The development of mankind is continuously linked to geographical factors. Minerals, bioresources, rocks, and means of production did not have clear boundaries and distinctions at the initial stages of society's development. A single mineral could represent a part of a mountain range, and then be used as a tool. Alterations usually consisted of minor physical processing. The interaction between man and nature became more complicated and increased. Today, it is important to study the interaction of the noosphere and the lithosphere.
Keywords: minerals, rocks, scheme, wells, development prospects.
Введение
Преобразование природных веществ достигает значительного уровня передела, применяются не только химические, но и атомные преобразования, очистка и воспроизводство новых веществ. Для производства и деятельности человека в материальном и информационном поле, на данный момент, необходимо наличие сырьевой базы, которая преобразуется в средства, носители информации, энергию, материалы. Наличие сырьевой базы, климатических, инфраструктурных ресурсов определяют возможности и преимущества для развития. Изучение горных пород, полезных ископаемых, способов их использования стратегически актуальный вопрос для общества. Анализ возможности и рисков использования западного опыта вопрос стратегической безопасности. Актуально исследовать имеющиеся данные о горных породах и ископаемых, определить перспективы будущих исследований. Задачи работы: исследовать данные о ресурсах и ископаемых, определить перспективные направления развития и исследований, определить возможности и риски развития. Объект и предмет работы: ресурсы и полезные ископаемые. Цель работы: Исследовать имеющиеся данные о горных породах и ископаемых, определить перспективы будущих исследований.
Методы исследования: анализ литературы, исторический, индуктивный, статистический, иллюстративный методы. В работе рассматривается информация из литературных источников, приведённых в списке библиографии, и данных официальных ресурсов сайтов компаний и учреждений. Видеоматериалы соответствующих исследователей.
Новизна работы заключается в рассмотрении малоизученных вопросов, перспектив, оценке имеющегося потенциала в добычи ресурсов, обозначены схемы разработок. Определены основные направления перспективных разработок и перспективные направления развития.
Совершенствуются технологии добычи ископаемых, увеличивается степень извлечения полезных минералов из породы. Применение новых методов исследований и способов извлечения минералов позволяет обеспечивать технологическую базу развития общества.
Основная часть
Тектонические и геологические процессы охватывают масштабы планеты и временные рамки миллиардов лет. Поднимаются и выветриваются горы, эпохи и деятельность океана формируют залежи ископаемых, используя которые, человек редко задумывается о масштабах процессов, которые предшествовали его работе. Ещё меньше озабоченности вызывают вопросы стратегии развития, хотя бы, в рамках двух тысяч ближайших лет. Идеология недавнего времени, формируемая по западным лекалам, преклонение перед западными стандартами и культурой создавало стратегически безответственное отношение к разработке политики отечественных компаний. Разработки, основанные на западных методичках для третьих стран, без необходимых корректировок приводили к зависимости от запада, собственно, для чего изначально и разрабатывались на западе. В стратегических технически сложных областях, разработки в которых даже на западе возможны в монополиях выводились в область свободной конкуренции, что приводило к зависимости от запада в областях, где необходима технологическая независимость, которую может обеспечить государственное стратегическое долгосрочное планирование и ориентирование на долгосрочные отечественные интересы.
«Нефть — не топливо, топить можно и ассигнациями» говорил о химической ценности ископаемых Дмитрий Иванович Менделеев [3]. Сегодня нефть подвергается глубоким степеням переработки. Возможно, в стратегически далёком будущем минерально-сырьевая база будет использоваться как сырье для передельного производства, а не для основы топлива. Производство многих веществ для топливной составляющей, возможно, будет воспроизведено экоподобными системами. Многие ответы могут быть найдены в процессах почв, бентоса. Находясь на стыке живого и неживого в почвенном слое воспроизводится формирование многих веществ. Почвы как ресурс относят как к биологическому, климатическому, так и литосферному богатству. В целом невозможно изолированно рассматривать один процесс без взаимосвязей с другими процессами. При разработке месторождений тех или иных ископаемых, отношение их к определённому классу определяется рентабельностью, то есть экономической составляющей, которая зависит от технологических и инфраструктурных возможностей. Понимание комплексности ресурсов и взаимосвязь ноосферы и биосферы выражается в ответственном подходе к экологической безопасности, рекультивации земель, экономических возможностей. Озеленённые терриконы и превращение в зарыбленные озера бывших карьеров свидетельствует о рациональном комплексном использовании ресурсов.
