Физико-геологические условия месторождений самородной серы

Промышленные скопления серы генетически связаны с известняковыми рудами. Глубина залегания известняков с серой даже в пределах одного месторождения изменяется от нескольких десятков метров до 400 м и более. Мощность их колеблется от нескольких сантиметров до 20—25 м. Содержание серы также непостоянно (от 2 до 30%). Разнообразные и сложные взаимоотношения известняков с самородной серой обусловили наличие текстурных разновидностей серных руд. Наиболее распространенными являются мелко- и тонковкрапленные, а также вкрапленные руды. В пределах одного месторождения типы руд весьма разнообразны, что обуславливает большой разброс основных параметров, характеризующих их физические и технологические свойства. Характеристики физико-геологических условий серных месторождений Предкарпатья, Гаурдака и Северной Америки представлены в таблице 12.1

Таблица 12.1 – Характеристики физико-геологических условий серных месторождений

Оптимальным для ПВС являются: наличие запасов серы, обеспечивающих рентабельность строительства предприятия; мощность рудного тела не ниже 10 м; содержание серы в руде не ниже 10—15 % (наиболее эффективна разработка месторождений с крупными — гнездовыми, прожилковыми — включениями серы); гидрогеологически закрытая структура серной залежи; проницаемость сероносного пласта (определяется трещиноватостью и пористостью), обеспечивающая необходимую фильтрацию воды и расплавленной серы в пределах продуктивной залежи; водонепроницаемость вмещающих пород; отсутствие значительных нарушений, сдвигов, сбросов; достаточность глубины месторождений и прочности покрывающих пород для исключения гидравлического разрыва на поверхность; наличие в районе месторождения местных ресурсов воды, топлива, электроэнергии.

Исследования процесса ПВС базируются на изучении физических свойств серных руд. Плотность серных руд 2, 12—2, 6 г/см³,.Плотность 8—17 %. Сопротивление образцов серных руд сжатию уменьшается при нагревании до 130 °С в среднем в 20— а. Так, прочность на сжатие известняка с прожилково-вкрапленной серой Язовского месторождения уменьшилась с 38 МПА (при комнатной температур) до 0, 86 МПа (при 130 °С). Таким том, в натурных условиях массив серной руды, нагретой до 120-130 °С, будет иметь очень низкую прочность.

Проницаемость серных руд и вмещающих пород — один из решающих факторов, обусловливающих эффективность применения В лаборатории нельзя полностью имитировать условия массива серной руды. Поэтому проницаемость руд изучалась как на кернах, так и в полевых условиях с помощью гидрогеологических исследований. Исследования показали, что испытанные монолитные, некавернозные образцы практически водонепроницаемы. Значит распространение теплоносителя вокруг добычной скважины сходит в основном по кавернам, крупным порам, трещинам и карстам. Передача тепла от теплоносителя к включениям серы, не соединенным с каналами пор и трещин, происходит за счет теплопроводности и образования новых каналов при выплавке серы.

Теплофизические характеристики руд, вмещающих пород найме важны для расчета параметров технологии ПВС.

Удельная теплопроводность средних руд составляет 1, 3 — 0, 3 Дж/м·с·^оС), т.е. она в 4—5 раз ниже теплопроводности известняка. Это объясняется пористостью и низкой теплопроводностью руд. Теплоемкость руд довольно высокая (1, 68— 0, 7 Дж/кг·^оС). Температуропроводность серных руд 1—5, 6х10^-7 м²/с, коэффициент линейного теплового расширения 0, 2—2, 6·10^-5 1/°С, т.е. ниже, чем чистой серы. Это свидетельствует об обязательном тепловом разрушении известнякового скелета руды для плавлении серы. Температурные напряжения расплавленной будут разрушать закрытые каверны, что значительно увеличит проницаемость руды и уменьшит потери серы при ПВС.

Физически серный пласт представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из горной породы (известняк, сера), минерализованных подземных вод и газов. Эта система характеризуется пористостью, проницаемостью, теплофизическими параметрами т.д., поэтому особый интерес и значение представляет исследование физических свойств серных руд в натурных условиях.

