CC BY
109
--© A.K. Вишняков, Ю.В. Баталии,
Ю.П. Журавлёв, В.А. Бслин, Г.М. Крюков, А.В. Алсксссв, 2012
УДК 553.3/.9+622.26 7 278
A.К. Вишняков, Ю.В. Баталии, Ю.П. Журавлёв,
B.А. Белин, Г.М. Крюков, А.В. Алексеев
СКВАЖИННАЯ ГИДРОДОБЫЧА ТВЁРДЫХ ПОДЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ГОРИЗОНТАДЬНЫМИ КАМЕРАМИ
Обоснована техническая возможность и экономическая рентабельность скважин-ной добычи из горизонтально расположенных добычных камер любых твердых полезных ископаемых методами гидродобычи, растворения и выщелачивания, выбираемых в зависимости от их вещественного состава и планируемой технологии переработки.
Ключевые слова: скважинная гидродобыча, гидроструя, межкамерный целик.
Сущность скважинной добычи составляет совокупность известных технологий: бурение скважин, разрушение продуктивной породы тем или иным способом (или их совокупностью) и выдача разрушенной массы водными растворами на дневную поверхность земли (Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В. и др. 1980; Бабичев Н.И., 1981 и др.). Такая простая и эффективная технология скважинной добычи, несмотря на многочисленные исследование и эксперименты, до сих пор широко не реализована в промышленном масштабе. С нашей точки зрения этому способствовало применение для скважинной добычи, в основном обычных вертикальных скважин, создающих вертикально расположенные добычные камеры. Такой способ экономически выгоден при мощности полезного ископаемого в несколько десятков (особенно сотен) метров. Скважинная добыча вертикальными камерами менее мощных пластов полезных ископаемых из-за имеющихся конструктивных ограничений добычного оборудования, вызванные сопут-
ствующими размерами буровых труб и, особенно, создания ограниченного в ширину рабочего пространства, обусловленные возможностью напорной гидроструи разрушать породы стенок этих камер, становится малоэффективным.
С учётом отечественного и зарубежного опыта скважинной гидродобычи и на основании собственных исследований, был сделан вывод о больших преимуществах и потенциальных перспективах скважинной добычи в горизонтальной части вертикально (наклонно)- горизонтальных скважин, с образованием в продуктивном пласте горизонтально распложенных добычных камер, которые как бы имитируют разработку продуктивного пласта большой мощности. При добыче горизонтальными камерами в условиях, когда они заполнены рабочей жидкостью, находящейся под давлением выше лито-статического, все недостатки шахтного способа теряют своё значение. Кроме того исключается возможность просадки земной поверхности над выработанными пространствами, а
также необходимостью увеличения межкамерных целиков в зависимости от глубины залегания продуктивной толщи. В таких условиях основной задачей межкамерных целиков является изоляция добычных камер друг от друга для создания в них оптимальных условий гидродобычи. Поэтому размеры этих целиков будут, в основном, определяться техническими возможностями близ расположенных горизонтальных камер. При этом вода, в отличие от шахтной эксплуатации месторождения, где она является одним из факторов наиболее опасных и неожиданных осложнений, становится главным полезно работающим агентом, участвующим в гидродобыче полезного ископаемого. Наиболее перспективна отработка полезных ископаемых горизонтальными камерами будет как для отдельных продуктивных пластов, так и для сближенных маломощных, если это позволяет осуществить средневзвешенное содержание в них полезного компонента.
Современное развитие буровой техники позволяет вписывать горизонтальную часть ствола скважины в пласт мощностью 3—5 м при глубинах его залегания до и более 2000 м (Калинин А.Г. и др., 1990). При этом возможны такие схемы размещения добычных скважин и создаваемых ими камер (рис. 1), которые в той или иной степени были бы подобны системам горных выработок при шахтном освоении месторождения полезного ископаемого, позволяющих достичь максимального его извлечения из недр.
