Том 276 Вып. 2

Проведены комплексные исследования алмазов карнийского яруса Булкурской антиклинали северо-востока Сибирского кратона. Выделены два наиболее распространенных на участке Булкур типа алмазов: додекаэдроиды со шрамами и кристаллы V-VII разновидностей по классификации Ю.Л.Орлова. Эти группы характеризуются облегченным изотопным составом углерода δ13С от –19,6 до –24,7 ‰, различаясь между собой по морфологии, концентрации и формам агрегирования азота, а также составу расплавных включений. Впервые изучены субмикроскопические включения в алмазах этих групп. Такие включения в додекаэдроидах по сравнению с алмазами V-VII разновидностей менее железистые (в среднем 12 и 31 мас.% FeO), а также более обогащены калием (в среднем 5,5 и 1,7 мас.% K2O). Сделан вывод, что изученные додекаэдроиды со шрамами из карнийских отложений Булкурской антиклинали представляют отдельный тип алмазов, характерных для северо-востока Сибирской платформы. Предполагается докембрийский возраст коренных источников и попадание алмазов в триасовые и более молодые россыпи в результате размыва протерозойских прибрежно-морских отложений в пределах выступов докембрия, в частности на Оленекском поднятии.

Образование полимодальных распределений частоты встречаемости размеров песчаных фракций обусловлено изменением кинетической энергии водной среды в процессе отложения осадков в открытых системах-фациях. Повышение релевантности информации о палеоусловиях осадконакопления имеет большое значение в интерпретации результатов гранулометрического анализа. В качестве материалов исследований были взяты результаты гранулометрического анализа песчано-алевритовых отложений различных пластов в скважинах, находящихся на территориях нефтегазовых месторождений п-ва Ямал. На основе кинематической теории преобразования открытых систем определено уравнение зависимости размеров отложенных фракций от их кинематических параметров – периода времени и расстояния отложения. Это позволяет вычислить их в исследуемой фациальной системе по данным размеров и процентного содержания фракций в диапазоне диаметров 0,001-1 мм. Целью работы является представление результатов выявления фаций на основе вычислений кинематических параметров потока зерен песка и мелкодисперсных частиц с использованием уравнения интенсивности процессов преобразования открытых систем в рамках универсальной кинематической теории. Параметром, обладающим наибольшей информативностью, является расстояние переноса частиц при отложении, которое контролируется размером осаждающихся зерен. Изменение величины данного параметра зависит от перемены угла наклона поверхности дна, размеров частиц, глубины отложения. Сопоставляя величину вычисленного параметра с диаметром фракций, можно провести идентификацию исследуемой зоны с ее фациальной принадлежностью.

Бурение горизонтальных скважин (ГС) с многостадийным гидроразрывом пласта (МГРП) является одним из наиболее частых решений при разработке низкопроницаемых нефтяных и газовых коллекторов. При этом осложнена оценка параметров системы пласт – скважина по данным гидродинамических исследований (ГДИ) ввиду нереалистичных времен получения отклика на радиальный режим течения. Устранить эту неопределенность возможно, используя данные раннерадиального режима, возникающего на начальном этапе записи кривой восстановления давления (КВД). Однако для его проявления необходимо, чтобы расстояние между трещинами вдоль горизонтального ствола было достаточно большим по сравнению с полудлинами трещин. На практике это условие обычно не выполняется, что делает невозможным такой способ оценки гидропроводности пласта. В то же время ГС с МГРП характеризуются сложным характером КВД, что связано с особенностью взаимодействия трещин. Поведение КВД на раннем периоде замера зависит от длительности отработки скважины перед остановкой, подобно КВД в скважине вблизи непроницаемой границы пласта. Впервые выявлено, что для достаточно коротких времен отработки на раннем этапе КВД может проявляться радиально подобный режим, вызванный формированием эллиптического течения вокруг трещин. Доказана устойчивость данного режима и взаимосвязь положения графика производной давления с параметрами формируемого эллиптического течения. Получена эмпирическая формула, обеспечивающая оценку коэффициента гидропроводности пласта по данному режиму с достаточной точностью для часто встречающегося на практике диапазона параметров геометрии ГС с МГРП. Результаты работы расширяют возможности достоверной оценки параметров системы пласт – скважина для ГС с МГРП в низкопроницаемых коллекторах по данным ГДИ, включая исследования новых скважин в процессе освоения или при запуске после длительного простоя.