Важным фактором, определяющим условия разработки месторождения, является гидрогеологическая обстановка, которая характеризуется свойствами как пород, так и пласта в целом (проницаемостью, пористостью, распределением их по мощности пласта, взаимосвязью между водоносными горизонтами, наличием гидравлических «окон», химическим составом и температурой подземных вод и газов). Для получения гидрогеологических параметров серных месторождений целесообразно использование методов восстановления давления и гидропросушивания, поскольку серные руды имеют трещинно-карстовый характер. Гидрогеологические условия характеризуются чрезвычайной изменчивостью фильтрационных свойств. Так, коэффициент фильтрации изменяется от 0, 005 до 214 м/сут, а удельный дебит скважин—от 0, 004 до 50 м³/ч. Нагнетание в скважину и наблюдение за изменением уровней в других скважинах дает информацию о неоднородности фильтрационных свойств серного пласта. Для изучения профиля приемистости эффективно использовать геофизические методы резистивиметрового каротажа, объемной расходометрии и поинтервальных нагнетаний.

Требования к качеству серных руд и горно-геологическим условиям их залегания определяют экономическую целесообразность добычи серы методом ПВС (таблице 12.2). На основании их можно произвести подсчет и оконтуривание промышленных запасов серных месторождений, пригодных для разработки методом ПВС.

Таблица 12.2 – Показатели экономической целесообразности добычи серы методом ПВС

ПВС, основные понятия и представления

Для добычи серы на месте залегания методом ПВС использовано ее свойство плавиться при температуре 112, 8—119 °С. Процесс добычи включает в себя разнородные тепловые и гидродинамические явления, основанные на теплообмене между теплоносителем (горячая вода), подаваемым через скважины, и рудным массивом.

В ходе разработки осуществляются нагнетание воды, ее фильтрация по пласту, разгрузка месторождения за счет работы водоотливных скважин, плавление серы и ее откачка. Все эти процессы неразрывно связаны между собой. Для обеспечения максимальной добычи серы необходимо регулировать режим работы добычных скважин: изменять число работающих скважин, их расстановку на месторождении и порядок включения в работу, объем подаваемого в скважину теплоносителя, а также режимы откачки серы и водоотлива.

1 — железнодорожная цистерна; 2 — погрузочная эстакада; 3 — насос для перекачки жидкой серы; 4 — подогреватели склада жидкой серы; 5 — компрессорная; 6 — котельная; 7 — водоотливная скважина; 8 — замерный пункт; 9 — добычные скважины; 10 — станция перекачки серы; 11 — отработанная добычная скважина; 12 — участковая станция перекачки серы

Рисунок 12.1 – Принципиальная технологическая схема добычи серы методом подъемной выплавки

Для обеспечения добычи серы методом ПВС нужно определенное число (в зависимости от производительности рудника) оборудованных добычных скважин, теплоносителя и сжатого воздуха, обеспечивающего откачку серы (рисунок 12.1). Вода для производственных нужд попадает в нагреватели, которые представляют собой либо прямоточные водогрейные котлы, либо паровые котлы с бойлерными. Горячая вода через контрольно-распределительные станции (КРС) нагнетается в скважины. Каждая КРС обслуживает определенное число рабочих скважин и имеет регулирующие и контрольные приборы, позволяющие оператору регулировать давление и температуру поступающих по трубам жидкостей и газов.

Воздух

Расплавленная сера

1 — обсадная колонна; 2 — затрубная цементация; 3, 4 и 5 — соответственно водоподающая, серная, и воздушная колонны; 6 — разделительный пакер; 7, 8 — воздушная и серная перфорации; 9 — сальниковые компенсаторы

Рисунок 12.2 – Принципиальная схема добычной скважины

Основная сложность метода — разработка технологического процесса добычи серы для каждого конкретного месторождения. Добычные скважины бурят обычно буровыми станками и обсаживают трубами до сероносного пласта. Обсадную трубу цементируют и продолжают бурить рудное тепло на всю его мощность. В пробуренную скважину вставляют три концентрических трубопровода (рисунок 12.2) диаметром 168, 89 и 34 км. Верхнюю часть скважины оборудуют оголовком, обеспечивающим нагнетание горячей воды в пласт. Вода сквозь перфорации в нижней части проникает в сероносную залежь, разогревая серу. Расплавленная сера как более тяжелая стекает вниз и по серной трубе поднимается на высоту, равную гидростатическому давлению у почвы пласта. Благодаря подаче по дюймовой трубе сжатого воздуха сера эмульгируется и поступает на поверхность по серной колонне. Далее расплавленная сера направляется через отстойные резервуары и фильтры для очистки на склад готовой продукции. Все бассейны и трубопроводы, в которых циркулирует расплавленная сера, обогреваются.

В процессе разработки закачиваемая в пласт горячая вода распространяется по участку месторождения. Работой водоотливных скважин регулируют пластовое давление и технологический процесс добычи серы.