Техника и технология разработки месторождений промышленных вод

13

Техника и технология разработки месторождений промышленных вод

Способы эксплуатации глубоких подземных вод

Геолого-экономические показатели эксплуатации определяются гидрогеологическими условиями месторождений подземных промышленных вод и техническими условиями их разработки. Эти показатели во многом влияют на кондиционные требования к месторождениям, их размеры и общее количество эксплуатационных запасов промышленных подземных вод. Для иллюстрации такого влияния ниже приводятся некоторые обобщенные сведения, характеризующие условия эксплуатации водозаборов промышленных вод в районах разработки их месторождений.

Рентабельность добычи из подземных вод различных компонентов определяется комплексом факторов. При этом свойства подземных вод (состав, температура, концентрация полезных компонентов и др.) влияют на технологические затраты, связанные с обработкой воды в ходе производственного процесса, а гидрогеологические и технические факторы (глубина залегания подземных вод, параметры водоносных пород, дебиты скважин и понижения уровня в них в процессе эксплуатации, способ эксплуатации и др.) - на стоимость добычи подаваемой на предприятие воды, т.е. исходного гидроминерального сырья.

В настоящее время добыча подземных промышленных вод и рассолов осуществляется несколькими способами:

1) фонтанным;

2) эрлифтным;

3) с использованием глубинных штанговых насосов;

4) с использованием погружных электронасосов. Применение погружных электронасосов находится пока в стадии внедрения (подобные насосные установки широко используются в практике добычи нефти и попутных вод нефтяных месторождений в РФ и за рубежом).

Наиболее экономически эффективной является фонтанная эксплуатация, не требующая затрат энергии и средств на подъем воды из скважины. Этот способ может применяться на участках месторождений, характеризующихся большими начальными избыточными давлениями, обеспечивающими самоизлив воды из скважины в течение длительного периода. Однако разработка месторождений фонтанным способом приводит лишь к частичной сработке эксплуатационных запасов. Практический опыт показывает, что для большинства месторождений РФ промышленное производство редких элементов на базе фонтанной эксплуатации оказывается маловероятным, а с точки зрения полноты использования эксплуатационных запасов - нецелесообразным. Фонтанная эксплуатация возможна обычно в первый период разработки месторождений; во многих районах такая эксплуатация исключается совсем, так как начальные статические уровни промышленных вод располагаются ниже поверхности земли.

Принимая во внимание понятие "эксплуатационные запасы", при оценке их величины в подавляющем большинстве случаев возможно рассчитывать лишь на принудительную эксплуатацию со значительными понижениями динамических уровней промышленных вод от поверхности, т.е. на использование водоподъемных устройств.

Рис.2. Схема оборудования фонтанирующей эксплуатационной скважины:

1 - насосно-компрессорные трубы, 2 - Фонтанная арматура; 3 - манометры; 4 - Уорикатор; 5 - трап-газоотделитель; 6 - измеритель дебита газа; 7 - мерная емкоть для воды; 8 - водоносный горизонт

Рис.3. Схемы оборудования скважин для компрессорной эксплуатации:

а - двухрядный эрлифт; б - однорядный эрлифт; 1 - смеситель пластовой воды и воздуха; 2 - газоводяная эмульсия; З - сжатый воздух; 4 - мерная емкость для воды; 5 - газоотделитель; 6 - подача сжатого воздуха от компрессора; 7 - ресивер; 8 - компрессор; 9 - приспособление для измерения уровня воды в работающей скважине

При этом в связи с особенностями режима глубоких подземный вод при эксплуатации, обусловленными упругими свойствами пластовых водонапорных систем, в процессе разработки месторождений при постоянстве суммарного дебита водозаборов происходит неуклонное, замедляющееся во времени снижение динамических уровней Это обстоятельство заставляет при выборе насосного оборудования ориентироваться на предельное понижение уровня в скважинах к концу срока эксплуатации или предусматривать поэтапную смену типа насосов в процессе разработки месторождений.

