Основы геотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сущность, основные закономерности и свойства процесса растворения

растворение гетерогенный реакция геотехнологический

С помощью различных растворителей можно переводить в подвижное состояние многие полезные ископаемые.

Растворение протекает в результате диффузии и межмолекулярного взаимодействия без нарушения химического состава полезного ископаемого. Процесс растворения лежит в основе скважинной добычи растворимых в воде солей: галита, сильвина, бишофита и др.

Процесс растворения -- гетерогенная реакция, происходящая на границе раздела двух сред: твёрдой и жидкой. Она включает:

поступление растворителя к поверхности растворяемого вещества;

взаимодействие растворителя и растворяемого вещества (межфазные процессы);

удаление растворённого вещества от поверхности растворяемого вещества (диффузионный процесс);

Скорость диффузионного процесса растворения определяется разностью концентраций растворяемого вещества на контакте между пограничным слоем насыщенного рассола и общей массой растворителя. По мере насыщения раствора скорость растворения уменьшается по логарифмическому закону.

Различают:

массовую скорость растворения - количество соли, растворяемое в единицу времени с единицы поверхности;

линейную скорость растворения - расстояние, на которое распространяется растворение в единицу времени.

Скорость растворения зависит от угла наклона поверхности растворяемого вещества и температуры растворителя. В то же время она мало зависит от давления.

Особенно сложен процесс, когда имеем дело с растворением одновременно нескольких веществ, например, сильвинита, состоящего из хлористого калия (сильвина) и хлористого натрия (галита).

Природа растворения солей очень сложна, ещё больше её осложняет наличие нерастворимых компонентов.

Подземное растворение -- способ добычи полезных ископаемых через скважины путём перевода в водный раствор одного или нескольких компонентов в недрах. Одновременно с добычей при подземном растворении осуществляются обогащение, очистка (для поваренной соли) и избирательное извлечение (для калийных солей).

Сущность способа подземного растворения заключается в следующем. Толщу пород пересекают скважиной, которую обсаживают колонной труб. По водоподающей колонне в скважину поступает пресная вода, которая растворяет соль. Под давлением растворяющей жидкости образовавшийся рассол поднимают на поверхность по рассолоподъёмной колонне труб.

Горнодобывающие предприятия, осуществляющие добычу соли способом подземного растворения, называются рассолопромыслами. В состав рассолопромысла входит комплекс наземных и подземных производственных объектов, обеспечивающих непрерывную добычу и подачу рассола потребителю.

Основными технологическими сооружениями рассолопромысла являются добычные скважины подземного растворения. Конструкция скважины определяется исходя из особенностей геологического строения залежи, гидрогеологических условий, физико-механических характеристик пород и других условий.

Скважины подземного растворения оборудуются направляющим устройством, кондуктором, промежуточными обсадными, эксплуатационными и технологическими свободновисящими колоннами. Диаметр эксплуатационной колонны составляет до 325 мм, а диаметр технологической водоподающей--до 219 мм, рассолоподъёмной--до 146 мм.

На устье скважины монтируется специальный оголовок, обеспечивающий герметизацию устья, герметичное разобщение технологических колонн и возможность их подъёма и спуска.

Схемы вскрытия при подземном растворении могут быть: вертикальными, наклонными и наклонно-горизонтальными скважинами. Рассол обычно поднимают по вертикальной скважине. При использовании наклонных скважин извлечение может превышать 50 %.

При подземном растворении солей возможны следующие способы управления процессом: прямоточные, противоточные, гидроврубовые, послойного растворения.

Преимущественно используется способ, основанный на работе скважин по принципу «выдавливания рассола», когда нагнетается пресная вода, а рассол поднимается под этим давлением.

Различают схемы неуправляемого и управляемого подземного растворения. При неуправляемом подземном растворении применяется противоточный способ, когда нагнетание растворителя осуществляется по затрубному пространству, а выдавливание образующегося рассола - через центральную колонну. При управляемом подземном растворении применяется прямоточный способ, когда изменяется схема подачи агентов.

К управляемым схемам подземного растворения относятся гидроврубовые и послойного растворения.

Отработка камер подземного растворения осуществляется в два этапа: подготовительный и эксплуатационный.

На подготовительном этапе создается начальная поверхность растворения соли путём размыва горизонтальной полости небольшой высоты -- гидровруба, обеспечивающей получения промышленной производительности камеры по кондиционному рассолу. Продолжительность этого периода составляет 360-540 суток. Размыв полости производят ступенями. Число ступеней и высота каждой из них определяются горно-геологическими условиями месторождения, качественной характеристикой соли и заданным временем размыва.

