6,8. Особливості оцінки експлуатаційних запасів родовищ мінеральних, термальних і промислових вод

У наш час мінеральні, термальні й промислові води широко вико­ристовуються для задоволення потреб соціально-економічного розви­тку суспільства.

До мінеральних вод належать природні води, які можуть справляти на організм людини лікувальну дію, обумовлену підвищеним вмістом окремих терапевтично активних компонентів, їхнім іонно-сольовим чи газовим складом або загальним іонно-сольовим складом води. Вимоги до мінеральних вод для внутрішнього (лікувально-питного) застосуван­ня встановлені ДЕСТ 878-93. Відповідно до цього ДЕСТу залежно від мінералізації, наявності специфічних (біологічно-активних) компонен­тів і використання мінеральні питні води поділяються на: 1) природні столові; 2) лікувально-столові; 3) лікувально-столові змішаного складу.

До природних столових вод належать води з мінералізацією менше 1 г/дм¹. Застосовуються як столовий освіжаючий напій.

До лікувально-столових вод належать води з мінералізацією від 1,0 до 8,0 г/дм² для всіх хімічних груп; від 1,0 до 15,0 г/дм³ для гідрока-рбонатно-хлоридних і хлоридно-гідрокарбонатних натрієвих груп або за меншої мінералізації, коли води містять біологічно активні мікро­елементи і сполуки в кількостях не менших бальнеологічних норм для питних мінеральних вод.

До лікувально-столових вод змішаного складу належать мінеральні води, отримані шляхом змішування в певному співвідношенні приро­дних вод різної мінералізації.

Придатність води для бальнеологічних цілей у кожному випадку встановлюється органами охорони здоров'я.

Термальні (теплоенергетичні) води - підземні води, придатні для використання як джерела тепла та (або) електроенергії. Вони поділя­ються на власне термальні води і парогідротерми (пароводяні суміші, сухий пар). Основним показником для віднесення підземних вод до термальних є їхня температура. Як правило, до термальних вод відносять підземні води з температурою 35 °С і більше. Виділяють низькопо-тенціальні води з температурою 35-70 °С, які використовуються голо­вним чином для технологічних цілей, у рибництві, для закачування в наортоносні пласти; середньопотенціальні з температурою 70-100 °С, які застосовуються для теплопостачання промислових, сільськогоспо­дарських і комунально-побутових об'єктів; високопотенціальні з тем­пературою більше 100 °С, які також широко використовуються для теплопостачання, а за температури 150-160 °С і більше та відповід­них економічних умов - і для вироблення електроенергії.

До промислових вод належать підземні води, які містять окремі ко­рисні хімічні елементи або їхні сполуки в кількостях, за яких їхнє ви­добування і використання є економічно доцільним. До таких корис­них елементів та "їхніх сполук належать бор, бром, йод, літій, германій, цезій, стронцій, рубідій, калійні, натрієві та кальцієві солі тощо. По­ряд з поняттям "промислові води" використовується поняття "гідро-мінеральна сировина", яке поєднує всі природні води, що можуть служити джерелом для видобування корисних компонентів. Промис­лові води - це власне підземні води глибоких водоносних горизонтів, попутні води родовищ наорти і твердих корисних копалин, поховані розсоли сучасних евапоритових басейнів, ропа континентальних озер і відокремлених морських заток, морська вода. Основні перспективи використання гідромінеральної сировини пов'язані з підземними во­дами глибоких водоносних горизонтів. У подальшому викладенні ми будемо користуватися терміном "промислові води".

Для всіх трьох видів вод, що розглядаються, виділяють: а) родовища пластового типу у великих артезіанських басейнах платформних областей; б) родовища пластового типу в артезіанських басейнах міжгірних і передгірних западин; в) родовища тріщинно-жильних водонапірних систем гірсько-складчастих областей. Окрім того, виділяються деякі специфічні типи родовищ. Для промислових вод - це родовища в озер­них зниженнях (родовища в сучасних евапоритових басейнах і родо­вища в донних відкладах озер континентального походження). Для мі­неральних вод - родовища в басейнах ґрунтових вод, а також родови­ща так званого гідроінжекційного типу, які формуються в зонах роз­вантаження напірних мінеральних вод у напірні чи безнапірні горизо­нти, що залягають вище. Специфічними умовами характеризуються і родовища парогідротерм областей сучасного вулканізму.

