Захоронение отходов при бурении скважин

Захоронение отходов при бурении скважин

Технико-экономический анализ показал целесообразность использования в качестве хранилищ отходов подземные резервуары, построенные в непроницаемых многолетнемерзлых породах методом СГД.

Эти резервуары могут быть двух видов:

• 
  резервуары небольшого объема, соответствующего количеству извлекаемых буровых отходов с одного бурового куста (2-5 тыс. м³), построенные непосредственно вблизи кустов газовых эксплуатационных скважин;
  
• 
  резервуары большого объема (10-20 тыс. м³), построенные в контуре месторождения и обслуживающие несколько близлежащих кустов добычных скважин.
  

Условия хранения не требуют проведения дополнительных мероприятий по улучшению экранирующих свойств пород благодаря их природной непроницаемости и переходу жидких отходов бурения в твердомерзлое состояние.

Мерзлые породы (песчаные и глинистые) и подземный лед являются непроницаемыми для жидких буровых отходов и по результатам наливов испытательной жидкости признаны пригодными для строительства в них подземных резервуаров.

Так как вмещающими породами являются непроницаемые многолетнемерзлые породы с температурой минус 4-6°С, а буровые отходы более чем на 50% состоят из воды, то при размещении в подземном резервуаре, отходы перейдут (на глубине 30-50 м от поверхности) в твердомерзлое состояние, и данный вариант хранения не будет оказывать влияния на экологические условия данного района.

Таким образом, в условиях Севера технически возможно и экономически целесообразно добывать песок, сооружать ёмкости для хранения углеводородов и захоронения буровых и промышленных отходов, используя скважинную гидротехнологию.

МЕТОДИКА ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ

Существующая тенденция ухудшения горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых делает, в ряде случаев, неэффективным вовлечение их в эксплуатацию подземными и открытыми горными работами. В то же время сохраняется устойчивая потребность во многих полезных ископаемых, что делает необходимым поиск новых методов их добычи. Опыт показал, что одним из таких методов является скважинная гидродобыча (СГД) полезных ископаемых, которая, обладая значительно лучшими экономическими показателями по сравнению с традиционными способами, позволила бы обеспечить прибыльную отработку забалансовых месторождений. При этом существенно повышается комфортность труда шахтёров и уменьшается вредное воздействие на окружающую среду.

Проведенные за последние десятилетия опытно-промышленные работы (ОПР) по СГД, тем не менее, не привели к однозначным результатам. Деньги и труд затрачены, а выдать обоснованные кондиции на технологию СГД пока невозможно. Причина этого, на наш взгляд, состоит в неправильной постановке ОПР и отсутствии базирующейся на научной основе и практическом опыте методики её проведения. Ниже нами предлагается такая методика.

Главная задача ОПР определение возможности и экономической целесообразности использования метода СГД в конкретных геолого-гидрогеологических условиях.

Скважинная гидродобыча является одной из физико-химических технологий, осуществляемая через скважины с помощью гидравлической энергии, используемой для разрушения горных пород в призабойной зоне, приготовления пульпы и выдачи её на поверхность. Исходя из этого, в процессе разведки месторождения (рудопроявления) должны быть оценены следующие специфические факторы, которые определяют предпосылки для постановки ОПР с целью предварительной оценки возможности использования технологии и её технико-экономических показателей: физико-механические свойства пород продуктивного пласта и вмещающих его пород, мощность продуктивного пласта, угол его залегания, обводнённость и водопритоки. Понятно, что должны быть известны и такие показатели как содержание полезного ископаемого и предполагаемые запасы. При определении целесообразности проведения ОПР выполняется также анализ географо-экономических условий объекта исследования (наличие железных и шоссейных дорог, линий электропередач, рабочей силы).

Таким образом, решение о постановке ОПР по СГД может быть принято на разных стадиях геологического изучения недр. Разрабатывается декларация о намерении испытать СГД и обосновываются инвестиции на крупно-объемное опробование. Итогом его будет получение данных для определения кондиций, отвечающих требованиям промышленного производства.

Для проведения опытных работ выбирают участок месторождения со средними, наиболее представительными условиями залегания.

Технология СГД включает в себя следующие основные операции:

• 
  вскрытие месторождения скважинами, монтаж и демонтаж скважинного гидродобычного оборудования;
  
• 
  гидравлическое разрушение горных пород;
  
• 
  доставка разрушенных пород в виде гидросмеси к забою скважины;
  
• 
  подъём гидросмеси по скважине на поверхность;
  
• 
  обогащение и складирование продуктов обогащения;
  
• 
  очистка технологической воды.
  

Поэтому проектирование участка ОПР складывается из:

1. Выбора схемы вскрытия месторождения, т.е. выбора места заложения добычных скважин, расчёта их конструкции, бурения и обсадки по рыхлым четвертичным породам. Исходя из этого, выбирается буровое оборудование.

2. Расчёта, конструирования и изготовления добычного оборудования скважины, включающего водоподающую, добычную (для выдачи руды) и воздухоподающую колонны труб. Для неглубоких залежей иногда бывает целесообразно пробурить рядом две скважины. Одну - для откачки руды, другую - для размыва руды, что облегчает проведение ОПР.

Необходимый диаметр пульпоподъёмной трубы определяют, задаваясь расходом гидросмеси. Диаметр воздуховода зависит от заданной производительности эрлифта. Скорость движения пульпы по вертикальной трубе должна быть выше гидравлической крупности наиболее крупных кусков руды, попавших в пульповод. Обычная скорость движения в вертикальном пульповоде принимается 2-3 м/с.

