Том 272

Освоение новых месторождений с низкопроницаемыми коллекторами потребовало внедрения новых технологий добычи, из которых наиболее значимыми для глушения и подземного ремонта скважин явились многотоннажные гидроразрывы пласта (ГРП), одновременная эксплуатация двух-трех объектов разработки одной сеткой скважин, а также повышение темпов отбора жидкости. Эти глобальные решения в разработке месторождений привели к необходимости поиска новых эффективных материалов и технологий глушения скважин. Статья посвящена анализу проблем, связанных с процессом глушения добывающих скважин на месторождениях, характеризующихся повышенной трещиноватостью, как естественной, так и искусственной (вследствие ГРП), с пониженным пластовым давлением и высоким газовым фактором. Актуальность анализа обусловлена увеличением количества объектов разработки, на которых возникают осложнения при глушении скважин. Особое внимание уделяется техническим решениям, направленным на сохранение фильтрационно-емкостных свойств призабойной зоны пласта, препятствующих поглощению технологической жидкости, а также блокирующих проявление газа. Приводится классификация блок-пачек, применяемых при глушении, исходя из природы технологической жидкости. Рассмотрены суспензионные загущенные водно-солевые растворы, образующие на поверхности горной породы водонепроницаемую корку, которая предотвращает проникновение воды и водных растворов в пласт. Такой подход позволяет обеспечивать безопасность и эффективность проведения операций глушения, особенно при работе с пластами, в которых сохранение водонасыщенности и предотвращение попадания водной фазы имеют критическое значение. Выявлены современные тенденции развития технологии, и намечены перспективные направления дальнейшего совершенствования глушения скважин с контролем поглощения.

Обладая высокой прочностью, небольшой плотностью и значительной химической стойкостью, титан нашел широкое применение в различных областях народного хозяйства – химическая индустрия, авиационная и ракетная техника, машиностроение, медицина и т.д. Изготовлению изделий из титана мешает достаточно прочная оксидная пленка, покрывающая его поверхность. Удаление оксидной пленки с поверхности титановых заготовок осуществляют травлением в растворах минеральных кислот различного состава. Образуется отработанный кислый травильный раствор (ОКТР), содержащий титановую соль и остаток непрореагировавших кислот. Практически все травильные растворы содержат HF и одну из сильных кислот. Это H2SO4, HCl или HNO3. Таким образом, в ОКТР входят ионы титана, фтора или хлора, или сульфата, или нитрата. ОКТР достаточно токсичен и перед сбросом в водоем подлежит многократному разбавлению или очистке. Большинство методов, применяемых для извлечения из ОКТР находящихся в нем примесей, приводит к снижению их содержания. В результате такой очистки происходит потеря веществ, содержащихся в ОКТР в значительном количестве и представляющих интерес для дальнейшего использования. В работе приведены экспериментальные результаты, полученные при комбинированной переработке ОКТР, содержащей фторид титана, фтористоводородную и хлористоводородную кислоты. На первой стадии ОКТР обрабатывается гидроксидом натрия. Образующийся в результате осадок гидроксида титана отфильтровывается. На второй стадии фильтрат, содержащий фторид и хлорид натрия, подвергается обработке в мембранном электролизере. При этом происходит не только извлечение солей натрия из фильтрата, но и получение гидроксида натрия и смеси фтористоводородной и хлористоводородной кислот. Гидроксид натрия можно применить для обработки ОКТР, а смесь кислот для травления титановых заготовок.