У цілому умови і джерела формування експлуатаційних запасів ро­довищ мінеральних, термальних і промислових вод багато в чому по­дібні до аналогічних родовищ прісних вод. Так, для родовищ в артезі­анських басейнах платформного типу основним джерелом формуван­ня є пружні запаси, для родовищ артезіанських басейнів міжгірних западин і передгірних прогинів - пружні й динамічні запаси, для ро­довищ тріщинно-жильного типу гірсько-складчастих структур, маси­вів кристалічних і метаморфічних порід, парогідротерм районів су­часного вулканізму, гщроінжекційних родовищ - динамічні запаси. Слід відзначити, що для родовищ мінеральних, термальних і промис­лових вод участь у формуванні експлуатаційних запасів залучених ресурсів (підземних вод інших

горизонтів або там, де це можливо, поверхневих вод) може призвести до такої зміни хімічного, газового складу або температури, за якої ці показники не будуть відповідати кондиційним вимогам. У зв'язку з цим у подібних умовах експлуата­ційні запаси мають обмежуватися такою величиною, відбір якої ви­ключає залучення вод некондиційного складу і температури. У той же час для деяких родовищ термальних вод слід ураховувати можливість підсилення живлення підземних вод у процесі експлуатації. У цих ви­падках передбачається, що холодні води, які надходять від області живлення, у процесі руху до водозабірної споруди набувають темпе­ратуру, яка відповідає встановленим кондиціям.

Оцінка експлуатаційних запасів мінеральних, термальних і проми­слових вод проводиться гідродинамічними (включаючи математичне моделювання), гідравлічними методами, методом гідрогеологічних аналогів або спільним застосуванням цих методів. Усі ці методи та особливості їхнього застосування в конкретних гідрогеологічних умо вах були розглянуті в попередніх розділах. Тут лише зазначимо, що гідродинамічні методи є основними при оцінці експлуатаційних запа­сів родовищ промислових, термальних і мінеральних вод в артезіан­ських басейнах, а гідравлічні - родовищ мінеральних і термальних вод тріщинно-жильних структур у гірсько-складчастих областях, у районах сучасного вулканізму тощо.

Специфічні особливості оцінки експлуатаційних запасів

Оцінка експлуатаційних запасів мінеральних, термальних і про­мислових вод порівняно з прісними водами має деякі специфічні особливості.

1. Як правило, водоносні горизонти, які вміщують промислові й те­рмальні води (в окремих випадках мінеральні), залягають на великих глибинах і характеризуються високими температурами та наявністю розчиненого у воді газу. При їхній експлуатації газовий і температур­ний фактори виступають як додаткове джерело енергії, що сприяє підняттю їх на поверхню. Опір, який виникає у водопідйомних трубах при русі води від вибою до устя свердловини, має протилежний вплив, у результаті чого відбувається втрата гідродинамічного напору.

Вплив газового фактора. Під газовим фактором треба ро­зуміти відношення витрати газу при атмосферному тиску до відпові­дної витрати води. У більшості випадків мінеральні, термальні й проми­слові підземні води містять той або інший газ у розчиненому стані.

При підйомі води по трубах до поверхні землі на певній глибині, яка відповідає тиску насичення, газ переходить з розчину у вільний стан. У результаті цього у верхній частині свердловин утворюється полегшена газоводяна суміш з меншою густиною, ніж густина нега-зованої води. Завдяки цьому рівень води у свердловинах самочинно підвищується. Це підвищення буває настільки значним, що іноді із свердловини має місце самовилив (явище газліфту). У такому випадку зниження рівня, заміряне на усті свердловини, буде меншим від зниження, заміряного в пластових умовах. Цю різницю в зниженнях Д5_Г наближено можна визначити за формулою Є. Керкіса

де v - газовий фактор або об'ємне відношення газ/вода до початку виділення газу (об'єм газу приведений до умов атмосферного тиску за температури 0 °С); Р₀ - атмосферний тиск; Р_Г - тиск насиченого газу; Р1 - тиск на усті свердловини; ץв - густина води; τ - температурний коефіцієнт, який розраховується за формулою:

273 '

де 1° - температура газоводяної суміші у верхній частині свердловини.

