CC BY
130
© E.n. KapaTb/гин, В.Л. Старостенков, 2003
УЛK 553.63
E.n. ^ра^гин, В.Л. Старостенков
РAЗBИTИE ГEOTEXHOЛOГИЧECKИX METOЛOB ПРИ РAЗРAБOTKE ЯР-БИШ KAЛAKCKOГO MECTOРOЖЛEHИЯ KAMEHHOЙ ШЛИ
Яр-Бишкадакотий paccoлoпpoмыceл, входящий в co-став Cтepлитaмaкcкoгo ОАО «Сода» (Башкортостан), является одним из крупнейших в мире предприятий по добыче каменной толи бе^ахтным ототобом. На этом paccoлoпpoмыcлe поеледовательно проводи-лжь вce опытные и опытно-промышленные итоледо-вания, cвязaнныe как c внедрением различных методов подземного растворения, так и c товершенство-ванием cиcтeм разработки и контроля за формообразованием камер.
В геологичеотом отношении Яр-Бишкадакотое месторождение каменной толи pacпoлoжeнo в пределах восточной окраины рутокой платформы и приурочено к западному борту Бельотой зоны Пре-дуральотого краевого прогиба. Река Белая разделяет месторождение на правобережный и левобережный участки. В настоящее время ведется промышленная разработка правобережного участка.
Соленоотая толща приурочена к отложениям кун-гуротого яpyca нижней перми и представлена тремя пластами каменной толи, которые иногда стиваются в два пласта (отв. 25, ЗЗ, 51), а в ряде отучаев разделяются на неотолько более тонких пластов (отв. 52, 56, 5B, 64, б? 72 и другие). Мощность отдельных промышленных пластов каменной толи изменяется от З4 м (отв. 4B) до 542 м (отв. бр). Соленоотая толща имеет ложное строение, характеризуется фациальной изменчивостью, резкими колебаниями глубин залегания подошвы и кровли толи, в cвязи c чем геологичеотие разрезы отважин часто по площади резко отличаются друг от друга. В югозападной части месторождения (отв. B7, BB, B9), в ceвepo-вocтoчныx частях его (отв. №№ 54, 7O, B6) раотространены полигалит-галитовые породы.
Ocвoeниe месторождения началом в 195O г. c бурения 11 ратоольных отважин в центральной ча^ ти месторождения вотрывших верхний плacт каменной толи мощностью 15O - 380 м на глубине до BOO м. Конструкция отважин двухтрубная. Башмак зацементированной oбcaднoй колонны 0 B" устанавливается вблизи кровли толяного пласта, рабочая колонна труб 0 4" на ратотоянии 1 - 2 м выше подошвы толяного пласта.
Отработка запатов ocyщecтвлялacь методом противотока, при котором вода подается по межтрубно-му пространству, а ратоол, нaкaпливaющийcя в нижней части oбpaзyющeйcя выработки, отбирается по центральной колонне труб.
Bcлeдcтвиe гравитационного ратолоения, нижняя часть камеры заполняется наиболее на^щенным
рассолом, поэтому растворение более активно происходит в верхней части залежи, где соль соприкасается с более пресным растворителем, благодаря чему образуется воронкообразная камера. В дальнейшем, как и при прямоточном методе вода подается по центральной колонне у кровли соляной залежи развивается врубообразная щель и работа скважины продолжается до тех пор, пока перекрывающая камеру кровля способна удерживать вес вышележащих пород. При уменьшении несущей способности пород происходит обрушение кровли, скважина приходит в аварийное состояние и, как правило, выходит из строя.
Уже начальный этап эксплуатации показал несовершенство противоточного метода. Пять скважин (9/8, 11, 12, 13, 18) с объемом камер от 0,2 до 2,1
3
тыс. м вследствие зашламования стволов и частых обвалов активно обнажающейся кровли соли сразу же вышли из строя. Извлечение запасов по этим скважинам составило лишь 0,1%. По другим проти-воточным скважинам (1, 9, 10, 14, 17), которые с
перерывами продолжали работать до 1955-1960 гг., извлечение составило от 0,4 до 1,5%. Лишь по скважине № 2 с объемом камеры 198 тыс. м3, эксплуатировавшейся около 9 лет, оно достигло 6% (рис. 1). Кроме того, из-за небольшой площади солесъема в камере их производительность составляла 5-7 м3/ч.
