Решение проблемы высокого дефицита продукции йода путем извлечения ее из поликомпонентных вод



Подземные промышленные воды (попутные, пластовые) нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождений северной и восточной частей Прикаспийской впадины содержат ряд ценных химических компонентов и представляют собой важное гидроминеральное сырье. Содержание специфических компонентов — брома, йода, бора, лития, стронция и др. в них значительно превышает кондиционные промышленные концентрации. Исходя из существующего дефицита потребления и конъюнктуры мирового и внутреннего рынков, первоочередного внимания заслуживают йод и бром.

Йод наряду с широким потреблением в промышленности, аналитической химии, органическом синтезе и т. п. является важнейшим лекарственным средством. По признанию ВОЗ, в настоящее время 90 % заболеваний связано с йододефицитом населения и 129 стран мира испытывает йододефицит.

Мировое производство йода за длительный период оценивается в 15 тыс. т/год. Основными странами-производителями являются Япония, Чили и США (в сумме около 13 тыс. т/год). При суммарной потребности только девяти ведущих стран мира в объеме 19290 т (2000г.) дефицит по йоду в них составил 9541 т. Наиболее высокий дефицит по йоду сложился в Китае (4000 т), США (2590 т), России (1280 т) и странах СНГ (без РФ) — 950 т/год.

Сегодня всеми официальными институтами признано, что Казахстан — это зона острейшего йододефицита, где более 2/3 населения испытывает эндемический недостаток йода. В Республике принят закон «О профилактике йододефицитных заболеваний» и меры по йодонасыщению. Но проблемы не только не уменьшаются, но и увеличиваются с угрожающей скоростью.

Таким образом, специфический галогенный элемент — йод относятся к категории стратегической продукции, независимой в широком применении в различных областях производства и в здравоохранении.

Традиционным источником получения йода и брома является морская вода, а также озерные и подземные рассолы, обычно связанные с соляными и нефтяными месторождениями. Содержание этих элементов в морской воде составляет соответственно 0,05 и 0,065 %, тогда как в подземных водах нефтяных месторождений может достигать 0,1 % и выше. Единственной страной, где йод добывается из селитренных отложений (с содержанием до 1 %) является Чили — мировой экспортер йода (как и Япония).

Сложившаяся проблема высокого дефицита по йоду заставляет многие государства искать пути его устранения. На постсоветском пространстве йод производится в России (г. Перьм, п. Троицк Краснодарского края, Республика Коми), Азербайжане и Туркмении. В 2005 г завершена разработка проекта обоснования инвестиций в строительстве Астраханского йодного опытно-промышленного завода с производительностью 200 т/год. Сырьем для получения йода квалификации «r» является подземная вода Астраханского ГКМ с концентрацией иодида 25,4 мг/л. Начато проектирование крупного йодо-бромного завода на юге Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции (Тюменская область).

В пределах Прикаспийской провинции промышленных и поликомпонентных вод установлены три крупные области: Северо-Прикаспийская, Жанажол-Кенкиякская и Южно-Эмбинская.

Первая область охватывает Карачаганак-Кобландинскую нефтегазоносную зону. В этой области выявлены и изучены Западно-Тепловская, Тепловская, Цыгановская, Ульяновская, Гремячинская, Чинаревская, Карачаганакская и другие площади. Здесь в процесс бурения многочисленных нефтеразведочных скважин были вскрыты и опрованы горизонты и линзы высокообогащенных поликомпонентных рассолов, приуроченных к нижнепермским и каменноугольным карбонатным коллекторам (табл.1).

Таблица 1

Содержание элементов спромышленной кондицией впластовых водах подсолевых отложений нефтегазоносных структур северной ивосточной частей Прикаспийской впадины

Структура	Геологический индекс водо-вмещающих пород	Содержание йода, мг/л
Северо-Прикаспийская область
Западно-Тепловская Гремячинская Чинаревская Карачаганакская Ульяновская	Р1а Р1а С1+2 С1+2 Р1а	до 42 до 21 12–26 18–46 10–18
Жанажол-Кенкиякская область
Кенкияк Жанажол Синельниковская Южный Мортук Аккудук Аккум Бактыгарын	Р1а С1+2 С2+3 С1+2 С2+3 С1+2 С2 С1+2 С1+2 С1+2	12–70 24–32 12–34 10–36 13–90 24–136 до 266 60–167 42–140 65
Южно-Эмбинская область
Нсановская Тасым	J1 J1+2	20–135 10–100

Водоносные комплексы Северо-Прикаспийской области высоконапорны, а иногда самоизливают. Глубины вскрытия водонапорной системы 2160–5200 м, статические уровни вод в скважинах устанавливаются на глубинах 54–150м. несмотря на высокие пластовые давления (24,0–60,5 МПа) и температуры (58–86ОС), дебиты скважин составляют 0,8–49 м3/сут. Это свидетельствует о низких фильтрационных свойствах водоносных комплексов, на что необходимо обратить внимание при геолого-экономической оценке месторождения. Пластовые воды нижнепермских и каменноугольных отложений повсеместно хлоркальциевого типа с минерализацией 198–408 г/л.

