Добыча солей методом подземного растворения

ПОДЗЕМНОЕ РАСТВОРЕНИЕ СОЛЕЙ

Лекция 4

Месторождения природных солей широко используют в мировой практике в двух направлениях. Как источник сырья для пищевой и химической промышленности и как объекты, в которых создаются надёжные и безопасные резервуары для хранения жидких и газообразных углеводородов, промышленных отходов и т. д.

В обоих случаях большая глубина залегания пластов солей (300—2500м), более высокие технико-экономические показатели технологии предопределили широкое применение метода подземного растворения. В его основе лежит высокая растворимость в воде хлоридов натрия, калия, и магния, месторождения которых и служат базой для этого метода. Хотя способ воздействия на залежь один и тот же - подземное растворение, задачи, решаемые для его использования, отличаются. В первом из них к рассолу предъявляются требования по концентрации полезного компонента, а для пластов малой мощности допускаются системы с посадкой пород кровли и даже иногда с деформацией земной поверхности.

При создании подземных резервуаров (ёмкостей) основные требования предъявляются к форме ёмкости и к её долговременной устойчивости.

Получаемые при создании резервуаров растворы подлежат утилизации, иногда их закачивают в поглощающие горизонты.

Различают пластовые, куполообразные, штокообразные и линзовидные месторождения солей. Соляные месторождения представлены весьма разнообразными минералами. Наиболее распространенны три группы минеральных соединений — хлориды, сульфаты и хлоридо-сульфаты.

Главными породообразующими минералами являются: галит NaCl (2,17 г/см³); сильвин КСl (1,98 г/см³); карналлит KCl・MgCl₂・6H₂O (1,58 г/см³) лангбейнит K₂SO₄・2MgSO₄ (2,8 г/см³); каинит KCl・MgSО₄・3H₂O (2,2 г/см³). Другими породообразующими минералами являются: кизерит (MgSО₄・H₂O), полигалит (K₂SО₄・MgSO₄・2CaSО₄・2H₂O), шенит (K₂SO₄・MgSО₄・6H₂O), леонит (K₂SO₄・MgSО₄・4H₂O), глазерит (K₃Na(SO₄)₂), бишофит (MgCl₂・6H₂O), эпсомит (MgSO₄・7H₂O), астраханит (NaSO₄・MgSO₄・4H₂O), ангидрит (CaSO₄), гипс (CaSO₄・2H₂O).

Основной породообразующий минерал каменной соли — галит. Вредными примесями являются ангидрит, полигалит, нерастворимые (глины, илы, брекчии и др.). Залежи калийных солей представляют собой смесь различных минералов: например галит и сильвин образуют сильвинит, галит и карналлит — карналлитовую горную породу и т. д.

Рассолопромысел — комплекс наземных и подземных сооружений, который обеспечивает непрерывную добычу рассола. Схема комплекса сооружений, обеспечивающих добычу рассола, приведена на рис. 13.1.

В пробуренную и обсаженную до кровли соляной залежи скважину соосно опускают водоподающую и рассолоподъемную колонны труб. Вода-растворитель по трубопроводу от водозабора через насосную станцию и контрольно-распределительный пункт (КРП) подается в добычные скважины. Нагнетаемая через скважину вода в камере растворяет соль. Полученный рассол за счет давления нагнетаемой воды поднимается на поверхность.

Далее через КРП, резервуар и насосную он направляется на завод-потребитель. Управление процессом в камерах осуществляется с помощью нерастворителя, предотвращающего растворение потолочины. В качестве нерастворителя обычно используются нефтепродукты, иногда воздух (азот, природный газ). Для хранения и транспортирования рассола и нерастворителя сооружаются специальные емкости-хранилища, насосная станция, КРП и технологические трубопроводы. Работа всех рассолопромыслов характеризуется высокими технико-экономическими показателями: производительность труда в 4—5 раз выше, а удельные капиталовложения в 6—7 раз ниже, чем при шахтном способе добычи соли. Существенным преимуществом рассолопромыслов является транспортирование рассола по трубопроводам, что значительно снижает транспортные расходы.

В подавляющем большинстве случаев технология ПРС реализована на месторождениях каменной соли. В процессе подземного растворения каменной соли из-за неодинаковой плотности рассола по высоте камеры происходит преимущественное развитие верхней части выработки. При этом нарушается естественное напряженно-деформированное состояние массива каменной соли и для сохранения устойчивости кровли ёмкости и для достижения большего коэффициента извлечения требуется преимущественное развитие ее нижней части. Главная задача формирования подземных выработок — преодоление противоречия между процессом развития верхней части выработки вследствие расслоения рассола по высоте и требованием сохранения устойчивости выработки под действием горного давления. Преодоление указанного противоречия является причиной разработки многочисленных технологических методов рассолодобычи и способов управления формообразованием подземных выработок.

