Результат интеллектуальной деятельности: Способ поиска и разведки подземных вод в криолитозоне

Изобретение относится к геологическим методам поиска и разведки месторождений подземных вод в криолитозоне и может быть использовано в районах Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири, Северо-Востока, а также для поисков и разведки месторождений подземных вод до глубины 60-80 м, в песчано-глинистых и коренных породах на всей территории РФ.

Известен способ поисков и разведки подземных вод в районе развития многолетнемерзлых пород, включающий выявление типа и особенностей гидрогеологической структуры, изучение литологического состава водовмещающих толщ, возраста, степени дислоцированности, метаморфизма пород, анализ соотношения различных водоносных комплексов в разрезе и по площади, изучение и анализ мощности, прерывистости мерзлоты, истории ее развития, выявление взаимосвязи подмерзлотных, межмерзлотнных и надмерзлотных вод с поверхностными наледями и выходами ключей, образующих наледи (Толстихин О.Н. «Наледи и подземные воды северо-востока СССР», Новосибирск, «Наука», 1974 г., с. 34-35, 146-148).

Недостатком известного способа при использовании в практике изысканий является сложность реализации и его высокая трудоемкость, которые связаны с выполнением значительных объемов геолого-геофизических и буровых работ по изучению геологических, структурных, литологических особенностей массивов, выявлением взаимосвязи надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных водоносных горизонтов с водотоками.

Известен способ поиска и разведки месторождения подземных вод в криолитозоне, включающий выделение по результатам дистанционных исследований кольцевых структур и участков выхода в них глубинных тепловых потоков, определение в них по результатам геолого-геофизических исследований участков обводненных зон, выделяют кольцевые структуры, имеющие на границе внутренней и внешней частей погруженные блоки фундамента, перекрытые осадочным чехлом, в пределах этих кольцевых структур определяют участки выхода глубинных тепловых потоков, расположенные на дуговых разломах или системах сопряженных тектонических трещин протяженностью не менее 0,5 км, проводят на выделенных участках магнитную съемку, по расположению участков, характеризующихся переходом положительных значений напряженности магнитного поля через нулевые в отрицательные, оконтуривают обводненную зону и проводят ее разведку буровыми скважинами (Описание изобретения к патенту РФ №2006891, опубликовано 30.01.1994).

Недостатки данного способа заключаются в том, что напряженность магнитного поля, использованная в качестве основного показателя наличия обводненных зон, не отражает в полной мере фактических аномалий, свидетельствующих о размещении полезных ископаемых, что не позволяет с достаточной уверенностью судить о запасах и объемах подземных вод в изучаемых горизонтах. Кроме того, способ сложен и трудоемок в реализации, что связано с необходимостью выполнения значительных объемов изысканий для изучения геологических, структурных, литологических особенностей массивов.

Известен способ поиска и разведки подземных вод, включающий выделение по дисперсии плотности видеотона космо- и аэрофотоснимков кольцевых структур и участков выхода в них глубинных тепловых потоков, определение в них по результатам геофизических исследований участков обводненных зон, оконтуривание их и проведение разведки буровыми скважинами, при этом при проведении геофизических исследований участков обводненной зоны путем совмещения метода вертикального электрического зондирования с методом двух составляющих, расстояние между профилями выбирают не превышающим половину поперечных размеров исследуемых участков, а шаг наблюдений по профилю - одной трети, по результатам которых определяют площади распространения подземных вод и их минерализацию, аномалии электрического поля дифференцируют высшими производными, по поперечной составляющей дифференциальной проводимости судят о насыщенности водой изучаемых зон, а по продольной составляющей дифференциальной проводимости - о наличии водных подземных потоков и условиях их подпитки смежными водоносными горизонтами (Описание изобретения к патенту РФ RU 2178191, опубликовано 10.01.2002).

Основной недостаток этих способов заключается в требовании значительных объемов наземных геофизических, буровых и других дорогостоящих работ на значительных площадях, т.е. больших трудовых и материальных затрат и длительного времени работ.

В настоящее время водоснабжение производственных и жилых объектов Западной Сибири, расположенных за Полярным кругом, осуществляется с поверхностных источников (Обская губа, и т.д.) путем транспортировки воды на большие расстояния. С началом освоения в 80-е годы Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения остро встал вопрос о поисках месторождений пресных подземных вод в межмерзлотных таликах, приуроченных к ложам незамерзающих крупных рек или озер, для водоснабжения строящихся объектов инфраструктуры газовых промыслов.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности поиска и разведки месторождений подземных вод в криолитозоне при одновременном снижении времени работ, трудоемкости и стоимости работ.