Недостатки прямоточного и противоточного методов заставили искать пути совершенствования технологии рассолодобычи. Экспериментальные работы по размыву образцов и моделей соли показали, что наиболее благоприятные условия для растворения создаются при положении растворяющейся поверхности под углом 180° к горизонту, т.е. при отработке пласта снизу вверх. Это привело к мысли о ведении эксплуатации таким образом, чтобы в начальный период размыв происходил в радиальном направлении у подошвы соляной залежи с предупреждением растворения кровли камеры. Так возникла идея создания «гидровруба» - щелеобразной горизонтальной выработки с небольшой высотой (1,5 - 2,0 м) и большим диаметром (100 м и более), что достигается с помощью нерастворителя (воздуха или нефтепродуктов), который легче воды, нерастворим в ней и является надежным средством защиты кровли от растворения.
Идея создания гидровруба впервые была выдвинута французом Филиппом Жанро в 1907 г. Большие работы по совершенствованию рассолодобычи способом гидровруба с применением воздуха в качестве нерасворителя проводил американский исследователь Э.Н. Тремп. Поэтому способ гидровруба иногда
называют способом Тремпа [1].
В СССР экспериментальные работы по размыву моделей гидроврубным способом с применением в качестве нерастворителя жидких нефтепродуктов были успешно приведены во ВНИИГе в 1940-48 гг. проф. П.А. Купле [2].
При выщелачивании с созданием гидровруба в оборудованную зацементированной обсадной колонной герметичную скважину опускается одна в другую две рабочие колонны труб (обычно 8" - водоподающая и 5" - рассолозаборная) с разносом на высоту заданной подготовительной выработки (вруба) -обычно 1,5-2,0 м. Вода подается по межтрубному пространству рабочих колонн, а рассол выжимается на поверхность по внутренней (рассолозаборной) колонне. По межтрубному пространству между обсадной и водоподающей колоннами периодически подается нерастворитель, предохраняющий от растворения потолок камеры. В нижней части соляного пласта в результате радиального растворения при непрерывной водоподаче в течение 350-450 суток образуется вруб необходимого диаметра, представляющий собой в конечном виде концентрическую щель с достаточно большой площадью обнаженной соли. После создания вруба приступают к эксплуатации скважины. Предварительно выпускается часть нерастворителя и увеличивается разнос рабочих колонн. В результате растворения снизу вверх свободной соляной поверхности, расположенной под углом 180°, образуется и извлекается на поверхность рассол высокой концентрации (310 и более г/л) при достаточно высокой производительности (до 40 м3/час).
Оставшийся у кровли камеры нерастворитель в виде блуждающей на поверхности рассола пленки, стремится занять высшее положение, перемещается таким образом, в выщелоченное пространство и регулирует равномерность растворения кровли. К концу отработки залежи должна образовываться камера выщелачивания в форме цилиндра или усеченного конуса с большим верхним основанием.
В соответствии с разработанной технологией 5 следующих скважин (5, 6, 7 8, 19р), введенные в эксплуатацию в 1952 г., были переведены на отработку по новому методу - гидроврубовому. Позднее, к 1960 г. были введены в эксплуатацию еще 13 гидроврубовых скважин, в том числе 4 переоборудованы из разведочных (4р, 5р, 6р, 8р).
Глубина скважин достигла 1000 - 1100 м, т.к. к отработке был принят средний пласт соли.
Результаты эксплуатации скважин показали, что в условиях месторождения с большим количеством нерастворимых включений достижение проектного диаметра вруба 100 м в ряде случаев невозможно, а на стадии эксплуатации «блуждающая пленка» не препятствует уходу потолка камеры вверх, приводит к обрушению кровли и авариям. Извлечение запасов в пределах проектного контура достигло 30%. Срок службы скважины также резко возрос, что явилось несомненным шагом вперед в рассолодобыче.
