RU1834972C - Способ подземной разработки рудных месторождений подземным выщелачиванием - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к горной промышленности и может быть использовано при добыче полезных ископаемых подземным выщелачиванием. Способ включает бурение вокруг рудного тела скважин, размещение в них невзрывных сейсмических источников с ориентированием их осей в направлении максимального главного напр жени  и обработку пласта вибровоэдей- стви ми в диапазоне 60-1500 Гц при нагнетании раствора ПАВ. Затем подают выщелачивающий раствор и одновременно воздействуют колебани ми на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела. Новым  вл етс  то. что перед закачкой выщелачивающего раствора на глубине расположени  рудного тела осуществл ют гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость добавл ют 50-70% азота или углекислоты при низких или высоких скорост х инжекции соответственно. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

сл

с

Изобретение относитс  к горному делу и может быть использовано дл  извлечени  полезных компонентов из подземных формаций бесшахтным способом с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации во флюидосодержащих породах.

Цель изобретени  - повышение эффективности разработки за счет увеличени  проницаемости и трещиноватости руд и вмещающих пород и улучшени  гидро- и аэродинамических св зей пласта.

На фиг. 1 приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив; 2 - рудный пласт; 3 - скважина; 4 - обсадна  труба: 5 - тампонажный раствор в виде редкоземельного вещества или из соединений, заполн ющих заколонное пространство между

стенкой скважины и обсадной трубой; 6 - виброисточники; 7 - компрессор высокого давлени  ЭУ-5 или ЭУ-7; 8 - электронный пульт управлени  дл  синхронизации работы группы виброисточников; 9-информационно-вычислительный комплекс; 10 - импульсный источник напр жени ; 11, 12 - электроды; 13-лазер накачки; 14-световод дл  подачи луча лазера в жидкость скважины .

На фиг. 2 приведено сечение обсадной трубы 4 с нанесенной на ее поверхность слоев 15, 16 редкоземельного вещества, обладающего гигантской магнитострикцией.

На фиг. 3 приведены пороги кавитации дл  различных диапазонов частот в массиве горных пород; на фиг. 4 - экспериментальные результаты поведени  радиуса кавитэ00

со

ю

vj ГО

ы

ционного пузырька Р во времени при посто нном давлении Ро на частоте 5 кГц, где крива  1 получена при РО 105 Па, крива  2 - РоЛ5 105Па, крива  3- при РО 106Па.

Способ осуществл ют следующим об- разом.

С помощью датчиков давлени  горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определ ют поле напр жений и главные векторы 1 и 2 в рудном пласте, где требуетс  вызвать колебани  и повысить проницаемость руд и вмещающих пород.

В пласте 2 бур т скважину 3, армируют ее обсадной трубкой 4 и заполн ют пространство между обсадной трубой 4 и стен кой скважины 3 редкоземельным -веществом или их соединени ми, обладающими гигантской магнитострикцией, применив в качестве в жущего тонкозернистый цемент в количестве 5-7%, вставл ют в ре- дкоземельное вещество электроды 11,12 от источника возбуждающего импульсного напр жени  10 и подают на редкоземельное вещество возбуждающее напр жение от 500 до 5000 В и возбуждают мощные упру- гие колебани  в рудном пласте.

По глубине скважины 3 с шагом 1/8 длины волны основной частоты, излучаемой в пласт, размещают невзрывные сейсмические источники 6 с частотами 60-1500 Гц, причем, от 3 до 16% всей запасенной в источник энергии подаваемой от компрессора 7 высокого давлени  ЭУ-5 или ЭУ-7 - от 60 до 300 атмосфер и более переходит в сейсмические колебани  в рудный пласт 2. Глу- бина размещени  источников - давлением столба жидкости в скважине оказываемо.й на виброисточник 6,регулируют частоту колеба- ний в выбранном диапазоне частот,причем,давг ление дл  диапазона частот 60-1500 Гц составл ет 10-250 атмосфер. Источники 6 при скорости Р-волн равной в жидкости 1500 м/с и длинах волн на частотах 60-1500 Гц равных соответственно 1 и 25 м разме- . щают на удалении друг от друга примерно 3 м, что в свою очередь вызвано тем, что на таких удалени х поле упругих напр жений генерируемое источником,распределено равномерно и работу группы таких виброисточников легко синхронизировать. Врем  воздействи  - врем  синхронной работы группы виброисточников 6 контролируют с использованием электронного пульта управлени  8 и ИВК 9, и оно зависит от обводненности пласта и геомеханических условий его залегани  - горным давлением, обусловленным весом вышележащих пород на пласт. С помощью ИВК 9 осуществл етс  синхронизаци  работы группы источников 6 посредством сопоставлени  эталонных им-