Статья посвящена сравнительному финансово-экономическому анализу различных форм государственно-частного партнерства (ГЧП) в проектах производственно-инфраструктурного строительства в малоосвоенном ресурсном регионе. Используется теоретико-игровая модель Штакельберга и строится параметризованное семейство двухуровневых моделей математического программирования, описывающее целый спектр механизмов партнерства. Это позволяет сопоставить различные стратегии распределения инфраструктурных инвестиций между правительством и недропользователем и построить сценарий трансформации сегодняшней российской схемы ГЧП в классическую модель партнерства, используемую в развитых экономиках. Для этого в работе формируется база данных по пятидесяти месторождениям полиметаллов в Забайкальском крае и проводится сравнительный анализ равновесных по Штакельбергу программ развития, реализующих ту или иную модель ГЧП. Результаты численного эксперимента показывают, что в условиях бюджетного дефицита именно классическая модель ГЧП является наиболее эффективной. Проведенный анализ позволяет дать экономическую оценку последствий постепенной трансформации института партнерства в производственно-инфраструктурном строительстве от помощи инвестору в российской модели к помощи государству в классической схеме. Промежуточные модели партнерства, играющие роль переходного института, позволяют снизить бюджетную нагрузку. Механизм их практической реализации основан на кластеризации месторождений, формировании консорциумов недропользователей и долевом строительстве необходимой транспортной и энергетической инфраструктуры. Активизация горизонтальных связей недропользователей порождает благоприятные условия для появления дополнительных эффектов от консолидации ресурсов и может быть положена в основу практической схемы партнерства в рамках классической модели.

Статья посвящена решению проблемы колебаний напряжения в системах электроснабжения горно-рудных предприятий. Подключение мощных электроприемников с резкопеременным режимом работы (например, высоковольтных мегаваттных карьерных экскаваторов) вызывает в распределительной электрической сети 6-10 кВ колебания и провалы напряжения, выводящие из строя электрооборудование, устройства связи и автоматики, что нарушает технологические процессы и др. Использование существующих решений и средств снижения колебаний напряжения, вызванных динамической нагрузкой, неэффективно. Рассматривается возможность использования вольтодобавочных трансформаторов с быстродействующими тиристорными коммутаторами, позволяющих отрабатывать переключение ступеней регулирования в сторону повышения или понижения напряжения. Предложено новое схемотехническое решение тиристорного вольтодобавочного устройства (ТВДУ) с импульсно-фазовым способом управления для определения законов регулирования ТВДУ, позволяющих эффективно снижать колебания напряжения от динамической нагрузки в системах электроснабжения горно-рудных предприятий. Предусмотрены режимы повышения и понижения выходного напряжения ТВДУ, а также базовый режим (без добавки напряжения). В результате математического моделирования процессов регулирования ТВДУ и построения имитационной компьютерной модели электрической сети 6 кВ с динамической нагрузкой установлены законы регулирования выходного напряжения. Определены пределы эффективного регулирования ТВДУ, значения нечетных гармоник которых не превышают нормально допустимых пределов. Проведенные исследования позволят реализовать систему управления устройством.

На Южном Тимане известны многочисленные локальные разновидности кор выветривания (КВ), различающиеся по положению в разрезе, типу продуктов выветривания, субстратам и формам залегания. Целью исследований является выявление закономерностей распределения породообразующих, редких и редкоземельных элементов и состава глинистых минералов в глинистых образованиях КВ. Основная задача – охарактеризовать условия залегания и геохимические особенности, позволяющие установить генетический тип и условия формирования КВ. Приведены результаты изучения распределения петрогенных, редкоземельных, редких элементов и глинистых минералов в различных по возрасту, генетическому типу и условиям залегания КВ на увале Джежимпарма и Немской возвышенности на Южном Тимане. Установлено, что в зоне контакта фундамент – чехол на возвышенности Джежимпарма по породам позднерифейской джежимской свиты развита КВ гидрослюдисто-каолинитового типа, а ранее считавшийся КВ слой тонкозернистой породы в основании девонского разреза образован в результате механического разрушения девонских песчаников при перемещении в зоне надвига. В расположенном на Немской возвышенности карьере Вадьявож изучены и охарактеризованы образования мезозойско-кайнозойских площадной и линейной КВ по породам позднерифейской джежимской свиты. Установлено, что слюдистые алевролиты в составе алевролито-песчаниковой толщи джежимской свиты связаны с рифейским этапом корообразования и сложены материалом КВ, переотложенным в эпиконтинентальном бассейне.