Технический результат заключается в увеличении точности обнаружения месторождений пресных и минеральных вод в районах сплошного распространения многолетнемерзлых породах (ММП) при значительном сокращении времени работ.

Поставленная задача достигается тем, что способ поиска и разведки подземных вод в криолитозоне включает определение по результатам геофизических исследований участков обводненных вод, оконтуривание их и проведение разведки буровыми скважинами, согласно изобретению для проведения наземных геофизических исследований осуществляют определение перспективных площадок по геоморфологическому дешифрированию, геофизические исследования выполняются многоразносной установкой бесконтактного измерения электрического поля по поиску таликовых зон, при этом каждый разнос установки бесконтактного измерения электрического поля определяет осредненное кажущееся сопротивление толщи пород на определенной глубине залегания, составляются карты равных кажущихся сопротивлений для различных глубин исследований многоразносной установки бесконтактного измерения электрического поля и геоэлектрические разрезы по профилям, выделяются и оконтуриваются таликовые зоны, связанные с аномальными зонами низких и пониженных кажущихся сопротивлений на общем фоне высоких кажущихся сопротивлений, вдоль протяженности таликовой зоны разбивается профиль для замеров бесконтактного измерения электрического поля многоразносной установкой, составляется геоэлектрический разрез кажущихся сопротивлений и в характерных точках разреза определяются пикеты для измерений вертикального электрического зондирования, по результатам которого строится геоэлектрический разрез кажущихся сопротивлений и закладываются площадки в аномальной зоне для бурения разведочных скважин на подземные воды, бурятся 1-2 разведочные скважины в многолетнемерзлых породах и на контакте талика и многолетнемерзлых пород и по данным разведочных скважин выделяются водоносные горизонты и определяют конструкции эксплуатационных скважин.

Заявляемый способ поясняется следующим: при наземной площадной съемке по методике бесконтактного измерения электрического поля (БИЭП) измерения выполняются бесконтактной установкой на 4 разных разносах для определения кажущегося сопротивления песчано-глинистых (коренных) пород на глубинах залегания от 15 м до 54 м. Сопротивления пород одного возраста в мерзлом и талом состоянии сильно отличаются. Песчано-глинистые породы в состоянии «вялотекущей» (высокотемпературной) мерзлоты имеют кажущиеся сопротивления примерно в 3-5 раз больше, чем в талике. Сильно промороженные породы в состоянии низкотемпературной мерзлоты имеют кажущиеся сопротивления на 1-3 порядка больше, чем в талике. Чем больше горная порода содержит воды и чем ниже температура промерзания, тем больше будет разница в сопротивлениях пород мерзлых и талых одного литологического состава и геологического возраста. Поэтому на картах равных кажущихся сопротивлений и геоэлектрических разрезах таликовые зоны (аномальные зоны низких и пониженных сопротивлений) уверенно выделяются. Геофизические профили предпочтительно разбивать поперек перспективного участка исследований, выбранного по карте (или на местности) по геоморфологическому дешифрированию, через 100-200 м с установкой пикетов через 25 м. Предпочтительно при проходимости местности удлинять профили на 50-100 м в водные объекты (реки, озера, болота). Площадные геофизические исследования выполняются многоразносными установками бесконтактного измерения электрического поля электроразведочной аппаратуры типа ЭРА-M1 (Фиг. 1). Незаземленная дипольно-осевая установка БИЭП представляет собой две стелящиеся по земле антенны: питающую АВ (длиной 100 метров с расположенным посередине генератором частотой 625 Гц) и приемную MN (длиной 100 м с «Измерителем», расположенным у электрода N). Для удобства принято название незаземленной стелящейся дипольно-осевой установки 100ABxMN100, где (x) - расстояние между заизолированными электродами В и М. Меняется лишь расстояние L_o'o между электрическими центрами питающей и приемной линий, что дает различную глубину исследования. Расстояние L_o'o соответствует разносу установки БИЭП. Опытно-методическими работами на разведочных гидрогеологических скважинах ХМАО, Свердловской области было установлено, что каждый разнос установки измеряет осредненное сопротивление толщи горных пород от поверхности земли до определенной глубины исследования. Установка 100AB100MN100 (разнос L_o'o 225 м) соответствует глубине исследования около 15 м, 100AB200MN100 (разнос 325 м) - около 28 м, 100AB300MN100 (разнос 425 м) - около 42 м и т.д. С увеличением разноса БИЭП в измеренный сигнал заметное влияние оказывают нижележащие породы с повышенным или пониженным сопротивлением. В случае обнаружения аномальной зоны низких (пониженных) сопротивлений разбивается профиль вдоль талика. Проводятся измерения многоразносными установками (как правило 5-6 разносов) БИЭП. В характерных точках геоэлектрического разреза БИЭП (таликовая зона, ММП, контакт талика и ММП) по профилю определяются пикеты для замеров ВЭЗ. В случае прямолинейности профиля вдоль талика измерения выполняют симметричной установкой AMNB. Если профиль не прямой или требуются большие разносы АВ/2, то можно исследования выполнять установкой «ВЭЗ-челнок» (Фиг. 1.). «ВЭЗ-челнок» выполняется для подтверждения результатов БИЭП и для заложения площадок разведочно-эксплуатационных скважин. По результатам электроразведочных исследований рекомендуются площадки бурения разведочно-эксплуатационных скважин для проверки результатов интерпретации электроразведки. По комплексу геофизических исследований в разведочных стволах скважин (ГК, КС, ПС, Термометрия, Кавернометрия, Резистивиметрия) однозначно определяется наличие водоносных пластов в таликовой зоне. При интерпретации ГИС выделяются водоносные горизонты и определяются конструкции эксплуатационных скважин.

