Технология ПВС

Технология ПВС широка освещена в литературе и является совокупностью осуществляемых в определенной последовательности производственных операций.

Основным требованием, предъявляемым к каждой добычной скважине, является ее приемистость, которая должна составлять не менее 10 м³/ч при устьевом давлении 0, 8 МПа. На Язовском месторождении требуемую приемистость фактически имеют только около 30 % скважин, поэтому разработаны специальные способы бурения и подготовки скважин (см. гл. 4).

Механизм ПВС. Несмотря на кажущуюся простоту, технология ПВС сопровождается комплексом сложных и разнородных физических явлений. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по вскрытию физических закономерностей, лежащих в основе процесса, позволили установить, что передача тепловой энергии при ПВС обуславливается явлениями конвективного и теплопроводного переноса в жидкости, теплообмена между жидкостью и породой, причем интенсивность этого процесса зависит от удельной поверхности контакта теплоносителя с рудным массивом и теплопроводного переноса внутри известняка с серой.

В период разогрева различие плотностей и вязкости определяет преимущественное движение теплоносителя у кровли продуктивного пласта. В начальный период работы скважины прогреваются наиболее проницаемые участки залежи. По мере расплавления серы и ее фильтрации в почве пласта вскрываются полости, трещины и каверны, по которым начинает двигаться теплоноситель, захватывая новые блоки пласта. Внутри области плавления некоторое время могут существовать плотные блоки руд. В дальнейшем происходит расширение зоны плавления преимущественно в верхней части пласта. Область плавления приобретает форму, напоминающую перевернутый конус. В плане зона плавления представляет собой неправильную систему «языков», связанную с фильтрационными характеристиками руд и определяемую расположением трещин, карста и направлением разгрузки пластозых вод.

В нижней части пласта, вокруг забоя добычной скважины, образуется серная «лужа», в которую стекают потоки серы из зоны плавления (с «языков» движения теплоносителя) и из которой производится откачка серы на поверхность. Фильтрация жидкой серы к забою скважины осуществляется под действием собственного веса, причем ее скорость зависит от формы, диаметра, пор и каналов, угла притока, градиента давления при нагнетании теплоносителя, а также депрессии, создаваемой при работе эрлифта.

Управление движением теплоносителя в пласте производится организованным водоотливом или выборочным тампонажем крупных карстов и высокопроницаемых зон и служит эффективным средством формирования температурного поля.

В зоне плавления в форме капель и пленок, удерживаемых адгезионными силами, а также в «ловушках» и тонкорассеянных рудах остается сера, составляющая потери. В нижней части пласта, в межскважинном пространстве, остаются неотработанные зоны, размер которых определяется временем отработки, предельным углом стока жидкой серы, сеткой расположения скважин и другими факторами.

Математическая модель подземной выплавки серы состоит из двух групп уравнений. Первая группа уравнений тепломассопереноса описывает участок скважины, т.е. участок, выполняющий функции транспортной магистрали. Вторая—включает описание процессов, происходящих в пласте.

1. Транспортирование теплоносителя к серному пласту осуществляется через скважины, которые являются неизолированным теплопроводом. Специфика конструкции добычных скважин, а также требования технологии к поддержанию определенных температур воды и серы обусловили необходимость специальной методики расчета теплового режима скважин. Математическая модель [40], полученная из уравнений теплового баланса для стационарного режима, позволяет вычислить температуру теплоносителя на устье и забое добычных скважин в зависимости от глубины разработки, расходов жидкостей, конструкций скважинного оборудования для различных технологических режимов эксплуатации.

В результате расчетов установлено, что температура теплоносителя на устье скважины должна быть равной 165 °С при глубине 200—300 м, расходе теплоносителя 10 м^з/ч. При этом обеспечивается оптимальный температурный режим на забое скважины (температура теплоносителя 155—158 °С и жидкой серы на устье менее 160 °С).

2. Процессы, определяющие возможность и целесообразность отработки месторождения методом ПВС, происходят в серной залежи. Математическая модель, описывающая эти процессы, учитывает движение жидкой серы и воды в зоне плавления, теплообмен между жидкостями и породой, конвективный и теплопроводный перенос в жидкостях, расплавление серы и нагрев руды, теплопотери во вмещающие породы. Характерной особенностью математического описания процесса ПВС является наличие нелинейных граничных условий. Найти общее решение системы дифференциальных уравнений, вытекающее из законов сохранения массы, энергии и фильтрации теплоносителя через пористую среду, не удалось. Поэтому Г.X. Хчеяном разработаны различные приближения общей математической модели и решены различные частные задачи. Например, показано [49], что теплопроводные утечки по пласту и в кровлю заметно сказываются на результатах: они снижают объемы расплавленной зоны.