В Жанажол-Кенкиякской области промышленных поликомпонентных вод, в подсолевых водонапорных комплексах — нижнепермском, верхне-, и нижне-среднекаменноугольном на ряде площадей (Жанажол, Кенкияк, Урихтау, Бозоба, Аккудук и др) вскрыты и опрованы хлоркальциевые воды с промышленными концентрациями элементов группы галогенов и редких щелочных металлов (табл.1)

Пластовые воды нижнепермских терригенных отложений вскрыты и опрованы на структурах Кенкияк, Курсай, Каратюбе,Северный Киндиксай и др. Суммарная эффективная мощность комплекса — 17–130м при пористости водонасыщенных пород 2,6–19 %, проницаемости 120–375 мД. Воды комплекса высоконапорные с дебитами на самоизливе 0,28–108 м3/сут, с минерализацией 83–331 г/л.

Средне-верхнекаменноугольный карбонатный комплекс изучен на структурах Жанажол, Синельниковская, Алимбетмола, Урихтау, Тохутколь, Жантай и др. Дебиты скважин составляют 2,18–29 м3/сут при понижениях среднединамического уровня 512–709 м. Статические уровни устанавливаются на глубине 9–138 м. Воды комплекса исключительно хлоркальциевого типа с минерализацией 50–160 г/л. Нижне-среднекаменноугольный карбонатный комплекс залегает на глубинах 1857–5001 м. Дебиты скважин в пределах Жанажол-Синельниковской нефтегазоносной зоны составляют 1.2–6 м3/сут при понижениях на 763–1400 м. Статические уровни устанавливаются на глубинах 30–120 м. На Кенкияке, Бактыгарине, Аккуме, Аккудуке и других структурах воды комплекса высоконапорные и дают самоизливы с дебитом 0,3–6,0 м3/сут. Воды повсеместно хлоркальциевого типа с минерализацией 50–150 г/л.

На юге-востоке Прикаспийской впадины на ряде структур — Шолкара, Уртатау — Сарыбулак, Елемес и других установлена область поликомпонентных промышленных вод, охватывающая водоносные комплексы от верхнеюрского до каменноугольного. Особый интерес представляет Елемес-Тасымовский район. Здесь впервые в надсолевом комплексе установлены аномальные концентрации йода, брома, лития и других компонентов.

Таким образом, в Прикаспийской провинции установлены ряд областей промышленных поликомпонентных рассолов, сопутствующих различным нефтегазоносным структурам и охватывающих широкий диапазон водоносных комплексов, от юрских до каменноугольных включительно.

Для Западно-Казахстанской области наиболее интересным является Карачаганакское газоконденсатное месторождение. Вода в эксплуатационных скважинах месторождения добывается вместе с нефтью в ограниченном количестве скважин. Источником воды в эксплуатационных скважинах в большинстве случаев является водоносный горизонт, расположенный над тульскими отложениями. Наличие этого горизонта зависит от локальных пластовых фаций и структурной глубины тульских глинистых отложений (С9). Глубина залегания тульского горизонта ниже нефтеносного интервала является важным фактором в появлении воды. Скважины, под которыми тульский горизонт находится выше ВНК, имеют низкий шанс появления воды, так как водоносный горизонт изолирован от нефтеносного непроницаемой толщей глин. Вертикальные и почти-вертикальные структуры (трещины, разломы и т. д.), скорее всего, являются механизмом появления воды в эксплуатационных скважинах. Основная масса обводненных эксплуатационных скважин расположены в северной периферийной части месторождения и западной части, где тульский глинистый горизонт уходит под ВНК, который условно принят для всего месторождения Карачаганак на глубине с абсолютной отметкой -5165 м, что подтверждено скважиной 9844 пробуренной в западной части.

Также есть примеры обводненных эксплуатационных скважин с источником воды из локальных водоносных линз, находящихся выше ВНК. Плотные карбонатные фации могут образовывать уплотнения, в которых задерживается вода. Этот механизм хорошо укладывается в систему проградаций, где несколько клиноформ могут быть непроницаемыми и удерживать воду в геологических телах, которые они ограничивают. Примерами такого механизма обводненности являются скважины 9840 и 913. Локальные водоносные линзы в этих скважинах представлены аномально низким сопротивлением формации (при 15 % пористости ~15 Ωм в скважине 913), что является следствием повышенной минерализации воды по сравнению с пластовой водой третьего объекта.