Учитывая всё это в ЦНИИгеолнеруд была разработана возможность отработки месторождений твердых полезных ископаемых способом скважин-ной добычи из горизонтально расположенных камер методом гидродобычи, избирательного выщелачивания конкретного полезного компонента и
растворения легкорастворимых пород, создаваемых по комбинированной технологии химико-механического (взрывного) и гидродинамического разрушения твердых пород, и их добычи (в том числе выщелачиванием или растворением) с получением гидросмеси (пульп), включающей в себя частицы продуктивных пород, растворов выщелачивания или равновесных с ними растворов (рассолов).
Сущность способа (Патенты РФ № 2042624 от 27.08.95; № 2111359 от 20.06.98; № 2186208 от 27.07.02; № 78525 от 27.11.08; Заявка № 200814016 от 15.10.08) заключается в следующем.
После обустройства вертикально-наклонной части скважины уже без последующей обсадки проходится её горизонтальная часть, запланированной длины и диаметра. В случае применения метода гидродобычи, она проводится выше подошвы продуктивного пласта на половину диаметра запланированных добычных камер (т.е. по центру); при добыче растворением — вблизи его подошвы. Поскольку большая часть твердых полезных ископаемых по своим физико-механическим свойствам (по терминологии в горном деле) относится к полускальным и скальным, для подготовки их к процессу гидродобычи и её интенсификации, при выщелачивании и растворении, в горизонтальную часть скважины размещают ВВ (рис. 2), после взрыва которого образуются зоны дробления и трещиноватости. Размеры зоны разрушения зависят от прочностных свойств разрабатываемой продуктивной породы, применяемого типа ВВ и диаметра его заряда. С учетом этих параметров, а также планируемой мощности отработки части пласта (или всего его) и размерности получаемых частиц, вычисляется диаметр горизонтальной части
Рис. 1. Возможные схемы размещения добычных скважин и горизонтальных камер: а — скважинами с одним добычным стволом; б — скважинами с двумя добычными стволами; в — скважинами с шестью добычными стволами. 1 — подстилающая и перекрывающая каменная соль; 2 — сильвинито-карналлитовая зона; 3 — сильвинитовая зона; 4 — добычная скважина: а — вид сбоку; б — вид сверху; 5 — добычные горизонтальные камеры
Рис. 2. Схема расположения зарядов ВВ в продуктивном пласте: 1 — продуктивный пласт; 2 — горизонтальная часть направленной буровой скважины; 3 — обсадная колонна; 4 — гидроизоляция; 5 — оболочка зарядов ВВ; 6 — заряд ВВ, 7 — геофизический кабель, 8 — инертный вкладыш
Рис. 3. Схема образовавшихся зон дробления и целиков с ненарушенной частью:
1 — продуктивный пласт; 2 — горизонтальная часть направленной буровой скважины; 3 — обсадная колонна; 4 — гидроизоляция; 5 — зона раздробленной продуктивной породы; 6 — ненарушенная порода
Рис. 4. Схема скважинной гидродобычи: 1 — продуктивный пласт; 2 — горизонтальная часть направленной буровой скважины; 3 — обсадная колонна; 4 — гидроизоляция; 5 — зона раздробленной продуктивной породы; 6 — ненарушенная порода; 7 — скважинный гидродобычной агрегат; 8 — струи рабочей жидкости; 9 — всас гидросмеси
Рис. 5. Схема разработки мощного пласта твёрдыгх полезный ископаемых:
1 — продуктивная порода; 2 — направляющая колонна для добычного агрегата; 3 — гидроизоляция обсадной колонны; 4 — всасывающие отверстия гидродобычного агрегата; 5 — мониторы гидродобычного агрегата; 6 — гидромониторные или растворяющие струи; 7 — дополнительный горизонтальный ствол; 8 — маганизированная продуктивная порода
Рис.6. Схема рассолодобычи растворимых минеральных солей: 1 — зона крупнокускового дробления и трещиноватости, 2 — направляющая колонна для гидродобычного агрегата, 3 — рассоловыводящий канал обсадной колонны, 4 — гидроизоляция обсадной колонны, 6 — раствороподающий агрегат, 7 — растворяющие струи
скважины. Для обеспечения беспрепятственного прохождения скважин-ного гидродобычного агрегата (СГДА), активацию продуктивной породы ВВ проводят в пределах будущих отдельных камер, длина которых рассчитывается исходя из размеров и марки труб добычного агрегата (Заявка №200814016 от 15.10.08 «Способ скважинной гидродобычи твёрдых полезных ископаемых»). Создание серии таких камер, разделенных опорными целиками (рис. 3), позволит избежать завалы гидродобычного агрегата, выпавшими из кровли разрабатываемого пласта негабаритными кусками продуктивной породы, т.к. они будут концентрироваться под данным агрегатом в нижней части выработанной каждой камеры (рис. 4).
