CC BY
73
СЕМИНАР 16
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Ю.П. Журавлев, В.Г. Чайкин,
А.К. Вишняков, Ю.В. Баталин, И.Ф. Садыков, В.Н. Александров, Б.С. Реморов, 2001
УДК 622.234.5
Ю.П. Журавлев, В.Г. Чайкин, А.К. Вишняков, Ю.В. Баталин, И.Ф. Садыков, В.Н. Александров, Б.С. Реморов
ПЕРСПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ И КАЛИЙНОМАГНИЕВЫХ ПОРОД СКВАЖИННЫМ СПОСОБОМ
обыча искусственных рассолов при растворении соляных залежей через скважины с земной поверхности (скважинная добыча), из-за простоты организации и высоких экономических показателей, получила широкое распространение в мировой практике (Аренс, 86) и в настоящее время является основным при добыче каменной соли для получения поваренной соли «Экстра», содового, хлорного и др. производств.
В зависимости от горногеологических условий и порядка разработки месторождения различают камерное и сплошное растворение.
При камерном растворении месторождение отрабатывается отдельными камерами с оставлением между ними целиков для обеспечивания устойчивости земной поверхности. Могут применяться как индивидуальные, так и взаимодействующие скважины. При этом существуют неуправляемые прямоточный и противо-точный способы, обеспечивающие растворение солей во всей вскрытой мощности соляной толщи (без создания подготовительной выработки) и управляемые способы до-
бычи искусственных рассолов-гидровруба и послойного растворения. К достоинствам первых -относится малая продолжительность подготовительного периода и облегченная конструкция скважин, а следовательно, небольшие экономические затраты; а к недостаткам - неполное насыщение раствора (не выше 290-300 г/л) и, в связи с этим, низким коэффициентом извлечения соли (10-15 м3/ч) и небольшим сроком эксплуатации добывающей скважины. Для обоих способов характерна опасность оседания земной поверхности, из-за неуправляемости процесса растворения, невозможность его применения при содержании н.о. более 19 % и малая производительность.
К основным недостаткам других методов относится большая продолжительность подготовительного периода, наличие в начале работ большого количества ненасыщенного рассола и сложность управляемости процессом в эксплуатационный период.
Однако метод послойного растворения обеспечивает достаточно высокую производительность скважины (до 70-80 м3/ч) и спо-
собность управлять формой и параметрами получаемой камеры. Вместе с тем данная система разработки позволяет извлекать продуктивной породы не более 20 %, при минимальной мощности данного пласта 40 м (Галургия, 83), т.е. эта система может быть относительно эффективной при разработке мощных однородных соляных залежей (например, каменной соли).
Батарейный метод (число
скважин может быть больше двух) применяется для разработки относительно маломощных залежей.
Суммарная производительность таких «батарей» значительно выше, чем производительность одиночных или сдвоенных камер.
Развитием батарейного метода является метод сплошного растворения без оставления опорных целиков. При сплошной системе процесс растворения протекает на значительных площадях, что неизбежно приводит к деформации земной поверхности. В таких условиях используется планомерная плавная просадка надсолевых пород в результате применения определенного режима отработки залежи (интенсивности водопода-чи на отдельных участках) в течении всего эксплуатационного периода. Этим достигается высокий коэффициент извлечения соли: значительно больше 60 %. Однако недостатком этого способа отработки является неизбежная деформация земной поверхности, что в общем-то не является помехой на месторождениях или их участка, где допустимы сдвиги земной поверхности. Для соляных пород сплошная система разработки заключается в создании как бы одной общей полости для многих скважин, равномерно распределенных по участку разработки и соединенных между собой.
Приведенные выше различные модификации камерного получения искусственных растворов
Д
(рассолов) за счет растворения соляных пород осуществляются вертикально пробуренными скважинами. Все эти модификации эффективны при достаточно мощных и однородных соляных залежах. При наличии относительно маломощных залежей, эффективность камерной системы резко понижается за счет увеличения количества скважин, необходимых для большего количества небольших по высоте камер растворения. В некоторых таких случаях положительным решением этого является метод сплошного растворения.