пульсов давлени , полученных в лабораторных услови х и импульсами давлени , получаемыми в скважине 3, причем по заранее введенной в ИВК 9 программе осуществл ют корректировку работы группы виброисточников в процессе воздействи  в выбранном диапазоне частот. С использованием Фурье преобразователей, вход щих составной частью в ИВК 9, определ ют спектры получаемых сигналов, сопоставл ют их с эталонными и производ т корректировку синхронизации работы группы виброисточников при вибровоздействи х на пласт 2 в совокупности с нагнетанием в пласт разупрочн ющих растворов - ПАВ. гор чей воды при Т 80°С, кислот гидроокиси натри  или гидроокиси натри  с метанолом нагретых до 180°С и вибровоздействи  осуществл ют в течение времени, при котором деформации сжати  пласта переход т в деформации раст жени , что соответствует оптимальной проницаемости пласта, после чего переход т на частоту вибровоздействи , равную частоте собственных колебаний пласта, и вибровоздействи  производ т в совокупности с нагнетанием выщелачивающих растворов. Дл  повышени  эффективности способа вибровоздействи  осуществл ют из скважин 17с размещенными в них виброисточниками, и заполненными жидкостью 18 (см. фиг. 5), окаймл ющих пласт с его торцов, при этом встречные вибровоздействи  осуществл ют попеременно сначала с одной стороны, а затем с другой рудного пласта, настраива  колебани  в резонанс с собственными колебани ми рудного тела. Пр и подаче в скважины выщелачивающего раствора врем  вибровоздействи  с каждой стороны пласта ограничивают временем миграции растворов по пласту, что в свою очередь позвол ет сни-- зить расход реагента за счет его непроизводительных -по сравнению потерь при обычных услови х, когда реагент нерационально расходуетс  при растекании в поры и трещины вмещающих пород за пределами пласта.

В тех случа х, когда проницаемость руд и вмещающих пород очень незначительна - породы и пласт наход тс  в значительной глубине - в пласте производ т импульсный массированный гидроразрыв (ИМГ), дл  чего привод т локальный участок рудного пласта в возбужденное состо ние в диапазоне 60-1500 Гц и нагнетают в скважину рабочую жидкость с добавкой в нее 50-75% газов под давлением, причем при низких скорост х инжекции нагнетают азот, а при высоких - углекислоту, что позвол ет снизить в зкость пластовой жидкости и увеличить ее

диффузионные свойства - проникани  в поры и трещины пласта. При нагнетании рабочей жидкости в скважину гидроразрыва вибровоздействи  осуществл ют на частоте собственных колебаний нагнетани  жидко- сти, причем, с помощью ИВ К 9 осуществл ют синхронизацию работы группы виброисточников и при этом выбирают оптимальный режим нагружени , при котором не индуцируютс  остаточные напр жени  и осуществл ют контроль скорости нагружени  пород в пласте месте проведени  импульсного гидроразрыва; скорость изменени  поперечного сечени  магистральной трещины гидроразрыва; определи- ют ширину трещины в процессе гидроразрыва дл  пористой руды и вмещающих пород, степень ее раскрыти , коэффициент интенсивности напр жений, поле напр жений в месте гидроразрыва, энер- гию, затрачиваемую на гидроразрыв, изменение в зкости жидкости гидроразрыва, перенос тепла в пористой руде и вмещающих породах и распределение температуры на поверхности трещины гидроразрыва.

При синхронной работе группы виброисточников их амплитуду медленно поднимают от минимального до максимального уровн , определ емого уровнем достижени  напр жени  в пласте равном не менее 0,5 от разрушающих дл  руд и пород, слагающих пласт с таким условием, чтобы не вызвать динамических про влений горного давлени  и не разрушить стенки скважины.

Колебани  вызывают в пласте относи- тельную подвижку структурных элементов, перераспределение пол  упругих напр жений на пути распространени  упругих волн и частичную дегацию пласта. Эти  влени  имеют место как при работе группы вибро- источников, так и в случае работы одиночного источника.