Для достижения такой цели, рассчитанные длины как зарядов ВВ, так и разделительных инертных материалов, заключаются в разрушаемую трубчатую оболочку (взрывной агрегат), снабжённые с обеих сторон заглушками, и опускаются в скважину. Инициирование зарядов ВВ, с образованием последовательного ряда отдельных горизонтальных расположенных зон дробления, разделенных участками (целиками), содержащими в себе вертикальный
прослой оптимальной площади ненарушенной породы, которая определяет несущую способность целика для гидродобычного агрегата.
После такой подготовки в начало горизонтальной части скважины, в ней устанавливают гидродобычной агрегат, представляющий собой всасывающий аппарат, конструктивно совмещенный с гидромониторами, обладающий возможностью перемещения в скважине вдоль ее продольной оси (Патент РФ №2111359 от 20.06.98 «устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых»). Гидродобычной снаряд включает в себя верхний оголовок, состоящий из высоконапорного става с каналами под гидроразрушающий раствор, воздуха для эрлифта и отвода сначала гидросмеси, а затем пульпы на земную поверхность, и нижний оголовок, представленный всасывающим агрегатом, конструктивно совмещенный с гидромониторами. К гидромониторам с поверхности через один из каналов става подают под давлением (8—10 МПа) рабочую жидкость (равновесную с породой), которая в виде струи вылетает из мониторов и осуществляет разрыхление нарушенной взрывом частиц породы, с додрабливанием её трещиноватых кусочков.
В виде рабочей жидкости применяются оборотные растворы, насыщенные по основным растворимым компонентам разрабатываемой продуктивной породы. Образовавшиеся частицы будут создавать в ней гидросмесь, подъём которой на земную поверхность осуществляется процессами выдавливания противодавлением (по горизонтальной части), с добавлением эрлифта (в вертикальной части). Для последнего, по другому каналу става с поверхности под давлением подается воздух. В процессе гидродобычи добычной агрегат постепенно перемещается вперед (с опорой на целики) до тех пор, пока не дойдет до конца ранее пройденной горизонтальной части скважины, формируя, таким образом, серию очистных камер.
При достижении забоя данный гидродобычной агрегат поднимается на поверхность и вместо него опускается другой со специальным додрабливаю-щим устройством (на основе турбобура или винтового двигателя), гидромониторами и всасом (Патент РФ №78525 от 27.11.08 «Скважинный гидродобычной агрегат комбинированного типа»). Данный агрегат приводит к запланированной крупности негабаритные куски продуктивной породы, а также опорные целики, разделяющие отдельные камеры, и осуществляет подъём этих частиц на земную поверхность.
При наличии продуктивного пласта, превышающего по мощности полученную горизонтальную очистную камеру, после завершения в ней всех работ, осуществляется бурение дополнительного горизонтального ствола выше и параллельно созданной камеры, с последующим закладыванием и взрыванием в ней направленного заряда ВВ для мага-низирования продуктивной породы в ранее созданной камере, с последующим повторением процесса гидродобычи додрабливающим агрегатом (рис. 5).
