Технология бурения эксплуатационных скважин при отработке месторождений
advertisement
Технология бурения эксплуатационных скважин при отработке месторождений урана методом подземного выщелачивания Лектор - доцент кафедры «Бурение скважин» Брылин Владимир Иванович brylinvi@mail.ru Введение • По данным МАГАТЭ (ведущий мировой форум научно-технического сотрудничества в области мирного использования ядерных технологий. МАГАТЭ, созданное в рамках Организации Объединенных Наций в 1957 году) на начало 2001 г. в мире действовало 438 ядерных энергетических блоков; 33 страны в мире имеют ядерные реакторы. • На долю АЭС приходится около 20% вырабатываемой электрической энергии в мире, в которой топливная составляющая в себестоимости 1 кВт часа в 8 раз меньше по сравнению с лучшими показателями ТЭЦ. • Мировое потребление урана, 64,59 тыс.т – в 2000 году, для нужд энергетики неуклонно растет и по данным Уранового института составило 70,6 тыс. т – в 2012 году и планируется 73,74 тыс.т – в 2020 году. • Основными потребителями урана являются: США (104 реактора) – 19 тыс. т или 30,26 % мирового потребления; Франция (58 реакторов) – 7,47 тыс. т или 11,9 %. • Подземное выщелачивание, возникшее как идея в 50-х годах в США, сегодня превратилось в признанный метод получения урана, конкурентоспособный по отношению к традиционному горно-химическому способу. • Доля урана, полученного этим способом, в общей добыче в США возрастает с 30 %в 1988 г. до 56 %, а в 1994 г., несмотря на неблагоприятные условия уранового рынка, в США было добыто 3,4 млн. ф. U3O8, в том числе, методом подземного скважинного выщелачивания 2,38 млн. ф.- 69 %. • В течение ряда лет ведущими странами в освоении и промышленной эксплуатации урановых руд способом подземного выщелачивания и страны СНГ, среди которых ведущая роль по объемам производства принадлежит Казахстану и Узбекистану. • По достоверно разведанным запасам урана Казахстан занимает одно из ведущих мест в мире, причем 75,3 % из них относятся к пластово-инфильтрационному типу, пригодному для отработки способом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ). • Начиная с 1998 года, практически весь уран, произведенный в Казахстане, был добыт методом ПСВ. • Цель данного курса - расширение области знаний специалистов разного профиля по бурению скважин различного технологического назначения для подземного выщелачивания урана. • Мы обобщим теоретический и практический материал в основном по сооружению геотехнологических (эксплуатационных) скважин для подземного выщелачивания урана. ЛИТЕРАТУРА • 1. Бурение разведочных скважин / учеб. для вузов / Соловьев Н.В., Кривошеев В.В., Брылин В.И., и др. / под общ. ред. Н.В. Соловьева. – М.: Высш. шк., 2007. – 904 с. • 2. Брылин В.И. Технология бурения и оборудование эксплуатационных скважин при отработке месторождений урана методом подземного выщелачивания: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 210 с. • 3.Геотехнология урана на месторождениях Казахстана / Язиков В.Г. , Забазнов В.Л. Петров Н.Н. , Рогов Е.И., Рогов А.Е. – Алматы, 2001. – 444 с. • 4.Технология и техника сооружения геотехнологических скважин при подземном выщелачивании урана/ Сушко С.М., Дауренбеков С.Д., Бегун А.Д., Касенов А.К., Федоров Б.В.-Алматы: Изд. АО НАК «Казатомпром», ТОО «Институт высоких технологий» , 2007.-260с. • 5. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учеб. пособ. – М.: МГГУ, 2001. – 656 с. • 6. Бурение и оборудование геотехнологических скважин/Сергиенко И.А., Мосев А. Ф., Бочко Э. А.,Пименов М. К.- М.: Недра, 1984.- 224 с. • 7.Мамилов В.