Геотехнологические методы освоения месторождений полезных ископаемых

Геотехнология – это наука о скважинных системах добычи энергетических, минеральных и водных ресурсов недр Земли. Она изучает физико-химические процессы добычи полезных ископаемых, средства для ее осуществления и горно-геологическую среду – геологическое строение, гидрогеологические условия, температуру, давление, физические и химические свойства горного массива и насыщающих его растворов.

Под геотехнологическими способами понимают способы добычи, основанные на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством тепловых, массообменных, химических и гидродинамических процессов на месте его залегания без присутствия людей.

Геотехнологический комплекс по добыче полезных ископаемых – это совокупность технологических процессов, операций и средств их реализации, обеспечивающая циклическую разработку продуктивных пластов методами геотехнологии. Такой комплекс включает в себя наземные и подземные сооружения для выполнения следующих основных технологических процессов: 1) бурение скважин, подготовка и регенерация рабочего флюида (теплоносителя, растворителя), закачиваемого в продуктивный (технологический) пласт (залежь, рудное тело); 2) перевод полезных компонентов с помощью геотехнологических процессов на месте залегания пласта (залежи) в жидкое, газообразное или диспергированное состояние и откачки (выдачи) их на поверхность; 3) переработка продуктивных флюидов (экстракция, электрохимия, сорбция, электрометаллургия, охлаждение, конденсация и др.) с отбором рабочего агента (флюида) для повторного использования в технологическом цикле.

Геотехнологические свойства полезных ископаемых – это те свойства, которые позволяют переводить полезные ископаемые в легкоподвижное состояние с помощью растворения, выщелачивания, плавления, сжижения, размыва, горения, возгонки и т.д.

Наиболее освоенные геотехнологические способы добычи полезных ископаемых: подземное выщелачивание (способ избирательного извлечения полезных ископаемых на месте их залегания с помощью химических реагентов и выдача обогащенного продукционного раствора на поверхность); подземное растворение (способ извлечения солей растворением через скважины); подземная выплавка (способ добычи твердых легкоплавких полезных ископаемых закачкой теплоносителя по скважинам в пласт и выдачей расплава на поверхность в жидком виде); подземная газификация (способ добычи твердых горючих ископаемых путем высокотемпературного перевода его в газообразное состояние); скважинная гидродобыча (способ, основанный на механическом разрушении пласта полезного ископаемого в забое скважины с помощью гидромониторных струй с последующим подъемом гидросмеси на поверхность).

В основу классификации геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых положены технологические процессы, с помощью которых добывается конечный продукт в жидком, газообразном или диспергированном состоянии. К ним относятся:

§ химические (термохимические, термические, электрометаллургические, гидрометаллургические);

§ физико-химические, относящиеся к комбинированным (гидрометаллургические с наложением на рабочий пласт электрических, электромагнитных и акустических полей);

§ гидромеханические в сочетании с гидрометаллургическими (гидродобыча руд одновременным выщелачиванием, гидрогенизация);

§ бактериально-химические, т.е. безреагентное выщелачивание и растворение металлов, солей; создание искусственных месторождений полезных ископаемых);

§ физические (термические – плавление, перегонка, испарение, конденсация, возгонка; гидромеханические – гидродобыча песка, угля, торфа и др.).

Геотехнологический объект – это сложная система, состоящая из динамически связанных между собой подсистем, каждая из которых характеризуется специфическими процессами, а именно:

§ бурением скважин, проведением горных выработок;

§ фазовым превращением полезных ископаемых в горном массиве;

§ транспортированием продуктивных флюидов из горного массива на поверхность;

§ получением из продуктивных флюидов полезных компонентов.

К основным причинам низкой организационной надежности геотехнологических систем можно отнести следующие: 1) слабая организационно-техническая подготовка производства; 2) неуправляемость отдельных технологических операций, различные отклонения от заданных режимов; 3) изменяющиеся во времени интенсивность отказов оборудования и затраты времени на его восстановление, что обусловлено постепенным износом или случайными отказами техники; 4) разброс индивидуальной производительности отдельных рабочих, различия индивидуальной производительности.

Добыча полезных ископаемыхведется через вертикальные, наклонные и ориентированные (наклонно-горизонтальные) скважины. Подача рабочих агентов (теплоносителей, растворителей, воздушного дутья) к полезному ископаемому и транспортировка продуктивных флюидов на поверхность могут производиться как по одной, так и по нескольким скважинам. При этом полезное ископаемое выдается после перевода его из твердого состояния в подвижное (миграционное): жидкое, газообразное, взвешенное. Однако неоспоримые преимущества геотехнологических способов осложняются тем, что образовавшиеся подземные полости (пустоты) заполняются обрушившимися горными породами, что вызывает в свою очередь сдвижение вышележащего массива горных пород, просадку поверхности с разрывом или без разрыва сплошности и нарушение колонн обсадных труб технологических скважин.

