Скважинная гидротехнология


СКВАЖИННАЯ ГИДРОТЕХНОЛОГИЯ

Учебное пособие





Под общей редакцией профессора Аренса В. Ж.



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.277
ББК 33.1
      С42



Авторы:
Аренс В. Ж., Сурин С. Д., Хрулев А. С., Хчеян Г. X.

Рецензенты:
заведующий кафедрой геотехнологических способов и физических процессов горного производства ФГБОУ МГРИ доктор технических наук А. Л. Вильмис;
кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности и экологии горного производства НИТУ МИСиС С. В. Чмыхалова


С42     Скважинная гидротехнология : учебное пособие / [Аренс В. Ж. и др.];
      под общ. ред. проф. Аренса В. Ж. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 196 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0902-5

      Даны основные понятия и представления о добыче полезных ископаемых методами скважинной гидротехнологии. Изложены основы процессов гидравлического разрушения горного массива, способов транспортировки и подъема гидросмеси на поверхность. Описаны результаты опытных и опытно-промышленных работ в крупном промышленном масштабе. Проанализирована сырьевая база новых технологий.
      Для студентов, аспирантов и специалистов, работающих на горных предприятиях.

                                                          УДК 622.277
                                                          ББК33.1










ISBN 978-5-9729-0902-5

      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие...................................................................5
Список терминов и сокращений..................................................7
1. Физико-химическая геотехнология и ее методы................................9
2.  Скважинная гидротехнология как направление физико-химической технологии..15
  2.1. Минеральная база СГД..................................................15
  2.2. Скважинная гидродобыча. Основные понятия и положения..................16
  2.3. Технологические процессы при скважинной гидродобыче...................19
  2.4. Факторы, определяющие возможность применения способа СГД..............22
3.  Основные процессы скважинной гидродобычи.................................28
  3.1. Бурение технологических скважин.......................................28
  3.2. Гидромониторное разрушение в затопленных и незатопленных условиях.....31
  3.3. Водно-тепловое разрушение многолетнемерзлых пород.....................40
  3.4. Доставка разрушенной породы к добычной скважине.......................51
  3.5. Подъем полезного ископаемого на поверхность при СГД...................56
4.  Технологические схемы выемки и системы разработки при СГД................72
  4.1. Технологические схемы скважинной гидродобычи и условия их применения..72
  4.2. Классификация систем разработки при СГД...............................83
5.  Минеральная база и опыт применения скважинной гидродобычи полезных ископаемых...................................................................95
  5.1. Разработка обводненных осадочных месторождений с устойчивой кровлей...95
  5.2. Добыча из маломощных необводненных пластов............................100
  5.3. Скважинная гидродобыча из мощных многолетнемерзлых россыпей..........105
  5.4. Добыча строительного песка из погребенных многолетнемерзлых отложений.107
  5.5. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых в неустойчивых породах.....110
  5.6. Скважинная гидродобыча железных руд КМА..............................114
  5.7. СГД золота из прибрежно-морских обводненных россыпей..................115
6.  Скважинная гидротехнология при строительстве подземных резервуаров.......118
  6.1. Строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах......118
    6.1.1. Строительство в пластовых льдах...................................119
    6.1.2. Строительство вдисперсных грунтах.................................131
  6.2. Методика формообразования подземных резервуаров......................135
  6.3. Эксплуатация подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах.......143
7.  Применение скважинной гидротехнологии в других областях промышленности...151
  7.1. Скважинная гидротехнология при крупнообъемном опробовании месторождений ... 152
  7.2. Скважинная гидротехнология при открытой и подземной добыче...........153
  7.3. Повышение дебитов технологических скважин.............................156
  7.4. Строительство противофильтрационных экранов...........................157

3

8.  Проектирование объектов скважинной гидротехнологии.......................160
  8.1. Разработка обоснования инвестиций.....................................162
  8.2. Проектирование объектов скважинной гидродобычи полезных ископаемых....164
  8.3. Проектирование объектов строительства, создаваемых методом скважинной гидротехнологии...........................................................165
  8.4. Инвестиционные риски.................................................166
9.  Перспективы и основные направления применения скважинной гидротехнологии.168
Заключение..................................................................171
Приложение А. Научные и инженерные задачи применения СГТ....................172
Приложение Б. Методы исследования параметров СГД............................177
Список рекомендуемых источников.............................................186