А., Петров Р. П. Добыча урана методом подземного выщелачивания. – М.: Атомиздат, 1980. – 248 с. • В последнее время для добычи многих твердых полезных ископаемых начинают применять различные бесшахтные (геотехнологические) методы добычи с использованием буровых скважин. • Они поволяют упростить и удешевить добычу, производить отработку бедных месторождений, а также месторождений, характеризующие сложными условиями залегания. • Вскрытие рудной залежи осуществляют буровыми скважинами, которые предложено называть геотехнологическими. • С давних времен известна добыча каменной соли через буровые скважины методом растворения. • Большие успехи достигнуты при добыче самородной меди методом подземной выплавки. • В стадии освоения находится метод скважинной гидродобычи, позволяющий с высокой эффективное осуществлять разработку полезных ископаемых, залегающих на различных глубинах. • Проведены большие работы по разработке и внедрению в промышленных масштабах добычи урана методом подземного выщелачивания. • Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых позволяют: • снизить в некоторых случаях в 2—4 раза капитальные затраты на строительство предприятий, • повысить производительность труда по конечной продукции, • сократить численность работающих, • применение этих методов способствует значительному улучшению условий труда и уменьшению отрицательного воздействия на окружающую среду. Информация по урану • Мировые запасы урана стоимостной категории менее 80 дол/кг служат основой для текущей и перспективной добычи. • На 01.01.2007 г. они составляли 4456,4 тыс. т, или около 80 % суммарных запасов . Мировые запасы урана по способам их возможной добычи распределились следующим образом: • 36 % пригодны для отработки подземным горным способом (шахты); • 20 % запасов связаны с комплексными месторождениями, где возможна попутная добыча урана; • 19 % пригодны для добычи открытым горным способом (карьеры); • 15 % – для добычи методом скважинного подземного выщелачивания. • Возросшая себестоимость товарной продукции при традиционных системах горно-шахтной разработки сделала добычу бедных руд убыточной, стало выгодно отрабатывать только богатые руды. • Если идти по этому пути, то в категорию некондиционных отойдут большая часть рядовых и все бедные руды, в результате запасы балансовых руд уменьшатся в 9 раз и соответственно сократится срок работы предприятий. • Безусловно, такой подход недопустим, поэтому принято в мире альтернативное решение, основанное на широком применении СПВ. В России. Глава Минприроды • "Нельзя планировать строительство массы Юрий Трутнев АЭС, когда уран берется со складских запасов или покупается за рубежом",-(2010 г.) говорил господин Трутнев. • Программа (до 2020 г.) предусматривает расширение существующих регионов добычи урана, введение новых площадей и возможное освоение ряда перспективных площадей на Чукотке, в Карелии, на границе Красноярского края и Иркутской области и других. • Новые регионы будут затронуты и при увеличении финансирования разведки урана. • • В геологические исследования до 2020 года предлагается вложить около 540 млрд руб. бюджетных средств. Это в 2 раза больше чем было запланировано в 2005 г. • Удвоятся и утроятся вложения в такие сектора, как уран, черные, цветные, благородные металлы и неметаллы. Основные регионы геологоразведки запасов урана и золота • Существующие источники энергии – уголь, газ, нефть – постепенно истощаются. • На смену им приходит энергия атома. • Основным сырьем становится уран, извлекаемый из руд. • Природные ресурсы урана также небезграничны и поэтому более полное их использование весьма актуально. Системы разработки урановых месторождении • Системы разработки – это : • совокупность вскрывающих и подготовительных выработок, • определенный порядок их проведения и эксплуатации, • увязанный во времени и пространстве с управляемым химико-технологическим процессом перевода металла из руды в раствор. • Виды систем: • шахтные, • карьерные, • бесшахтные (скважинные), • комбинированные. 1. Шахты • Долгое время шахтный метод добычи урановой руды был основным. • Урановые шахты принципиально не отличаются от других типов шахт, разве что более сильной вентиляцией и повышенной степенью охраны труда. • На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом и разрушенную породу поднимают на поверхность. Рудник «Глубокий». "Приаргунское производственное горно-химическое объединение" Горизонт Глубокий – 600м под землей Погрузо-доставочная машина 2.