На эксплуатационном этапе осуществляется добыча полезного ископаемого. Его начинают после образования камеры заданной ёмкости и формы и выхода рассола концентрацией 305 г/л. При этом прекращают подачу воды, выпускают нерастворитель и приподнимают технологические колонны. Башмаки устанавливают на уровне кровли очередного слоя, а положение рассолоподъёмной колонны определяют высотой зоны закладки камеры нерастворимыми включениями. После этого скважину вновь заполняют нерастворителем и процесс возобновляют.

В подготовительный период образуется большое количество слабых растворов концентрацией до 200 г/л. Для их утилизации или захоронения используют глубокие подземные водоносные горизонты, а также применяют для законтурного заводнения при разработке нефтяных залежей с поддержанием пластового давления.

В зависимости от порядка отработки соляных месторождений и способа управления горным давлением различают системы камерного, батарейного и сплошного растворения.

При системе камерного растворения отработка залежи ведётся камерами через индивидуальные или взаимодействующие скважины, между которыми оставляются целики, исключающие возможные деформации поверхности.

При системе сплошного растворения участок месторождения вскрывается группой скважин, которые соединяются между собой у подошвы залежи гидроразрывом или гидроврубом для образования единого искусственного рассольного горизонта. Отработка залежи ведётся подачей воды в водоприёмные скважины, расположенные со стороны восстания пласта, и отбора рассола из рассолозаборных скважин, расположенных со стороны падения.

Для интенсификации процесса растворения используются горнотехнические и физико-химические методы. К горнотехническим методам относятся: принудительное обрушение слоев, рыхление полезного ископаемого в массиве, гидравлический разрыв пласта и т.п. К физико-химическим методам относятся: добавка реагентов, использование новых видов рабочих агентов, воздействие физических полей, использование поверхностно и химическиактивных веществ и др.

Метод подземного растворения применяется для разработки месторождений бишофита с целью получения хлормагниевых рассолов, которые применяют для: приготовления буровых растворов, образования плёнки на сыпучих материалах с целью предотвращения их распыления, ускорения твердения бетона, затвердения магнезиального цемента, тушения лесных пожаров с воздуха, пропитки древесины, использования в качестве минеральной под-. кормки для скота, в медицине для лечения хронических заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Подземное растворение может использоваться при разработке борсолевых руд. Основным потребителем бора является атомная промышленность, так как он является хорошим поглотителем протонов. Обычно борсолевые руды находятся в галитовом растворимом водой массиве. Борные минералы легко растворяются кислотами.

Вскрытие месторождения при геотехнологических способах разработки

Под вскрытием месторождения понимается проведение (проходка) выработок, открывающих доступ с поверхности к рудному телу или к пластам полезного ископаемого и обеспечивающих возможность проведения подготовительных работ.

Выработки, обеспечивающие доступ к месторождению полезного ископаемого с поверхности земли и служащие для его подготовки и разработки, называются вскрывающими.

Основная вскрывающая выработка при геотехнологии -- скважина. Скважины обеспечивают также подготовку залежи к разработке и служат для транспортировки рабочих и продуктивных флюидов.

По своему назначению все вскрывающие скважины подразделяются на добычные и вспомогательные. Вспомогательные скважины могут быть разведочными, водоотливными, оценочными и контрольными. Добычные скважины предназначены для добычи полезного ископаемого и могут быть вертикальными, наклонными и наклонно-горизонтальными. Они обычно оборудуются эксплуатационными колоннами труб для доставки к продуктивной залежи рабочего агента и извлечения из недр полезного ископаемого. Диаметр добычной скважины определяется конструктивными размерами её оборудования, а глубина -- глубиной залегания полезного ископаемого.

Наклонно-горизонтальные скважины позволяют отрабатывать на одну скважину большие запасы, чем вертикальные.

При большинстве геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых скважины являются одновременно вскрывающими, подготовительными и нарезными выработками, т.к. они вскрывают месторождение, подготавливают его к разработке и используются для добычи полезного ископаемого.

Добычные скважины обычно одинаковы, отрабатывают один ограниченный участок месторождения, поэтому для оценки вскрытия, подготовки и разработки (за исключением скважинной гидродобычи) можно рассматривать только одну скважину.

Общее представление о тех условиях, в которых приходится осуществлять вскрытие, и характеристику экономической эффективности системы вскрытия даёт коэффициент вскрытия.

Различают несколько коэффициентов вскрытия: геологический, технологический и экономический.

Вскрытие месторождения является наиболее ответственным этапом при геотехнологии. Малейшие упущения в работах по бурению и подготовке скважины могут привести к её потере или вызвать необходимость в производстве длительных и трудоёмких ремонтных работ.

Вскрытие месторождения геотехнологическими скважинами состоит из ряда последовательно выполняемых операций: выбор места заложения скважины, уточнение конструкции скважины; бурение скважины; обсадка и цементация скважины; опресовка скважины; геологические, гидрогеологические и геофизические исследования скважин; оборудование скважин для эксплуатации; оформление документации и сдача скважины в эксплуатацию.