При фонтанной эксплуатации скважины оборудуются фонтанной арматурой и насосно-компрессорными трубами. Фонтанная арматура предназначена для обвязки отсадных колонн труб, подвески насосно-компрессорных труб, регулирования работы скважин размещения контрольно-измерительных приборов. В верхней части трубной головки монтируют лубрикатор, представляющий собой устройство для спуска и подъема глубинных приборов (манометров, пробоотборников, термометров) без остановки работающих скважин. Трап-газоотделитель предназначен для разделения жидкой и газообразной фаз и измерения дебита воды и газа. Насоснокомпрессорные трубы спускают в скважину с таким расчетом, чтобы их нижняя часть находилась ниже уровня начала выделения из воды газа в свободное состояние. Так как движение воды в насосно-компрессорных трубах не происходит, замеряемое на их оголовке давление отвечает истинному избыточному давлению. В ряде случаев для скважин, фонтанирующих за счет действиях газлифта и термолифта, насосно-компрессорные трубы используют для измерения в них глубины динамического уровня (рис.2).

При насосно-компрессорной эксплуатации в качестве водоподъемников используются эрлифты, позволяющие получить в процессе откачек большие дебиты скважин при значительных понижениях динамических уровней. В практике применяют одно - и двухрядные эрлифты. Однорядный эрлифт предполагает подачу сжатого воздуха в насосно-компрессорные трубы и подъем газоводяной эмульсии по кольцевому зазору между этими трубами и обсадной колонной. Подобный способ эксплуатации не позволяет производить непосредственные измерения динамического уровня и допускает лишь приближенный расчет его положения по давлению сжатого воздуха на оголовке скважины. Кроме того, при эксплуатации водоносных горизонтов, представленных песками или слабосцементированными песчаниками, вследствие выноса песка возможны истирание (и разгерметизация) колонны обсадных труб и выход из строя эксплуатационных скважин. Поэтому двухрядный эрлифт предпочтительней (рис.3).

Плунжерные штанговые насосы широко применяют для эксплуатации промышленных йодобромных вод при малых (до 500 м³/сут) дебитах скважин и их сильном песковании. Привод глубинных плунжерных насосов осуществляется редукторными станками-качалками обычно отечественного производства. Использование штанговых насосов экономически нецелесообразно при высокой водообильности продуктивных отложений и возможности эксплуатации водозаборов с большими (700 - 2000 м³/сут) дебитами скважин.

Наиболее прогрессивным и экономичным является использование погружных центробежных износоустойчивых электронасосов типа ЭЦНВ и ЭЦНИ. В настоящее время отечественной промышленностью уже освоено производство таких насосов с подачей 350, 500 и 700 м³/сут и рабочим напором соответственно до 500 и 450 м. Однако для разработки наиболее перспективных и крупных месторождений промышленных подземных вод предельные подачи таких насосных установок должны быть увеличены до 1000 - 2000 м³/сут при понижениях уровня в скважинах от 750 до 1000 м от поверхности.

На разрабатываемых месторождениях промышленных вод в той или иной мере используются все перечисленные способы эксплуатации скважин. Выбор преимущественного, наиболее эффективного применительно к условиям конкретного участка месторождения способа производится с учетом глубины и производительности скважин, их технической конструкции, глубин динамического уровня от поверхности.

Назначение и конструкции скважин на промышленные воды

Бурение и опытное гидрогеологическое опробование скважин при поисках и разведке являются основными способами изучения подземных промышленных вод и продуктивных водовмещающих пород. Все остальные методы исследований опираются на результаты бурения, и возможности их использования могут быть проверены и подтверждены только бурением. В связи с исключительным значением бурения, а также с учетом его высокой стоимости каждая скважина должна отвечать требованиям, которые определяют задачами геологоразведочных работ на различных стадиях гидрогеологических исследований. В общем случае бурение и опытное опробование скважин позволяют осуществлять:

стратиграфическое расчленение вскрываемых отложений;

выделение в разрезе литолого-стратиграфических комплексов пород и определение их мощности;

выявление водоносных комплексов (горизонтов и пластов) и определение их мощности;

определение положения в разрезе и мощности водоупорных или слабопроницаемых отложений;

