СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ СЕРЫ ИЗ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН Российский патент 1995 года по МПК E21B43/285 

Изобретение относится к гео- и горнотехнологическим методам добычи полезных компонентов подземным способом из глубоких скважин с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации.

Известен способ извлечения серы из глубоких скважин, включающий бурение нагнетательной и откачной скважин непосредственно в рудном теле, нагнетание в первую скважину горячей воды и откачку из другой скважины полезного компонента [1] Этот способ трудоемок, нетехнологичен, в нем не используются для интенсификации процесса свойства породного массива и серы и воздействие на массив мощными вибрационными колебаниями в выбранном диапазоне частот.

Цель изобретения повышение эффективности способа за счет увеличения фильтрационных свойств пласта и улучшения гидро- и аэродинамических связей и снижения энергоемкости процесса.

Достигается это тем, что согласно способу нагнетают в пласт горячую воду при температуре до 80^оС в совокупности с мощными вибрационными колебаниями в диапазоне 1-10 кГц, инициируют кавитирующие взрывы на пути распространения упругой волны, причем энергию кавитирующего пузырька, возникающего в зоне разрежения и схлопывающегося в зоне сжатия упругой волны, определяют из выражения
E= πRP_o где Р_о давление в порах и трещинах в отсутствие упругой волны, кг/см₂;
R размер кавитирующего пузырька, мм.

Для увеличения гидро- и аэродинамических связей пласта осуществляют инициирование эффектов кавитации в местах, где упругая волна встречает на своем пути участки, нагретые свыше 30^оС, которое происходит при условии, что направление распространения упругой волны совпадает с направлением пор и трещин в пласте; длина упругой волны соизмерима с размерами пор и трещин по простиранию; существуют перепады знакопеременного давления из-за несимметричности расположения пор и трещин в пространстве; частота упругих волн близка к частоте собственных колебаний флюидов, содержащихся в порах и трещинах; существуют варьирования газосодержания на пути распространения упругой волны; во флюидосодержащих растворах имеются твердые включения мельчайшие частицы с размерами 0,01-0,03 мм, служащие зародышами кавитации. В горячую воду добавляют ПАВ 7-12% причем сначала нагнетают воду, а затем ПАВ.

Для увеличения проницаемости пласта нагнетают в него гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, нагретые до 180^оС. Для увеличения фильтрационных свойств пласта и повышения гидро- и аэродинамических связей на глубине расположения пласта осуществляют импульсный гидроразрыв. При проведении импульсного гидроразрыва в пласте при низких скоростях инжекции добавляют в рабочую жидкость азот, а при высоких углекислоту, причем газовые компоненты добавляют в количестве 50-75% от объема рабочей жидкости. Возбуждают мощные ультразвуковые колебания в жидкости на глубине разработки пласта и снижают вязкость пластовой жидкости на 20-60% Циклически нагнетают в пласт горячую и холодную воду в объемах, превышающих 10³ м³, при которых величина главных напряжений в рудном пласте уменьшается на 20-60% что облегчает создание трещин в пласте и их удержание в нем в зоне охлаждения в течение 4-6 ч.

Циклическое нагнетание горячей и холодной воды производят последовательно сначала из одной крайней скважины, затем из другой, расположенных на торцах пласта, причем время воздействия на пласт с каждой стороны определяют из выражения
tмиграции L пласта/V флюидов, где L пласта путь проходимый упругой волной по простиранию пласта в одном направлении, м;
V флюидов скорость миграции флюидов под воздействием упругой волны, м/с.

В качестве материала упруго-вязкого тела, которым заполняют пространство между обсадной трубой и стенкой скважины, на глубине расположения пласта используют редкоземельные вещества, обладающие гигантской магнитострикцией, с добавками в качестве вяжущего до 10% тонкозернистого цемента, вставляют в него электроды, подают на них импульсное напряжение и управляют параметрами упругих волн, изменяя величину импульсного возбуждающего напряжения и его частоту.

Регистрируют импульсы волн давления, определяют их спектры и управляют формой и частотой импульсов разрушения горных пород во времени.

В качестве материалов, используемых как расклинивающие агенты, используют расширяющиеся вещества с коэффициентом объемного расширения от 50 до 150 раз.

Для увеличения числа трещин и повышения фильтрационных свойств пласта нагнетают в него при достижении оптимальной проницаемости жидкие ВВ при интенсивности вибровоздействий, составляющей 0,1-0,2 от уровня разрушающих напряжений, затем для детонирования жидких ВВ переходят на интенсивности вибровоздействий 0,5-0,7 от уровня разрушающих напряжений, взрывают жидкие ВВ, размещенные в порах и трещинах пласта, и процесс взрывания жидких ВВ повторяют в несколько циклов для достижения положительного эффекта.

Для повышения КПД извлечения полезного компонента из массива во время его откачки из скважины ее герметизируют и создают в ней вакуум от 10 до 60 мм рт. ст.

На чертеже приведена схема реализации способа.