Движение жидкой серы в зоне плавления определяет объем добываемой серы. И.С. Нафтулиным разработан графоаналитический метод расчета скорости стока жидкой серы и дана методика расчета производительности добычных скважин.

Экспериментальное изучение ПВС. Многообразие и сложность процессов и явлений, сопровождающих ПВС, невозможно рассматривать строго теоретически. Поэтому правильность расчетных схем проверялась методами физического моделирования.

1 – 8 соответственно при τ, 3, 5, 9, 12, 18, 23. 26 и 29 мин

Рисунок 12.3 – Развитие зоны плавления одиночной скважины во времени

Анализ показал, что смоделировать весь комплекс процессов, протекающий при ПВС, невозможно. Поэтому моделировались отдельные стороны технологии.

Экспериментальные исследования включали в себя модели трех типов:

1. Модели, в которых сера моделировалась эквивалентным материалом — парадихлорбензолом (И.Л. Демьянова, Д.Н. Шпак). Цель исследования—изучение влияния параметров сетки добычных скважин на коэффициент извлечения полезного ископаемого, влияние гравитационных сил и вертикальной неоднородности пласта на форму зоны плавления (рисунок 12.3). Основное преимущество моделей данного типа — возможность визуального наблюдения процесса и непосредственного фиксирования некоторых его параметров. Недостаток — качественный характер получаемых зависимостей.

2. Модели, в которых пласт моделировался дробленой серной рудой (Г.X. Хчеян, Д.Н. Шпак). Цель исследований—изучение температурных полей добычных скважин, формы и размеров зон плавления, конструкции забойного оборудования и технологического режима работы, выявление влияния тепловой интерференции добычных скважин.

3. Модели, в которых пласт моделировался натурной серной рудой (Д.Н. Шпак, В.С. Подхалюзин). Цель исследования— определение закономерностей течения серы и воды в зоне плавления, изучение динамики выхода серы и определение технологического извлечения.

Кроме создания трех основных типов моделей, были проведены специальные исследования по изучению вытеснения плотных пластовых вод теплоносителем (В.С. Подхалюзин, В.К. Смык) и определению допустимого времени остановки подачи теплоносителя в пласт (рисунки 12.4 и 12.5).

Добыча серы. Технология эксплуатации добычных скважин заключается в непрерывном нагнетании теплоносителя в пласт и откачке жидкой серы из скважины. Время работы скважины включает периоды прогрева, освоения, стабильной работы и завершения эксплуатации. Перед пуском оборудования подготовленная к работе скважина промывается путем кратковременной откачки, а затем циркуляции горячей воды по технологическим колоннам для удаления скопившихся в забое за время простоя оборудованной скважины шламовых и глинистых осадков. Прогрев скважин продолжается до получения первой порции серы. Продолжительность этого периода зависит от пластовых условий (начальной температуры пласта, качества руды, водопроницаемости залежи и характера распределения ее по разрезу и в плане и др.), технологических параметров теплоносителя и приемистости скважины.

В период освоения скважины необходим получасовой ее отстой перед первыми откачками серы с подачей теплоносителя по обсадной колонне в кровлю пласта. Затем производится сброс давления по серной колонне и подача в скважину сжатого воздуха, который поднимает серу на поверхность. Откачки серы в период освоения необходимо производить раз в сутки; по мере увеличения длительности откачки следует сокращать перерыв между откачками.

При достижении стабильного режима добычи серы наступает период устойчивой эксплуатации добычной скважины. Он характеризуется установившимся режимом нагнетания теплоносителя и регулярной (постоянной или периодической) откачкой серы из залежи в серосборники вместимостью 50—70 м³, из которых сера перекачивается насосами на центральный склад. Выявлено, что продолжительность периода устойчивой работы скважин изменяется в зависимости от горно-геологических элементов залегания и взаимодействия скважин от 2 до 18 мес.

Скв. 1 Скв.2 Скв. 3

а — проницаемая зона в почве пласта; б — в кровле

Рисунок 12.4 – Положение границ плавления во времени в неоднородном по проницаемости пласте

1, 02 1, 04 1, 06 1, 08 ρ, г/см³

1, 2, 3 и 4 — соответственно 4, 10, 26 и 37 мкм²

Рисунок 12.5 – Зависимость коэффициента охвата от плотности пластовой воды при различной проницаемости

Период завершения эксплуатации скважины наступает, когда начинает постепенно снижаться ее продуктивность, увеличивается число прорывов воды при откачке серы, повышается удельный расход теплоносителя и становится неустойчивым режим добычи. Продолжительность этого периода, как правило, составляет две-три недели.