Так как вскрытие является важным этапом геотехнологической отработки месторождений, постоянно ведутся работы по совершенствованию схем вскрытия.

Выбор способа вскрытия зависит от следующих факторов:

¦ технологическая схема разработки;

¦ размеры месторождения в плане;

¦ условия залегания залежи (мощность, угол падения, глубина залегания);

¦ физико-механические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород;

¦ рельеф поверхности.

Классификация скважинных методов вскрытия приведена в табл. 1.

Таблица. Классификация скважинных методов вскрытия

Сущность геотехнологических методов и их классификация

Скважинная технология добычи представляет собой технологию добычи воды, нефти, газа и твёрдых полезных ископаемых. Учение о добыче твёрдых полезных ископаемых через скважины получило название геотехнология.

Геотехнология - это наука о физических, химических, биохимических и микробиологических методах воздействия на продуктивную залежь для перевода полезных ископаемых в подвижное состояние и последующее извлечение его через скважины, буримые с поверхности до месторождения. Классификация геотехнологических способов по процессам добычи, в основе которых лежат вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, приведена в таблице 2.

Таблица. Классификация геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых

Особенностями геотехнологических способов разработки полезных ископаемых являются:

¦ разработка месторождения ведётся через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и добычи полезного ископаемого;

¦ месторождение является и объектом, и местом добычи и переработки полезного ископаемого, т.к. технология предусматривает избирательное извлечение полезного компонента;

¦ геотехнологическое предприятие -- промысел (станция) -- включает три основных элемента: блок подготовки рабочих агентов, добычное поле, блок переработки продуктивных флюидов;

¦ инструментом добычи служат рабочие агенты -- энергия или её носители, вводимые в добычное поле;

¦ под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет своё агрегатное состояние или превращается в другое вещество, образуя продуктивные флюиды, которые обладают лёгкой подвижностью и начинают перемещаться;

¦ разработка месторождения имеет зональный характер и перемещается во времени относительно скважин и контуров месторождения;

¦ управление добычей осуществляется с поверхности путём изменения характеристики и параметров подачи рабочих агентов.

Геотехнологические способы для добычи ряда полезных ископаемых уже широко используются. К ним относятся: соль, сера, уран, медь и др. По другим полезным ископаемым ведутся полупромышленные, опытные и лабораторные исследования.

В таблице 3. приведены основные сведения о современном состоянии использования геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых.

Таблица. Современное состояние использования геотехнологических способов

Таблица

Задача 2

Проектирование подземной газификации углей.

Цель работы: Изучить методику расчета основных параметров подземной газификации угля.

Рассчитать интенсивность выгазовывания угольного пласта для следующих условий:

1) низшая теплота сгорания рабочей массы угля, Qi = 28000000 Дж/кг;

2) влажность рабочей массы угля, Wt = 5 %;

3) содержание горючих газов в продукте: О2 = 0,20 %; СО = 9,06 %; Н₂ = 14,45 %; Н2S = 0,07 %; СН₄ = 2,72 %; С₂Н₄ = 1,02 %;

4) утечка газа, U_y = 5 %;

5) теплота сгорания газа газификации, Q_HГ = 4190000 Дж/м³;

6) абсолютный водоприток в зоны газификации, U = 3 м³/час;

7) мощность пласта , m = 1 м.

Решение

1. Теоретический объем сухого воздуха, необходимого для полного сгорания угля:

Vсв = а' · 0,001Qi + 25,1Wt = 1,1·(0,001·28000000 + 25,1·5) =7,4 нм³/кг

4186 4186

2. Коэффициент избытка воздуха:

а = 1 - (21-x') · Q₂ 21 =

2100 21 - 0₂ + 0,5СО + 0,5Н₂ + 1,5H₂S +2СН4 +ЗС₂Н4 1 - (21-18,2) · 0,2 21 =

2100 21- 0,2+0,5 · 9,06 +0,5 · 14,45+1,5 · 0,07+2 · 2,72 +3· 1,02= 0,06

3. Коэффициент, учитывающий утечки газа:

Ку = 1- Uy = 1- 5 = 0,95

100 100

4. Реальный выход сухого газа ПГУ:

Vсг = Vсв (а + 0,01х' - 0,21) - Ку = 7,4 (0,06 + 0,01 · 18.2 - 0,21) · 0.95 = 0,22нм³/кг

5. Химический к.п.д.:

з = Qнг Vсг = 4190000 · 0,22 = 0,033

Qi 28000000

6. Скорость выгазовывания угольного пласта (т/час):

I = U = 3 =

0,506 з^-19 m (0,702 - 0,659 з) 0,506 · 0,033^-19 · 1 (0,702 - 0,659 · 0,033) 0,264 т/час.

Размещено на Allbest.ru