Выявившееся в процессе эксплуатации несовершенство гидроврубового метода привели к разработке метода послойной выемки, технология кото-
Яр-Бишкадакском рассолопромысле 8-р
• разведочно-эксплуатационные скважины 89
• эксплуатационные скважины
I -1 линия геологического разреза
рой была детально разработана П.С. Бобко [3]. Сущность этого метода заключается в том, что после размыва подготовительной выработки отработка залежи снизу вверх ведется отдельными горизонтальными слоями (ступенями) высотой 5-15 м при изоляции потолка каждого слоя нерастворителем. В процессе отработки слоя нерастворитель в камеру вводится систематически и его уровень контролируется. Это позволяет извлекать из каждого слоя заранее заданное расчетное количество соли и управлять формообразованием камеры. Для перехода на выемку нового слоя осуществляется выпуск нерастворителя с отработанного уровня и подъем его на новый уровень, отвечающий потолочине нового слоя. Одновременно на высоту очередного слоя производится подъем уровня водоподачи. Так последовательно снизу вверх слоями отрабатывается камера в форме тела вращения на всю мощность соляной залежи вплоть до потолочного целика соли, оставляемого для исключения обрушений покрывающих пород. По этому методу с 1960 г. были переведены 10 гидроврубовых скважин с сохранением прежней конструкции. В дальнейшем были введены в эксплуатацию дополнительно 19 скважин глубиной 1200 м и производительностью до 75 м3/час. Фактическое извлечение запасов по ним составляло 40 -50 %.
В 1964 г. на скв. 24 и 28 было начато внедрение нового метода - сдвоенными камерами с реверсивнослоевой отработкой (батарейный способ). Результаты работы первой пары скважин показали слож-
ность управления процессом рассолодобычи, особенно при разном уровне потолочин в сдвоенных камерах [4]. Поэтому данный метод отработки, несмотря на возможность достижения производительности до 250 м/ч, не нашел широкого распространения на рассолопромысле. Основным методом отработки месторождения до 1976 г. оставался послойный метод. Однако несовершенство метода контроля положения потолка камеры, образование водонефтяной эмульсии у потолочины вместо слоя нерастворителя при высокой производительности скважины, часто приводило к значительным стихийным уходам потолка вверх.
Дальнейшим совершенствованием технологии рассолодобычи явилась разработка в 1975-76 гг. метода заглубленной водоподачи (МЗВ), по которой в следующих годах работало 11 скважин [5], а к 1991 г. по МЗВ работало большинство скважин, в том числе и несколько сдвоенных скважин. С 1993 г. ведутся промышленные работы по внедрению варианта МЗВ - конвективного смешения растворителя с предварительным образованием вертикальной подготовительной выработки.
Метод заглубленной водоподачи обусловил изменение гидродинамической обстановки в камере и условий массопереноса.
Сущность МЗВ заключается в том, что точка подачи растворителя в камере переносится значительно ниже потолка камеры. Благодаря этому значительно возрастает мощность активной зоны и площади поверхности растворения. В данном случае реверсированная струя растворителя поднимается вверх вдоль колонн труб, постепенно расширяясь в виде так называемого факела рассеивания. Высота подъема струи определяется условиями ввода растворителя и характером стратификации раствора по высоте вертикальной выработки. Взаимодействие поднимающейся и распадающейся струи переменного состава и возвратного потока вниз вдоль поверхности растворения обусловливают появление тор-роидальных вихрей, которые обеспечивают довольно устойчивую концентрацию растворителя в зоне смешения (порядка 240-270 г/л) и являются одним из определяющих факторов сохранения вертикальности стенок камеры. Непременным условием МЗВ является наличие выше зоны подъема струи зоны гравитационной конвекции с направленностью вниз градиента плотностей.
Скорость растворения соли при заглубленной во-доподаче значительно (в 3-4 раза) ниже, чем при во-доподаче вблизи потолочины, благодаря чему камера развивается более равномерно по всей высоте.
Переход на МЗВ впервые произошел на скважинах 7 и 8 с заглублением 45 и 122 м соответственно, затем были переведены гидроврубово-послойные скважины 5, 6р, 15, 19, 20, 21, 31, 44 и 47.
В дальнейшем их количество было доведено до 31 единицы. Производительность скважин при МЗВ варьировала в пределах 30-45 м3/ч и определялась как параметрами камеры и условиями заглубления водоподачи, так и сложностями горно-геологических условий месторождения.