Методы ПРС подразделяются на неуправляемые и управляемые. К первым относятся методы прямотока и противотока (рис. 13.2, а, б). Растворение соли ведется по всей вскрытой мощности соляной залежи, а скважины оборудуют одной рабочей колонной труб. При прямотоке воду подают к забою скважины, а рассол выдается между обсадной и водоподающей колоннами. При противотоке направление движения жидкостей — противоположное.

Недостатки этих методов: стенки скважин растворяются неодинаково по высоте и камера приобретает форму опрокину того конуса. Эксплуатация скважин прекращается при угле наклона стенки камеры 35—40°, что резко сокращает срок службы скважин и увеличивает потери соли. Кроме того, из-за больших площадей обнажения надсолевых пород часто происходят обрушения кровли, которые вызывают аварии скважин и выход их из строя.

К управляемым методам относятся методы гидровруба и послойного растворения. Гидровруб —специальная выработка, представляющая горизонтальное кольцевое пространство вокруг забоя скважины с высотой во много раз меньше высоты камеры. Сущность технологии его сооружения основана на работе двух соосно расположенных колонн, по промежуткам между которыми движется нерастворитель, вода и рассол (рис. 13.2, в).

Обычно высота гидровруба 2—5 м. Подача воды в камеру, а так же выдача рассола происходят непрерывно. Нерастворитель удерживается в верхней части камеры и предохраняет ее кровлю от растворения, т.е. камера развивается только в горизонтальном направлении. После образования гидровруба заданных размеров нерастворитель поднимается, вода получает доступ к кровле камеры и начинается процесс интенсивного растворения, направленный снизу вверх. Метод позволяет извлекать до 15 % соли. Недостатки метода — значительная продолжительность подготовительного периода (до 500 суток) и неуправляемость процесса в эксплуатационный период.

При методе послойной выемки (рис. 13.2, г) после размыва гидровруба отработка камер снизу вверх ведется отдельными горизонтальными слоями (ступенями) высотой 5—15 м при изоляции потолка каждого слоя нерастворителем, уровень которого контролируется. Это позволяет извлекать из каждого слоя заданное количество соли и управлять формообразованием камеры. Для перехода на выемку нового слоя осуществляется подъем нерастворителя на уровень потолочины нового слоя. Опыт промышленного применения метода послойной выемки показал следующие преимущества этого способа перед другими: наибольшее извлечение, заранее заданная форма, высокая производительность скважины, эффективная отработка с высоким (до 30 %) содержанием нерастворимых примесей. Толщина слоя нерастворителя в камере принимается равной 4—5 см, вязкость при температуре 0°С должна быть не более 20—25 МПа・с, а его удельная масса — не выше 0,85—0,88 т/м³, содержание воды — не более 0,5 % по объему. Так как в процессе растворения постоянно увеличиваются диаметр камеры и площадь кровли выработки, необходимо систематически подкачивать в скважину определенное количество нерастворителя.

В последние годы разработан метод заглубленной водоподачи (рис. 13.2, д). Сущность метода заключается в создании по всей высоте интервала отработки соли зоны смешения восходящего потока растворителя с опускающимися потоками насыщенного рассола, за счет чего в зоне смешения обеспечиваются постоянная концентрация и равномерное по высоте растворение стенок камеры. Рассол отбирается из нижней части камеры. Отработка камер методом заглубленной водоподачи наиболее эффективна при эксплуатации мощных отложений каменной соли. Скорость растворения соли при заглубленной водоподаче значительно (в 5—10 раз) ниже. Но растворение соли в большом интервале по высоте и не больших скоростях растворения дает возможность сократить объем операций по спуску-подъему труб и простои скважин при переходе на следующую ступень.

Добыча рассолов может осуществляться также сдвоенными (взаимодействующими) скважинами, что позволяет увеличить рабочее сечение ствола каждой за счет ликвидации одной колонны труб. Сплошная система разработки, используемая на Ново-Карфагенском месторождении, предусматривает работу серии взаимодействующих скважин, а также обрушение кровли (рис. 13.2, е).

Для обеспечения надежного растворения соли, зависящего в основном от формы и объема камер, необходимо осуществлять постоянный контроль за уровнем нерастворителя.

Определение уровня поверхности раздела двух сред (нерастворителя и рассола) осуществляется методом подбашмачного контроля, контрольной трубки, электроконтактного устройства и манометрическим методом.

