Подземное растворение солеи (ПРС)

В мировой практике широкое распространение получил скважинный метод добычи каменной соли подземным растворением (ПРС). Только в СССР этим методом сейчас добывается более 20 млн. т соли, а в ближайшем будущем намечается значительно увеличить объем ее добычи. Добыча калийных солей растворением началась сравнительно недавно. В Канаде (провинция Саскачеван) и США есть предприятия, где калийные соли добывают методом подземного растворения [11, 37, 41].

Различают пластовые, куполообразные, штокообразные и линзовидные месторождения солей. Соляные месторождения представлены весьма разнообразными минералами. Наиболее распространенными являются три группы минеральных соединений — хлориды, сульфаты и хлоридо-сульфаты. Главными породообразующими минералами являются: галит—каменная соль (NаСl, 2, 17 г/см³); сильвин—хлористый калий КСl (1, 98 г/см³); карналлит КСl·МgСl₂·6Н₂О, 1, 58 г/см³) гигроскопичен; лангбейнит (К₂SО₄·2МgSО₄, 2, 8 г/см³); каинит (КСl·МgSО₄·3Н₂О, 2, 2 г/см³). Другими породообразующими минералами являются кизерит (МgSО₄·Н₂О), полигалит (К₂SО₄·МgSО₄·2СаSО₄·2Н₂О), шенит (К₂SО₄·МgSО₄·6Н₂О), леонит (К₂SО₄·МgSО₄·4Н₂О), глазерит [К₃Nа (SО₄)₂], бишофит (МgСl₂·6Н₂О), эпсомит (МgSО₄·7Н₂О), астраханит (NаSО₄·МgSО₄·4Н₂О), ангидрит (СаSО₄), гипс (СаSО₄·2Н₂О). Основным породообразующим минералом каменной соли является галит. Вредными примесями являются ангидрит, полигалит, нерастворимые минералы (глины, илы, брекчии и др.). Залежи калийных солей представляют собой смесь различных минералов: например, галит и сильвин образуют сильвинит, галит и карналлит — карналлитовую горную породу и т.д.

Основные понятия и представления

Рассолопромысел — это комплекс наземных и подземных сооружений, который обеспечивает непрерывную добычу рассолов. Схема сооружений рассолопромысла представлена на рисунке 11.1. Вода – растворитель по трубопроводу от водозабора через насосную и контрольно-распределительный пункт (КРП) подается в добычные скважины. Из подземных камер растворения кондиционный рассол (300—310 г/л) через КРП, резервуар и насосную направляется на завод-потребитель. Управление процессом в камерах осуществляется с помощью нерастворителя, предотвращающего растворение потолочины. Для хранения и транспортирования рассола и нерастворителя сооружаются специальные емкости-хранилища, насосная станция, КРП и технологические трубопроводы.

Работа всех рассолопромыслов характеризуется высокими технико-экономическими показателями: производительность труда в 4—5 раз выше, а удельные капиталовложения в 6—7 раз ниже, чем при шахтном способе добычи соли. Существенным преимуществом рассолопромыслов является транспортирование рассола по трубопроводам, которое значительно снижает транспортные расходы. Отработанные камеры растворения используются как хранилища нефтепродуктов, а также как подземные резервуары для захоронения промышленных отходов различных производств.

1 — добычная камера; 2 — рассолодобычная скважина; 3 — насосная станция воды и рассола с контрольно-распределительным пунктом; 4 — трансформаторная подстанция; 5 — завод-потребитель; 6 — административные здания; 7 — хранилище слабых рассолов; 8 — резервуары воды и рассола; 9 — насосная нерастворителя; 10 — резервуары нерастворителя

Рисунок 11.1 – Схема сооружений рассолопромысла

Методы подземного растворения. При методе ПРС в пробуренную и обсаженную до кровли соляной залежи скважину соосно опускают водоподающую и рассолоподъемную колонны труб. Нагнетаемая через скважину вода в камере растворяет соль. Полученный рассол за счет давления нагнетаемой воды поднимается на поверхность.