4

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Недра Земли являются одним из основных источников ресурсов для существования человеческого общества. Из них извлекают полезные ископаемые, которые используются как для выработки энергии, так и для производства промышленной продукции.
     С древнейших времён освоение ресурсов земных недр было одной из основных сфер деятельности человека. Это привело к накоплению знаний в этой области и возникновению комплекса наук о Земле. Постоянно растущий объем добычи полезных ископаемых достиг такого уровня, что ставит перед обществом трудноразрешимые экологические, экономические и социальные проблемы. Перспективы развития сырьевых отраслей связаны с необходимостью вовлечения в эксплуатацию месторождений, расположенных в отдаленных необжитых районах и характеризующихся сложными горно-геологическими, неблагоприятными погодными и экономико-географическими условиями. В связи с этим наблюдается постоянный рост капитальных вложений в горное производство с увеличением сроков их окупаемости при значительном повышении себестоимости продукции.
     Наряду с экономическими проблемами в последние годы в горной промышленности во весь рост встали проблемы экологии. Ведь только для складирования промышленных отходов и отработанных пород в отвалы требуется отчуждение и вывод из хозяйственного оборота больших площадей земельных угодий, что также наносит значительный ущерб водному и воздушному бассейнам.
     Кроме того, в современном мире информационных технологий, стремительного развития биологии, освоения космического пространства и других направлений научно-технического прогресса тяжелый и опасный труд шахтеров становится не престижным. Совершенствование технологий открытой и подземной добычи полезных ископаемых не может полностью ответить на эти вызовы.
     Всё это, наряду с жесткой конкуренцией производителей минерального сырья на мировых рынках, стимулирует разработку новых технологий. Отечественная горная промышленность нуждается в создании технологий на новых принципах, решающих или, по крайней мере, снижающих остроту упомянутых проблем. Поэтому развиваемые в последние десятилетия методы физико-химической геотехнологии (ФХГ) представляются весьма перспективным направлением.
     В их основе лежат процессы перевода твёрдого полезного ископаемого в жидкость, газ или гидросмесь на месте залегания, извлечение их на поверхность через специальные дренажные выработки (скважины) в виде флюидов с последующей переработкой на наземных предприятиях в товарную продукцию. Такой подход сразу решает проблему безопасности для шахтёров, так как их рабочее место переносится из подземных забоев на поверхность земли. Кроме того, изменяется и характер их труда: он становится близким к труду оператора на заводе или фабрике, что существенно повышает квалификацию и социальный статус трудящихся.

5

     При этом исключается или значительно снижается необходимость извлекать, перерабатывать и складировать огромные объёмы горных пород т. к. нет необходимости в их подъеме на поверхность. Использование скважин вместо дорогостоящих шахт и карьеров позволяет на порядок снизить объемы образования отходов производства, в несколько раз сократить сроки окупаемости и капитальные затраты на разработку месторождений.
     ФХГ - пример прогресса на стыке наук. Реализация заложенных в ФХГ принципов возможна лишь с использованием достижений физики, химии, биология, гидравлики, гидромеханики и других фундаментальных наук. В её развитии задействованы геолого-минералогические, технические, физико-математические, химические науки, в том числе и биологического цикла.
     Россия является одной из крупнейших сырьевых держав мира. Конкурентоспособность её горнодобывающего комплекса определяет не только состояние экономики, но и потенциал страны, её позиции в мире. С этой точки зрения технологии ФХГ могут рассматриваться в качестве одного из направлений инновационного развития горного производства, имеющего большое будущее. Подготовка горных инженеров в этой области является своевременным и обязательным этапом в становлении и широкой практической реализации нового направления. Именно поэтому, в последние годы были предприняты многочисленные исследования по ликвидации этого пробела. Издательством МГГУ в 2010 г. выпущен первый учебник «Физико-химическая геотехнология». Настоящее учебное пособие призвано дать широкое представление о накопленном опыте в области одного из направлений ФХМ - скважинной гидротехнологии.
     Среди авторов учебного пособия необходимо отметить особую роль члена РАЕН, д. т. н. А. С. Хрулева, который около 50 лет своей жизни посвятил исследованиям и промышленному внедрению скважинной гидротехнологии.