Метод подбашмачного контроля может применяться только периодически, так как он требует прекращения нормальной эксплуатации скважин. Сущность этого метода заключается в следующем. В скважину через определенные интервалы времени подкачивается заведомо большее количество нерастворителя, чем требуется для изоляции кровли камеры. Избыточное количество нерастворителя выходит на поверхность через колонну водоподающих труб и спускной кран. Хотя этот метод контроля относительно прост, он неизбежно связан с большими потерями рабочего времени. Наиболее длительной операцией является всплывание нерастворителя в воде. Так, при скорости подъема солярового масла или нефти в воде, равной 5 м/мин, можно ожидать появления нерастворителя на поверхности с глубины 1000—1200 м спустя 3—4 ч после остановки скважины. Частые и довольно продолжительные (до одной смены) остановки скважин при подбашмачном методе контроля снижают производительность рассолопромысла, а нарушение режима контроля и несвоевременная подкачка нерастворителя приводят к размыву потолка камеры, скорость которого может достигать 0,2—0,3 м/сут.

С помощью трубки контроль за уровнем нерастворителя можно осуществлять систематически. В пространство между обсадными и водоподающими трубами опускается трубка, которая жестко крепится к колонне водоподающих труб. Нижний ее конец устанавливается на 0,5 м выше башмака водоподающих труб и должен постоянно находиться в нерастворителе, а верхний конец выводится через отверстие во фланце колонны обсадных труб на поверхность и оборудуется вентилем. Если нижний конец трубки находится в рассоле, то она заполняется рассолом, а если в нерастворителе — нерастворителем, что и фиксируется на поверхности.

Контрольная трубка может быть неподвижной и подвижной. Подвижная трубка позволяет не только следить за уровнем нерастворителя на заданной глубине, но и находить его в случае поднятия и опускания потолка камеры. Трудности применения метода контроля уровня нерастворителя с помощью трубки связаны с повреждениями и обрывами трубки при гидравлических ударах в системе, а также в период спускоподъемных операций технологических труб.

Метод контроля уровня нерастворителя с помощью электроконтактного устройства основан на свойствах электропроводности воды и рассола и диэлектрических свойствах нерастворителя. Если контакты устройства в скважине находятся в воде или рассоле, цепь замыкается и на поверхности зажигается сигнальная лампа. Помимо частых отказов системы из-за обрывов к числу недостатков этого метода контроля следует отнести ненадежность работы контактов.

Манометрический метод контроля основан на регистрации разности давлений между рабочими жидкостями на оголовке скважины.

Камеры, образующиеся в результате искусственного растворения соли, должны иметь форму, обеспечивающую устойчивость их кровли и максимальное извлечение соли.

Наиболее рациональным методом картирования камер растворения — ультразвуковая локация. Принцип работы прибора основан на определении времени прохождения ультразвукового импульса от излучателя до стенки камеры и обратно. Зная скорость распространения звука в рассоле при определенной концентрации и температуре, рассчитывают расстояние до предмета в заданном направлении.

Описанная технология ПРС применяется, для разработки залежей каменной соли.

С использованием технологии подземного растворения могут быть отработаны месторождения калийных солей и бишофита, со сложными горно-геологическими условиями или при глубоком залегании. Промышленное использование технологии ПРС затрудняется проблемами экономически эффективной технологии извлечения полезных компонентов из рассолов, а также утилизации отходов переработки.

В Волгоградской области разведано уникальное месторождение соли с содержанием в руде бишофита 95—98 % и брома 5—8 кг/м³ руды. Горнотехнические условия подходят для извлечения полезных ископаемых технологией подземного растворения. Дальнейшая переработка раствора позволяет извлекать полученный металлический магний, окись и гидроокись магния, а также бром. При этом неизбежно получается большой объем хлорсодержащих продуктов (хлористого водорода, соляной кислоты, газообразного хлора), проблема использования или захоронения которых трудно решаема.

При разработке месторождений калийных солей методом подземного растворения получаемый раствор содержит кроме хлорида калия значительно большее количество хлорида магния, если исходным сырьём служит карналлит, или натрия, если разрабатываются залежи сильвинита.

Таким образом, на первой стадии переработки соли должны быть извлечены из раствора раздельно. Энергоёмкость этого процесса такова, что она наиболее экономически оправдана при условии использования природной энергии солнца. Предложена альтернативная технология переработки раствора на соду и поташ (т.е. бесхлорные удобрения), стоимость которых позволяет сделать, этот этап экономически целесообразным.

Дата добавления: 2014-01-04