Карьеры • Карьерный метод - с предварительным вскрытием рудных пластов, измельчением и перемещением руд для выщелачивания на перерабатывающем комплексе. • Довольно часто (особенно в прошлом) уран добывали открытым способом в карьерах. • Примером может служить рудник Актау (Казахстан). Карьер размером 17 на 3 км обеспечивал его производительность 650 тонн урана в год. • Такие карьеры наносят существенный урон окружающей среде – их рекультивация практически невозможна. Урановый карьер Урановый карьер Ф.2 3.Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания (СПВ) урана из руд с естественной проницаемостью. Общие сведения о геотехнологическом методе добычи уранаскважинном подземном выщелачивании • Сущность подземного выщелачивания полезных ископаемых : • Через скважины, пробуренные с поверхности, в пласт полезного ископаемого нагнетается химический реагент, способный переводить минералы полезного ископаемого (урана) в растворимую форму. • Происходит избирательный перевод полезного компонента в жидкую фазу путем управляемого движения растворителя по руде в естественном залегании • Раствор, насыщенный металлом, пройдя часть рудного пласта, через другие скважины поднимается на поверхность и далее по трубопроводу транспортируется к установкам для переработки. Принципиальная технологическая схема подземного выщелачивания с откачкой погружным насосом Технологическая схема подземного выщелачивания с откачкой эрлифтом Схема добычи и переработки урана методом подземного скважинного выщелачивания 4.Комбинированные системы из элементов бесшахтных (скважинных) и шахтных систем подземного выщелачивания Участок подземного выщелачивания рудника «Глубокий» "Приаргунское производственное горнохимическое объединение" Схема подземного выщелачивания скальных руд 1 — ёмкость для растворителя , 2 — насос, 3 — трубопровод рабочих растворов, 4 — отрабатываемый блок руды, 5 — емкость для сбора продуктивных растворов:, 6 — насос, 7 — ёмкость для продуктивных растворов на поверхности, 8 — сорбционная установка, 9 — отстойник отработанного раствора, 10 — ёмкость для доукрепления растворов, 11 — пресс-фильтр Комплекс подземного выщелачивания скальных урановых руд на месторождении Юбилейное Стрельцовского рудного поля Рудое тело Схема отработки крутопадающих рудных тел методом ПВ. 1 — продуктивная зона; 2 — рудные тела; 3 — геотехнологические скважины; 4 — полевые горизонтальные горные выработки, пройденные вкрест простирания продуктивной зоны; 5 - шахтный ствол. Комбинированная схема отработки крутопадающих рудных тел 1 - рудовмещающая зона, в массиве скальных пород с изменениями, тектоническими процессами (повышенная трещиноватость, дробление, и т.п.); 2 - закачная скважина в обводненной части зоны и ее фильтр; 3 - линия тока выщелачивающего раствора; 4 - откачная скважина; 5 - дренажная скважина; 6 - уровень подземных вод; 7 - закачная скважина в осушенной зоне; 8 - поверхность земли; 9 - линия тока воздуха, подаваемого в осушенную зону; 10 - буровой штрек; 11 - воздухоподающие скважины; 12 - рудные тела. Классификация систем разработки месторождений урана методом подземного выщелачивания Класс 1 2 3 Наименование класса Шахтные системы подземного выщелачивания металла в блоках из руд с естественной проницаемостью из отбитых руд Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания металла из руд с естественной проницаемостью Комбинированные системы из элементов бесшахтных (скважинных) и шахтных систем Наименование группы С различным расположением дренажных горных выработок и различными режимами выщелачивания С площадным (ячеистым) расположением скважин и фильтрационным режимом С линейным расположением технологических скважин и фильтрационным режимом С противофильтрационными завесами, с различным расположением скважин и режимами выщелачивания С закачкой растворов по скважинам с поверхности, приемом их в горные выработки и различными режимами Итак. Методы добычи урана через горные выработки ограничены , так как современная техника не позволяет рентабельно вовлекать в эксплуатацию: • бедные руды, • руды, залегающие на значительных глубинах, • руды, залегающие в сложных горногеологических условиях. • Подземное выщелачивание (ПВ) через пробуренные скважины химическими реагентами открывает широкие возможности для комплексного использования урановых руд, • что позволит рентабельнее использовать более бедные руды. Преимущества метода подземного выщелачивания • • • • • • 1. Исключаются дорогостоящие операции: выемки руды из шахт, дополнительного ее дробления и измельчения, хранения радиоактивных рудных отвалов. 