Дл  того, чтобы снизить в зкость выщелачивающих растворов и увеличить их диффундирующую способность в поры и трещины пласта посредством редкоземельного вещества 5. размещенного в заколон- ном пространстве скважины 2 либо нанесенным в виде слоев 15, 16 на поверхность обсадной трубы 4 посредством подве- денного к редкоземельному веществу возбуждающего напр жени  через электроды 11, 12отисточникэ 10 возбуждают мощные ультразвуковые колебани  в диапазоне от 0,9 до 12 кГц, что снижает в зкость рас- творов 10-60%,

Дл  увеличени  трещиноватости рудного пласта и увеличени  его гидро- и аэродинамических свойств в рэзупрочн ющие и выщелачивающие растворы при нагнетании

добавл ют до 1% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,03-0,5 мм и плотностью 2600-4800 кг/4м3, чтобы не дать порам и трещинам закрытьс , и кроме того, они служат новыми концентраторами трещин и способствуют увеличению проницаемости пласта.

Размещение редкоземельных веществ в заколонном пространстве осуществл ют при низком уровне вибровоздействий составл ющих 0,1-0,2 от разрушающих напр жений дл  руд и пород, слагающих пласт, и в совокупности с нагнетанием в заколонное пространство редкоземельного вещества с в жущим в виде тонкоземельного цемента в количество 5-7% и заполн ют пространство между стенкой скважины, и обсадной.трубой.

Нанесение редкоземельного вещества толщиной 3-5 см на поверхность обсадной трубы производ т посекционно с шагом 7- 12 м на глубине размещени  обсадных труб на глубине рудного пласта и подава  на редкоземельное вещество возбуждающее напр жение посредством электродов от источника напр жени  возбуждают электромагнитные колебани  до 50% энергии которых переход т в упругие колебани  и работают в выбранном диапазоне частот,из- мен   частоту и величину возбуждающего напр жени  возбуждают частоты от 900 до 12000 Гц, причем,если упруга  волна встречает на своем пути участки нагретых руд и пород в пласте возникают каватирующие процессы в виде микро- и макроударных волн и потоков флюидов - жидкостей и газов, содержащихс  в порах и трещинах пласта, и способствующих резкому увеличению проницаемости рудного пласта и вмещающих породи повышени  КПД извлечени  полезного компонента из пласта.

Работу группы виброисточников контролируют до, во врем  и после вибровоздей- стви  геомеханическими и геофизическими методами исследований: методом разгрузки с использованием тензодатчиков; сейсмическими методами или методами с использованием сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии, измер   при этом температуру и химический состав реагента в скважинах, что позвол ет судить об эффективности процесса выщелачивани . Параметры вибровоздействи  - частоту, интенсивность и длительность - задают идентичными дл  всех виброисточников в группе и вибровоздействи  производ т при неизменных контактных услови х в режиме накоплени  упругой энергии, что позвол ет закачать упругую энергию в пласт достаточную дл  тог о, чтобы эффективно воздействовать на процессы перемещени -миграции флюидов во всем объеме пласта, отчего зависит КПД извлечени  полезного компонента при разработке рудных месторождений подземным способом.

Таким образом, пласт обрабатываетс  всеми видами сжимающих и раст гивающих нагрузок, что способствует увеличению трещиноватости и проницаемости пласта и повышению КПД извлечени  полезного компонента до 98% по сравнению с известными классическими способами выщелачивани .

В случае расположени  .пласта на значительной глубине и низкой проницаемости руд и вмещающих пород перед нагнетанием в них реагентов осуществл ют термоциклическое воздействие на пласт в совокупности с вибровоздействи ми, причем.-холодную и гор чую воду нагнетают в пласт из скважин, окаймл ющих пласт на его торцах (фиг. 5),и термоциклическое нагнетание осуществл ют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта - оптимальной проницаемости пласта. При нагнетании в пласт холодной воды в объемах, превышающих 103 м величины главных напр жений уменьшаютс  в охлаждённой руде и породе на 20-60%, что облегчает создание трещин в рудном пласте и удержание их в зоне охлаждени  в течение 4-6 ч.

Комплексное использование целого р да способов вибровоздействи  на пласт в сочетании с нагнетанием разупрочн ющих и выщелачивающих растворов позволит значительно снизить энергоемкость процесса и увеличить его производительность.

Сущность способа состоит в том, что при распространении мощных вибрационных колебаний в пласте возникают волны раст жени  и сжати , которые воздействуют на флюиды - жидкости и газы, содержащиес  в порах и трещинах пласта, как тектонический насос; способствующий их миграции в массиве на несколько пор дков сильнее, чем в отсутствие волны. Миграци  флюидов в порах и трещинах приводит к изменению норового давлени  и, как;прави- ло, к изменению прочностных свойств руд и пород, окружающих эти поры и трещины, то есть на пути мигрирующих флюидов имеют место перераспределение пол  упругих напр жений на пути распрастранени  упругих волн; частична  дегазаци  локального участка пласта или массива, подверженного вибровоздействи м, то есть истечение газов из пор и трещин пород; кавитирующие процессы при определенных начальных и граничных услови х.