В случае разработки пород растворимых минеральных солей вскрытие продуктивного пласта (или серии сближенных пластов) горизонтальной частью скважины осуществляется вблизи подошвы продуктивного пласта (Патент РФ №2186208 от 27.07.02 «Способ скважинной добычи минеральных солей»). Это обусловлено тем, что при растворении минеральных солей получающиеся более плотные (насыщенные), чем рабочая жидкость, продуктивные рассолы при любых гидродинамических системах стремятся опуститься на дно образующейся камеры растворения, где процесс их донасыщения значительно замедляется. Вследствие этого добычная камера в поперечном сечении приобретает вид близкий к опрокинутой призме, узкая часть которой будет приходиться на район размещения добычного агрегата. Чтобы избежать, в связи с этим, дополнительных потерь в недрах продуктивных пород и создать сечение горизонтальной камеры растворения не только круглой, но и по возможности овальной, в добычном агрегате предусматривается система гидромониторов, способных создавать такие формы сечения.
В начальной стадии разработки пород растворимых минеральных солей, процесс добычи может ни чем не отличаться от вышеописанного, однако, при желании, вместо пульпы возможно сразу же получение насыщенного рассола, при условии подачи вместо равновесной жидкости, недо-насыщенного, по минеральному составу породы, раствора.
В обычном же случае, при достижении забоя горизонтальной части скважины гидродобычным агрегатом, его эрлифт выключается, пульповыдающий канал переключается на подачу недона-сыщенного раствора. При этом вылетающий из гидромониторов такой раствор будет осуществлять интенсивное
растворение оставшихся кусков большого габарита и нарушенных трещинами пород минеральных солей (рис. 6). Отбор образующегося продуктивного рассола будет производиться в этом случае через зазор между направляющей колонной и добычным агрегатом.
В связи с тем, что растворение осуществляется растворами подаваемыми под давлением, т.е. в условиях турбулентного режима, то скорость растворения минеральных солей и её концентрация в растворе будет прямо пропорциональна скорости движения растворителя вдоль растворяющейся поверхности. Сам же процесс растворения будет осуществляться в режиме прямого тока.
Процесс скважинной добычи методом растворения имеет некоторые особенности.
При определённом составе растворителя и соответствующем процентном содержании полезного компонента в породе процесс растворения может превратиться в процесс выщелачивания. Например, для силь-винитовых пород полное выщелачивание минерала сильвина и оставление на месте минерала галита становится возможным при содержании первого в породе от 45-50 % и выше.
При разработке месторождений медленно растворимых солей (типа лангбейнита, кизерита и др.) возможна для этих пород предварительная подготовка путём их искусственной подземной гидратации (Патент РФ № 2042624 от 27.08.95. «Способ получения соединений калия и магния геотехнологическим способом»). Получаемые при этом легкорастворимые гидритные соединения представляют собой несцементированные новообразования, пропитанные равновесным раствором, скважинная добыча которых возможна и растворением и гидродобычей.
При содержании в минеральных солях водонерастворимого остатка, представляющего собой самостоятельное полезное ископаемое (например, он насыщен борсодержащими минералами) то осуществляется его самостоятельная гидродобыча со дна камеры растворения, как это описано ранее гидродобычным додрабливающим агрегатом или способом выщелачивания.
При падении концентрации в добываемом рассоле по разрабатываемому полезному компоненту, т.е. возможно, при достижении процесса растворения кровли продуктивной толщи и начала растворение соли, перекрывающую промышленный пласт (толщу), бывший гидродобычной агрегат (служащий в это время для подачи ненасыщенного растворителя) постепенно перемещается к началу горизонтальной части скважины, осуществляя, таким образом, формирование горизонтальной камеры растворения в пределах продуктивного пласта (толщи). Если мощность продуктивного пласта (серии сближенных пластов) является большей, чем вертикальные размеры камеры растворения, то поступают также, как было описано выше, при гидродобыче раздробленных взрывом пород. Однако в отличии от того варианта добычу маганизированных в камере растворения кусков минеральных солей, можно осуществлять также и методом их растворения струями добычного агрегата.