Особенности месторождения, заключающиеся в
ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕКОТОРЫХ СКВАЖИН ЯР-БИШКАААКСКОГО РАССОЛОПРОМЫСЛА
□ скважины Количество отрабатываемый пластов Суммарная мощность соли, м Дата начала подготовительного размыва Начальная глубина отработки, м Общий объем камеры, тыс. м3 Примечание
5 2 297,5 07.1954 857 1040 Ликвилирована
7 1 355 10.1952 836 2890 Эксплуатируется
6р 1 542 01.1956 979 852 --//--
15 3 704 6.1965 1350 1610 --//--
29 4 335 04.1960 1078 1308 Отработала запасы
35 2 737 12.1966 1272 1700 Эксплуатируется
55 4 364 04.1977 1144 720 --//--
76 2 193 06.1983 1184 465 --//--
85 2 402 01.1993 1225 37,0 --//--
4р 542 02.1956 1200 2970 сдвоенные скважины, экс-
73 1 240 01.1980 996 3980 плуатируются
24 531 08.1964 1173 1995 сдвоенные скважины, отра-
28 1 571 08.1964 1205 ботали запасы
40 221 04.1970 1189 сдвоенные скважины, экс-
41 2 268 09.1969 1262 плуатируются
сложной гипсометрии пластов каменной соли, наличием на отдельных участках мощных несолевых прослоев, разделяющих солевые пачки, обусловили использование камерно-этажной системы и определяют изменчивость параметров отработки по площади горного отвода рассолопромысла (рис. 2). Данное обстоятельство приводит к тому, что скважина, работающая в режиме МЗВ, после отработки нижнего пласта и переходе на следующий этаж переводится иногда в зависимости от конкретных условий на послойную отработку. Перевод с этажа на этаж с размывом очередной выработки сопровождается резким сокращением потерь дизтоплива за счет возврата временно захороненного нерастворителя.
Для повышения коэффициента извлечения полезного ископаемого ряд новых скважин были пробурены на участке противоточных скважин (□□ 66, 67, 78, 82 и др.) и вскрыли нижние пласты каменной соли. Поскольку противоточными скважинами были подработаны большие площади по кровле соляной залежи, то в ряде случаев пришлось разрабатывать специальную технологию проходки и крепления стволов при пересечении выработки высотой в несколько метров.
Вторым направлением повышения коэффициента извлечения явилась разработка технологии подключения новых скважин к объемам действующих отработанных камер, которая внедряется в настоящее время.
О масштабах отработки месторождения, сроках службы скважин и параметрах подземных камер свидетельствуют ниже следующие данные, характеризующие работу некоторых скважин.
Материалы эксплуатации скважин и данные таблицы 1 говорят о том, что срок службы, отрабатывающих центральную часть месторождения, достигает 40 и более лет. Максимальная производительность скважин составляла 75 м3/час по кондиционному рассолу и ограничивалась в основном чисто техническими причинами. Диаметры камер в среднем не превышали 100 м, объемы камер определялись в основном мощностью продуктивной толщи.
Форма подземных камер, регулярно фиксируемая локационными съемками, отличалась сложностью как в плане так и по высоте выработки и зависела от конкретных горно-геологических условий разрабатываемого участка.
В настоящее время Яр-Бишкадакский рассоло-промысел представляет собой современный завод с потенциальной производительностью до 18 млн. м3 кондиционного рассола в год. Рассолопромысел включает в себя промплощадку и добычный участок, на котором расположено 85 рассольных скважин.
Технологическая схема работы рассолопромысла следующая.
Производственное водоснабжение осуществляется насосной станцией с водозабором на р. Белая, оборудованной десятью центробежными насосами типа ЦНС-300х400. Вода через камеры переключения по закольцованным трубопроводам из двух ниток диаметром 350 мм каждая под давлением до 4,0 МПа подается в водяные коллекторы с 4-х контрольно-распределительных пунктов (КРП), в которых осуществляется управление работой скважин. Все скважины рассолопромысла разделены, условно, на четыре группы, каждая группа скважин «привязана» к одному из четырех КРП (рис. 3).
Из КРП по тупиковым трубопроводам 0 159 мм вода направляется в рассольные скважины. Образующийся при этом рассол в зависимости от концентрации по соответствующему трубопроводу возвращается в КРП и поступает либо в коллектор кондиционного, либо в коллектор слабого рассола.