Теоретически и экспериментально обоснован перспективный метод модификации сапонита (интеркаляция), обеспечивающий его высокую сорбционную емкость по отношению к золоту. Модификация сапонита, выделенного из оборотной воды хвостохранилища обогатительной фабрики, осуществляется путем перемешивания суспензии минерала и ацетона с поверхностно-активным веществом гексадецилтриметиламмония бромид (CTAB), четырехкратной промывкой этанолом и дистиллированной водой, сушкой. Механизм интеркаляции сапонитсодержащего продукта заключается во внедрении в межслоевое пространство положительно заряженных катионов органических соединений путем катионного обмена или адсорбции, что приводит к расширению слоев минерала, резкому смещению дзета-потенциала в положительную сторону. Появление полос в ИК-спектральном интервале 1460-1490 и 2850-2920 см^–1, относящихся к деформационным и валентным колебаниям группы CH₂ соответственно, подтверждает успешное внедрение молекул CTAB в структуру минерала. В результате исследований максимальной сорбционной емкости модифицированного сапонита установлено, что при исходной концентрации золота 22,6 мг/л полное извлечение достигается уже через 7,5 мин. Максимальная статическая обменная емкость модифицированного сапонита была достигнута после контакта с третьей порцией свежего золотосодержащего раствора и составила 100,5 мг/г. Изотермы сорбции золота соответствуют модели Ленгмюра, основанной на том, что на поверхности модифицированного сапонита образуется мономолекулярный сорбционный слой, и все активные места обладают равной энергией и энтальпией сорбции. При этом кинетические зависимости сорбции наилучшим образом описываются моделью псевдовторого порядка, предполагающей, что химическая реакция обмена лимитирует процесс сорбции. Установлено, что интеркаляция сапонита гексадецилтриметиламмонием бромида обеспечивает более эффективную сорбцию отрицательно заряженных комплексных ионов золота ([AuCl₄]^–). Рассчитанная равновесная статическая обменная емкость модифицированного сапонита составила 92-119 мг/г, экспериментально установленная – 102 мг/г.

Отходы недропользования составляют подавляющую по массе часть отходов, образующихся и накопленных на территории России. Увеличение объемов переработки полезных ископаемых горно-добывающей и горно-обогатительной отраслями ведет к обострению экологических проблем – возрастает негативное влияние отвалов вскрышных масс, отвальных хвостов обогащения и переработки минерального сырья на окружающую среду. На примере трех видов пород рассмотрена возможность применения карбонатных отходов недропользования в качестве сырьевых компонентов при формировании фотокаталитических композиционных материалов (ФКМ) при производстве строительных материалов и изделий, и одновременного решения экологических проблем территорий за счет масштабной утилизации техногенных отходов. Проведен комплекс физических (пористость, удельная поверхность, дисперсность, морфология поверхности) и химических (химический состав, кислотно-основные центры, дзета-потенциал, водородный показатель) исследований свойств карбонатных материалов различных генетических типов для определения возможности их применения как подложки при получении ФКМ. Фотокаталитический материал, получаемый осаждением золь-гель синтезированных соединений титана на минеральный носитель, предназначен для введения в состав цементных строительных композитов и придания им свойства самоочищения при эксплуатации. Проведено ранжирование минеральных порошков известняков Тюшевского (Т) и Пореченского (П) месторождений и мрамора Полоцкого месторождения согласно определенным требованиям – дисперсность, пористость, адсорбционная активность. Установление численных показателей по каждому виду сырья позволило определить степень пригодности минеральных порошков карбонатных пород для получения композиционных материалов, вводимых в состав строительных материалов. Проведено ранжирование минеральных порошков по увеличению потенциальной эффективности использования в составе ФКМ в следующей последовательности: известняк Т → известняк П → мрамор. ФКМ на основе карбонатных носителей проявляют высокие показатели деградации органического загрязнителя (более 90 %) и применимы как фотокаталитические агенты.