Предлагаемая методика испытана на водозаборах ЯНАО, ХМАО, Свердловской области и на установках катодной защиты магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Югорск» ОАО «ГАЗПРОМ» в Свердловской области.

Пример реализации методики «Бесконтактные исследования многоразносной установкой при поиске и разведке подземных вод» для организации хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения Ямбургской компрессорной станции Ямбургского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск».

Площадные геофизические исследования были выполнены по новой методике БИЭП электроразведочной аппаратурой ЭРА-M1. По результатам замеров многоразносной установки были построены карта равных кажущихся сопротивлений (Фиг. 2) и геоэлектрический разрез по профилям (Фиг. 3), что позволило выделить и оконтурить таликовую зону в плане и разрезе. Вертикальное электрическое зондирование установкой «ВЭЗ-челнок», выполненное в характерных точках геоэлектрического разреза, подтвердило результаты БИЭП. По результатам исследований были рекомендованы 3 площадки бурения разведочно-эксплуатационных скважин для проверки результатов интерпретации электроразведки (в центре талика, на краю талика, на контакте талика и многолетнемерзлых пород). Были пробурены 3 разведочные скважины глубиной 66-93 м. Результаты ГИС (геофизические исследования скважин) полностью подтвердили данные электроразведки по сопротивлению песчано-глинистых пород на различной глубине исследования и о наличии обводненных песчаных отложений под ложем озера. Также были пробурены 3 эксплуатационные скважины: глубиной 33-36 м с дебитами 5,7-17 м³/час и 2 наблюдательные глубиной 25 м, и проведены опытные откачки. По предварительным камеральным подсчетам запасов подземных вод в таликовой зоне, приуроченной к ложу о. Хантято, достаточно для водопотребления хозяйственных объектов.

Использование установок БИЭП и «ВЭЗ-челнок» при поисках месторождений подземных вод позволяет следующее.

- Проводить измерения БИЭП в неблагоприятных условиях (каменные осыпи, мерзлые грунты, сухие пески, и т.д.) с плохим заземлением электродов.

- Выполнять исследований БИЭП в неглубоких акваториях с резиновых лодок.

- Необязательно соблюдать прямолинейность геофизических профилей для БИЭП в условиях труднопроходимой местности (водные преграды, болота, горы, и т.д.), так как сопротивления водоносных пород отличаются более чем в несколько раз от водоупорных глинистых и мерзлых пород.

- Имеет высокую производительность работ БИЭП.

- Для установки «ВЭЗ-челнок» прямолинейный профиль разбивать в одну сторону.

- Отсутствие индукционной помехи при больших разносах установки «ВЭЗ-челнок», так как питающая и измерительные линии разделены.

Разведанное предлагаемым способом месторождение пресных подземных вод является самым северным в Западной Сибири. Также впервые на данном месторождении были получены результаты ГИС о большой мощности (до 140 м на границе талика) таликовых зон, приуроченных к ложам крупных незамерзающих рек и озер. Результаты детальной разведки на северном берегу о. Хантято (о крупных размерах и большой мощности таликовых зон) позволяют предполагать наличие таликовых зон под руслами незамерзающих крупных рек и озер Крайнего Севера Западной Сибири.