6

                СПИСОК ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ




     Гидромонитор - устройство для создания водяных струй и управления их полётом с целью разрушения и размыва горных пород.
     Дальность доставки - расстояние, на которое необходимо переместить разрушенную горную породу от забоя до всасывающего устройства эксплуатационной скважины.
     Дальность смыва - расстояние, на которое можно переместить породу с помощью гидромонитора или другого механизма, осуществляющего передвижение пород, к приёмному устройству.
     Землесос - механизм, производящий выемку и перекачку разжиженного водой грунта с помощью насоса.
     Золотоносные пески - рыхлые природные минеральные образования с промышленным содержанием золота.
     Зумпф - накопитель обводненного материала (гидросмеси) для отстаивания или накопления перед последующей обработкой или транспортировкой.
     Кавитация - процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или пустот), которые могут содержать разреженный пар.
     Камера - подземная выработка (ёмкость), образующаяся при добыче полезных ископаемых через скважины.
     Карта намыва - углубление в рельефе, в котором происходит разделение поднимаемой пульпы на воду и грунт.
     Плотик - коренные породы, на которых со значительным стратиграфическим несогласием залегают россыпи.
     Пульпа - извлекаемая на поверхность смесь воды и руды, образующаяся при размыве горных пород в процессе скважинной гидродобычи.
     Рудное тело - ограниченное со всех сторон естественные скопление руды, приуроченное к определённому структурно-геологическому элементу или комбинации таких элементов.
     Скважина разведочная - скважина, пройденная с целью обнаружения продуктивного пласта, уточнения границ и условий его залегания, наличия геологических осложнений и т. п.
     Скважина эксплуатационная - скважина, через которую осуществляется разработка подземного пространства.
     Скважинный снаряд - конструкция, представляющая собой систему труб, по которой происходит подача рабочих агентов в скважину и подъем разрушенных горных пород на поверхность.
     Технологическая схема - это графический документ, который описывает процесс или его составную часть при производстве.
     Эрлифтный подъем - подъём жидкости или пульпы, осуществляемый с помощью сжатого воздуха (газа) специальным подъёмником - эрлифтом (от английского air - воздух и lift - поднимать).

7

     Эфель - мелкозернистый материал (обычно мельче 12-16 мм), отделяемый промывкой или другим способом от песков россыпных месторождений (золота, платины алмазов, титана и т. д.).


     ИГИ - инженерно-геологические изыскания, КМА - Курская магнитная аномалия, КПД - коэффициент полезного действия, ММП - многолетнемерзлые породы, ПАВ - поверхностно-активные вещества, ППУ - парогенераторная установка, СГД - скважинная гидродобыча, СГТ - скважинная гидротехнология, СОУ - сезонно-охлаждающее устройство, СПВ - строительство подземных выработок, ТЭО - технико-экономическое обоснование, ФХГ - физико-химическая геотехнология, ФХМ - физико-химические методы.

8

                1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЕ МЕТОДЫ




     Физико-химическая геотехнология - раздел геотехнологии (горной науки), изучающий методы бесшахтной добычи твердых полезных ископаемых, основанные на переводе их на месте залегания в подвижное состояние посредством осуществления в недрах тепловых, массообменных, химических, гидродинамических и других процессов [1-4]. Это обеспечивается подводом к массиву через скважины различных видов энергии, химических реагентов и другими способами. В результате появляется возможность извлекать ископаемые из недр или отвалов через специальные дренажные выработки - скважины с последующим извлечением полезных компонентов из добытых продуктов.
     В настоящее время широкое применение нашли следующие физико-химические методы:
     Скважинная гидротехнология (СГТ) - метод разрушения горных пород на месте их залегания путем гидромеханического воздействия с последующей выдачей разрушенного материала в виде гидросмеси на поверхность.
     Подземное выщелачивание - метод добычи полезных ископаемых избирательным растворением химическими реагентами на месте залегания с извлечением на поверхность продукционных растворов. Подземное выщелачивание относится к фильтрационным процессам и основано на химических реакциях «твердое тело - жидкость». В основном оно применяется для добычи цветных, редких и радиоактивных металлов.
     Подземное растворение - метод добычи легко растворимых в воде полезных ископаемых растворением на месте залегания. Применяется для разработки соляных месторождений и создания подземных емкостей.
     Подземная выплавка - метод добычи легкоплавких минералов посредством подачи теплоносителя в залежь через скважины и извлечение полезного ископаемого на поверхность в виде расплава. Применяется для добычи серы, вязких углеводородов.
     Подземная газификация - метод добычи полезных ископаемых путем перевода их в газообразное состояние за счет термохимических реакций. Например, подземный термохимический процесс перевода угля в газ, пригодный для энергетических и химико-технологических целей.
     В сферу ФХГ входит такое полезное ископаемое, как тепло Земли. Использовать тепло Земли можно, утилизируя природные парогидротермы, а также тепло глубинных «сухих» горных пород и тепла потенциальных тепловых источников, используя принцип «теплового насоса».
     Отдельно стоят проблемы добычи ФХМ газогидратов, разработки глубинных месторождений морей и океанов.
     Наряду с этими, сравнительно хорошо известными процессами, достижения современных фундаментальных наук позволяют значительно расширить возможный перечень технологий, которые можно было бы использовать для раз