Направление отработки зависит от горно-геологических условий добычных участков. Эффективное использование теплоносителя достигается благодаря предварительному прогреву зон предстоящей отработки. Отработку следует вести взаимодействующими скважинами, расположенными в двух или трех рабочих рядах. При локальном увеличении мощности пласта сетка скважин сгущается. Порядок включения скважин в работу определяется общим направлением отработки и условием поддержания единого температурного фронта.

Установлено, что в условиях Предкарпатья гидродинамический режим фильтрации при ПВС требует откачки пластовых вод в количестве не менее 80—90 % объема нагнетаемого в залежь теплоносителя. С точки зрения максимального использования тепла и предварительного прогрева залежи разгрузка осуществлялась на расстоянии трех—пяти рядов, т.е. в 150—200 м от работающих скважин.

Фактическое извлечение, установленное с помощью оценочного бурения, достигло по различным блокам 39, 9—58 %. Технологическое извлечение серы из зоны плавления соответствует прогнозируемой выплавляемости гнездово-вкрапленных руд (75—78%). Коэффициент охвата пласта достигает 53—74 %.

Опыт показал, что для различных условий эффективны различные конструкции добычных скважин (рисунок 12.6). Наиболее рациональным вариантом оборудования однотрубных скважин является монтаж обсадной колонны диаметром 168 мм, серной— 59 мм, эрлифтной — 22 мм. Однотрубную конструкцию скважин испытывали также в условиях большой мощности пласта (13— 30 м) и получили положительные результаты. Однако при больших мощностях пласта возрастает вероятность застывания серы на забое, поэтому при мощности более 10 м рекомендовано использовать скважины двухтрубной конструкции. Предложен, испытан и внедрен комбинированный вариант оборудования, отличающийся от однотрубной конструкции дополнительной водной колонной, которая проходит только от кровли до забоя пласта.

Забойная часть двухтрубной добычной колонны имеет водную и серную перфорации, предназначенные соответственно для ввода теплоносителя в пласт и откачки жидкой серы из пласта. Форма, размер отверстий и суммарная площадь каждой перфорации позволяют пропускать заданный объем теплоносителя и жидкой серы, причем учитывается возможность зашламования части отверстий серной перфорации в процессе откачки жидкой серы. Наиболее эффективно нижняя часть пласта прогревается при нагнетании теплоносителя через серную перфорацию, частично расположенную в перебуре скважины. Такую схему нагнетания целесообразно применять в начальный период прогрева скважины. При этом возможны два технологических режима работы скважины — прерывный и непрерывный. При непрерывном режиме серная колонна используется периодически для нагнетания теплоносителя и откачки жидкой серы, при прерывном—для нагнетания теплоносителя только в начальный период прогрева. В дальнейшем по ней ведутся постоянная откачка жидкой серы и нагнетание теплоносителя только по водной колонне.

а—однотрубная; б—двухтрубная; в — комбинированная; 1—обсадная колонна; 2 — серная колонна; 3 — водная перфорация; 4 — серная перфорация; 5—водная колонна

Рисунок 12.6 – Конструкция добычных скважин

Чтобы интенсифицировать добычу и повысить извлечение серы из скважин, был испытан реагентный метод, сущность которого заключается в добавлении к теплоносителю гидрофилизатора — триполифосфата натрия (ТПФН). Этот реагент способствует снижению смачиваемости известняка серой и уменьшению трения между серой и водой, в результате чего активизируется отделение серы от известняка и ее приток к забою скважины.

Лабораторные исследования позволили установить, что применение ТПФН снижает краевой угол смачивания известняка серой, межфазное натяжение между ними и работу адгезии, что приводит к интенсификации процесса выплавки на 16 %. Использование ТПФН способствуют увеличению скорости, фильтрации серы в каналах на 12 % и повышению выхода серы на 20 %.

Обычная технология ПВС предусматривает откачку пластовых вод, их очистку от сероводорода и разбавление пресной водой перед сбрасыванием в реки. Проблему сбросов при ПВС не следует рассматривать только с позиций водоохраны, не менее важны ее технологические и экономические аспекты.

Сброс стоков при ПВС сопряжен с потерями тепла, воспроизводство которого требует больших энергетических затрат, а также со значительным потреблением пресной воды как на разбавление стоков, так и на производство пара и теплоносителя. Кроме того, он требует строительства громоздких сооружений по очистке вод от сероводорода, увеличения энергетических и трудовых затрат на перекачку вод к накопителям и от них — к месту сброса. При этом водоотлив является самым мощным рычагом управления технологией ПВС.