Воды нижнекаменноугольного и верхнедевонского комплексов подсолевого гидрогеологического этажа близки между собой как по плотности, общей минерализации, так и по солевому составу. В связи с этим в данной работе они рассматриваются как единый водоносный комплекс.

Данные воды представлены хлоркальциевыми рассолами, плотность которых изменяет от 1,07 г/см3 до 1,12 г/см3 с содержанием солей от 97,27 до 212,9 г/л. Преобладающими ионами являются хлор и натрий. Концентрация хлора варьирует в пределах 62,5 до 126,6 г/л, натрия от 24,8 до 69,5 г/л. Содержание сульфатов значительно меньше и составляет 0,1 до 2,9 г/л. Гидрокарбонат-ион не превышает в пробах 1,87 г/л. Содержание кальция и магния не превышает 14,0 и 2,2 г/л соответственно. Общая минерализация в среднем составляет 140,1 г/дм3, плотность варьирует от 1,07 до 1,12 г/см3, жесткость воды в среднем равна 494,7 мг-экв/дм3.

Коэффициент метаморфизации по отношению rNa/rCl изменяется от 1,02 до 0,64. Общая жесткость варьирует от 337 до 845 мг-экв/л. Воды слабокислые — рН 5,70–6,83.

Микрокомпоненты представлены в полном составе, но в малых концентрациях (Табл.1). Так содержание брома в большинстве случаев не превышает 0,05 мг/л и лишь в скважине 933 достигает 244 мг/л. Содержание фтора имеет похожую картину и в большей части представленных анализов составляет менее 0,10 мг/л. Максимальная концентрация железа достигает 3,64 мг/л., йода -. Основные компоненты (медь, никель, марганец, цинк, кобальт и свинец) присутствуют в незначительных количествах.

Таким образом, можно сделать вывод, что ионно-солевой состав, минерализация, плотность, жесткость и другие характеристики подземных вод, отобранных с сепаратора близки по своим качествам к пластовым водам нижнего карбона и верхнего девона, отобранных в глубинных условиях в период разведки месторождения.

Скважины 27, 9811, 9824, 9827, 9837 расположены за северным разломом и вскрывают нижний карбон. Минерализация данных вод варьирует от 130,4 до 149,3 г/дм3, жесткость воды составляет 410–487 мг-экв/дм3, рН среды 5,9–6,3, плотность в среднем равна 1,1 г/см3, воды хлоркальциевого типа, преобладающими ионами являются хлор и кальций. Таким образом, можно сделать вывод, что пластовые воды каменноугольных отложений в скважинах, расположенных за северным разломом идентичны тем, что вскрыты в скважинах до разлома в одновозрастных отложениях.

В ходе проведения исследований по определению состава попутно-добываемой воды по эксплуатационным скважинам 9829, 9832, 9833 и 6394 были отмечены повышенные значения обводненности добываемой продукции 11,12 %, 17,04 %, 16,4 % и 12 %, соответственно. Химический анализ характеризует данную воду, как близкую по своему составу к пластовой. Обводненность продукции обнаружена в скважинах третьего объекта и связана с подстилающими водоносными горизонтами, где ствол добывающей скважины находится в непосредственной близости к ВНК. Поступление воды происходит не сплошным фронтом, как при подъеме ВНК, а избирательно. Вероятно, вода поступает в скважину на отдельных участках горизонтального ствола, что обусловлено неоднородностью коллектора и возможным наличием в продуктивных отложениях зон трещиноватости, каверн и других путей прорыва воды при снижении давления в зоне отбора.

Следует отметить, что обводненные скважины расположены в западной и северной частях месторождения, т. е. в тех местах, где тульский экранирующий пласт находится ниже ВНК. Таким образом, можно сделать вывод, что отсутствие изолированности от водоносного пласта посредством тульского горизонта и наличие трещин и повышенной проницаемости пород-коллекторов являются главными причинами обводненности скважин.

Возможность использования подземных вод месторождения Карачаганак в качестве гидроминерального сырья имеет весьма ограниченное применение.

Незначительная водообильность исследованных подсолевых водоносных горизонтов делает их непригодными для использования как в промышленных, так и в других хозяйственных целях.

Воды надсолевого этажа имеют практическое значение. Так на базе маастрихтского водоносного горизонта, содержащего, как правило, пресные воды с минерализацией 0,3–0,9 г/л, осуществляется водоснабжения г. Аксай. С пресными подземными водами средне-верхнечетвертичных аллювиальных отложений связано Жарсуатское месторождение, используемое местным населением в хозяйственно-питьевых целях.

Пласты-коллекторы триасовых и татарских отложений верхней перми являются эксплуатационными на полигоне закачки промышленных стоков, т. к. надежно изолированы от вышележащих водоносных горизонтов мощными водонепроницаемыми породами (экраны А, Б и В), воды комплекса не выходят в ближайшей окрестности на дневную поверхность и не имеют связи с рекой.