Рассматривается вопрос определения основных параметров систем накопления электроэнергии – мощности и энергоемкости, определение которых является принципиально важной задачей при внедрении подобных устройств в системы электроснабжения предприятий как по техническим (технологическим), так и по экономическим причинам. В работе анализируются задачи, решение которых возможно путем установки систем накопления электроэнергии на объектах газовой промышленности. Сформирована отраслевая методика расчета параметров системы накопления электроэнергии на базе традиционной методики и методики, направленной на минимизацию нормированной стоимости электроэнергии с адаптацией к условиям газовой отрасли. Отличительной чертой представленной методики является возможность определения мощности и энергоемкости систем накопления электроэнергии при выполнении нескольких функций. Методика апробирована на типовом объекте газовой промышленности – компрессорной станции «Ярынская» ООО «Газпром трансгаз Ухта», характерной чертой которого является автономная система электроснабжения. Приводится пример расчета нормированной стоимости накопления электроэнергии с помощью усовершенствованного показателя LCOS, учитывающего влияние изменения коэффициента заполнения графика электрических нагрузок на величину потребления газа электростанцией собственных нужд. Для подтверждения экономической эффективности внедрения систем накопления электроэнергии, рассчитанной по приведенной методике, представлены вычисления интегрального эффекта, чистого дисконтированного дохода и индекса эффективности.

Салтахский массив расположен в северной части Анабарского щита в Салтахской зоне смятия. Массив сложен двупироксеновыми кристаллосланцами и плагиогнейсами гранулитовой фации метаморфизма, по химическому составу соответствующими дифференцированной серии пород от габбро до тоналитов с многочисленными жилами и телами аляскитовых гнейсогранитов. Большей частью породы калиевые (K2O/Na2O > 0,50), магнезиальные (mg# 50-70), в метагабброидах нормативный оливин составляет 6-9%, низкотитанистые (TiO2 0,35-1,31 мас. %) с низким содержанием TiO2 в клино- и ортопироксене. Породы характеризуются хорошо выраженными отрицательными аномалиями Ti, Nb, Ta, P, свойственными субдукционному магматизму. Двупироксеновые гнейсы отличаются высокими значениями Sr/Y = 67,6-88, (La/Yb)N = 24,8-25,6. По индикаторным отношениям Nb/La, La/Yb, Th/Nb, Ce/Yb породы массива относятся к шошонитовой серии. Все породы характеризуются положительными величинами εNd(T) = 1,9-4,1, εSr(T) = 0,77-17,8, указывающими на мантийный источник магмы, и величиной T(Nd)DM = 2,20-2,26 млрд лет. По данным U-Pb датирования циркона (SHRIMP II) протолиты меланократовых пород массива имеют возраст 2100-2086 млн лет, двупироксеновых плагиогнейсов тоналитового состава – 2025±7 млн лет. Возраст аляскитовых гнейсогранитов 1969±7 млн лет. Изучение редкоэлементного состава циркона показало повсеместную обогащенность LREE. Причинами высокого содержания LREE являются как вторичные изменения циркона, так и шошонитовый характер расплава, высокотемпературные условия кристаллизации и аномальный флюидный режим. Геодинамическая обстановка формирования Салтахского массива соответствовала периконтинентальной магматической дуге. Формирование аляскитовых гнейсогранитов является следствием анатексиса в связи с более поздними коллизионными процессами. Магматические породы Салтахского массива по возрасту синхронны расположенным южнее ранее изученным магматическим образованиям Хапчанского участка (толеитовые метадиориты 2095±10 млн лет, известково-щелочные метатоналиты 2030±17 млн лет) и интерпретируются нами как часть метаморфизованного ювенильного палеопротерозойского надсубдукционного комплекса.

