым, Е.В. Домрочевой, О.Е. Лепокуровой, которым выражает благодарность. Автор признателен коллективу кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ за глубокий интерес к исследованию, коллективу отделения геологии ТПУ за постоянную поддержку. Автор особо благодарен научному руководителю К.И. Кузеванову за ценные наставления и содействие в процессе выполнения исследований.
Купить

Гидрогеодинамические условия Тутуясской мульды определяются геологогидрогеологическими особенностями юго-восточной провинции Кузнецкого угольного бассейна, которые в свою очередь сформировались в результате длительного накопления и преобразования осадочной толщи угленосных отложений в ходе геологической истории Алтае-Саянской складчатой области.
Несмотря на слоистое строение, характерное для артезианских структур, проницаемость разреза коренных отложений района обусловлена степенью трещиноватости пород и раскрытием трещин. По характеру движения подземные воды коренных отложений являются трещинными и трещинно-пластовыми, в зонах тектонических нарушений - трещинно-жильными. Основным элементом гидрогеологической стратификации являются водоносные комплексы, которые, тем не менее, гидравлически не разобщены, что существенно затрудняет геофильтрационную схематизацию для целей гидрогеодинамическиго моделирования.
В результате численных экспериментов по имитации воздействий угольнометановых скважин на поле напоров подземных вод в условиях Тутуясской мульды, выявлен радиально-трёхмерный характер фильтрационного потока к скважинам. Данный характер фильтрации исключает возможность вычислительной схематизации по структуре потока, что ограничивает применимость аналитических расчётов при оценке гидрогеодинамических параметров эксплуатации угольнометановых скважин.
Форма нарушенного режима фильтрации на моделях свидетельствует о низкой вероятности гидродинамического взаимодействия угольнометановых и водозаборных скважин ввиду характерной фильтрационной неоднородности угленосной толщи.
На основании результатов проведённого исследования сформулированы следующие выводы о форме и масштабах влияния планируемой добычи метана из угольных пластов на подземные воды Тутуясской мульды:
1. В процессе эксплуатационного водоотбора сформируются концентрические зоны пониженного давления в радиусе до 500 м вокруг угольнометановых скважин. Возмущение будет распространяться по площади угольных пластов и интенсивно затухать в разрезе смежных пород. Идентичный характер развития репрессии правомерно ожидать при обратном закачивании попутных вод.
2. Нарушенный режим фильтрации при эксплуатации угольнометановых скважин будет развиваться в пределах толщи угленосных пород. Закачивание попутных вод в смежные коллекторы будет способствовать локализации возмущения в зоне замедленного водообмена.
3. Условия формирования подземных вод Тутуясского месторождения требуют соблюдения природоохранных мер на всей площади бассейна реки Тутуяс, следовательно, захоронение минерализованных попутных вод в зоне замедленного водообмена будет оптимальным способом их утилизации.
В результате проделанной работы определён вероятный характер влияния углеметанового промысла на подземные воды Тутуясского района. Подтверждение либо опровержение полученного прогноза является одной из задач изысканий для обоснования технологической схемы добычи угольного метана. При этом необходимо проведение дополнительных геофильтрационных работ для уточнения вертикальной составляющей водообмена в толще угленосных пород.
В целом, гидрогеодинамические условия добычи метана из угольных пластов на площади Тутуясской мульды Кузбасса оцениваются как очень сложные, что обусловлено природными особенностями объекта и размещением инфраструктуры промысла на площади формирования ресурсов подземных вод существующих месторождений. Минимизация нежелательного влияния добычи метана на Тутуясское месторождение подземных вод возможна в результате разработки рациональной схемы дренирования угленосной толщи и утилизации попутных вод, при оптимизации режима эксплуатации на основе численного гидродинамического моделирования.

Купить