Для изменения местоположения забойной части добычного оборудования необходимо предусмотреть возможность регулирования положения гидромонитора и всасывающего устройства для чего возможно использовать буровой станок (например, УРБ) специально оборудованный для работы по добыче), но лучше создать специальный добычный агрегат

3. Выбора основного оборудования, способного обеспечить проведение процесса добычи. К нему относятся:

• 
  насосы, обеспечивающие необходимый расход и давление воды для разрушения руды и её доставки к забою добычной скважины (при гидроэлеваторном подъёме руды необходимо учесть его потребности). Часовая производительность гидромонитора зависит от удельного расхода воды на размыв 1 куб.м руды, который определяется расчётом, опытным путём или принимается по аналогу с имеющимися данными.
  
• 
  серийные компрессоры. При глубине скважин до 100м можно использовать передвижные компрессоры с давлением до 10 кГ/см². При глубинах до 300м используются компрессоры низкого давления до 25 кГ/см². Большая глубина требует установки стационарных компрессоров большего давления.
  

На опытном участке необходимо предусмотреть замкнутый водооборот воды и строительство временного склада руды.

В процессе работы установки СГД (в условиях устойчивой кровли) можно осуществлять добычу через одну добычную скважину большого диаметра и несколько гидромоторных скважин вокруг добычной, которые будут «подавать» на неё руду. При неустойчивой кровле могут использоваться наклонные или наклонно-горизонтальные скважины, которые позволяют производить добычу руды на безопасном расстоянии от добычного агрегата.

При неустойчивой кровле продуктивного пласта нужно в процессе выемки руды поддерживать избыточное давление в залежах, что кроме облегчения подъема пульпы на поверхность будет удерживать какое-то время кровлю от обрушения, а руду от разубоживания, но главное позволит увеличить радиус выемки, т. е. добычу со скважин.

Как правило, полевые исследования состоят из трёх разделов:

1. Дополнительная геологическая и гидрогеологическая разведка опытного участка. Выполняется отбор и изучение кернового материала, проводится комплекс геофизических исследований

По данным скорости бурения и стандартного электрокаротажа уточняется строение разреза рудного тела.

2. Анализ полученных данных позволяет выбрать основное оборудование СГД (насосы и компрессоры) и определить конструкцию оборудования добычной скважины. Одним из серьёзных препятствий к эффективному использованию СГД является трудность расширения зоны действия добычного агрегата у забоя скважины. В этом плане интересно испытать различные способы рыхления массива руды (вибрация, воздействие электрофизических полей, ПАВ, фильтрации воды между скважинами) и различные конструкции добычного оборудования. На добычном участке должна быть пробурена сеть наблюдательных скважин, которые обеспечивали бы получение представительных результатов ОПР и возможность определения оптимальной системы разработки. Контрольно измерительная аппаратура ОПР должна быть способна постоянно контролировать и регулировать параметры нагнетаемой воды и воздуха и определять плотность откачиваемой пульпы. Все данные постоянно заносятся в журнал опытных работ. На рис. 4 представлена принципиальная схема установки СГД и размещения КИП для контроля её основных параметров.

3. Для исследования сдвижения поверхности до начала опытных работ закладывается площадная маркшейдерская наблюдательная станция. С целью фиксации положения реперов до начала горных работ проводят первичные замеры, а в процессе ОПР периодически прослеживаются стадии процесса сдвижения и определяется скорость сдвижения поверхности.

Оценка потерь полезного ископаемого производится как по расчёту запасов, приходящихся на добычную скважину и фактически добытую из неё руду, так и бурением специальных оценочных скважин, которые бурятся с полным отбором керна и располагаются на различных расстояниях от добычной скважины.

Изменяя величину давления воды на насадке гидромонитора, измеряют объём пульпы и содержания в ней твёрдой фазы. В результате определяют удельный расход воды на тонну добытой руды. Изменяя величины давления и объёма воздуха, подаваемого в скважины, находят оптимальный режим работы эрлифта.

При использовании гидроэлеватора для подъёма пульпы необходимо провести расчёт его конструктивных параметров (например, по методикам Каменева или Фридмана). Различные конструктивные варианты добычного оборудования СГД, целесообразно испытать, при проведении опытных работ.

В качестве примера можно порекомендовать испытать для добычи рыхлых руд, залегающих под неустойчивой кровлей, наклонно-горизонтальную скважину.

Бурение такой скважины можно осуществлять специальными станками, или применить агрегаты, использующиеся при проходке подземных трасс для прокладки трубопроводов и кабелей. В своей вертикальной части скважина оборудуется трубопроводом, подающим сжатый воздух для подъёма пульпы на поверхность (при использовании эрлифта). В горизонтальной части скважины перемещение пульпы производится с помощью гидроэлеватора, который дополнительно оборудуется соплом для разрушения руды (при проходке скважины и при добыче руды). В качестве добычных подходят трубы из полиэтилена, которые можно изгибать без нарушения их прочности.

Все проводимые работы, изменения параметров, возникающие аварии и неполадки в процессе исследований тщательно документируются и заносятся в специальный журнал, который является документом при оценке выполненных работ.

Литература:

1. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых - М.: Недра, 1980.

2. Аренс В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д., Гридин О.М., Хрулёв А.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых - М.: Горная книга, 2007.