Выбор системы разработки месторождений полезных ископаемых

Цель производственного процесса добычи полезного ископаемого — получение максимального эффекта при минимальных затратах. Однако в каждом конкретном случае возникает необходимость удовлетворения дополнительным технологическим и экономическим требованиям. В частности, при разработке месторождений полезных ископаемых в одних случаях требуется обеспечить заданный уровень добычи или поддержать определенное качество продукции, в других — достичь минимальной себестоимости или заданного уровня извлечения ископаемого из недр и т.д. Стремление к увеличению извлечения является безусловным требованием к рациональной отработке месторождений полезных ископаемых.

Исходными данными для выбора системы разработки служит плановая производственная мощность предприятия, с одной стороны, и физико-геологическая обстановка залежи полезного ископаемого — с другой.

Производственная мощность предприятия устанавливается при разработке проекта и обосновывается наличием запасов полезного ископаемого, коэффициентом извлечения из недр и сроком службы предприятия.

Физико-геологическая обстановка определяется такими факторами как физические, химические, геологические, гидрогеологические характеристики полезного ископаемого, рудного тела и массива в целом. Кроме этого, фактором, оказывающим значительное влияние на показатели работы предприятия, являются экономико-географические условия.

При анализе факторов, влияющих на систему разработки, для каждого конкретного месторождения необходимо выделять главные и второстепенные. К первым прежде всего следует относить какое-либо свойство или фактор, которое определяет существо данного метода отработки месторождения. Например, для многих геотехнологических методов таким фактором будет проницаемость, для других — текстура и структура полезного ископаемого, для третьих — гидрогеологические условия залежи, для четвертых — количество нерастворимых и т.д.

Выбрать систему разработки — это значит определить направление отработки залежи в целом и установить сетку размещения скважин.

Следует сразу оговорить, что не может быть единой рациональной системы разработки для всех месторождений. Даже для одного месторождения одна система разработки может рекомендоваться для одних участков, другая для других, т.е. оптимальное размещение скважины должно обеспечить технологичность выемки полезного ископаемого и получение наивысших технико-экономических показателей.

При проектировании рациональной системы разработки должны удовлетворяться следующие условия: обеспечение потребности страны в данный момент времени; соблюдение правил эксплуатации и охраны недр; учет максимального числа производственных, экономических, географических и физико-геологических особенностей разработки залежи; обеспечение максимального экономически целесообразного извлечения полезного ископаемого.

Основными элементами системы разработки являются: направление отработки; сетка скважин (расстояние между рядами и между скважинами в ряду); порядок ввода скважин в эксплуатацию во времени и пространстве.

Направление отработки определяется с учетом элементов залегания, формы залежи, региональных гидрогеологических условий. По этим факторам в плане месторождения выделяются первоочередные объекты разработки. Направление отработки должно учитывать естественное движение пластовых вод, а также структуру пласта, т.е. вестись по падению, восстанию или простиранию рудного тела. Желательно, чтобы ряды скважин полностью пересекали залежь, достигая ее границ.

При выборе последовательности отработки отдельных участков необходимо стремиться к обеспечению минимального числа стыковок отработанных и вновь вводимых участков, поскольку это ведет к потере рабочих агентов и продуктивных флюидов.

Скважины располагаются по площади залежи по какой-то определенной геометрической сетке, например, кольцами или рядами.

Сетка расположения скважин в зависимости от производительности пласта и других физико-геологических условий разработки может быть равномерная и неравномерная. Равномерная сетка может быть квадратной, треугольной, пяти- и шестиугольной. Геометрический расчет показывает, что треугольная сетка скважин в сравнении с квадратной позволяет более полно охватить месторождение зоной отработки, в то же время при треугольной сетке на 15,47 % возрастает число скважин, приходящихся на единицу площади.

При наклонном расположении пластов или направленной фильтрации скважины целесообразно располагать по вершинам не равносторонних, а равнобедренных треугольников. В этом случае расстояние между рядами берется больше, чем между скважинами.