Дл  того, чтобы инициировать кавитирующие процессы в пласте возбуждают мощные ультразвуковые колебани  лучом лазера от лазера накачки 13 и посредством

световода 14 возбуждают в жидкости скважины свегидравлический эффект, результатом чего  вл ютс  мощные упругие колебани  в ультразвуковом диапазоне частот от 1 до 20 кГц, причем параметрами

0 кавитирующих процессов управл ют, измен   частоту и интенсивность луча лазера.

Преимущества способа состо т в том, что размещение виброисточников по предлагаемому способу позвол ет создать опти5 мальные услови  дл  генерации колебаний в выбранном диапазоне частот в режиме накоплени ; управл ют состо нием и свойствами рудного пласта в процессе выщела- чивани ; улучшить гидро- и

$; аэродинамические свойства пласта; повысить КПД извлечени  полезного компонента . из пласта и снизить энергоемкость процесса . ,

Использование изобретени  позволит

5 значительно снизить энергоемкость процесса , увеличить его производительность и снизить сроки отработки месторождени  по сравнению с известными классическими, традиционными способами выщелачива0 ни .

Ф о р м у л аизобретени 

Claims (7)

1. Способ подземной разработки рудных месторождений подземным выщелачиванием , включающий бурение вокруг

5 рудного тела скважин, размещение а них невзрывных сейсмических источников с ориентированием их осей в направлении максимального главного напр жени  рудного тела и обработку пласта вибровоздей0 стви ми в диапазоне 60-1500 Гц при нагнетании в него раствора поверхностно- активного вещества до смены деформаций сжати  в рудном теле деформаци м раст жени , заполнение скважин упругов зкой

5 средой, подачу выщелачивающего рЗстворэ с обработкой рудной массы вибровоздействи ми на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела, и откачку продуктивного раствора, отличающий0 с   тем. что, с целью повышени  эффективности разработки за счет увеличени  прони- цаемости и трещиноватости руд и вмещающих пород и улучшени  гидро- и аэродинамических св зей пласта, перед по5 дачей выщелачивающего раствора на глубине расположени  рудного тела осуществл ют импульсный гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость гидроразрыва добавл ют 50- 70% азота при низких скорост х инжекции или углекислоты при высоких скорост х.

2.Способ по п. 1.отличающийс  тем, чтов упругов зкой среде скважины на глубине разработки пласта возбуждают мощные ультразвуковые колебани  и снижают в зкость пластовой жидкости на 10- 60%.

3.Способ по п. 1, о т л и ч а ку щ и и с   тем, что, с целью облегчени  создани  в рудном пласте трещин и их удержани  в течение 4-6 ч путем уменьшени  величины главных напр жений на 20-60%, в рудный пласт нагнетают воду в объемах, превышающих 1 О3 м3,

4.Способ по п. 3, отличающийс  тем, что осуществл ют циклическое нагнетание холодной и гор чей воды в пласт, причем холодную воду нагнетают из скважин, окаймл ющих рудный пласт на одном его торце, в гор чую воду из скважин, окаймл ющих пласт на другом его торце, и термоциклическое нагнетание холодной и гор чей воды осуществл ют в течение времени, при котором достигают оптимальную проницаемость рудного пласта.

5.Способ по п. 1.отличающийс  тем, что в разупрочн ющие растворы ПАВ

добавл ют до 1,0% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,03-0.5 мм плотностью 2600-4800 кг/м3.

6. Способ по п. 4, отличающийс 

.тем, что инициируют в рудном пласте при нагнетании нагретых растворов кавитирую- щие процессы, которые имеют место на пути распространени  в пласте мощных

ультразвуковых колебаний в диапазоне 0.9- 12 кГц и определ ют энергию кавитирующе- го пузырька, образующегос  в зоне разрежени  и охлопывающегос  в зоне сжати  упругой волны из соотношени 

E nP0R3 4/3,

где Ро - геостатическое давление в порах и трещинах пласта в отсутствие упругой волны , кг/см2;

R - размер кавитирующего пузырька, мм.

7. Способ по п. 1,отличающийс  тем, что до, во врем  и после вибровоздействи  на рудный пласт измер ют напр женно деформированное состо ние, температуру и химический состав реагента.

for&Z

о to rff f0° ggq Фйе.з

фг/&5