Вплив температурного фактора. У багатьох глибоких водонос­них горизонтах температура води в пластових умовах досягає 100 °С і більше. Однак у непрацюючих свердловинах, які розкривають такий водоносний горизонт, вода охолоджується до температури, що відпові­дає термічним умовам місцевості. При пуску свердловини температура в ній підвищується, що, у свою чергу, викличе зменшення густини во­ди. За рахунок цього зросте стовп води у свердловині порівняно з тим, коли свердловина не працювала. У результаті свердловина після вклю­чення в роботу починає іноді фонтанувати (явище термоліфту). Унаслі­док впливу цього явища зниження рівня води у свердловині, виміряне на усті, буде меншим, ніж зниження в умовах пластового тиску. Тому для визначення дійсного зниження в пласті, що експлуатується, до ви­міряного зниження на усті свердловини слід додати поправку ∆St⁰ на

вплив температури. З достатньою для практики точністю розмір цієї поправки можна розрахувати за орормулою

Вплив опору при русі води у водопідйомних тру­бах. При русі води від вибою до устя свердловини частина напору втрачається на подолання сил опору, які виникають у результаті тертя, пульсації тощо. Унаслідок цього зниження, виміряне на усті, буде більшим порівняно з вибійним на величину цих втрат ∆S_н. Для визначення поправки ∆S_н на втрати напору у водопідйомних трубах із достатньою точністю можна використовувати універсаль­ну формулу Дарсі

(17.4)

де Н₀ - глибина від устя до середини фільтра, м; О₀ - дебіт свердло­вини, м³/доб; d - діаметр свердловини, м.

Урахування впливу газового та температурного фактора, а також утрат напору у водопідйомних трубах має особливе значення при ви­значенні фільтраційних параметрів пластів. Зниження вибійного тиску S_ви6, яке береться для розрахунків, матиме таку узагальнену структуру

(17.5)

де S_уст -зниження, заміряне на усті свердловини.

Оцінюючи експлуатаційні запаси мінеральних, термальних і про­мислових вод, поправки ∆S_r,∆S_t0∆S_н необхідно враховувати при

визначенні максимально допустимого зниження рівня. Без урахуван­ня зазначених факторів величина допустимого зниження, звичайно, береться, виходячи з технічних можливостей насосного обладнання. Однак у зв'язку з тим, що при відборі води під впливом розчиненого в ній газу і збільшення температури відбувається самочинне підвищен­ня динамічного рівня води у свердловинах, а в результаті втрати на­пору в трубах - його зниження, то розрахункове значення максима­льно допустимого зниження становитиме:

(17-6)

де Hд - допустима глибина зниження динамічного рівня від устя све­рдловини; Рнд - надлишковий тиск; γ(t) - густина води в процесі екс-плуатацц. ^

При розрахунках водозабору в режимі самовпливу Н_Д = 0.

2. Важливою особливістю оцінки експлуатаційних запасів мінера­льних, термальних і промислових вод є необхідність обґрунтування сталості (або допустимих змін) якості води в процесі експлуатації.

Для родовищ пластового типу, приурочених до артезіанських ба­сейнів, такий прогноз можна виконати гідродинамічним методом за залежностями, наведеними в розд. 10. При цьому слід зазначити, що в подібних умовах істотні зміни якості води в тому числі й температу­ри, при русі вод некондиційного складу до водозабірної споруди може відбуватися через досить тривалий час навіть при близькому розта­шуванні водозабірної споруди від зони некондиційних вод.