Верхнекамское месторождения характеризуется серией калийных и калийно-магниевых пластов, относительно небольшой мощности, переслаивающихся пластами каменной соли. Поэтому применение для такого месторождения вертикальных как одиночных, так и сбитых между собой геотехнологических камер, охватывающих бы всю продуктивную часть толщи, будет не очень эффективным из-за низкого содержания полезных компонентов в получаемых рассолах. В таких условиях более перспективна будет отработка отдельных калийных пластов горизонтально расположенными по их простиранию гео-технологическими камерами с последующей сбойкой их (если для этого участка месторождения допустимы просадки земной поверхности) и применением сплошной системы подземного растворения. Такое расположение камер взято за основу разрабатываемой в ЦНИИгеолнеруд модификации скважинного способа разработки калийных и калийно-магниевых солей.
Современное развитие буровой техники позволяет вписывать горизонтальный буровой ствол в пласт мощностью 3 -5 м при глубинах его залегания до 800 м. Успешное бурение горизонтального участка скважины было осуществлено нефтепромысловиками
Пермской, Куйбышевской, Иркутской областях, в Красноярском, Ставропольском краях, в Башкирии, Татарстане и на Западной Украине. Так, например, для одной из скважин Московского месторождения нефти в Иркутской области протяжение горизонтальной части ствола составило более 600 м (Калинина и др., 96). Таким образом, становится возможным создание горизонтально расположенных вдоль продуктивного пласта камер растворения, с такими вариантами схемы расположения камер, которые в той или иной степени могли бы быть подобны существующим системам горных выработок при шахтном освоении месторождений солей.
Это позволило бы использовать огромный их опыт по управлению горным давлением для предотвращения интенсивных просадок земной поверхности, добиваясь вместе с тем, более значительное извлечение полезного ископаемого. Наклонно-горизонтальные скважины для глубин до 2000 м бурятся обычными буровыми установками с помощью стандартного (Калинин и др., 90) бурового оборудования. Во многих случаях бурение таких скважин применяется для создания подземных нефтегазохранилищ горизонтального типа в пластах каменной соли малой мощности. При получении искусственных рассолов, наклонно-
горизонтальные скважины были применены для объединения нескольких вертикальных водоподающих скважин при создании сплошной системы растворения на одном из участков Ново-Карфагенс-кого месторождения каменной соли (Однопозов, 81).
Для горизонтальных камер, даже длиной не менее 500 м, все же желательно подвергнуть растворению еще более значительные поверхности соляных пород. Одним из способов создания дополнительных поверхностей раство-
рения солей, с целью большего увеличения производительности получения концентрированных рассолов в минимальный срок, является возможность воздействия на них подземного взрыва с образованием большого количества трещин.
В настоящее время разработаны новые высокопродуктивные химические взрывные вещества, в том числе и жидкие, которые можно легко загружать в полученные, вышеописанными способами, горизонтальные полости.
Такая подготовка дополнительных поверхностей растворения обеспечит, при скважинной добыче высокую производительность получения продуктивных растворов, малый объем подготовительных работ по вскрытию и подготовке соляных пластов в растворению.
Вместе с тем, применение (для интенсификации процесса растворения) взрывчатых веществ (ВВ) предполагает возможность перевода соляных пород в подвижное состояние не только путем их растворения: возникают условия перевода этих пород в подвижное состояние путем гидромеханического воздействия на них струями равновесных рассолов. Данное воздействие на уже нарушенную породу обеспечивает их повышенную подвижность в связи с изменением силы сцепления отдельных обломков и кусочков породы, за счет их смачивания и насыщения рассолом свободных между ними промежутков. Кроме того гидромониторные струи обладают способностью додрабливать и размывать крупные куски породы. Затем под влиянием энергии нагнетаемого рассола и попутно подаваемого сжатого воздуха (эрлифто-вый способ) обеспечивается подъем на поверхность через скважины частиц солей в виде пульпы, т.е. дисперсной системы, в которой твердая фаза представлена частицами гранулометрического соста-
ва продуктивной породы, а жидкая - насыщенным по их составу рассолом. Полученные, в процессе такой добычи пульпы, соответствуют исходному составу солей продуктивной залежи.