Уточнены литологические особенности сублиторальных-литоральных образований среднего кембрия – нижнеэвенкийской подсвиты Байкитской антеклизы. Выделены четыре типа доломитов: со строматолитовой текстурой, комковато-сгустковые, замещения кристаллические без сохранения первичных структур протолита, замещения разнокристаллические с реликтовой алевро-пелитовой структурой. Постседиментационные изменения пород связаны с процессами разностадийной доломитизации – ранней, сингенетической (в литотипах доломитов со строматолитовой текстурой и/или бактериальными структурами) и более поздней (в литотипах доломитов замещения и алевро-песчаников с доломитовым цементом). Анализируется изотопный состав углерода и кислорода карбонатов. Изучен элементный состав карбонатных, терригенно-карбонатных, карбонатно-терригенных и терригенных пород. С помощью тепловой карты и кластеризации визуализирован общий характер обогащения различными элементами. Карбонатные литотипы заметно обогащены Co, Cr, Sc, Rb и обеднены Cu, Zn, Li, Ba, Pb и Sr относительно кларка в карбонатах. Изучена природа положительной Eu-аномалии, возникновение которой связано с Eu-содержащими минералами в терригенной составляющей пород, а не гидротермальными растворами. Не наблюдается прямой зависимости содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) от количества терригенной примеси, поэтому нельзя исключать влияние восстановительных условий или состава доломитообразующего флюида на распределение РЗЭ. Терригенные разности относительно кларка для глин и глинистых сланцев обеднены Cu, Zn, Pb, Ba, Th, U. При нормировании на PAAS доломитистых аргиллитов, доломитовых алевролитов, песчаников и алевро-песчаников в основном характерно обогащение ТРЗЭ относительно ЛРЗЭ. Источником терригенной кластики выступали докембрийские террейны Енисейского кряжа, образованные островодужными комплексами, и рециклированный осадочный материал.

Рассмотрены условия кристаллизации предельно насыщенных рассолов хлоридов кальция, калия, магния Ангаро-Ленского артезианского бассейна, Сибирская платформа (СП), при температурах, соответствующих фактическим температурным условиям в скважинах Ковыктинского газоконденсатного месторождения участка «Литий». Этот важнейший тип литиеносного сырья отнесен к трудноизвлекаемым запасам. В большинстве скважин глубиной до 2,2 км температура горных пород верхней части геологического разреза ниже 20 °C, и в процессе работы скважины из предельно насыщенных хлоридных магниево-кальциевых рассолов в эксплуатационной колонне выпадают в осадок различные соли. В результате происходит быстрое зарастание скважин и прекращение их продукции. Термодинамический анализ фазовых диаграмм показывает, что в зависимости от температуры кристаллизуются антарктикит CaCl₂·6H₂O, тахгидрит Mg₂CaCl₆·12H₂O, небольшие количества карналлита KMgCl₃·6H₂O, бишофита MgCl₂·6H₂O и некоторых других хлоридов. При температуре выше 55 °C количество выделяющихся солей незначительное. Термогидродинамическое моделирование эксплуатации одиночной фонтанирующей скважины для гидрогеологических условий, близких к условиям Ковыктинской площади на юге СП, показало принципиальную возможность длительной (от месяца до года) эксплуатации предельно насыщенных хлоридно-натриевых и хлоридно-кальциевых литиеносных рассолов с добычей лития от 31,2 до 4,2 т на одну скважину.

Цель работы – совершенствование метода прогноза геомеханических процессов при строительстве горных выработок в упругопластическом породном массиве с дилатансией. Приведены результаты экспериментальных исследований объемной прочности горных пород и особенностей развития объемных деформаций при пластическом сдвиге. Показано проявление дилатансии горных пород, представлены диаграммы изменения объемных деформаций пластического сдвига при различной величине достигнутых сдвиговых деформаций. Выполнена обработка результатов испытаний горных пород с использованием условия пластичности А.Н.Ставрогина. Предложено новое аналитическое решение задачи прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива в зоне развития неупругих деформаций на основании условия пластичности А.Н.Ставрогина, в том числе уравнения для расчета зоны предельного состояния пород в окрестности горной выработки. Представлен алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива. Изучены закономерности связи размеров зоны предельного состояния породного массива в окрестности горной выработки с параметрами дилатансии горных пород, коэффициентом бокового распора и глубиной заложения выработки. Исследован характер развития смещений контура горной выработки кругового очертания в постановке плоской деформации при различных параметрах условия пластичности и показателях дилатансии горных пород. Выполнено внедрение условия пластичности А.Н.Ставрогина в программный комплекс Abaqus. Результаты исследований позволили установить область применения аналитического решения. Оно сохраняет физический смысл только при формировании зоны предельного состояния в окрестности всего контура горной выработки. Представленный подход к численному решению не содержит это ограничение и может распространяться на произвольное геомеханическое состояние породного массива и на любую форму сечения горной выработки.