Терриконы, возникающие при снятии верхних слоёв, карьерном способе добычи, представляют меньшую опасность, терриконы образованные после обогащения руды способны к химическому течению реакций внутри террикона, в результате чего возможно выделение веществ и термическая неустойчивость. Создание барьерного слоя над химически активными насыпями, последующая рекультивация и озеленение необходимые экологические мероприятия.
Пример изучения почвенного профиля изображён на рис. 1. На примере изображена почва пластинчатая кремнезёмистой структуры и слой «В» с карбонатными вкраплениями, которые определяются реакцией с кислотой, например уксусной. Количество песчанников определяется скатыванием и рассыпчатостью.
Рис. 1. Исследование почвы и керна. Источники: составлено автором
С глубины образцы породы для изучения достают в виде керна с помощью колонкового долота и инструмента, используют также шлам, отобранный на определённой глубине, с помощью изучения породы выявляют ее коллекторские свойства, углеводороды, например дают свечение под ультрафиолетом.
С помощью изучения сейсмических волн, естественных и искусственно создаваемых с помощью взрывов сейсмозарядов, определяют гипотетическое расположение пластов до начала разработки. Для установки зарядов используют разведочные сейсмические скважины, относительно небольшой глубины. Волны продольные и поперечные распространяются с разной скоростью в пластах с разными колекторскими свойствами. В разведочных скважинах после отбора керна, применяют различные методы исследования непосредственно в скважине.
Полезные ископаемые, залегающие в доступной глубине для открытого способа добычи, извлекают карьерным способом. Нефтяные битумы из песчанников извлекались шахтным способом, доставаемые песчаники термически обрабатывались, разжиженный битум стекал из раздроблённого песчаника. Такой способ добычи был известен ещё до открытия промышленных жидких нефтей, например, возле Ромашкинского месторождения. Сегодня добыча битума ведётся с помощью парогравитационных способов. Битум «выпаривают» из пластов с помощью парных параллельных скважин, с одной подают пар, в другой ведётся отбор. Например, в Ашальчинском месторождении. Схема выщелачивания изображена на рисунке № 2. При экономической целесообразности уже сегодня применяют методы подземного выщелачивания, обычно это залежи на глубинах недоступных для прямого открытого способа. Некоторые минералы, такие как уран, часто добывают скважинным способом с промывным режимом.
Карьерными методами добывают, например, запасы золота в Якутии. Карьерным открытым способом добывается до 90 % руд цветных и черных металлов, до 70 % угля. Строительные материалы добывают открытым карьерным способом. Карьер представляет собой искусственное углубление в земной коре. Подошва которого соединяется с верхним контуром уступами, террасами, обеспечивающими транспорт и устойчивость при разработках бортов. При разработке карьеров добывается горная порода, руда, которая в дальнейшем обрабатывается или используется, если это составная часть строительного материала. Отдельные минералы, крупные самородные элементы, поделочные камни, добываются вручную. Горные породы, используемые в качестве строительного декоративного материала, выпиливаются из массива породы с сохранением текстуры породы, что после обработки придаёт эстетический вид материалу.
Таким образом, в современном производстве используются материалы сырьевой базы открытым карьерным способом, шахтным закрытым способом, скважинной добычей без доступа человека в продуктивный пласт. Взаимодействие и влияние литосферы, ноосферы, гидросферы, биосферы предопределяет наличие большой ответственности при воздействии на природу. Технологическое развитие открывает новые возможности исследования земной коры и способы взаимодействия, добычи полезных ископаемых. Наличие месторождений чистой артезианской воды обеспечивает стратегическую продовольственную безопасность регионов и стран. Обеспечивается сохранность подземных источников качеством подземных работ в особенности изоляционных и цементирования скважин. Перспективны направления исследований мирового океана, большое количество ресурсов находится не только на дне или шельфе океана, но и в виде раствора в океанической воде.