Наличие нарушенных взрывом пород стенок очистной камеры и, особенно, скопление на её дне маганизи-рованной продуктивной породы предполагает возможность применения метода выщелачивания для разработки определённых видов полезных ископаемых. В таком случае гидродобычной агрегат продвигается до забоя очистных камер и начинает работать как аппарат нагнетающий выщелачивающий раствор так, как это было описано выше для разработки растворимых мине-
Таблица 1
Технико-экономические показатели шахтной н скважинной добычи калийных и калийно-магниевых солей Верхнекамского месторождения (в ценах 1999)
Показатели Единицы Объемы и затраты
измерения Шахтный Скважин-
способ ный способ
добычи добычи
Стоимость 1 п.м. бурения и обустройства на- руб. 9168' 5580
клонно-горизонтальной добычной скважины и
шахтной горной выработки
Начальные капвложения по добыче сильвини- млн руб. 1365—2027 359—496
тов на создание солерудника (с годовой мощ-
ностью 1,5-1,7 млн.т KCl) и комплекса добыч-
ных наклонно-горизонтальных скважин, обес-
печивающих аналогичную годовую мощность
Себестоимость добычи 1 т сильвинитов (сред- руб/т 45—33 32—27
няя по 4 солерудникам — средняя по 2 наи-
более рентабельным солерудникам) и наклон-
но-горизонтальному скважинному комплексу
(по аналогии с вертикальными камерами Не-
пского солепромысла) по прямому расчету для
горизонтальных камер
Начальные капвложения по добыче карналли- млн руб 800 81—58
товых пород на создание солерудника (с годо-
вой мощностью 1,2 млн.т солей) и комплекса
добычных наклонно-горизонтальных скважин
аналогичной годовой мощности
Себестоимость добычи одной тонны карнал- руб. 110—182 30
литовых пород
Таблица 2
Технико-экономические показатели добычи и переработки сильвинитов Непского месторождения (в ценах 2005 г. на 1 т сильвинитов)
Источники информации Значения показателей , р/т
(шахтный способ), Эксплуата- Выручка Прибыль Капвло-
модификации ционные от реализации жения
(скважинный способ) затраты товарных
продуктов
Шахтный способ и флотационный передел (факт)
ТЭО ВНИИГ, 1991 г. 300 390 90 2070
Данные ОАО «Сильвинит», 260 310 50 1850
1991 г.
Данные ОАО «Сильвинит», 450 700 250 2980
2005 г.
Скважинный способ (оценка)
Вертикальными камерами с 1380 700 -680 9750
галургическим пределом
Вертикальными камерами 2300 2700 400 7200
при сплошном растворении
и электрохимическом пере-
деле
Горизонтальными камерами 2935 4800 1865 1150
с электролизным переделом
Таблица 3
Технико-экономические показатели освоения залежей каменного угля Республики Татарстан различными способами (на примере залежи Ташлиярская, в ценах 2001)
Показатели Единица Шахтный Подзем- Скважинная
измере- ная га- гидродобыча
ния зифика- I вариант: II вариант:
ция куст из 6 го- куст из го-
риз.участков риз.участков
по 200 м по 400 м
Запасы и прогнозные ресур- млн т 225+153 225+15 225+153 225+153
сы С2+Р1 3
Глубина залегания м 1039— 1039— 1039—1173 1039—1173
1173 1173
Мощность продуктивной м 1,2— 1,2— 1,2—23,8 1,2—23,8
толщи 23,8 23,8
Годовая производительность
по углю млн т 0,5 0,5 0,5
по газу млн м3 1500
Годовая стоимость товарной
продукции в ценах
1991/2000 гг.
по углю млн руб. 35/291 —/307 —/307
по газу млн руб. 15/127
Годовые эксплуатационные
затраты на добычу в ценах
1991г./2000 г.
по углю млн руб. 51/424 —/250 —/182
по газу млн руб. 14/119
Балансовая прибыль в ценах
1991г./2000 г.
по углю млн руб. —16/— —/+57 —/+125
по газу млн руб. 133 +1/+8
Рентабельность по отноше-
нию к эксплуатационным за-
тратам
по углю % —31 23 69
по газу % 7
Капвложения в ценах млн руб. 254/2123 ? —/1200 —/600
1991/2000
Срок окупаемости капвложений лет ? ? 21 4,8
ральных солей. В этом случае движение выщелачивающих растворов будет представлять собой напорную медленную фильтрацию через нарушенную массу пород с получением продуктивных растворов промышленной концентрации по добываемому компоненту.
Такова общая схема скважинной добычи горизонтальными камерами любого вида твёрдых полезных ископаемых.