Кустарная мелкомасштабная добыча золота является крупнейшим искусственным источником загрязнения ртутью – распространенная проблема в настоящее время в мире. Исследование посвящено вкладу кустарной добычи золота в общий объем загрязнения ртутью индонезийского водораздела. Величина загрязнения ртутью измерена с использованием стабильных изотопов углерода и азота. Работа является первым аналитическим отчетом в Индонезии со времен начала публикаций об обнаружении тяжелых металлов в воде и отложениях рек. Ранее не уделялось внимание глубокому анализу загрязнения ртутью и его источникам. Определено, что кустарные и мелкомасштабные точки по добыче золота в верховьях рек являются основным источником ртути в отложениях водораздела р. Сиухунь. Наличие углерода δ13C и азота δ15N свидетельствует о загрязнении ртутью водораздела, которое идет из рек Сизимеут и Сиберанг. Результаты анализа образцов поверхностных отложений показали общую концентрацию ртути в отложениях, превышающую допустимую. Биологический эффект показал, что концентрация ртути в большинстве точек отбора проб превышает средние значения диапазона воздействия и предел вероятного воздействия. Значение коэффициента риска по ртути указывает на возможное влияние загрязнения ртутью на бентические организмы. В данном исследовании также обозначены ограничения, требующий дальнейшего изучения.

Современный этап развития России характеризуется динамичными изменениями условий хозяйствования предприятий газовой отрасли, что приводит, в том числе, к существенной корректировке подходов к развитию энергетики производственных объектов. В статье рассматриваются способы совершенствования энергоснабжения с учетом целей и задач развития производственных объектов, условий решения единой технологической задачи газовой отрасли – качественного газоснабжения потребителей. Оптимальное функционирование систем энергоснабжения с учетом особенностей протекания технологических процессов на производственных объектах предполагает скоординированность моделей развития энергетических комплексов производственных объектов с параметрами предприятий газовой отрасли на основе интегрированного единого информационного пространства на всех этапах их жизненного цикла. Структура энергокомплекса производственного объекта и связи его элементов со смежными системами обосновываются с учетом целей их создания и требований к производственным объектам. Решение задач для каждой составляющей системы и обмен информацией между эквивалентными системами происходит на основе разработанной иерархии задач оптимизации, корректируемых в зависимости от типа задач совершенствования энергоснабжения производственного объекта. Определение параметров и показателей энергетических комплексов, а также оптимизацию перечней и содержания работ по совершенствованию энергоснабжения производственных объектов планируется выполнять в соответствии с рассматриваемой методологией с использованием комплекса математических моделей.

Ежегодное увеличение добычи угля и спроса на него приводят к необходимости организации мест временного хранения (складов) для размещения угольного сырья перед отправкой потребителю. При открытом способе складирования угля процесс пыления от погрузо-разгрузочных операций и с поверхности штабеля негативно влияет на здоровье рабочих склада и состояние прилегающих к складу территорий. Альтернативным открытому складированию является размещение угольного сырья в закрытых помещениях. Одной из главных опасностей при таком складировании угля может быть выделение в воздушную среду остаточного метана, содержащегося в угольных отдельностях, после процессов дегазации во время добычи и извлечение на поверхность, а также транспортировки до места временного хранения. В статье выполнен анализ изменения метаноносности угля в процессе добычи, транспортирования и при непосредственном размещении на закрытых складах. Рассмотрены физико-химические основы массобмена при взаимодействии газонасыщенной угольной массы с воздухом. Показано, что интенсивность метановыделения зависит от природной газоносности угольного пласта, параметров массопереноса между углем и воздухом, а также температуры окружающей среды. Для оценки динамики газообмена угольной массы с атмосферным воздухом предложен приближенный подход, основанный на использовании двух взаимосвязанных итераций, определяющих как формирование концентрационных полей метана в воздушном пространстве насыпного объема, так и величины метановыделения с поверхности штабеля к наружному воздуху. Отмечено, что безопасность эксплуатации закрытых угольных складов по газовому фактору может быть реализована с помощью искусственной вентиляции, обеспечивающей объемную концентрации метана в воздушной среде менее 1 %. Величина расхода, достаточная для достижения отмеченной концентрации метана, получена в результате компьютерного моделирования процесса формирования полей концентраций метана в воздушной среде при теоретически вычисленном выделении метана с поверхности штабеля.