Технологические разработки способны вывести из технологической и экономической зависимости, обеспечить основу стратегического планирования. Для ведения хозяйственной деятельности в современном мире используется различная сырьевая база как непосредственно, так и для создания определённых передельных веществ. Множество веществ, выделяемых из природы человеком принято считать ресурсами. Однако не все ресурсы и сырье выделяются непосредственно из земной коры, то есть лежат за пределами изучения геологии. Полезными ископаемыми обычно называют ресурсы из области литосферы. Однако, наличие, например, лесов или сельского хозяйства связано с наличием почв. Почвы находят промежуточное положение между неживой и живой природой. Таким образом геологические и климатические факторы определяют возможность наличия большей части необходимых человеку ресурсов.
Горными породами считают природные агрегаты земной коры, а полезными ископаемыми образования земной коры, которые используются в хозяйстве. Горной породой считают, обычно, некую совокупность минералов и веществ в естественно агрегатном состоянии, с вытекающими из этого разносторонними свойствами. Таким образом, под полезными ископаемыми и минералами с практической точки зрения правильнее подразумевать не только твёрдые, но любые ископаемые, которые необходимы в хозяйственной деятельности. То есть ископаемые могут не иметь кристаллической упорядоченной атомной структуры. Классификация горных пород связана с их происхождением: магматические, метаморфические, осадочные. Полезные ископаемые классифицируют по вещественному составу, происхождению и области применения, например: рудные, строительные, топливные.
После отнесения экспертами запасов к определенной категории: A,B,C, достоверные, прогнозные, вероятные. Ведётся подсчёт по объёму. Упрощенная формула подсчёта на формуле 1.
V= F*n, (1)
Где F — объёмы залежи,
n — коэффициент полезного обьема минерала в горной породе
Для определённых условий подсчёты конкретизируются, вносятся поправки. Современные методы компьютерного моделирования позволяют точно производить моделирование запасов на ЭВМ, прокладывать траектории скважин соответственно пластовому залеганию. С развитием разработки месторождений и повышением технологического уровня, породы и пласты, которые ранее не рассматривались как рентабельные, начинают разрабатываться. Например, монорудные залежи, начинают разрабатывать как полирудные с извлечением дополнительных минералов. Трудноизвлекаемые нефти или нерентабельные пласты и залежи используются как рентабельные с помощью современных методов повышения нефтеотдачи. Изучаются возможности дополнительно добывать в газовых, нефтяных, водных скважинах растворённые минералы, уран. Например, методом подземного скважинного выщелачивания. Метод заключается в использовании скважин после извлечения основного минерального сырья. Через нагнетательные скважины прокачивают растворы щелочи или серной кислоты, в соответствии с содержащимися урановыми минералами. На рисунке 2 упрощено изображён процесс выщелачивания. По факту на месторождении может быть ряд или поле нагнетательных или добывающих скважин, в соответствии с имеющейся инфраструктурой и геологическими условиями. Особый интерес представляет инфраструктура, разработанная в СССР или перспективная разработка Западной, Восточной Сибири, Сибирском Плоскогорье Якутии, Дальнего Востока.
Рис. 2. Схема подземного скважинного выщелачивания с помощью нагнетательных и добывающих скважин. Источник: составлено автором
В современных исследованиях можно наблюдать увеличение использования скважинной добычи не только жидких или газообразных ресурсов, но и твёрдых минералов методами выщелачивания, растворения и выноса на поверхность, где минералы извлекают, а реагенты возвращают в нагнетальные скважины для нового цикла промывки. Понимание химических процессов и капилярных физических: основа соответствующих разработок. Например, меценат, алхимик Николя Фламель 1330г.р., разрабатывал методы выпаривания минерального золота из царской водки. Современные методы добычи попутных минералов или поэтапное извлечение различных минералов по завершении эксплуатации скважин по основному минералу, например, после четвёртой стадии разработки: одно из перспективных направлений исследований. В недавнем времени добыча жидких ископаемых могла осуществляться карьерным или колодезным способом. Разные методы строительства скважин разрабатывались в разных странах, например, в Баку (Российская Империя), Техас, Пенсильвания (США), Перпиньяна (Франция).
