Растворение подземное

РАСТВОРЕНИЕ ПОДЗЕМНОЕ (а. underground dissolution; н. Losen in Situ; ф. dissolution souterraine; и. disolucon subterraneo) — способ добычи природных минеральных солей (поваренная, калийная, бишофит) через скважины путём перевода в водный раствор одного или нескольких компонентов в недрах. Наряду с добычей при растворении подземном осуществляются обогащение, очистка (для поваренной соли) и избирательное извлечение (для калийных солей).

В конце 19 — начале 20 веков разработаны и освоены способы растворения каменной соли в подземных выработках и через буровые скважины с поверхности. Первый промысел в России по разработке соляных залежей через скважины построен в 1910 на Новокарфагенском месторождении.

Особенности растворения подземного обусловлены физико-химической природой и растворимостью солей, гидравликой и гидродинамикой циркуляционных потоков, возникающих при создании в соляном массиве подземных камер больших размеров. Растворение соли включает этапы: поступление растворителя к поверхности соли, взаимодействие растворителя и соли (межфазные процессы), отвод растворённого вещества от соли (процессы диффузии).

Горнодобывающие предприятия, осуществляющие подземную добычу соли способом растворения подземного называется рассолопромыслами и представляют собой комплекс наземных и подземных производственных объектов, обеспечивающих непрерывную добычу и подачу рассола потребителю (рис. 1).

Основные технологические сооружения рассолопромысла — скважины подземного растворения (СПР). Конструкция скважин выбирается исходя из особенностей геологического строения залежи, гидрогеологических условий, физико-механических характеристик пород и других условий. СПР оборудуется направлением, кондуктором, промежуточными обсадными колоннами, эксплуатационной колонной (диаметр до 325 мм) и технологическими свободновисящими колоннами (водоподающей диаметром до 219 мм и рассолоподъёмной диаметром до 146 мм). На устье скважины монтируется специальный оголовок, обеспечивающий герметизацию устья, герметичное разобщение технологических колонн, возможность их подъема и спуска. При растворении подземном преимущественно используются скважины, работающие по принципу "выдавливания рассола", которые подразделяются с учётом способа управления процессом растворения (прямоточные; противоточные, гидроврубовые, послойного растворения), применяемых систем разработки (индивидуальные, взаимодействующие), способа вскрытия соляных залежей (вертикальные, наклонные, наклонно-горизонтальные).

Различают неуправляемое и управляемое растворение подземное. К первому относится противоточное (нагнетание растворителя в затрубное пространство и выдавливание образующегося рассола через центральную колонну) и прямоточное (изменение схемы подачи) растворение. В 80-х гг. 20 века эти способы не применяются из-за низкого извлечения запасов (до 5%), малой производительности скважины (до 7-10 м³/ч), непродолжительного срока эксплуатации скважин (до 5-7 лет). К управляемым относятся способы гидровруба и послойного растворения.

Способ гидровруба, предложенный в 1933 американским учёным Э. Трэпом, усовершенствован и внедрён в отечественную практику советским учёным П. А. Кулле, который использовал в качестве нерастворителя нефть и её производные. Ряд недостатков гидровруба исключён в способе послойного (ступенчатого) растворения. Сущность способа (рис. 2) заключается в отработке соляной толщи снизу вверх отдельными горизонтальными слоями (ступенями) высотой 5-15 м, диаметром 100 м, при изоляции потолка каждого слоя нерастворителем и систематического контроля за его уровнем.