Соляные породы по своим прочностным свойствам и по принятой в горном деле терминологии, относятся к полускальным и средневзрывным. Проведенные на кафедре ТТХВ Казанского государственного технологического университета (КГТУ) теоретические расчеты показали, что размеры взрывного дробления, в зависимости от физико-механических свойств, структурных особенностей соляного массива (Проскуряков и др., 73; Зильбершайн и др., 77; Пермяков и др., 92), а также средних энергетических параметров применяемого ВВ составят при диаметре заряда 100 мм, для красных сильвинитов пластов КрШ, Кр11, А и пестрого сильвинита пласта Б, соответственно: 1,79; 1,25; 1,56; 1,83 м, а для кар-наллитовой породы пласта В -1,90 м. Диаметры зоны трещиноватости, при всех тех же условиях, для вышеупомянутых сильвинитов будут равны соответственно: 6,88; 4,37; 7,27 и 6,17 м; для карналлитов пласта В - 5,61 м.
Теоретический гранулометрический состав возможный для калийных солей в зоне дробления, на основании исследований выполненных на породах нерудных полезных ископаемых, обладающими физико-механическими свойствами близкими к калийным солям (Мендели, 75; Ефремов и др, 90), распределяется довольно равномерно, с увеличением крупности кусков от заряда к периферии зоны. Доли фракций 0-50 мм, 50-200 мм и свыше 200 мм со-
ставляют в среднем, соответственно, для сильвинитов 28,5 %, 26 % и 45,5 %, для карналлитовых пород - 32,7 %, 30,2 % и 37 %.Такое процентное распределение фракционного состава частиц породы в зоне дробления свидетельствует о том, что скважинной гидродобы-чей(с учетом додрабливания относительно крупных кусков гидромониторами) на дневную поверхность может быть поднято не более 50 % раздробленных пород. Согласно приведенным выше размерам зон дробления и трещино-образования это составит, в среднем, около 15 % всей нарушенной массы пород. Однако получение и подъем на дневную поверхность даже такого количества частиц калийных или калийно-магниевых солей позволит в дальнейшем значительно улучшить процесс переработки искусственных рассолов за счет растворения данных частиц в рассолах при повышенных температурах. Это обеспечит увеличение концентрации рассолов, снимая таким образом многие технологические и экономические вопросы последующей переработки. При увеличении диаметра заряда (соответс-твенно силы взрыва), размеры зон дробления и трещинообразования увеличиваются практически пропорционально. Увеличение же удельных энергозатрат ВВ, особенно обладающих максимальными энергетическими характеристиками, приводит к более интенсивному дроблению пород в ближайшей зоне действия взрыва, ослаблению прочности полученных при взрыве кусков и, как следствие всему этому, к уменьшению, так называемого, диаметра «среднего куска» породы и процентному увеличению объема соляных пород, ко-
торые могут быть подняты на дневную поверхность способом гидродобычи. Однако очень большая часть нарушенного массива соляных пород остается представленной крупными кусками и, далее зоной постепенно затухающей трещиноватости. Наличие в такой зоне огромной поверхности растворения, обусловленной искусственно созданной трещиноватостью, предопределяет возможность получения здесь продуктивных рассолов стандартным способом растворения.
Все вышеизложенное в достаточной мере обосновывает возможность отработки калийных и калийно-магниевых пород Верхнекамского месторождения скважинным способом через горизонтальные камеры, с получением как твердых частиц продуктивных пород, так и равновесных с ними рассолов (Заявка № 2000120629/03).
По сравнению с существующими способами, предлагаемые модификации скважинной добычи позволят получать продуктивные пульпы и рассолы, начиная с начального этапа разработки горизонтальной камеры, которые возможно использовать на переработку существующими (флотационным, галургическим) и другими способами. При этом все процессы разработки осуществляются через вертикально -или наклонно-горизонтальную скважину и одним добычным агрегатом, что значительно повышает рентабельность данного способа за счет сокращения количества буровых скважин и энергозатрат на формирование очистной камеры, а затем и камеры растворения.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
ш
&
Журавлев Юрий Павлович - вед. научный сотрудник, ЦНИИгеолнеруд.
Чайкин Владимир Георгиевич — зав. отделением геотехнологии ЦНИИгеолнеруд.
Вишняков Андрей Константинович - кандидат геолого-минералогических наук, вед. научный сотрудник, ЦНИИгеолнеруд.
Баталин Юрий Владимирович - кандидат геолого-минералогических наук, вед. научный сотрудник, ЦНИИ-геолнеруд.
Садыков И. Ф., Александров В.Н. - Казанский государственный технологический университет.
Реморов Борис Сергеевич - кандидат химических наук, зав лабораторией Государственный институт горнохимического сырья.