2.Резко улучшаются условия труда. 3. Обеспечивается более полное использование недр. • 4. Сводятся к минимуму потери урана при добыче и переработке, извлекается металл из забалансовых руд. • Метод подземного выщелачивания занимает важное место в охране окружающей среды, так как при его использовании поверхность земли и воздушный бассейн почти не загрязняются. • Переработка радиоактивной руды на месте ее залегания исключает загрязнение окружающей среды долгоживущими естественными радиоактивными элементами. • При подземном выщелачивании снижается стоимость урана и более полно используется урансодержащее сырье. • Главная цель подземного выщелачивания (ПВ): • наиболее полное и селективное растворение урановых минералов; • извлечение растворенного урана с места залегания руды. • Для выщелачивания урана из пласта обычно используют водные растворы (2-10%): • кислот • солей карбонатов щелочных металлов. • При подземном выщелачивании выбор растворителя обусловливается вещественным составом рудных залежей и вмещающих их пород. • При кислотном выщелачивании окисленных минералов уран переходит в раствор в виде уранил-иона: • UO2+H2SO4=UO2SO4+H2O • Наиболее дешевым растворителем является серная кислота; • стоимость других выщелачивающих уран реагентов (% к стоимости серной кислоты) характеризуется следующими показателями: Если H2SO4 – 100, то HNO3 – 215, НСl – 238, (NH4)2CO3 – 300 (углекислый . аммоний) • Кислотный способ выщелачивания дает более высокое извлечение урана по сравнению с карбонатным способом, но имеет ряд существенных недостатков: • сравнительно высокую агрессивность, что приводит к растворению помимо урана других компонентов руды, пустых пород и обусловливает повышенный расход кислоты; • невозможность применения способа для отработки рудных тел, в которых содержится более 2 % карбонатов (по СО2); • необходимость использования в качестве конструкционных материалов при обсадке скважины на большие глубины труб из специальных дорогостоящих материалов (нержавеющая сталь, армированный полиэтилен и др.) Далее будем рассматривать вопросы ПВ в основном через скважины с дневной поверхности. • Процесс подготовки месторождений к отработке методом ПВ через скважины с поверхности включает: • кроме бурения и обвязки скважин поверхностными коммуникациями, • оснащение узлов рабочим (технологическим и контрольноизмерительным) оборудованием и приборами. • Подготовка рудных залежей к выщелачиванию включает также создание временных гидрозавес для ограничения движения или направления растворов. • В ряде случаев требуется расчленение рудовмещающих пород гидроразрывом. • По условиям движения растворов в продуктивных пластах главной при ПВ. является фильтрационная схема. • Она основана на использовании постоянного потока растворов реагента, заполняющего все трещины и поры рудоносного массива за счет разности напоров у закачных и откачных скважин. Основными учетными единицами в структуре скважинных систем разработки гидрогенных урановых месторождений методом ПВ являются: •элементарный ряд (ячейка), •эксплуатационный блок •эксплуатационный участок. 1.Элементарная ячейка • Это-часть продуктивной толщи, запасы которой отрабатываются одной откачной скважиной. • Ячейка пространственно ограничивается контурами, которые в максимальной степени должны быть приближены к различным гидродинамическим границам • водоупорам, • контурам закачных скважин • с тем, чтобы ячейка функционировала по возможности В гидродинамическом замкнутом режиме, то есть при отсутствии растекания технологических растворов за контур ячейки и разбавлении их законтурными водами. 2.Эксплуатационный блок ПВ Это часть продуктивной толщи, включающая группу смежных элементарных ячеек, характеризующихся по возможности однородными: • распределением запасов, • геохимическим строением и вещественным составом руд и рудовмещающих пород, одновременно вводимых в эксплуатацию и отрабатываемых в едином геотехнологическом режиме. • Перечисленные условия необходимы для обеспечения возможности управления процессом ПВ и максимально достижимой синхронности отработки запасов эксплуатационного блока. • Число объединяемых в блок элементарных ячеек определяют, исходя из • отмеченных выше геологогидрогеологических условий • и сроков подготовки и отработки запасов. 