Приведены первые количественные оценки изотопного фракционирования азота при кристаллизации алмаза относительно азотсодержащих соединений флюида с использованием квантово-механических (DFT) расчетов по дефектной (с азотом замещения) решетке алмаза. При равновесном фракционировании изотопов 15N/14N уменьшается в ряду соединений NH4+ > N2 > (алмаз, NH3) > CH3N > CN− > NH2. При температуре 1100-1200 °C фракционирование между алмазом и азотсодержащими компонентами флюида оценивается как –2,23, –0,77, 0,01, 0,44, 1,31 и 2,85 ‰ и существенно (более чем на 1 ‰) выше имеющихся оценок, ранее полученных на основе моделирования связи C-N в алмазе по аналогии с молекулами HCN или CN–. В зависимости от преобладающих субстанций азота и углерода в минералообразующем флюиде образование алмаза может сопровождаться различными трендами изменения изотопного состава, что выражается как зональностью отдельных зерен алмаза, так и ковариациями изотопного состава δ15N vs δ13C при последовательной кристаллизации. В условиях доминирования NH3 изотопное фракционирование азота между алмазом и флюидом не превышает 0,1-0,2 ‰ и изотопные сдвиги при температуре ≈1100 °C Δ15N << Δ13C. В бедных азотом восстановленных мантийных флюидах возможное присутствие компонентов с низким сродством к тяжелому изотопу при температуре образования алмаза (особенно NH2) обуславливает высокое изотопное фракционирование алмаз-флюид и повышенные отношения Δ15N/Δ13C. Окисленные флюиды с преобладанием CO2 или CO3 в сочетании с компонентом N2 характеризуются близкими к нулю отношениями Δ15N/Δ13C между алмазом и флюидом за счет преобладания фракционирования изотопов углерода по сравнению с изотопами азота, которые существенно меняются в зависимости от коэффициента распределения азота между алмазом и средой роста.

Увеличение глубины разработки месторождений полезных ископаемых приводит к ухудшению горно-геологических условий. Значительный рост уровня напряжений в массиве горных пород способствует возможному проявлению горного давления в динамической форме. Возникающая при этом задача оценки удароопасности горных пород тесно связана с задачей получения более точных результатов испытаний образцов на сжатие в жестких или сервогидравлических испытательных прессах с использованием графиков их полного деформирования. Такой подход требует специального дорогостоящего оборудования, значительных временных ресурсов и достаточного количества кернового материала. Поэтому важен подход, позволяющий оценить склонность горных пород к хрупкому разрушению достаточно простыми методами исследований, не приводящими к потере качества и достоверности полученных результатов. Представлены результаты лабораторных испытаний горных пород Норильского промышленного района по определению пределов прочности на растяжение и сжатие. В качестве методик испытаний применялись как отечественные, так и зарубежные стандарты определения значения коэффициента хрупкости. Потенциал удароопасности горных пород определялся по критерию Кайзера. Установлено, что испытанные литологические типы (богатые сульфидные руды, роговики, вкрапленные руды и породные габбро-долериты), кроме ангидритов, обладают низким потенциалом удароопасности.

Решение задач современного строительного материаловедения сводится к получению высококачественных материалов, расширению и поиску рациональной сырьевой базы, которые могут быть осуществлены за счет использования различных отходов производств. В настоящей работе рассматривается возможность применения отхода горноперерабатывающей промышленности – сапонитсодержащего материала (ССМ), получаемого при обогащении кимберлитовых руд месторождения алмазов им. М.В.Ломоносова, в качестве активной минеральной добавки для цементных вяжущих и бетонов. Исследовалось влияние механической и температурной обработки на ряд свойств материала, отобранного из хвостохранилища и находящегося в исходном состоянии. Изучение активности поверхности образцов ССМ заключалось в определении сорбционной емкости, кислотно-основных центров и их распределения. Определен рост активности поверхности частиц материала в результате механоактивационного воздействия и ее снижение при температурной обработке. Эти эффекты связаны с фазовыми перестройками и структурными изменениями песчано-глинистой породы, что подтвердилось в ходе проведения термического анализа. Температурное воздействие не имеет выраженного влияния на микроструктуру, отмечается «сглаженность» частиц и формирование консолидированной поверхности структурных элементов сапонитсодержащего материала.