Учитывая, что любой сброс в реки нарушает их природную чистоту, а также тот факт, что состав стоков экономичнее подготовить для повторного использования, чем доводить до допустимых норм сброса их в водоемы, был предложен кардинальный способ решения проблемы охраны среды при ПВС. Суть этого метода состоит в максимальном использовании откачиваемых пластовых вод, что связано с необходимостью догрева их до 165 °С.

Эта технология включает два основных элемента: способ производства минерализованного теплоносителя и режим подачи его в пласт для отработки серной залежи.

Разработка серной залежи минерализованным теплоносителем осуществляется следующим образом. Вновь вводимую в работу добычную скважину прогревают пресным теплоносителем до момента вывода ее на устойчивый эксплуатационный режим добычи серы. После образования достаточно большого объема выплавленной зоны, фиксируемой по количеству добытой из скважин серы, прогрев пласта осуществляется минерализованным теплоносителем, приготовленным из откачиваемых пластовых вод.

Для производства теплоносителя из пластовых вод серного месторождения предложена замкнутая схема, включающая откачку пластовых вод из водоотливных скважин в общий коллектор, обработку их триполифосфатом натрия, ионитами и другими реагентами, контактный нагрев паром, транспортирование теплоносителя в добычную скважину. Данная технология водооборота впервые разработана и внедрена в практике ПВС и не имеет аналога в области водоподготовки и нагрева минерализованных агрессивных вод.

Оптимизация работы добычных скважин связана с автоматизацией процесса откачки серы. При этом появляется возможность осуществлять автоматически управляемый процесс откачки, обеспечивающий ликвидацию аварийных прорывов теплоносителя из скважин. Проведенными В.А. Яценко исследованиями установлено, что для определения уровня серы на забое достаточно контролировать лишь давление сжатого воздуха. Перед прорывом теплоносителя из пласта в сероподъемную колонну давление воздуха резко увеличивается, что свидетельствует о приближении момента прорыва воды. Использование этого явления как сигнала дает возможность осуществить автоматическую защиту скважины от прорыва воды.

Сера, добытая методом ПВС, имеет преимущество перед продукцией автоклавного способа, где в качестве реагентов используются вещества, содержащие углеводороды. Основными вредными примесями природной серы являются органические вещества, которые в процессе переработки обусловливают протекание многих побочных реакций. Количество органических примесей в сере, добытой методом ПВС, не превышает норм, установленных на серу высшего сорта.

Анализ проб серы, отобранных непосредственно из скважин в процессе добычи, свидетельствует о высоком качестве продукта по таким показателям, как содержание золы (0, 015%), углерода (0, 02%), влаги (полностью отсутствует), а также кислотности (0, 0007 %).

12.4 Методика инженерного расчета технологических параметров процесса ПВС

Работа предприятия ПВС определяется параметрами и показателями, отражающими свойства и условия функционирования системы. Это физико-геологические, технологические, технические конструктивные, системные и экономические параметры и показатели ПВС.

Для предварительной оценки параметров ПВС предлагается следующая упрощенная методика:

1) Расход теплоносителя Q в скважину уточняют по гидрогеологическим исследованиям скважин;

2) По данным лабораторных исследований находят технологический коэффициент извлечения η по формуле (7.12). Коэффициент охвата можно получить из формулы (7.11), задавшись окончательным значением коэффициента извлечения и проверив его по расчетной зависимости сетки добычных скважин по формуле (7.3);

3) Расстояние между добычными скважинами рассчитывают по формуле (7.6);

4) В зависимости от физико-геологических условий залежи определяют удельный расход теплоносителя как сумму затрат тепла на нагрев руды, плавление серы, а также потерь тепла во вмещающих породах;

5) Опыт показал, что для расчета параметров эрлифта жидкой серы (давление, расход воздуха, его удельный расход и глубина погружения эрлифта) вполне можно пользоваться известной методикой А.П. Крылова;

6) Производительность скважины определяется отношением закачанного в скважину теплоносителя к его удельному расходу;

7) Добыча из скважин определяется ее запасами и коэффициентом извлечения;

8) Время отработки скважин рассчитывают по формуле (7.8);

9) Число скважин, обеспечивающих плановый объем добычи, находят по формуле (7.9);

Рассчитанные по данной методике параметры обычно отражают реально существующие показатели работы рудника ПВС. Однако удельный расход теплоносителя фактически выше теоретически рассчитанного. Так как потери тепла в недрах часто превышают расчетные, удельный расход во многих случаях правильно определять по аналогии с работающими участками.