Это позволяет извлекать из каждого слоя заранее заданное расчётное количество соли и управлять формообразованием камер. Способ послойной выемки получил наибольшее распространение и является основным при эксплуатации рассолодобычных скважин, обеспечивая высокую производительность (до 70 м³/ч) и возможность отработки залежей с большим (до 30%) содержанием нерастворимых включений. Этим способом отрабатываются месторождения солей с глубин от 200-300 до 1800 м. Выемка полезных ископаемых из подземных камер через скважины растворения подземного осуществляется в 2 этапа. На первом, подготовительном, создают начальную поверхность растворения соли путём размыва горизонтальной полости небольшой высоты — гидровруба, обеспечивающую получение промышленной производительности камеры по кондиционному рассолу. Время на создание гидровруба 360-540 суток, а на втором этапе, эксплуатационном, осуществляется добыча полезных ископаемых. В зависимости от порядка отработки соляных месторождений и способа управления горным давлением выделяются системы камерного и сплошного растворения. При камерных системах растворение подземное ведут в изолированных камерах через индивидуальные или взаимодействующие скважины, между которыми оставляются целики, исключающие возможные деформации поверхности. При разработке месторождения индивидуальными скважинами основными вариантами камерной системы являются: система с размещением камер в пределах всей разрабатываемой толщи полезных ископаемых (рис. 3, а); камерно-этажная система с соосным размещением камер в пределах мощности каждого кондиционного пласта (рис. 3, б); камерно-этажная система с несоосным размещением камер в мощной соляной залежи (рис. 3, в).

Система взаимодействующих (сдвоенных) камер в отечественной практике применяется с 1960-х гг. на Яр-Бишкадакском рассолопромысле. Суть способа: на подготовительном этапе скважины размываются индивидуально, а на эксплуатационном (после сбойки камер размывом или гидроразрывом) — совместно при поочерёдном использовании одной из скважин как водоподающей, а другой как рассолозаборной. Способ не находит широкого распространения из-за сложности поддержания уровня нерастворителя на заданной глубине.

Активно внедряется в промышленную практику способ поэтапной выемки, предусматривающей вначале отработку камер через индивидуальные скважины, а затем подключение новых скважин к объёмам действующих камер (рис. 4).

Этот способ позволяет осуществить доработку запасов, оставляемых в междукамерных целиках.

Для отработки маломощных залежей каменной соли применяется сплошная система. При этом участок месторождения вскрывается группой скважин, которые соединяются между собой у подошвы залежи (гидроразрывом или гидроврубом) для образования единого искусственного рассольного горизонта. Отработка запасов участка осуществляется путём нагнетания воды в водоприёмные скважины, располагаемые со стороны восстания пластов, и отбора рассола из рассолозаборных скважин со стороны падения. При отработке свиты пластов подачу воды первоначально осуществляют в нижний пласт. Вовлечение в эксплуатацию верхних пластов происходит при естественных обрушениях пропластков несолевых пород, разделяющих продуктивные пласты, либо за счёт перфорации обсадных колонн водоприёмных скважин. При сплошной системе происходит деформация (просадка) земной поверхности, поэтому она имеет ограниченное распространение в CCCP (Новокарфагенский рассолопромысел).

Для снижения капитальных затрат и повышения эффективности подготовительного и эксплуатационного режимов растворения подземного разработаны способы интенсификации с применением горнотехнических методов рассолодобычи (принудительное обрушение кровли, гидравлический разрыв пласта и др.) и способы с применением физико-химических методов интенсификации рассолодобычи (добавка реагентов, использование новых видов рабочих агентов, воздействие физических полей и др.).

Контроль за уровнем нерастворителя в камерах при растворении подземном осуществляется регулярно одним из известных методов: манометрическим, подбашмачным, радиоактивным и др. Параметры подземных камер определяют расчётным путём и ежегодно гидролокационными съёмками; отработку выявленных в процессе съёмок недоизвлечённых запасов осуществляют, используя технологию рассолодобычи с вертикальной выработкой.

Камеры подземного растворения используются для подземного хранения нефтепродуктов и сжиженных газов, захоронения отходов промышленных предприятий, организации подземной очистки рассолов.

Растворение подземное получило широкое распространение в мировой практике и в 80-х гг. 20 в. основная часть добычи каменной соли для содовой, хлорной, пищевой и других отраслей промышленности обеспечивается этим способом, из-за относительной простоты организации добычи и высоких экономических показателей (производительность труда почти в 4 раза выше, а удельные капитальные затраты в 7 раз ниже по сравнению с шахтным).