установление наличия или отсутствия гидравлической связи подземных вод промышленной водоносной зоны с выше - и нижезалегающими водоносными горизонтами;

Таблица 15. Категории глубоких гидрогеологических скважин на подземные промышленные воды

определение положения статических уровней, величин пьезометрических напоров подземных вод и пластовых давлений различных водоносных горизонтов;

изучение физико-химических свойств, минерализации, химического и газового состава подземных промышленных вод и содержания в них рассеянных элементов, редких металлов и солей;

оценку водообильности водоносных комплексов горизонтов и пластов;

определение основных расчетных гидрогеологических параметров: коэффициентов фильтрации, водопроводимости, пьезопроводности;

изучение минерально-петрографического состава и физико-механических свойств горных пород.

Исходя из различия геологических и гидрогеологических задач, решаемых на разных стадиях геологоразведочных работ, намечается несколько категорий скважин, различающихся по назначению, объему и методики исследований. При этом задачи разных стадий геологоразведочных работ определяют не только объем и методы гидрогеологических исследований, но также глубину и конструкцию скважин, способ бурения, порядок и методику опробования водоносных горизонтов. В соответствии с последовательностью проведения геологоразведочных работ и характером задач, решаемых на каждой стадии исследований, выделяются следующие основные категории глубоких гидрогеологических скважин:

1) поисковые;

2) разведочные;

3) разведочно-эксплуатационные;

4) эксплуатационные. Назначение и задачи каждой категории скважин изложены в табл.15.

В процессе бурения и опробования некоторых скважин может возникнуть необходимость изменения их назначения и решаемых задач. В связи с этим возможны случаи перевода скважин из одной категории в другую, например, поисковой скважины в разведочную, разведочной. - в эксплуатационную. Возможны также случаи перевода разведочных скважин в категорию поисковых после окончания их бурения и опробования для последующего изучения еще не вскрытых предыдущим поисковым бурением отложений. Такой перевод скважин из одной категории в другую должен сопровождаться соответствующим изменением объема гидрогеологических исследований и возможен тогда, когда это допускается соответствием технической конструкции скважин.

Экономические показатели добычи подземных промышленных вод

Анализ экономических показателей йодобромного производства важен с точки зрения оценки стоимости добычи воды в общей себестоимости конечной продукции. Вместе с тем такой анализ Дает возможность прогнозировать целесообразность вовлечения в промышленную эксплуатацию также и редкометалльных вод.

Основная масса производных йода и брома, выпускаемых заводами страны, удовлетворяет требованиям химической и фармацевтической промышленности. Качество металлического йода, технического брома и других продуктов, изготавливаемых в соответствии с действующими общесоюзными стандартами, по основным показателям не уступает лучшим зарубежным образцам. Однако отпускные цены, установленные на все отечественные соединения йода и брома, не полностью учитывают возможности минерально-сырьевой базы йодобромного производства. Относительно высокая себестоимость йода и брома объясняется рядом факторов, главными из которых являются, во-первых, необходимость внедрения современных технологических процессов переработки подземных вод, и во-вторых, улучшение системы эксплуатации минерально-сырьевых баз действующих предприятий. Последняя, наиболее важная причина обусловливает высокий уровень затрат на добычу глубоких подземных вод из скважин; эти затраты составляют значительный удельный вес (50 - 60%) в себестоимости продукции. Уместно отметить, что экономическая эффективность использования подземных промышленных вод существенно возрастет в случае дополнительного извлечения содержащихся в них Sr, В, Li и др.

Рис.4. Примерная структура себестоимости 1м промышленных вод (Западная Сибирь):

1 - перекачка воды на предприятие; 2 - зарплата обслуживающего персонала; 3 - отчисления от капитальных вложений в сырьевую базу; 4 - затраты на подъем воды из скважин; 5 - прочие затраты; 6 - размеры капитальных вложений в сырьевую базу; 7 - стоимость водоподъема, отнесенная к 1м³ воды

В табл.16 показана структура себестоимости буровой воды. Приведенные данные свидетельствуют о том, что основные затраты связаны с бурением скважин и их эксплуатацией. Примерная структура себестоимости подземных вод наглядно иллюстрируется рис.4. В частности, этот рисунок показывает зависимость капиталовложений и эксплуатационных затрат от размеров водозабора: первые растут при увеличении расстояния между скважинами за счет увеличения протяженности трубопроводов, числа станций перекачки и т.д.; эксплуатационные затраты на добычу воды несколько снижаются вследствие уменьшения понижений динамических уровней в скважинах при сохранении суммарных водоотборов.