Незрівнянно більше значення має доведення сталості складу і те­мператури підземних вод при оцінці експлуатаційних запасів міне­ральних і термальних вод тріщинно-жильних структур. У цих умовах поставлене завдання вирішується шляхом проведення тривалих до­слідно-експлуатаційних відкачувань (випусків), у процесі яких ве­дуться спостереження за іонно-сольовим, газовим складом і темпе­ратурою води. Оскільки для таких родовищ у багатьох випадках має місце залежність режиму підземних вод від гідрометеорологічних факторів, дослідно-експлуатаційні відкачування (випуски) мають проводитися в терміни, що охоплюють періоди найбільшої й най­меншої інтенсивності живлення водоносного горизонту і взагалі ста­новити не менше одного року. Тривалі дослідно-експлуатаційні від­качування (випуски) на родовищах мінеральних і термальних вод утріщинно-жильних структурах проводяться не лише для оцінки ста­лості якості води, але й для визначення власне величини експлуата­ційних запасів гідравлічними методами. Ці родовища, як правило, характеризуються дуже складними гідрогеологічними умовами, де гідродинамічні методи неприйнятні.

При оцінці експлуатаційних запасів термальних вод глибоких водо­носних горизонтів у деяких випадках необхідно проводити прогноз зменшення температури води при її русі від вибою до устя свердлови­ни. У цьому випадку втрати тепла визначаються різними факторами: коефіцієнтом тепловіддачі, теплоємністю і густиною термальних вод, діаметром і глибиною свердловини, її дебітом. При невеликому дебіті свердловин зміна температури води може бути досить істотною.

Для прогнозу температури на усті свердловини можливе викорис­тання такої залежності:

Т_у= Т0+(Тпл – Т0)е

де Т_у - температура води на усті свердловини, °С; Т₀ - температура порід на глибині "нейтрального шару", °С; Тпл - температура води в пласті термальних вод, °С; (2 - діаметр свердловини, м; п_с - глибина свердловини, м; е_т - комплексний параметр, який залежить від коефі­цієнта тепловіддачі, теплоємності та густини термальних вод, м/доб. Параметр є_т визначається за результатами дослідних робіт шляхом

розв'язання рівняння (17.7) відносно цього параметра.

3. Родовища промислових і термальних вод звичайно приурочені до тих водоносних горизонтів, що залягають глибоко (до 2-3 км і бі­льше), які вмішують високомінералізовані води або розсоли. У зв'язку з цим при експлуатації таких родовищ необхідно вживати ефектив­них заходів щодо утилізації використаних вод. Окрім того, експлуа­тація проводиться при великих зниженнях рівня, які можуть досяга­ти декількох сотень метрів.

Усе це зумовлює необхідність при оцінці експлуатаційних запасів те­рмальних і промислових вод проведення техніко-економічного обґрун­тування рентабельності експлуатації. Таке обґрунтування здійснюється шляхом розробки і затвердження кондицій для підрахунку запасів.

Кондиції являють собою сукупність економічно обґрунтованих ви­мог до якості й кількості води, технічних умов експлуатації родовища при раціональному використанні надр і дотриманні правил охорони навколишнього середовища. При розробці кондицій мають врахову­ватися вимоги Інструкції про зміст і порядок подання на затвер­дження в ДКЗ техніко-економічних обґрунтувань кондицій для підра­хунку запасів корисних копалин.У складі кондицій для підрахунку запасів термальних і промислових вод обґрунтовуються такі показники: середні й мінімальні температури термальної води (пароводяної суміші) або середній і мінімальний вміст основних і супутніх корисних компонентів, допустимий вміст шкідли­вих домішок, глибина і конструкція свердловин, максимально допус­тимі зниження рівнів у них, середні розрахункові й мінімально допус­тимі дебіти свердловин, способи і засоби водопідйому, система транс­портування води до водоспоживача, узгоджений із замовником розра­хунковий термін експлуатації водозабірної споруди і режим відбору води в межах цього терміну, способи відведення використаних вод.

4. Під час оцінки експлуатаційних запасів промислових і термаль­них вод, окрім самого підрахунку запасів води, необхідно визнача­ти: а) для промислових вод - їхню загальну кількість (у кубічних мет­рах) і кількість наявних у них корисних компонентів (у тоннах), яка буде отримана на родовищі за розрахунковий термін експлуатації; б) для термальних вод - теплоенергетичну потужність родовища (в Гкал/рік, МВт, тоннах умовного палива - залежно від цільового використання води).