Недавние исследования прогнозирования петрофизических и механических свойств карбонатных пород, объединяющие текстурные и микроструктурные наблюдения с геотехническими измерениями, вызвали бурное обсуждение. Некоторые исследователи представляют надежные экспериментальные методы и новые идеи, другие придерживаются менее строгих подходов. В Средиземноморском регионе мелководные калькарениты обнажаются как вдоль береговой линии, так и на суше. Как правило, это мягкие карбонаты с пористостью открытого типа, контролируемые осадочными породами и постседиментационными процессами. Их прочность в первую очередь зависит от типа и количества карбонатного цемента, а на напряженно-деформированное состояние значительно влияет присутствие воды. Прочность и жесткость заметно снижаются при переходе от сухого к насыщенному состоянию. Хорошо сцементированные калькарениты с ранним и поздним диагенетическим цементом хрупкие как в сухом, так и в насыщенном состоянии, тогда как плохо сцементированные типы только с ранней карбонатной цементацией хрупкие в сухом состоянии и от псевдопластичных до пластичных в насыщенном состоянии. В гидравлических свойствах калькаренитов преобладают системы двойной пористости, объединяющие микро- и макропоры, играющие ключевую роль в механизмах и моделях распада. В исследовании литературные данные сравниваются с результатами лабораторных анализов литофаций калькаренита из Апулии и Базиликаты (Южная Италия), что дает новое понимание их механических, физических свойств и долговечности.

Приведены результаты комплексного исследования алмазосодержащего лерцолита из кимберлитовой трубки им. В.Гриба. Состав породообразующих минералов (оливин, ортопироксен, Cr-диопсид, Cr-пироп) по главным элементам преимущественно соответствует минералам из включений в алмазах лерцолитовой ассоциации и алмазосодержащих лерцолитов мира. Повышенное модальное количество ортопироксена (18 об.%), а также концентрация FeO (7,5 мас.%) и значение отношения MgO/SiO2 (0,89) для лерцолита позволяют отнести его к обогащенным ортопироксеном лерцолитам. Особенности состава Cr-диопсида и Cr-пиропа по редким элементам свидетельствуют о том, что на момент захвата кимберлитом лерцолит сохранил признаки слабого воздействия мантийного метасоматоза. Результаты моделирования позволили предположить в качестве метасоматического агента магнезиокарбонатные и силикатные высокоплотные флюиды (HDF). Признаки влияния протокимберлитового расплава не обнаружены. Степень агрегации азота в алмазе (%В от 6 до 15) указывает на длительное пребывание в мантийных условиях, что исключает формирование незадолго до внедрения кимберлита. Экстремально легкие значения изотопного состава углерода (δ13С = –18,59 ‰) свидетельствуют о вовлечении в образование алмаза органического углерода субдукционной природы. Образование алмаза могло быть связано с древним метасоматическим событием, протекающим при ведущей роли низко-Mg силикатно-карбонатных HDF, источником которых были эклогиты и/или содержащие органический углерод субдуцированные осадочные отложения. Расчетные Р-Т параметры (3,7 ГПа, 814 °С) последнего равновесия минеральных фаз лерцолита указывают на его захват с глубины ~118 км, что соответствует участку литосферной мантии (примерно 95-120 км), в пределах которого ранее обнаружены породы, также имеющие признаки специфических преобразований под воздействием субдукционно-связанных флюидов.

