Экологические аспекты освоения месторождений горючих сланцев

Дата публикации: 
22.07.2014

горючие сланцы

 В связи с истощением запасов активно разрабатываемых в настоящее время традиционных месторождений нефти необходимо все большее внимание уделять развитию методов получения ее из твердых полезных ископаемых, в первую очередь путем освоения месторождений горючих сланцев. Это обусловлено тем, что их запасы составляют около 6,5 • 1013 т. Запасы нефти в горючих сланцах достигают 630 млрд. т, а это значительно превышает мировые ресурсы жидких углеводородов — 280 млрд. т.

Для эффективной и безопасной добычи полезного компонента (нефти) из пластов горючих сланцев необходимо исследовать воздействия природных и горнотехнических факторов на развитие деформационных процессов во вмещающем горном массиве, что позволит прогнозировать параметры его сдвижения.

Кроме этого, применяющиеся в настоящее время на практике технологии освоения месторождений горючего сланца (открытая и подземная разработка) являются существенным загрязнителем окружающей среды газами, пылью, сточными водами, токсичной горной массой. К тому же они не относятся к особо ресурсосберегающим.

Все эти факторы предопределяют необходимость и возможность разработки новых ресурсосберегающих методов освоения месторождений горючих сланцев, обеспечивающих защиту верхней части геологической среды (до глубины 300 м) от последствий техногенной нагрузки, основной идеологией которых служит перевод органической составляющей горючих сланцев по месту их залегания в литосфере в жидкую фазу (прежде всего за счет их термообработки), целенаправленное и контролируемое перемещение сланцевой нефти (на основе воздействия знакопеременного напряжения) по продуктивному пласту к эксплуатационной скважине (пробурена с дневной поверхности), т.е. полный уход от традиционных систем разработок, используемых в шахтах или карьерах, от извлечения сланцевой руды на дневную поверхность (отсутствуют отвалы и обрушения, опускания земной поверхности), ее обогащения (отсутствует отсев) и прямого сжигания сланцевого концентрата на ТЭС (отсутствуют золоотвалы).

Вместо того, чтобы добывать горючий сланец и затем его перерабатывать в заводских условиях более целесообразно обеспечить конверсию керогена (твердого органического вещества, содержащегося в минеральной матрице) в высококачественный промышленный продукт — жидкие углеводороды на месте залегания пласта.

Горные выработки, если они имеют незначительную ширину и пройдены в весьма крепких и устойчивых горных породах, могут сохраняться многие десятки и даже сотни лет.

Так, древнейшие копи относятся к мустьерской эпохе (100-35 тыс. лет назад). В частности, в 1974г. была установлена самая древняя сохранившаяся кремневая шахта, найденная близ Томашува (Польша), на северо-восточном склоне Свентокшиских гор. Ее возраст составляет около 18 тыс. лет. А в 1977 г., севернее оз. Балатон, была обнаружена шахта возрастом 40 тыс. лет. Такого же возраста и шахты в Свазиленде (Южная Африка). Сотни других сохранившихся горных выработок имеют возраст от 3 тыс. лет и менее. Наиболее известны римские, парижские, московские, одесские и крымские катакомбы.

Но не все горные массивы устойчивы длительное время: общеизвестно такое явление, как оседание дневной поверхности (а для морских нефтегазоразработок — морского дна), вследствие добычи нефти и газа. Также довольно неустойчивы горные породы, вмещающие пласты горючих сланцев.

Визуальные наблюдения за вмещающими массивами по стенам горных выработок выявляют следы взаимного перемещения слагающих их отдельных блоков между собой, а также следы скольжения, что позволяет отнести налегающую над месторождениями полезных ископаемых геологическую толщу к довольно подвижным структурам (независимо от способа их отработки).

В общем случае, разработка пластов горючего сланца приводит к изменению напряженного состояния налегающей геологической толщи и их существенному сдвижению, проявляющемуся в образовании обширных зон деформаций во вмещающем горном массиве и на дневной поверхности.

Поэтому оставшиеся после ликвидации сланцевых шахт пустоты (не заложенные горные выработки) — потенциальные источники сдвижений подработанной дневной поверхности многие десятки и даже сотни лет.

В зависимости от сочетания влияющих факторов процесс сдвижения горных пород может локализоваться в прилегающем горном массиве или достигать дневной поверхности и проявляться в форме воронок, провалов, террас, уступов, трещин, плав-

ных сдвижений (мульды оседаний и сдвижений) и их различных сочетаний.