Расстояния между скважинами, с одной стороны, определяют наименьшее число скважин для разработки залежи (учитывают вопросы экономики вскрытия), а с другой — обеспечивают технологические требования метода, т.е. являются компромиссом между ними. Для выбора расстояния между скважинами необходимо учитывать физико-геологические условия (мощность, структурную форму, коллекторские свойства, гидрогеологический режим и т.д.), взаимодействие (интерференцию) скважин, задаться конечным извлечением (по мере увеличения плотности сетки скважин извлечение полезного ископаемого растет, но темп его роста постепенно замедляется и при определенной плотности остается практически неизменным, т.е. для каждого конкретного месторождения существует оптимальный предел плотности сетки скважин, отвечающий наиболее экономичной эксплуатации) и обеспечить добычу через каждую скважину определенных запасов полезного ископаемого за конкретный срок ее работы.

При определении расстояний между скважинами учитываются:

– глубина залегания залежи (в общем случае при прочих равных условиях чем глубже месторождение, тем реже сетка);

– технологичность процесса добычи (в конкретных ГМ можно осуществлять процесс добычи на каких-то определенных расстояниях между добычными скважинами);

– извлекаемость полезного ископаемого при различных сетках скважин;

– производительность пласта — каждая скважина должна обеспечить получение заданного объема добычи. При конкретных данных по мощности залежи, содержанию полезного компонента и коэффициенту извлечения сетка скважин позволяет рассчитывать извлекаемые запасы;

– условия залегания (для горизонтального и наклонного пластов расстояние между скважинами должно быть разным. Необходимо считаться с наличием тектонических нарушений и граничных зон залежи).

Помимо перечисленных факторов при выборе сетки скважин следует учитывать неоднородность пласта и особенно характер рельефа его почвы, располагая добычные скважины в углублениях почвы рудного тела. В общем случае чем выше проницаемость пласта, тем больше могут быть расстояния между скважинами.

Физико-механические свойства руд и покрывающих пород. В ряде ГМ (например, подземное растворение солей) сетка скважин прежде всего определяется устойчивостью кровли камер растворения, причем зависимость размеров целиков и камер растворения определяется расчетным путем.

С экономической точки зрения расстояние между скважинами можно определить из расчета окупаемости затрат на сооружение скважины и ее эксплуатацию

Увеличение извлечения в результате уплотнения сетки скважин влечет за собой повышение затрат на добычу. При этом возникает задача определения рациональной сетки скважин. Эффективность упрощенных технико-экономических расчетов, основанных на качественных оценках и зависимостях, становится недостаточной при отработке месторождений высокопроизводительными ГМ.

Размещение добычных скважин, отвечающее требованиям рациональной отработки месторождения, может быть определено в результате анализа технико-экономической модели процесса. В качестве критерия оптимизации параметров сетки скважин может быть принят максимум суммарной прибыли предприятия, получаемой в результате отработки месторождения, так как он учитывает целевые показатели — коэффициент извлечения и затраты на добычу.

Рассматривая математическую постановку задачи о наиболее эффективном размещении скважин, отвечающем оптимальным значениям затрат и извлечения, учитываем влияние совокупности горно-геологических и технико-экономических факторов на извлечение и величину затрат для задаваемых типов оборудования скважин, т.е. приходим к типичной экстремальной задаче.

Функция цели должна отвечать прибыли предприятия и определяться разностью стоимости реализованной продукции и ее себестоимостью. Стоимость реализованной продукции является функцией совокупности постоянных и переменных параметров, в том числе и параметров сетки расположения добычных скважин, оказывающих влияние на коэффициент извлечения.

Себестоимость продукции определяется затратами по различным статьям расходов, величина которых зависит от принимаемой системы отработки месторождения и параметров технологии.

Значительное влияние на себестоимость продукции оказывает общее число скважин, определяемое параметрами сетки скважин. Характер влияния числа добычных скважин на различные статьи расходов определяется в каждом случае, исходя из принятой методики определения себестоимости.

Математически проблема выбора наиболее рациональной сетки скважин заключается в максимизации целевой функции при наличии начальных и граничных условий. Недостаток максимизируемой функции (отсутствие учета ценности неизвлекаемой части запасов месторождения) может быть устранен путем введения величины ущерба, связанной с недоизвлечением части балансовых запасов.

Для расчета параметров сетки добычных скважин, соответствующих максимальному экономически целесообразному коэффициенту извлечения, следует максимизировать суммарную прибыль предприятия, получаемую в результате отработки месторождения с учетом ценности теряемых балансовых запасов.

Для конкретного составления технико-экономической модели процесса необходимо установить ряд зависимостей, из которых к основным относится зависимость коэффициента извлечения от параметров сетки расположения скважин.