Французский инженер Пьер-Паскаль Фовель использовал при бурении 219 метровой скважины под артезианскую воду промывку для очистки от шлама. Впервые запатентовал систему с полыми штангами для циркуляции и систему промывки в 1833–1844 году. Тем или иным способом производилась копка и обустройства скважин для воды и нефти во многих регионах, однако впервые была запатентована система искусственной циркуляции. Это время принято считать революционной отправной точкой в инженерно полноценном бурении скважин. До этого времени техника не позволяла создавать подобные системы. Схема горизонтальной скважины с основными зенитными стратиграфическими поараметрами (вертикальный профиль) представлена на рисунке 3. Представленная схема отражает антиклинальное залегание пластов, непроницаемые пласты образуют крышу пласта, под которой в коллекторных породах существуют флюиды. Антиклиналь представляет собой складку пластов на глубине.
Рис. 3. Схема геологического профиля скважины с горизонтальным стволом. Источники: составлено автором
На рисунке 3 обозначены следующие метрические параметры: hр- высота ротора, l ст — длина ствола с учетом реальной траектории, h верт. — глубина по вертикали, глубины кровли и подошвы пласта, hу- высота устья над уровнем моря.
Объем цилиндрических частей считается по формуле:
V = 0,785 × d^2 × l
Где V — объем, l- длина по стволу (инструменту), d- диаметр.
Объем внешних полых цилиндрических объемов считается, как разность внешнего и внутреннего объема.
Давления считаются соответственно вертикальных глубин, то есть нужно учитывать корректирование на отклонение от вертикали. Учитывать необходимо поправки на динамическое сопротивление и сжимание жидкости, а также эффект поршневания и инерцию массы жидкости и металла. Учитывают также коэффициенты запаса. Формула давления с различными преобразованиями и коэффициентами выглядит как произведение плотности, глубины, ускорения свободного падения, коэффициента сопротивления и запаса. Необходимо, учитывать слои разной по плотности и вязкости жидкости, возможный слой газирования. При операциях- возможность менять плотность жидкости с определённой глубины, ограниченной глубиной спуска инструмента, например, при глушении и необходимость объёмных методов, целесообразность и устойчивость пластов.
Во время строительства первых скважин с увеличением глубины, возрастало количество пластов с разной пластовой энергией и составом насыщенности, возникал вопрос разобщения коллекторных пластов. Без соответствующей изоляции артезианская вода, нефть или другие минералы, попадая в вышележащий интервал устремлялись в коллекторные пласты. Кроме того, возникало размытие скважины, засорение ствола и флюида. Уже в 1905 году, русским инженером Адамом Александровичем Богушевским было произведено цементирование заколонного пространства скважины с использованием двух пробок. Затем технология была запатентована. Издревле в качестве цемента использовалась обожженная известь, в 1584 году на Руси создан «Каменный приказ», учреждение, занимающееся каменными работами. Цемент на основе обожженной (отделение углекислоты) извести и глины, как основа современных цементов запатентован в 21 октября 1824 года, Джозефом Аспдином. Основная схема одноступенчатого цементирования Богушевского с некоторыми дополнениями используется и в современных способах. В современных методах повышения отдачи пластов и нефтеотдачи большое значение имеет применение бурения боковых стволов, горизонтальных стволов, что позволяет в большей степени обеспечить плошать фильтрации из пласта. Когда небольшой по толщине пласт проходится скважиной не по вертикали, а по горизонтали, то есть параллельно наибольшей протяжённости пласта. Кроме того, инфраструктура на месторождении с использованием наклонных скважин обеспечивает равномерное распределение на глубине в интервале продуктивных пластов. На рисунке 4 представлена примерная схема цементирования горизонтального участка, а на рисунке 5 примерная схема соответствия инфраструктуры месторождения (кустового расположения) и реальных фильтрационных участков скважин по азимуту.
Рис. 4. Схема цементирования горизонтального хвостовика скважины. Источники: составлено автором
На рис.4 изображены стадии цементирования хвостовика в упрощённом виде, 1- промывка, 2 — начало продавки и движение верхней пробки, 3- схождение верхней и нижней пробки, 4- движение пробок и продавка цемента, 5- посадка пробок и завершение процесса, 6 — после освоения. Цифрами 1–2–3 изображены пробки и посадочное место.
Современные методы повышения нефтеотдачи пластов позволяют располагать скважины параллельно пластовому залеганию с высокой точностью. Моделирование залежи и проводка горизонтальной скважины по пласту с высокой точностью, её последующее цементирование, возможно выполнять с помощью современного оборудования и вычислительных систем, например, «Геонавигация» (рис 6).