Рассмотрены особенности распространения трещины гидроразрыва в пересекающихся скважинах, созданных в блоках полиметилметакрилата в неоднородном поле напряжений. В качестве рабочего флюида использовался водный раствор глицерина и пластилин. Согласно линейной механике разрушения, наличие концентратора напряжений в месте пересечения скважин способствует началу процесса трещинообразования в этой области, а дальнейшее распространение трещины происходит в плоскости, содержащей их оси. Актуальность работы обусловлена поиском новых подходов и разработкой технологических решений по эффективному созданию продольной трещины в массиве горных пород в неблагоприятном для ее развития поле напряжений. Приведена схема работы лабораторного стенда, а также общий вид герметизирующих устройств, использующихся для изолирования заданного интервала при выполнении испытаний. Получены зависимости давления глицерина от времени закачки и определена величина давления разрыва в блоках. Исследована форма трещин, образовавшихся при подаче в систему скважин пластилина. По результатам физического моделирования установлено, что в скважинах происходит преимущественно формирование продольного разрыва, при этом величина поля горизонтальных сжимающих напряжений в большей степени влияет на отклонение траектории продольного разрыва от вертикальной плоскости, содержащей оси скважин, чем увеличение угла между ними. Измерены углы наклона плоскости продольного разрыва при его выходе на боковую грань блока.

Приведен обзор оценки и моделирования напряженного состояния горных пород в околоствольной зоне горизонтальных скважин при проведении кислотного воздействия на пласт с целью повышения эффективности разработки месторождений нефти и газа. Разработана численная конечно-элементная модель околоскважинной зоны продуктивного пласта вскрытого горизонтальным участком ствола скважины на примере одного из нефтяных месторождений Пермского края. Определено распределение физико-механических свойств терригенного коллектора вблизи скважины с учетом трансформации под воздействием глинокислотного реагента для различного периода времени его закачки. Выполнено многовариантное численное моделирование и определено распределение горизонтальных и вертикальных напряжений в околоскважинной зоне с учетом различной величины депрессии на пласт и изменения упруго-прочностных свойств в зависимости от области проникновения глинокислоты. Установлено, что изменение модуля упругости и коэффициента Пуассона под воздействием кислоты приводит к уменьшению напряжений в околоскважинной зоне. Анализ поля распределения напряжений на основе критерия Кулона – Мора показал, что минимальный коэффициент запаса прочности породы даже после воздействия глинокислоты составляет 1,5, таким образом, в рассматриваемых условиях моделирования горизонтальной скважины порода-коллектор остается устойчивой и зон разрушения породы не возникает.

В связи с недостаточной для практических расчетов точностью существующих исследований процесса резания мерзлых осадочных пород в работе решается задача определения касательной составляющей сопротивления резанию для блокированного, глубокоблокированного и сотового резания, наиболее часто используемых в землеройной технике. Рассмотрено силовое взаимодействие режущего инструмента с массивом породы с точки зрения возникающих напряжений, действующих на отделяющийся элемент стружки. Получены аналитические зависимости для определения касательной составляющей сопротивления резанию. Приведено численное обоснование выбора сотового резания по отношению к блокированному и глубокоблокированному резанию. Для всех трех случаев резания при равных геометрических параметрах режущего инструмента и физико-механических характеристиках мерзлой породы получены численные значения касательной составляющей сопротивления резанию. Сравнение расчетных значений сопротивления резанию показало, что сотовое резание требует меньших затрат энергии и предпочтительно при разработке мерзлых осадочных пород. В ходе полевых и лабораторных исследований с применением универсального стенда установлена удовлетворительная сходимость аналитических положений с физической картиной резания мерзлых осадочных пород. Результаты исследований позволяют более обоснованно подходить к корректировке существующих методик определения необходимых тяговых усилий и потребной мощности на привод выемочных машин, а следовательно, фактической производительности и рентабельности выполнения работ.