Технология растворения

Процесс работы скважины можно разделить на два периода: подготовительный (создается начальная камера, обеспечивающая добычу кондиционного рассола) и эксплуатационный. После оборудования скважины производят прямоточную промывку ее и создают зумпф для осаждения нерастворимых примесей. Длительность промывки 7—10 сут при производительности скважин 30—50 м³/ч. Рассол, получаемый в период подготовительного размыва, недостаточно насыщен солью и не может непосредственно использоваться для химического производства. На практике слабый рассол направляется в хранилище или подается в работающие скважины на донасыщение. В подготовительный период размыва камер количество слабого рассола (50—200 г/л) из одной скважины достигает 250—500 тыс.м³.

Если при подготовительном размыве происходит зашламовывание нижней части колонны рассолозаборных труб, применяется реверсивный режим работы скважины (прямоток меняется на противоток, и наоборот). Если таким путем не удается ликвидировать зашламовывание, рассолозаборные трубы приподнимаются на 0,5—2 м. Перевод скважины на очередную ступень обработки осуществляется следующим образом. Прекращается подача воды в скважину, выпускается нерастворитель и приподнимаются колонны технологических труб (башмак колонны водоподающих труб устанавливается на уровне потолка очередной ступени). Положение колонны рассолоподъемных труб определяется уровнем нерастворимых примесей. После этого межтрубные скважины вновь заполняются нерастворителем, и процесс растворения возобновляется.

Управление формообразованием камеры в процессе растворения соли осуществляется путем подачи в скважину нерастворителя. 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. 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 иди 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 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.

Камеры, образующиеся в результате искусственного растворения соли, должны иметь форму, обеспечивающую устойчивость их кровли и максимальное извлечение соли. Наиболее рациональным методом картирования камер растворения является метод ультразвуковой локации. Для этой цели Ленинградским горным институтом создан ультразвуковой гидролокатор ЛУЧ-3. В последниб годы ВНИИГ изготовил видоизмененный вариант этого прибора — гидролокатор ЛУЧ-4, предназначенный для съемки камер растворения через скважины. 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.

Высокой экономической эффективности рассолопромысла можно достигнуть надежной работой добычных камер в оптимальном режиме: при поддержании заданных параметров нагнетаемых в них рабочих агентов (расхода воды и уровня нерастворителя), а также определенным порядком обработки скважин. Производительность размыва и концентрация рассола регулируются изменением расхода воды.

В настоящее время многие параметры технологии рассчитываются на основе эмпирических зависимостей, поскольку общая теория подземного растворения еще не разработана. Ниже изложены методические вопросы расчета параметров технологии подземного растворения солей, который используется при проектировании.

11.3 Методика расчета параметров технологии ПРС*

Выбор системы разработки месторождений каменной соли производится в зависимости от геолого-гидрогеологических условий, заданной производительности рассолодобычи, надежности управления и контроля технологическим процессом, возможности последующего использования отработанных камер, условий охраны природы, сохранности земной поверхности [33, 35].

Существуют системы камерной и сплошной разработки. Сплошная система разработки применяется для разработки маломощных пластов соли и предусматривает сочетание вертикальных и наклонно-горизонтальных скважин. В пониженных частях залежи по падению располагаются рассолозаборные скважины. Процесс подземного растворения солей протекает на значительных площадях, достигающих 1 км², с неизбежными деформациями земной поверхности. Для планомерной и плавной просадки надсолевых пород выбирается определенный порядок отработки залежи с регулированием интенсивности водоподачи на отдельных участках.

Камерная система разработки предопределяет сохранность земной поверхности от сдвижения. Растворение соли осуществляется через одиночные или взаимодействующие скважины. Одиночные скважины размещаются по квадратной или ромбической сетке. В зависимости от геологических условий месторождения применяются камеры: отрабатывающие всю мощность соли и разделенные несолевыми перемычками (при отработке залежей, представленных чередованием пластов соли и несолевых пород), причем, в этом случае производится специальный расчет на максимальную мощность обрушаемых несолевых прослоев.

При проектировании камеры растворения необходимо предусматривать оставление потолочных целиков в каменной соли на контакте с надсолевыми породами. Для изоляции камер от водоносных горизонтов в подсолевых породах оставляется подошвенный целик. Подземные камеры разделяются целиками. Размер камер оставляемых целиков, а также расположение выработок относительно элементов залегания соляных пластов должны исключать обрушение надсолевых пород и связь водоносных горизонтов с рассолами в камерах.

Параметры системы разработки. Основными параметрами, характеризующими систему разработки месторождения каменной соли, являются: предельно-допустимый пролет камеры 2К; размер междукамерного целика Д; мощность потолочного целика h_п; минимальная мощность несолевых прослоев h_н.

Расчет предельно-допустимого размера камер. Существует несколько методик определения параметров камеры растворения. По методике Г.В. Кузнецова, основанной на гипотезе балок, с учетом коэффициента пригрузки k_п от вышележащих слоев величина предельно-допустимого пролета камеры определяется по формуле

2R =

k_п = (0,065 – 0,056tgφ)

где А— коэффициент, учитывающий характер защемления пролета на опорах и степень деформации пород (А = 2 при максимальной деформации без нарушения сплошности кровли); σ_изг.дл – длительная прочность пород несущего слоя на изгиб, т/м²; h₀ — мощность несущего слоя, м; k_п – коэффициент пригрузки; tgφ — коэффициент трения между слоями (tgφ = 0,26÷0,6); h_i – мощность пригружающего слоя, м.

Расчет устойчивости междукамерных целиков производится по методике, основанной на гипотезе Шевякова—Турнева, исходя из запаса прочности целика,

n =

где σ_р — разрушающее напряжение, определяемое с учетом давления рассола на стенки камеры, веса покрывающих пород и формы целиков, МПа;

σ_д – действующее на целике напряжение, определяемое с учетом собственного веса целика, а также воспринимаемой им разницы между весом растворенных пород и давлением заполняющего камеру рассола, МПа.

σ_р = ()·

σ_д = + ρ₁ h

где Н₀ – мощность покрывающих породу м; Н— высота целика, м;

L – расстояние между скважинами, м;

R – радиус камер подземного растворения, м;

ρ, ρ₁, ρ_р – соответственно плотности каменной соли, покрывающих пород и рассола, кг/м³;

Р – давление рассола в средней по высоте части камеры, МПа (Р = ρ_рН, Н – глубина рассматриваемого сечения, м);

σ – прочность каменной соли на одноосное сжатие, МПа;

β – угол внутреннего трения, градус.

По опытным данным, допустимая величина коэффициента запаса прочности при камерной системе разработки должна быть не менее 1,2—1,4. Полученные значения коэффициента запаса прочности сравниваются с заданными: при n > 1,4 следует уменьшить L, при n <1,4 следует увеличить L. Расчет производится заново.

Полученные данные контролируются по методике Ленинградского горного института (В.С. Романов), основанной на теории механики сплошной среды—допустимые по устойчивости размеры целика (Д) устанавливаются по ширине зоны ослабленных пород вокруг рассольных камер (В) из условия Д≥2В.

Ширина ослабленной зоны определяется с учетом размеров, формы и взаимного влияния камер

В = R