Влияние на сдвижение пород особенно ощутимо при геотехнологической разработке мощных пластов полезных ископаемых).

С другой стороны, агентами воздействия на продуктивные пласты являются выщелачивающие или размывающие растворы, содержащие различные по составу и концентрации химические соединения. Это создает предпосылки для загрязнения водоносных горизонтов и земной поверхности. Отсюда следует необходимость установления гидравлической взаимосвязи пласта полезного ископаемого или водоносного горизонта, к которому он приурочен, со смежными водоносными горизонтами.

Освоение геотехнологических способов добычи полезных ископаемых сводится к созданию соответствующей технологической схемы процесса. Она заключается в следующем. В продуктивном пласте бурят ряд скважин предназначенных для нагнетания рабочего агента (инъектирование теплоносителей при подземной выплавке серы или при использовании вторичных и третичных методов повышения нефтеотдачи пластов, нагнетание выщелачивающих растворов и т.д.) и для извлечения полезного компонента (угольного газа при подземной газификации, подземных термальных вод, растворенной соли и т.д.).

Способы воздействия на продуктивную залежь делят на шесть групп: импульсные (ультразвуковая, электроразрядная обработка горных пород); взрывное воздействие одиночными и групповыми зарядами, применение пороховых генераторов давления; гидроразрыв пластов; кислотная обработка; термическое воздействие на пласт; применение поверхностно-активных веществ. Возможно использование комбинированных способов воздействия на продуктивную зону: кислотный или импульсный гидроразрыв и т.п.

Из всех указанных способов воздействия на пласт широкое распространение получили наиболее простые, динамические способы. Особое место среди таких способов занимает энергия взрыва, которая позволяет не только сократить подготовительный период на выполнение тех или иных технологических операций, но и резко повысить эффективность воздействия за счет направленного изменения физического состояния горных пород.

Строительство геотехнологических комплексов начинается с бурения скважин, которые являются основными вскрывающими выработками. В продуктивный пласт по скважинам подаются специальные реагенты (техническая вода, пар, теплоноситель, кислоты, щелочи, воздух, кислород и др.) и опускается технологическое оборудование для эффективного воздействия на залежь (механическим, химическим, гидравлическим, микробиологическим, термическим и другими способами), которое обеспечивает перевод полезного ископаемого в подвижное (миграционное) состояние и извлечение на поверхность продуктивных флюидов.

Вскрытие месторождений осуществляется вертикальными, наклонными, ориентированными (наклонно-направленными) скважинами и их комбинацией, а также с использованием подземных горных выработок.

Скважины глубиной до 45-50 м относятся к мелким, 50-100 м – к неглубоким, 100-200 – средней глубины, 200-400 м – к глубоким, 400-600 м –к очень глубоким, 600-2000 м – к весьма глубоким и свыше 2000 м – к сверхглубоким. Обычно их располагают на небольшом расстоянии одна от другой: 17,5х17,5 м; 20х20 м; 40х40 м и более. Срок службы геотехнологических скважин различен – от нескольких суток (СГД) до 10-30 лет (ПРС).

Скважины бурят с начальным диаметром 490 мм (не более), 393,7; 295,3 мм и конечным 320; 215,9 (190,5) мм. Для бурения применяют буровые установки роторного типа УРБ2А-2, УРБ-3АМ, 1БА-3АМ, 1БА-15В, УБВ-600 (ПВС, СГД, ПВ), шпиндельного типа ЗИФ 1200А, УИТ-40М (ПГУ), а также тяжелые буровые установки БУ-50, БУ-75 БР, БУ-125.

Подготовка месторождения к эксплуатации – комплекс работ, включающий бурение скважин по полезному ископаемому и их обустройство, создание каналов проницаемости, увеличение приемистости скважин и доразведку геотехнологического поля.

Бурение геотехнологических скважин по пласту полезного ископаемого производят после обустройства скважины (установки обсадной колонны, тампонажа кольцевого затрубного пространства и проверки ее герметичности).

После окончания бурения по пласту полезного ископаемого скважину очищают и опускают в нее эксплуатационные колонны труб. Трубы монтируют на муфтовых, сварных и ниппельных соединениях с нанесением на резьбовые соединения специальной высококачественной смазки, которая обладает хорошими уплотнительными и противозадирочными свойствами. На поверхности монтируются технологические трубопроводы, присоединяемые к оголовкам скважин через устьевую арматуру.

Под системой разработки при геотехнологической добыче полезных ископаемых понимается схема расположения технологических скважин и определенный порядок введения их в эксплуатацию, увязанный в пространстве и во времени. Обычно полезные компоненты извлекаются из продуктивного пласта и процесс добычи управляется через технологические скважины, пробуренные с поверхности. В отдельных случаях (при подземном выщелачивании металлов) системы разработки могут быть подземными, когда вскрытие осуществляется подземными горными выработками, или комбинированными, когда продуктивный пласт вскрывают подземными горными выработками в комбинации со скважинами, пробуренными с земной поверхности.