9

работки природных ресурсов. Например, методы подземной перегонки, основанные на переводе полезного ископаемого в газовую фазу без изменения химического состава. К ним же можно отнести и методы внутрипластового ожижения (например, угля) за счет диспергирования ископаемого химическими реагентами. Заслуживают изучения такие перспективные процессы, как гидрогенизация угля и битумов на месте их залегания, скважинная добыча углей с воздействием реагентов, использование земных недр в качестве реакторов для осуществления технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлениях.
     Проблемы будущего - поиск путей создания искусственных месторождений полезных ископаемых, а также использование достижений биологических наук, которые в последние годы добились впечатляющих результатов.
     Методы ФХГ имеют следующие особенности:
     1.      Разработка месторождений, как правило, ведется через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и добычи полезного ископаемого.
     2.      Месторождение - объект добычи полезного ископаемого и место его частичной переработки, так как технология добычи предусматривает избирательное извлечение.
     3.      Рудник состоит из трех основных элементов: блока приготовления и транспортировки рабочих агентов, добычного поля (продуктивный пласт или рудное тело непосредственно в породном массиве или в виде кучи, отвала, хво-стохранилища), где протекает рабочий процесс, и блока переработки продуктивных флюидов.
     4.      Инструментом добычи служат рабочие агенты - носители воздействия, вводимые в рабочую зону: например, химические растворы, теплоноситель, вода под давлением.
     5.      Под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет агрегатное состояние, образуя продуктивные флюиды (раствор, расплав, газ, гидросмесь), которые обладают большой подвижностью и могут быть перемещены в нужном направлении.
     6.      В процессе разработки в месторождении образуются изменяющиеся по размерам и формам и перемещающиеся во времени области, характеризующиеся различными свойствами и протекающими в них процессами,
     7.      Управляют процессом добычи с поверхности, регулируя параметры рабочих агентов (расход, температуру, давление, концентрацию и т. д.), места их ввода в залежь и места отбора продуктивных флюидов.
     Для обеспечения комплекса добычных работ проводятся вспомогательные работы. Например, такие как: проходка и обустройство скважин; подготовка добычных работ; геолого-маркшейдерское обслуживание добычных работ; приготовление рабочих флюидов; переработка и складирование добытых продуктов; ремонтные работы.
     Не всякое месторождение эффективно разрабатывать методами ФХГ. Поэтому существуют особенности при разведке месторождений. Необходимо про