3.Эксплуатационный участок • Участком является группа смежных эксплуатационных блоков, имеющая самостоятельные систему коммуникаций и установки контроля и управления геотехнологическим режимом процесса ПВ. • Размеры участка (число объединенных эксплуатационных блоков) определяются как морфологическими структурными и тектоническими особенностями рудной залежи (или ее части), так и другими техническими и организационными факторами. 4. В практике проектирования предприятий ПВ принято объединять ряд эксплуатационных участков в эксплуатационные поля, которые привязываются обычно к единой технологической установке (перерабатывающему комплексу). • Отработка запасов в эксплуатационных блоках ПВ осуществляется в три этапа. • Два являются : - подготовительным - заключительным • Третий-собственно технологическим. На этих этапах производятся: • 1)вскрытие запасов, т е. бурение и освоение скважин, обвязка их технологическими коммуникациями и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой; • 2)ведение технологического процесса в недрах; Технологический этап отработки запасов методом ПВ с учетом современного уровня представлений о физикохимических условиях процесса и технико-экономических особенностей его осуществления принято делить на три стадии: • 1)закисление рудной залежи. т. е подготовка рудовмещающего водоносного горизонта к формированию и движению в нем потока продуктивных растворов, • 2)активное выщелачивание урана, т. е. формирование и извлечение из блока кондиционных продуктивных растворов, • 3) довышелачивание («отмывка») урана, т. е. по существу вытеснение остаточных (после прекращения активной стадии выщелачивания) урансодержащих кондиционных растворов пластовыми водами или бедными (маточными) растворами. • 3)ликвидация отработанных блоков, т. е. восстановление первоначального состояния рудовмещающего водоносного горизонта в пределах блока и поверхности земли. Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания металла из руд с естественной проницаемостью В зависимости от схемы движения растворов и схем расположения технологических скважин в этом классе систем ПВ выделяются три группы. • 1.С площадным (ячеистым) расположением скважин и фильтрационным режимом • 2.С линейным расположением технологических скважин и фильтрационным режимом • 3.С противофильтрационными завесами для ограничения растекания выщелачивающего реагента, с различным расположением скважин. 1.Площадные (ячеистые) системы расположения скважин обычно применяют для разработки залежей, приуроченных к осадочным слоистым неоднородным рудам в условиях относительно низкой водопроницаемости руд (коэффициент фильтрации Кф до 0,1–1,0 м/сут). • Эти системы представляют собой равномерное чередование на площади залежи откачных и закачных скважин, образующих между собой ячейки (треугольные, квадратные, гексагональные и др.) с небольшими межскважинными расстояниями (8–20 м). 1.Ячеистые системы расположения скважин а – гексагональная ячейка; б – треугольная ячейка; 1 – скважины откачные; 2 – скважины закачные; 3 – контур рудной залежи 2.Линейные системы расположения скважин • Состоят из последовательно чередующихся на площади залежей рядов откачных и закачных скважин. • В зависимости от фильтрационных свойств (Кф > 1,0 м/сут) и однородности рудного массива расстояние между рядами и скважинами в ряду колеблются в широких пределах (15–50 м и более). • Добычная ячейка обычно состоит из двух (шести) закачных и одной откачной скважины, принадлежащих к трем последовательно расположенным рядам Линейные системы расположения скважин 1–добычная ячейка; 2–блокирующая скважина Линейные системы расположения скважин • • • • 1–блокирующая скважина; 2–добычная ячейка ; L- расстояние между рядами; l - расстояние между скважинами 3.