В частности, при глубине горных работ 50-150 м применение различных технологий подземной выемки неизбежно приводит к деформации подрабатываемого массива горных пород, включая дневную поверхность, ее обрушение в выработанное пространство шахты.

Системы разработки, реализуемые в настоящее время на Ленинградском месторождении горючих сланцев, характеризуются завышенными размерами охранных целиков, что приводит к потере полезного ископаемого из недр. К недостаткам систем разработки месторождений сланца также относятся существенные объемы горных пород, извлекаемых при подземных работах и являющихся впоследствии загрязнителями окружающей среды (почв, вод и атмосферы) при долговременном хранении в отвалах.

Так, в случае ликвидации шахт возникнет необходимость в постоянных бюджетных затратах на их поддержание в сухом состоянии из-за опасности геоэкологического загрязнения фенолами грунтовых вод и прилегающего водного бассейна в районе северозападной государственной границы России (Нарвское водохранилище, Финский залив). Объем водоотлива на этих шахтах достигает 50 млн. м3 в год, высота подъема составляет более 100 м, при этом 80 % воды требует обязательной очистки.

По окончании горных работ и последующего дробления на обогатительных фабриках горной массы (до 300 мм) в ней неизбежно остаются нераскрытыми сростки, которые после обогащения попадают в породные отвалы, и с ними теряется до 7 % извлеченного из недр сланца.

Хранение на дневной поверхности минеральных отходов обогащения, содержащих определенное количество горючего сланца, также оказывает негативное влияние на окружающую среду. Кроме того, при длительном хранении сланца на отвалах последние зачастую самовозгораются и атмосфера значительно загрязняется образующимися токсичными газами (С02, СО, 502, Н25 и др.).

При последующем сжигании горючих сланцев на ТЭЦ (для нужд энергетики) образуется большое количество токсичных отходов, поступающих в золоотвал, объем которых напрямую связан с качеством сжигаемого сланца определенной линейной зависимостью.

Таким образом, при разработке месторождений горючего сланца подземным способом наблюдается ряд геоэкологических проблем.

Поэтому для существенного повышения темпов добычи углеводородного сырья и обеспечения полноты выработки запасов горючего сланца используют разнообразные способы теплового (термического) воздействия на продуктивный пласт.

Сланцевая нефть в минеральной матрице горючих сланцев находится в химически связанном состоянии и для ее перевода в текучее состояние требуется значительная энергия, что может дать термообработка (подвижной очаг горения). Так, энергия диссоциации связи С-Н (в зависимости от молекулярной массы и структуры молекулы) изменяется от 320 до 435 кДж/моль, а энергия диссоциации связи С-С — от 250 до 348 кДж/моль. При термической обработке горючего сланца происходят сложные превращения, характер которых зависит как от химического строения веществ, составляющих органическую массу, так и от условий их нагревания.

8 результате протекающих при этом термохимических превращений керогена образуются в неодинаковом количестве и разного состава жидкие, газо- и парообразные, а также твердые продукты горения.

В частности, при нагреве сланцев до 450 °С органический материал разлагается следующим образом: 66 % его превращается в нефтепродукты,

9 % — в газ и 25 % — в кокс. Получаемая сланцевая нефть мигрирует под контролем к откачной скважине через систему специально образуемых трещин.

Причем разрушение горных пород массива под влиянием внешнего воздействия начинается с дефекта (зародыша трещины), который первоначально проявляется в виде микротрещин.

Важным представляется определение соотношения потенциальной эффективности термической и динамической составляющих в обеспечении целенаправленной миграции синтезируемой (выжимаемой из сланца) нефти.

Если термическая составляющая способствует некоторому увеличению исходного объема сланцевой нефти, что приводит к ее миграции (вытеснению) и одновременно к тепловой миграции, то горное давление (динамическая составляющая) обеспечивает механическое выдавливание сланцевой нефти.

Знакопеременный метод воздействия на пласт горючего сланца характеризуется следующими особенностями:

создаются значительно более высокие сжимающие и растягивающие градиенты давления в масштабе, соизмеримом с размерами пор;

появляется возможность локального и направленного воздействия на определенные зоны продуктивного пласта (как по радиусу, так и по мощности); происходит совместное воздействие на продуктивный пласт теплом и высокими знакопеременными градиентами давления.

В результате такого знакопеременного физического воздействия увеличивается выход сланцевой нефти из продуктивного пласта, и одновременно снижается геоэкологическое воздействие на окружающую среду при снижении энергетических затрат.

добыча горючих сланцев