Рассматривается необходимость совершенствования стандартных методов трехосных испытаний для описания механического поведения соляных пород. Трехосные испытания являются важным инструментом для определения прочностных и деформационных характеристик горных пород, однако существующие стандарты часто не учитывают специфические особенности солей, такие как значительная пластичность, ползучесть, чувствительность к температурным изменениям, способность залечивания дефектов. В работе подчеркивается критическая важность учета больших деформаций и изменений объема образцов в ходе испытаний, что позволяет более точно моделировать поведение соляных пород. Предлагается введение в стандарты известных коррекционных уравнений для учета объемных деформаций и использования меры деформации Генки. Результаты экспериментальных исследований образцов природных соляных пород и техногенных геоматериалов на их основе демонстрируют существенные погрешности в определении напряженно-деформированного состояния при применении традиционных методов обработки данных без учета специфики солей. Выводы работы предполагают необходимость пересмотра существующих стандартов на трехосные испытания с учетом предложенных подходов, что позволит повысить точность и воспроизводимость данных, критически важных для математического моделирования геомеханических процессов и проектирования в целом.

В плутоне Северный на Чукотке с помощью геологического картирования и минералого-петрографических исследований установлена ассоциация редкометалльно-оловоносных топаз-циннвальдитовых грейзенов (цвиттеров) и турмалиновых метасоматитов, которые генетически связаны с магматизмом, продуцирующим интрузии Li-F гранитов. Исследованы размещение, состав цвиттеров и мусковит-кварц-турмалиновых метасоматитов, образующих ореолы вокруг кварц-турмалиновых жил. Установлен широкий спектр минеральных видов турмалина, встречающегося в пегматоидных гнездах лейкогранитов (турмалин I), дорудных жилах кварц-турмалиновых метасоматитов с флюоритом (турмалин II), раннерудных жилах кварц-турмалиновых метасоматитов (турмалин III), рудных турмалиновых и кварцевых жилах (турмалин IV). Выявлена эволюция турмалина от Sc-содержащего фтор-шерла в дорудных метасоматитах до окси-шерла и оловосодержащего ферро-бозиита в оловорудных метасоматитах при постепенном повышении содержания лития и переменной степени окисления железа. В цвиттерах, мусковит-кварц-турмалиновых метасоматитах и жилах турмалинитов отмечено сочетание оловянной и редкометалльной минерализации. Результаты исследования могут быть использованы для оценки минерагенического потенциала и разработки критериев прогнозирования редкометалльного (Nb, Ce, Y, W, Bi) оруденения плутона Северный.

Наиболее промышленно освоенными методами интенсификации добычи высоковязких нефтей и природных битумов являются тепловые методы воздействия на пласт: пароциклические обработки добывающих скважин, термогравитационное дренирование пласта и площадная закачка теплоносителя. К тепловым также относят термошахтный метод разработки, который подразумевает строительство горных выработок с галерей добывающих скважин и системой паротеплового воздействия. Пример использования термошахтного метода – Ярегская площадь Ярегского месторождения. При разработке Ярегской площади постоянно совершенствуются технологии термошахтного метода. Наиболее распространен подземно-поверхностный метод: теплоноситель закачивается с поверхности через вертикальные паронагнетательные скважины, добыча нефти – в нефтешахте через пологовосходящие добывающие скважины. Практика площадной закачки теплоносителя и результаты геофизических исследований паронагнетательных скважин показали, что при использовании подземно-поверхностного метода разработки Ярегской площади теплоноситель поступает в верхнюю часть пласта, что подразумевает неравномерную выработку запасов по толщине. Для вовлечения запасов сверхвязкой нефти в процесс паротеплового воздействия необходимо повышение давления закачки пара. Однако увеличение давления закачки теплоносителя в ряде случаев проблематично ввиду наличия неоднородностей в пласте (тектонические нарушения через каждые 20-25 м, а также многочисленные микротрещины с различной раскрытостью). В работе представлены результаты экспериментального исследования применения осадкообразующих составов при закачке пара в разных термобарических условиях. Научная новизна состоит в оценке эффективности применения осадкообразующих составов при закачке теплоносителя в зонально-неоднородные насыпные модели пласта. В качестве осадкообразующих составов выбраны растворы сульфата железа, карбоната натрия и хлорида кальция. В результате выполнения трех обработок осадкообразующими составами средняя проницаемость неоднородной насыпной модели пласта была снижена на 55 % при закачке пара с температурой более 170 °С. Эффективный поровый объем при закачке пара увеличен на 70,6 %, что при промысловых испытаниях влияет на увеличение коэффициента охвата паротепловым воздействием и, как следствие, повышение нефтеизвлечения.