Рис. 5. Схема инфраструктуры устьев скважин на месторождении и азимутального пластового расположения фильтров. Источники: составлено автором
Рис. 6. Моделирование пластового залегания. Источники: кадр на основе программного обеспечения геонавигации
Технологические разработки представляют интерес для конструкторского осуществления при импортозамещении, развитии отечественной промышленности. Западные разработки на организационном уровне представляют опасность для государственной безопасности, так как ориентированы на западное доминирование за пределами стран метрополий. Многие российские компании перенимали весь имеющийся опыт без должного анализа безопасности и адаптации к суверенному использованию, для которого необходима соответствующая технологическая база, планирование, государственное управление и контроль взаимодействия участников, а также целевой анализ информационных и организационных заимствований, их адаптация и переосмысление. Последнее время многое делается для повышения суверенности в организации, экономике, управлении, технологической базе.
Таким образом, в перспективе возможно использование инфраструктуры месторождений при повышении рентабельности извлекаемых минералов. С увеличением суверенной технологической базы, увеличением рентабельности, возрастают возможности обеспечения соответствующей технической базы. Инфраструктура добычи одних ископаемых может быть использована для увеличения добычи или использования для добычи других вторичных ископаемых, которые ранее не рассматривались как запасы способные к извлечению. Однако, необходимо стратегически обоснованное планирование, исключение факторов рыночного конкурентного влияния на принятия решений стратегического масштаба.
Заключение
Опыт исследования земной коры, горных пород, ресурсов, показывает, что происходит постоянное развитие понятий о полезных ископаемых. Совершенствуются технологии добычи, увеличивается степень извлечения полезных минералов из породы. Совершенствуются способы рекультивации земель. Открываются новые возможности и инфраструктура для разработки. Применение новых методов исследований и способов извлечения минералов позволяет обеспечивать развитие человеческого общества.
Однако, конкуренция на мировом рынке создаёт политические факторы технологического введения в зависимость стран, которые не способны осуществить независимую технологическую стратегию. Организационные моменты зачастую несут в себе скрытые угрозы, направленные на устранение конкурентов. В связи с чем взаимное сотрудничество должно рассматриваться с точки зрения наличия рисков стратегической, организационной, технологической безопасности. Организация, охрана труда, технология, стратегические вопросы политики компаний, создаваемых по западным лекалам, несут в себе скрытые угрозы, которые заложены конкурентными стремлениями западных компаний и стремлению к доминированию. Однако, тенденции суверенного преобразования и платформенной экономики создают противовесные возможности для развития ресурсной базы в интересах отечества.
Основным показателем к переоценке запасов тех или иных ресурсов является рентабельность извлечения, которая естественно должна быть выше чем затраты на разработку. Использование новых методов, позволяет увеличивать стратегическую ресурсную базу. Перспективное развитие отечественной промышленности возможно только на основе самостоятельной отечественной политики компаний, необходимы механизмы защиты от избыточной конкуренции и стратегически обоснованное планирование. Соответствующая техническая база и освоение новейших технологий позволяют разрабатывать месторождения на суше и море, увеличивать ресурсную базу в соответствии с техническими возможностями. То есть, наличие технологий, ресурсная база, государственное участие и суверенность имеют вполне реальную взаимосвязь и влияние на перспективы развития добывающей промышленности, общества и отечества.
Литература:
- Богушевский, А. А. К вопросу о затоплении водой бакинских нефтяных промыслов: О цементировании (тампонаже) нефтяных буровых скважин / Горн. инж А. А. Богушевский. — Санкт-Петербург: тип. П. П. Сойкина, 1909. — [1], 30 с., 3 л. схем; 26.
- Иванова Т. Н., Красноперова С. А. Развитие технологий бурения недр // Управление техносферой: электрон. журнал. 2019. Т. 2, Вып. 1. С. 47–62.
- Чугаев, Лев Александрович.Дмитрий Иванович Менделеев: Жизнь и деятельность / Проф. Л. А. Чугаев. — Ленинград: Науч. хим.-техн. изд-во, 1924. — 58 с., 1 л. портр.; 24 см.
- Чибидин, В. С. Вопросы организации экономических систем и классификации стран / В. С. Чибидин // Финансовая экономика. — 2024. — № 12. — С. 175–177.