Кондиционный рассол, поступающий из скважин с остаточным давлением по соответствующему тупиковому трубопроводу, подается в коллектор кондиционного рассола КРП. Из коллектора рассол направляется в кольцевой рассольный трубопровод 0 350 мм, далее в резервуары кондиционного рассола на промплощадке рассолопромысла, откуда перекачивается по магистральным рассолопроводам на Стерлитамакское ОАО «Сода» и другим потребителям.
Некондиционный или слабый рассол из скважин
по тупиковому трубопроводу направляется в коллектор слабого рассола КРП и далее по сбросному трубопроводу в озеро слабого рассола (рассолохрани-лище).
В зависимости от степени заполнения озера слабым рассолом и его отстоя от нерастворимых примесей, насосной станцией, оборудованной тремя насосами ЦНС-300х480, слабый рассол по трем магистральным напорным трубопроводам под давлением до 3,0 МПа подается в КРП-1,2,3 и 4 и далее в эксплуатационные скважины на донасыщение.
Снабжение рассолодобычных скважин нераство-рителем (дизтопливом) производится от хозяйства нерастворителя рассолопромысла, в состав которого входят насосная станция, оборудованная тремя насосами типа 9МГр-61 и резервуарами общим объемом 800 м3.
Дизтопливо по трубопроводам 0 100 мм подается на коллекторы всех КРП и далее по трубопроводам 0 89 мм в скважины. Рабочее давление закачки нерастворителя составляет до 6,0 МПа.
При разрядке скважины нерастворитель возвращается в приемные резервуары обратным путем.
Основными направлениями дальнейшей деятельности рассолопромысла является ликвидация озера слабых рассолов (рассолохранилища), сброс в которое рассолов в течение длительного времени привел к созданию ореола техногенного загрязнения подземных водоносных горизонтов, организации планомерной и эффективной отработки запасов правобережного участка и подготовки к использованию подземных камер для размещения промышленных отходов различного назначения.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Trump E.N. Mining soluble salines by wells Trans. Amer.inst. min. met. engrs, vol. 173, 1947.
2. Купле П.А. Строительство скважин с гидровру-бом. Тр. ВНИИГа, вып. XXX, 1995.
3. Бобко П.С. Опыт работы цеха рассолоснабжения Болгарского содового завода. Тр. ВНИИГа, вып. 35, 1959.
4. Богданов Ю.А., Каратыгин Е.П. и др. Интенсификация процесса подземного выщелачивания соляных месторождений. Обзорн. инф., Л., ВНИИГ, 1970.
5. Резников В.А., Каратыгин Е.П. и др. Состояние и перспективы развития Яр-Бишкадакского рассолопромысла. Тр. ВНИИГ, вып. 66, 1974.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Каратыгин Е.П, Старостенков В.Л. — ЗАО "Химгортехнология", г.Санкт-Петербург.
© П.М. Соложенкин, В.П. Небера, А.И. Зубулис, 2003
УЛК 628.349.002.54:541
П.М. Соложенкин, В.П. Небера, А.И. Зубулис
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЛЬВАНОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ОЧИСТКЕ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЛ
Имеется ограниченное число публикаций по теоретическим основам гальванохимического процесса и расширению его практического применения, несмотря на очевидную перспективность и экономичность данного метода для очистки сточных вод (в том числе и гальванических производств) [1-8 и др.]. До настоящего времени еще недостаточно полно изучены механизмы процесса, не предложена концепция конструирования устройств, обеспечивающая надежную и устойчивую их работу и учитывающая все составляющие этого многостадийного электрохимического процесса. Гальванохи-
мическая очистка (ГХО) сточных вод (СВ) позволяет в одном агрегате снижать концентрацию тяжелых металлов, солей, органических примесей. Необходимо дальнейшее совершенствование и интенсификация методов ГХО и создания на этой основе комплексных технологий с замкнутым циклом водопользования.
Механизм гальванохимиче-ской очистки определяется процессами, возникающими во время контактированию очищаемой воды, воздуха с гальванопарой. На катоде, в качестве которого используется кокс, медь, активированный уголь, происходит восстановление кислорода и растворенных в воде металлов с достаточно высоким электродным потенциалом. На катоде протекают реакции :
2Н2О + О2 + 4е = 40Н-; и Мп+ + пе = М.
На аноде, в случае анодной составляющей железа, идут реакции:
Ре + ОН- = Ре(0Н)2 +2е;
Ре(0Н)2 + ОН- = Ре(0Н)3 + 3е;