Методы ПРС подразделяются на неуправляемые и управляемые.

К первым относятся методы прямотока и противотока (рисунок 11.2, а, б). Растворение соли ведется по всей вскрытой мощности соляной залежи, а скважины оборудуют одной рабочей колонной труб. При прямотоке воду подают к забою скважины, а рассол выдается между обсадной и водоподающей колоннами. При противотоке направление движения жидкостей—противоположное. Недостатки этих методов: растворяются стенки скважин, а, следовательно, камера приобретает форму опрокинутого конуса. Эксплуатация скважин прекращается при угле наклона стенки камеры 35—40°, что резко сокращает срок службы скважин и увеличивает потери соли. Кроме того, из-за больших площадей обнажения надсолевых пород часто происходят обрушения кровли, которые вызывают аварии скважин и выход их из строя.

а — прямоток; б — противоток; в — гидровруб; г — управляемое послойное растворение; д — заглубленная водоподача; е — сплошная система разработки: 1, 2, 3... — ступени отработки

Рисунок 11.2 – Технологические схемы добычи рассола

Ко вторым относятся методы гидровруба и послойного растворения.

Гидровруб — это специальная выработка, имеющая форму горизонтального кольцевого вруба вокруг забоя скважины. Сущность технологии основана на работе двух соосно расположенных колонн, по промежуткам между которыми движется нерастворитель, вода и рассол (рисунок 11.2, в). Обычно высота гидровруба 2—5 м. Подача воды в камеру, а также выдача рассола происходят непрерывно. Нерастворитель удерживается в верхней части камеры и предохраняет ее кровлю от растворения, т.е. камера развивается только в горизонтальном направлении. После образования гидровруба заданных размеров нерастворитель поднимается, вода получает доступ к кровле камеры и начинается процесс интенсивного растворения, направленный снизу вверх. Метод позволяет извлекать до 15% соли. Недостатки метода—значительная продолжительность подготовительного периода (до 500 суток) и неуправляемость процесса в эксплуатационный пе­риод.

При методе послойной выемки (П.С. Бобко) (рисунок 11.2, г) после размыва гидровруба отработка камер снизу вверх ведется отдельными горизонтальными слоями (ступенями) высотой 5—15м при изоляции потолка каждого слоя нерастворителем, уровень которого контролируется. Это позволяет извлекать из каждого слоя заданное количество соли и управлять формообразованием камеры. Для перехода на выемку нового слоя осуществляется подъем нерастворителя на уровень потолочины нового слоя. Опыт промышленного применения метода послойной выемки показал следующие преимущества этого способа перед другими способами: наибольшее извлечение, заранее заданная форма, высокая производительность скважины, эффективная отработка с высоким (до 30 %) содержанием нерастворимых примесей.

В последние годы ВНИИГ предложил метод заглубленной водоподачи (рисунок 11.2, д). Сущность метода заключается в создании по всей высоте интервала отработки соли зоны смешения восходящего потока растворителя с опускающимися потоками насыщенного рассола, за счет чего в зоне смешения обеспечиваются постоянная концентрация и равномерное по высоте растворение стенок камеры. Рассол отбирается из нижней части камеры.

Отработка камер методом заглубленной водоподачи наиболее эффективна при эксплуатации мощных отложений каменной соли. Скорость растворения соли при заглубленной водоподаче значительно (в 5—10 раз) ниже. Растворение соли в большом интервале по высоте и небольших скоростях растворения дает возможность сократить объем операций по спуску-подъему труб и простои скважин при переходе на следующую ступень.

Добыча рассолов может осуществляться сдвоенными (взаимодействующими) скважинами которые позволяют увеличить рабочее сечение ствола каждой скважины за счет ликвидации одной колонны труб. Сплошная система разработки, используемая на Ново-Карфагенском месторождении, предусматривает работу серии взаимодействующих скважин, а также обрушение кровли (рисунок 11.2, е).