Системы разработки с использованием противо–фильтрационных завес • При отработке небольших рудных залежей шириной до 50 м для ограничения растекания рабочих растворов за пределы рудной залежи • могут быть использованы вертикальные гидрозавесы путем бурения специальных барражных скважин. Системы разработки с использованием противо– фильтрационных завес а – рудная залежь; б – механическая . завеса; в – химическая . . . . завеса; Скважины: 1, 5 – для механической завесы; 2, 4 – для химической завесы; 3 – для разработки рудной залежи . . Для уменьшения утечки рабочего раствора на некотором расстоянии от рудного тела вверх и вниз по потоку подземных вод разбуривается по два ряда скважин. • Внешние ряды скважин (1, 5) служат для создания механического барьера. Для этого в эти ряды скважин нагнетается твердеющий материал (цемент, синтетические смолы и др.). • Нагнетанием в скважины внутренних рядов (2, 4) веществ, которые затвердевают после взаимодействия друг с другом и пластовой водой, создается химический барьер. • Химические барьеры могут быть образованы и вокруг всей рудной залежи; • они будут препятствовать растеканию рабочих растворов за контуры отработки, • а также – разубоживанию продуктивных растворов законтурными пластовыми водами. • В случае большой мощности рудовмещающего горизонта, а также отсутствия нижнего или верхнего водоупора возникает необходимость создания горизонтальных гидрозавес или водоупоров с применением гидроразрыва пород. Схема отделения продуктивного горизонта гидроразывом пласта 1 – продуктивная часть пласта; 2 –непродуктивная часть пласта; 3 - трещина; 4 – отверстия; 5 - пакер; 6 – подающие водо – песчаные трубы; 7 - обсадная колонна (стенки скважины); 8 - устьевое оборудование; 9 – жидкость разрыва; 10—жидкость-песконоситель; 11 - манометр Выполняемые при гидроразрыве операции: • 1. Подготовка скважины – исследование на приток или приемистость, что позволяет получить данные для оценки давления разрыва, объема жидкости разрыва и других характеристик. • 2. Промывка скважины жидкостью с добавкой в нее определенных химических реагентов. • 3. Закачка жидкости разрыва. В зависимости от свойств призабойной зоны скважины и других параметров используют либо фильтрующиеся, либо слабофильтрующиеся жидкости;. • 4. Закачка жидкости-песконосителя • Основными требованиями к жидкости–песконосителю являются высокая пескоудерживающая способность и низкая фильтруемость. Это–вязкие жидкости, загущенная соляная кислота и др. • Наполнитель должен быть инертным по отношению к продукции пласта и длительное время не изменять своих свойств. • 5. Закачка продавочной жидкости, в качестве которой используются жидкости с минимальной вязкостью. • Для создания искусственных непроницаемых водоупоров из глиноцементной смеси или твердеющих синтетических смол, закачиваемых после гидроразрыва пород с целью создания пропластков разработаны специальные методики. • Системы разработки месторождений методом ПВ с созданием гидрозавес и гидроразрыва пород отличаются трудоемкостью и повышенными затратами, но эффект от создания таких экранов, предотвращающих растекание рабочих растворов эксплуатационных блоков, объясняет проводимые поиски способов их создания. • Для гидроразрыва, приготовления и закачивания растворов чаще всего применяются специальные устройствацементировочные агрегаты или инъекционные комплексы. Комплекс инъекционный«Мини» • Комплекс инъекционный "Мини" предназначен для приготовления и нагнетания под давлением цементного или цементноглинистого раствора для заполнение сформированных трещин. Технические характеристики максимальное давление 10 МПа, объем бака смесителя 200 л, объем бака накопителя 500 л производительность 5-8 м3/ч Насос инъекционный • Гидравлическая схема насоса позволяет плавно регулировать расход цементного (бентонитового) раствора, а также давление нагнетания. Привод: • электрический 5,5 кВт, либо •пневматический (макс. давление в пневмосистеме 1,0 МПа, расход воздуха 10 м3/мин.) •Масса насоса 370 кг •info@cct-drill.ru • • • Компания ССТ-специальная строительная техника Россия, г. Москва, 1-Магистральный тупик, д. 5а, БЦ "Magistral Plaza" 614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр., 34, офис 113
