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 = + ρ ₁ h

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

L – расстояние между скважинами, м;

R – радиус камер подземного растворения, м;

ρ, ρ ₁, 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

где В – ширина зоны ослабленных пород, м;

R – радиус камеры, м;

ρ – плотность пород разрабатываемой толщи, кг/м³;

Н – глубина разработки, м;

Р – противодавление рассола на глубине Н, МПа;

С – сцепление соли, МПа (С = 4, 5 МПа);

Е – коэффициент взаимного влияния камер

Е = – для двух сближенных камер,

Е = – для группы скважин

а – отношение ширины целика к радиусу камеры;

k – коэффициент формы поперечного сечения камеры, равный: для одиночных камер 1, 1—1, 3, сдвоенных—до 1, 35, групповых—до 1, 5.

Расчет мощности потолочного целика рекомендуется производить по методике ЛГИ при известной величине длительной прочности соли

h_п = +

где h_п – мощность потолочного целика, м;

ρ, ρ ₁—соответственно плотности соли и надсолевых пород, кг/м³;

2R—ширина камеры, м;

m—высота зоны обрушения надсолевых пород, м;

n—коэффициент запаса прочности;

σ _дл—длительная прочность каменной соли на одноосное сжатие, МПа.

Максимальная мощность несолевых прослоев, разделяющих пласты каменной соли, предусматриваемые к отработке, определяется из следующего выражения:

h_н =

где ρ ₁ и ρ _р – соответственно плотности пород прослоя и рассола, кг/м³;

l _экв – эквивалентный пролет, равный радиусу обнажения потолка камеры подземного растворения, м;

σ _р – прочность несолевых пород на разрыв, МПа.

Пример расчета параметров системы разработки. Исходные данные:

Месторождение каменной соли разрабатывается камерами с оставлением целиков. Глубина разработки Н = 700 м; высота целика h = 170 м; высота зоны обрушения надсолевых пород m = 120 м; коэффициент запаса прочности n> 1, 4; плотность каменной соли, надсолевых пород и рассола соответственно ρ = 2600 кг/м³, ρ ₁ = 2500 кг/м³, ρ _р = 1200 кг/м³; физико-механические характеристики соли: σ _дл = 10 МПа, σ _изг.дл = 20 МПа, σ = 19 МПа; угол внутреннего трения соли ρ = 35°; мощность несущего слоя h = 10 м; мощность пригружающего слоя h_i = 10 м; коэффициент трения между слоями tgφ = 0, 58; А = 2 (при максимально возможной деформации закрепленной кровли без нарушения сплошности); прочность на разрыв несолевых пород σ _р = 0, 9 МПа.

Определяем по формулам параметры пролета камеры k_п = 0, 27; 2R = 112, 2 м; R ≈ 60 м.

Рассчитываем устойчивый целик по формулам.

Выбираем расстояние между скважинами L = 200 м; σ _р = 83, 44 МПа; σ _дл = 21, 123 МПа.

3, 95> 1, 4, поэтому уменьшим расстояние между скважинами L до 180 м и произведем расчет снова: σ _р = 40, 73 МПа, σ _дл = 17, 75 МПа,

n = 2, 3

Выбранную сетку скважин 1 = 180 м; а соответственно устойчивый целик контролируем по ширине ослабленной зоны по формулам, чтобы выполнялось условие D≥ 2В. При Е = 0, 25; В = 30 м, D≥ 60 м условие выполнено.

Мощность потолочного целика определяется по формуле (11.8), т.е. h_п = 108 м. Максимальная мощность несолевых прослоев по формуле (11.9) h_н = 8, 7 м.

Таким образом, для заданных условий сетка скважин выбрана 180 м, радиус камеры 60 м; ширина целика 60 м; коэффициенты запаса при этом 2, 3; мощность потолочного целика 108 м, несолевых прослоев—8, 7 м.

Расчет технологии растворения. Высота подготовительной выработки или ступени определяется по содержанию нерастворимых включений [11, 37] в соли и достигается соответствующим разносом башмаков технологических колонн (водоподающей и рассолоподъемной). Для соли, где содержание нерастворимых включений составляет 5—30 %,

h_в = 0, 02Rх (11.10)

Число ступеней размыва определяется в зависимости от величины радиуса подготовительной выработки и содержания нерастворимых примесей в соли. Чем больше нерастворимых примесей, тем больше высота ступени и их количество. Так, при радиусе вруба 50 м и содержании нерастворимых включений 30 %, число ступеней достигает 7, а высота ступени — 5м.

Продолжительность подготовительного размыва определяется из соотношения

t = k_т R/ w (11.11)

где w – радиальная скорость растворения каменной соли, м/сут;

k_т – коэффициент асимметрии развития ступени (k_т = 0, 5÷ 0, 7).

Значения средней радиальной скорости растворения каменной соли, изменяющиеся в зависимости от радиуса камеры растворения и процентного содержания нерастворимых примесей, при температуре 15÷ 20 °С определяются по формуле

w = 0, 25 – 0, 68·10^-2R + 0, 6·10^-4R² (11.12)

Величина радиальной скорости растворения зависит также от часовой производительности скважины q. В формуле (11.12) значения радиальной скорости растворения взяты для условий размыва подготовительной выработки при производительности скважины 10—15 м³/ч на первых ступенях и 30—40 м³/ч на завершающих.

Для практических расчетов производительности скважин при подготовительном и эксплуатационном размывах с содержанием нерастворимых включений менее 5 % применяется следующая эмпирическая формула (м³/ч)

q = 0, 05R [2, 2 + Н(1 – 0, 01Н)], (11.13)

где Н – высота камеры (на первой ступени Н = h₁).