Проведённые предварительные укрупнённые технико-экономические
расчёты по скважинной добыче горизонтальными камерами каменных углей и растворимых калийных солей методами гидродобычи и растворения в сопоставлении полученных данных с данными по шахтному освоению и разработке минеральных солей вертикальными камерами (табл. 1-3) показывают, что себестоимость добычи скважинным способом горизонтальными камерами будет ниже или сопоставима с таковой для шахтной разработки. При этом су-
щественно сокращаются начальные капитальные вложения на вскрытие и подготовку месторождения, т.к. инвестиции вкладываются постепенно по мере ввода новых скважин, а окупаемость их начинается практически с первого года действия пульпо-или рас-солопромысла. Каждая система горизонтальных камер является самостоятельным производственным объектом и любые осложнения (включая аварийные) на нём не будут иметь катастрофических последствий для остальных таких камер, как в техническом, так и в экономическом отношениях.
Способ имеет большие социально-экологические преимущества, ибо существенно улучшается труд рабочих — он становится более комфортным и не столь опасным в связи с отсутствием работ в подземных условиях, а также сво-
1. Арене В.Ж.., Исмагилов Б. В. и др. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М. Недра, 1980, 227с.
2. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Учеб. пособие, М. МГРИ, 1981,84с.
3. Калинин А.Г. и др. Бурение наклонных скважин. М. Недра, 1990, 348с.
4. Патент РФ №2042624 от 27.08.95. «Способ получения соединений калия и магния геотехнологическим способом» / Вишняков А.К., Хуснутдинов В.А., Баталин Ю.В.
5. Патент РФ №2111359 от 20.06.98 «Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых» / Журавлёв Ю.П., Натфуллин К.Г., Чайкин В.Г.
6. Патент РФ №2186208 от 27.07.02 «Способ скважинной добычи минеральных солей» / Вишняков А.К., Баталин Ю.В., Журавлёв Ю.П., Чайкин В.Г.
дится к минимуму отрицательные воздействия на окружающую среду — территория промысла, представленная скважинами и трубопроводами, легко рекультивируется. Способ позволяет осваивать месторождения, расположенные в сложных горно-геологических (по глубине залегания, тектонической на-рушенносги и т.п.) и гидрогеологических условиях (включая малые мощности водозащитной толщи для месторождений минеральных солей), а также отрабатывать средние и даже мелкие месторождения. Кроме того, применение скважинной отработки горизонтальными камерами тех или иных месторождений полезных ископаемых существенно упростит проблему одновременной эксплуатации с разработками месторождений нефти, газа и подземных вод, размещенных на совместных площадях.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Патент РФ №78525 от 27.11.08 «Скважинный гидродобычной агрегат комбинированного типа» / Журавлёв Ю.П., Вишняков А.К., Алексеев А.В.
8. Заявка №200814016 от 15.10.08 «Способ скважинной гидродобычи твёрдых полезных ископаемых» / Вишняков А.К., Журавлёв Ю.П., Бегашев Д.В., Белин В.А., Крюков Г.М., Александров В.Н.
9. Перспективы освоения сырьевой базы калийных удобрений на востоке России / Е.М.Аксёнов, Ю.В.Баталин, А.К.Вишняков и др.// Минеральные ресурсы России, 2008, №1, с.79-89.
10. Освоение залежей каменного угля — реальный путь расширения топливно-энергетической базы Республики Татарстан / Ю.В. Баталин, Н.Н.Ведерников, А.К. Вишняков и др.// Энергосбережение в Республике Татарстан, 2003, №3—4, С. 69—75. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Вишняков Андрей Константинович — кандидат геолого-минералогических наук, зав. лаборатории геотехнологии, е-та11:гоо:@део1пеги<±пе1:,
Баталин Юрий Владимирович — кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, е-та11:гоо:@део1пеги<±пе1:,
Журавлёв Юрий Павлович — ведущий конструктор, е-та11:гоо:@део1пеги<±пе: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых»,
Алекееев Александр Вениаминович — старший преподаватель, геологический факультет, Казанский государственный университет.