Подземные промышленные йодобромные и редкометалльные (содержащие цезий, рубидий, стронций) воды характеризуются сходными условиями залегания и распространения и, как было отмечено выше, часто представляют собой комплексное гидроминеральное сырье с разным сочетанием полезных компонентов. Допустимая стоимость промышленных вод при соблюдении условий рентабельности производства может быть рассчитана с учетом гидрогеологических условий месторождений и концентраций в промышленных водах полезных компонентов. Для примера влияние стоимости добычи воды на величины минимальных промышленных концентраций полезных компонентов с учетом их числа определено для двух месторождений:

1) при наличии одного компонента (йода) за основу приняты данные, полученные в процессе геологоразведочных работ в Западной Сибири (рис.5);

2) при наличии двух компонентов (йода и брома) за основу приняты результаты эксплуатации промышленных вод в Западной Туркмении (Рис.6). В табл.17 приводятся минимальные расчетные промышленные концентрации йода и брома в подземных водах Западной Туркмении в зависимости от стоимости добычи воды при эксплуатации водозаборов. Случай нулевой стоимости воды отвечает условиям использования попутных вод нефтяных месторождений, когда себестоимость продукции определяется главным образом издержками технологического процесса. При наличии технико-экономических показателей извлечения могут быть определены минимальные промышленные концентрации и других полезных компонентов. Учитывая отсутствие таких показателей, в табл.18 оценивается возможная стоимость извлечения редких металлов при заданной цене на воду и концентрации полезных компонентов.

Таблица 16

Структура себестоимости 1 000 м³ буровой воды

Рис.6. Допустимая стоимость 1 м⁶ промышленных вод в зависимости от концентраций в них йода и брома (Западная Туркмения)

Рис.5. Допустимая стоимость 1 м³ промышленных подземных вод в зависимости от концентраций в них йода (Западная Сибирь)

При оценке возможного уровня технологических затрат сделаны существенные допущения, а именно:

1) стоимость минерально-сырьевой воды принята равной 20 коп. за 1 м³ (что примерно соответствует средней стоимости воды на предприятиях йодобромной промышленности);

2) принятые отпускные цены на конечную продукцию учитывают стоимость чистых металлов, получение которых в условиях заводского производства затруднительно и, вероятно, нецелесообразно. Тем не менее приведенные данные дают приближенное представление о возможности рентабельного извлечения из подземных вод редких металлов. Рентабельность производства продукции будет существенно возрастать при извлечении комплекса рассеянных и редких металлов.

В целом анализ структуры себестоимости добываемых промышленных вод показывает, что большая часть затрат средств при эксплуатации месторождений гидроминерального сырья связана с амортизацией основных фондов (т.е. капиталовложений) и энергетическими затратами на добычу подземных вод. Первая статья затрат определяется числом эксплуатационных скважин, вторая - условиями разработки месторождений и глубиной динамического уровня подземных вод в скважинах. В связи с увеличением числа скважин в процессе эксплуатации промыслов и сработ-кой динамических уровней обе статьи затрат неизбежно возрастают во времени, что приводит к увеличению стоимости добываемых на поверхность промышленных подземных вод и в конечном счете к росту себестоимости продукции. Это обстоятельство должно учитываться при проектировании и оценке экономической эффективности разработки месторождений промышленных вод.

Из вышеизложенного следует также, что при изучении и оценке месторождений подземных промышленных вод наряду с гидрогеологическим обоснованием ведущее значение имеет геолого-экономическое обоснование их перспективности.

Таблица 17. Минимальные расчетные промышленные концентрации йода и брома в подземных водах Западной Туркмении

Таблица 18. Оценка возможной стоимости извлечения редких металлов из подземных вод