По величинам R и х определяются основные технологические показатели подготовительного размыва: h – высота ступеней размыва, м; V_п – объем подготовительной выработки (ступени), м³; q – часовая производительность скважины, м³/ч; Р – запасы каменной соли в объеме данной ступени, т; Т – время отработки ступени, сут; Р_н – извлекаемые запасы каменной соли с данной ступени, т; С – концентрация рассолов, получаемых с данной ступени, т/м³.

При расчете объема подготовительной выработки ее форма принимается в виде усеченного конуса

V_п = π h_вп(R² + R_r + r²) (11.14)

где r – радиус камеры в начальной стадии отработки ступени, м;

R – радиус камеры на завершающей стадии отработки ступени, м.

Запасы каменной соли в объеме подготовительной выработки определяются по следующей формуле:

Р = V_п ρ (1—х) (11.15)

Извлекаемые запасы каменной соли в объеме подготовительной выработки

Р_и = kР (11.16)

где k — коэффициент, учитывающий неполное извлечение запасов за счет заполнения объема камеры рассолом (k = 0, 85). Концентрация получаемых рассолов

С = Р/(24tq) (11.17)

Эксплуатационный размыв производится при достижении объема камеры 12—15 тыс.м³. Опыт показал, что при этом обеспечивается получение насыщенного (0, 31 т/м³) рассола при производительности скважины 30÷ 40 м³/ч. Отработка соляной залежи осуществляется снизу вверх расчетными ступенями определенной высоты и диаметра. Форма ступеней для расчетов принимается цилиндрическая. Кровля камер изолируется нерастворителем. Отработка соляной залежи происходит за счет увеличения диаметра камеры. Управление режимом подачи нерастворителя в скважину позволяет извлекать из каждой ступени расчетное количество соли и управлять формообразованием камеры.

При проектировании рассолопромыслов расчету подлежат следующие технологические параметры эксплуатационного размыва (при заданных величинах радиуса камеры R = 50—60 м и концентрации получаемых рассолов С = 0, 31 т/м³):

h – высота ступеней размыва, м; V – объем ступени, м³;

q – часовая производительность скважины, м³/ч;

Р—запасы каменной соли в объеме ступени, т; Р_и – извлекаемые запасы каменной соли, т;

Т – время отработки ступени, сутки.

Методика расчета технологических параметров эксплуатационного размыва камер аналогична методике, применяемой для расчета параметров подготовительной выработки.

Высота эксплуатационной ступени определяется исходя из производительности скважины, времени отработки ступени и ее радиуса

h = ТqС/(π R²ρ ·0, 85) (11.18)

Производительность скважины (камеры) может быть определена по эмпирической формуле

q = (1, 4V_к.акт + 4S_к) (11.19)

где V_к.акт – активный объем камеры, тыс. м⁵; S_к – площадь потолка камеры, тыс.м²; δ — поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение производительности камеры при увеличении содержания нерастворимых примесей в соли (значения коэффициента принимаются равными 0, 9; 0, 75; 0, 65 при содержании нерастворимых примесей соответственно 10, 20, 30%); 1, 4—средний объем кондиционного рассола, приходящийся на 1000 м³ объема камеры, м³/ч; 4—средний объем кондиционного рассола, приходящийся на 1000 м² потолочины камеры, м³/ч.

Расход нерастворителя определяется исходя из необходимости создания в кровле камеры слоя толщиной 4 см. Количество нерастворителя, необходимое для перекрытия кровли камеры,

q_н = 0, 031 D² (11.20)

где D – диаметр камеры подземного растворения.

В процессе эксплуатации скважин подземного растворения находящиеся длительное время в камере нефтепродукты теряют свои первоначальные свойства, «стареют», что требует дополнительного их количества для компенсации безвозмездных потерь. Поэтому при проектировании рассолопромыслов учитывается величина удельного расхода нерастворителя (расходная норма нерастворителя на 1 м³ добываемого рассола)

Δ Q_н = 0, 012ND²/Q_г (11.21)

где N—число рассолодобывающих скважин; Q_г – годовая производительность скважин рассолопромысла, м³.

Определение общей часовой производительности рассолопромысла и числа рассолодобывающих скважин. Часовая производительность рассолопромысла определяется исходя из заданной годовой потребности перерабатывающих поваренную соль предприятий, сырьевой базой которых служит данный цех рассолодобычи, и установленного режима работы этих предприятий.

Часовая производительность рассчитывается по формуле

Q_ч = Q_г /(24Т_гk_в) (11.22)

где Q_ч —часовая производительность рассолопромысла, м³/ч;

Q_г —годовая производительность рассолопромысла, м³/ч;

Т_г — время работы рассолопромысла в году, сут. (определяется режимом работы потребителей);

k_в — коэффициент использования времени.

По полученной часовой производительности рассолопромысла Q_ч и средней часовой производительности рабочей скважины q_к определяем число n рабочих скважин

n = Q_ч / q_к (11.23)

Кроме рабочих скважин, на рассолопромысле необходимо иметь ремонтно-резервные скважины, которые служат для замены рабочих скважин в период перевода некоторых из них на новую ступень растворения при проведении ремонтных работ, временном снижении концентрации рассолов и производительности скважин в связи с изменением геологических условий в процессе размыва соляной залежи, при аварийных остановках и т. д.

Число резервных скважин выбирается с учетом полной компенсации возможной временной потери производительности эксплуатационных скважин и обычно составляет 20—30 % расчетного числа рабочих скважин.