10

водить детальное изучение: во-первых, геологического строения и гидрогеологических условий, свойств массива, и других параметров горной среды; во-вторых, физико-химических основ перевода полезного ископаемого на месте залегания в состояние, пригодное для извлечения на поверхность.
     Геологические параметры месторождения определяются при инженерногеологических изысканиях, гидрогеологических и геофизических исследованиях, сопровождающих разведку месторождения и предшествующих проектированию.
     При разведке должны быть выявлены:
     1.       Форма, размеры и геологическое строение залежи, глубина залегания, тектонические особенности и вторичные преобразования (наличие складок, разрывов, интенсивной трещиноватости, кавернозности, крупных карстовых пустот, окисления руд и др.).
     2.       Содержание полезного ископаемого и его запасы, мощность, литологический, минералогический и химический состав, структурно-текстурные особенности залежи, соотношение полезных компонентов по технологическим свойствам, изменчивость их качественных и количественных характеристик.
     3.       Мощность, литологический состав, степень тектонической нарушенно-сти и элементы залегания покрывающих и подстилающих пород, физико-механические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород.
     4.       Гидрогеологические параметры водоносных горизонтов (водоносная мощность, пьезометрический напор, коэффициент фильтрации, химический состав, температура вод и др.), гидрогеологическая блокировка запасов, источники водоснабжения предприятия, прогноз возможных изменений гидродинамических условий месторождения во время его эксплуатации и влияние последней на существующий водозабор и поверхностные водотоки.
     5.       Газоносность залежи, интенсивность газопроявлений, химический состав газов, их взрывоопасность.
     6.       Экономика и природные условия района месторождения (обжитость, энергетические ресурсы, транспортные возможности, сведения о месторождениях других полезных ископаемых, климате, рельефе и др.).
     Специфическое отличие методики разведочных работ на месторождениях, предназначаемых к разработке геотехнологическими методами - детальность физико-геологических исследований, объем которых увеличивается за счет необходимости изучения большего количества соответствующих специфических свойств и особенностей залежей.
     Исследовательские работы проводятся на всех стадиях разведки и включают в себя как геологические, так и геотехнологические исследования. Под ними понимаются выявление важных для геотехнологии физико-геологических факторов и их конкретная оценка по данным исследований. Также требуется более полное изучение технологических свойств полезных ископаемых и вмещающих пород, что позволит провести подсчет извлекаемых запасов.

11

     На параметры процесса добычи существенное влияние оказывают следующие физико-геологические факторы:
     1.      Химико-минералогический состав залежей и вмещающих пород определяет характер их взаимодействия с рабочими агентами. Наиболее благоприятен состав залежей, обеспечивающий избирательное взаимодействие рабочего агента с минералами, содержащими полезное ископаемое. Наличие сопутствующих или вмещающих минералов, взаимодействующих с рабочим агентом, может привести к перерасходу реагентов или к серьезным осложнениям (например, коль-матации порового пространства).
     2.      Содержание полезного компонента в залежи при прочих равных условиях определяет эффективность метода добычи.
     3.      Механические свойства залежи и вмещающих пород - в ряде случаев определяют возможность перевода полезного ископаемого в подвижное состояние (гидравлический размыв) и осуществление гидроразрыва. Кроме этого, они определяют ход процесса сдвижения покрывающей толщи пород, т. е. управление горным давлением при ведении процесса добычи.
     4.      Химический состав, плотность и вязкость подземных вод определяют скорость и характер распространения по залежи рабочих агентов, а также возможность использования пластовых вод для приготовления рабочих агентов и условия промышленного сброса вод.
     5.      Условия питания и разгрузки подземных вод, их связь с выше- и нижележащими горизонтами определяют размер утечек рабочих и продуктивных агентов. Близость участков питания и разгрузки подземных вод, как правило, затрудняет ведение процесса добычи.
     6.      Пористость, текстура и структура залежи определяют степень доступности полезного ископаемого для рабочего агента.
     7.      Проницаемость залежей для многих геотехнологических методов является необходимым условием осуществления процесса добычи. Неоднородность проницаемости рудной залежи, как правило, затрудняет ведение процесса добычи, поскольку проницаемые участки служат каналами движения рабочих агентов, а непроницаемые остаются вне сферы их действия.
     Геологическое изучение месторождения, переданного в эксплуатацию гео-технологическими методами, осуществляется в два этапа: доразведка с переводом запасов в высшие категории и эксплуатационная разведка. Отличие доразведки запасов для геотехнологических методов состоит в том, что доразведочные скважины должны располагаться на расстоянии, кратном сети добычных скважин, при условии их последующего использования для эксплуатации. Их диаметр должен быть равен диаметру добычных скважин. Скважины следует обсаживать, цементировать и консервировать до начала эксплуатации.
     Эксплуатационная разведка при ФХМ вносит существенные коррективы в определение геологических и гидрогеологических характеристик залежи. В ряде случаев все задачи эксплуатационной разведки могут решаться при проходке разведочно-добычных скважин в соответствии с проектом разработки. Принятое расстояние между добычными скважинами, которые одновременно являются и

12