Она содержит горный массив 1, вмещающий рудное тело 2, нагнетательная и откачные скважины 3, виброисточники 4, упруго-вязкое тело 5, компрессор 6 высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7, электронный пульт управления 7 для синхронизации работы группы виброисточников (блок согласования), информационно-вычислительный комплекс (ИВК), включающий микропроцессор 8, пультовый терминал 9, модуль памяти 10 и цифропечатающее устройство 11, гидроимпульсатор 12, вакуумное устройство 13.

Способ осуществляют следующим образом. Бурят нагнетательную и откачную скважины 3, размещают в них невзрывные пневматические виброисточники 4, заполняют скважину упруго-вязким телом 5, причем в качестве материала упруго-вязкого тела служат вода, реагент, ПАВ и другие разупрочняющие растворы. Глубина скважин 4 ограничена глубиной расположения рудного тела 5. Виброисточники 4 размещают с шагом 1/18 или 1/16 длины волны излучаемой виброисточником 4, начиная от подошвы рудного тела и кончая верхней его частью. Виброисточники 4 подключают к компрессору 6 высокого давления (60-300 атм и более), соединенного с электронным пультом управления 7 и ИВК 8, 9, 10, 11, служащего для синхронизации работы группы виброисточников во времени и для настройки режима источников согласно встроенной в них программе, позволяющей сопоставлять полученную в лабораторных условиях информацию о спектрах и частотах виброисточников на различных режимах их работы во время вибровоздействия на рудный пласт.

Гидроимпульсатором 12 нагнетают в рудное тело ПАВ 2, гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, нагретых свыше 180^оС, или горячую воду, причем сначала нагнетают воду, а затем ПАВ. Относительно места проведения импульсного гидроразрыва (ИГ) в верхней и нижней части скважины между обсадной трубой и скважиной размещают редкоземельные вещества, обладающие гигантской магнитострикцией с добавкой в качестве вяжущего до 10% тонкозерниcтого цемента. С помощью датчиков давления горных пород определяют поле напряжений и главные векторы максимального и минимального напряжений, действующих в рудном теле, в котором осуществляют ИГ.

Параметры виброисточников 4 и глубину их размещения в скважине 3 выбирают, исходя из условий волнового подобия на частотах 60-1500 Гц, где имеется максимальная закачка упругой энергии в рудное тело в месте проведения ИГ и составляющая от 3 до 16% всей энергии, запасенной в источнике 4 от компрессора высокого давления 6 (60-300 атм). Глубина размещения источников 4 оптимальна величине давления, обеспечиваемого столбом воды в скважине 3. Она определена экспериментально при исследованиях в морской сейсморазведке и составляет для диапазона 60-1500 Гц 10-250 атм.

Время воздействия синхронной работы группы виброисточников 4 для приведения локального участка рудного тела в возбужденное состояние и для наведения в нем оптимальной проницаемости перед извлечением серы из рудного тела регулируется посредством электронного пульта управления 7 и ИВК, в который входят микропроцессорный блок 8, блок памяти 9, пультовый терминал 10 и цифропечатающее устройство 11, причем оно зависит от обводненности рудного тела и геомеханических условий его залегания в горном массиве 1, т.е. от горного давления. С помощью ИВК осуществляют синхронизацию работы группы виброисточников посредством сопоставления э т а л о- н н ы х импульсов, полученных в лабораторных условиях, с импульсами давления, получаемыми непосредственно в скважинах, и по заранее введенной в ИВК программе осуществляют корректировку параметров источников в процессе вибровоздействия на рудное тело в выбранном диапазоне частот.

Вибровоздействия на рудное тело осуществляют поэтапно: вначале приводят его в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в совокупности с нагнетанием в тело разупрочняющих растворов ПАВ, гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом, нагретых свыше 180^оС, а также добавкой в технологические растворы расклинивающих агентов с размерами 0,01-0,03 мм, служащих, с одной стороны, как твердые частицы для инициации кавитирующих взрывов на пути распространения волны, а с другой агенты не дают закрыться порам и трещинам и служат новыми концентраторами трещин в рудном теле. Амплитуду давления виброисточников поддерживают на уровне 0,5-0,6 от уровня разрушающих напряжений и вибровоз- действия производят в течение времени, при котором деформации сжатия перейдут в деформации растяжения рудного тела, что соответствует оптимальной проницаемости рудного тела, после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний рудного тела, и нагнетают в него жидкие ВВ, причем нагнетание ВВ производят при уровне вибровоздействий, равных 0,1-0,2 от уровня разрушающих напряжений, а взрывание ВВ производят при уровне интенсивности вибровоздействий, равных 0,5-0,7 от уровня разрушающих напряжений, причем и процесс нагнетания и последующего детонирования жидких ВВ повторяют в несколько циклов для достижения оптимальной проницаемости рудного тела.

При достижении оптимальной проницаемости рудного тела, обусловленной приемистостью пласта, нагнетают в рудное тело горячую воду при температуре до 80^оС и возбуждают с помощью редкоземельного вещества, размещенного между обсадной трубой и стенкой скважины посредством электродов, вставленных в него при подаче на электроды импульсного возбуждающего напряжения 250-800 В, возбуждают в рудном теле мощные ультразвуковые колебания в диапазоне 1-10 кГц и инициируют на пути распространения упругой волны кавитирующие взрывы в местах, где упругая волна встречает на своем пути участки рудного тела, нагретые свыше 30^оС, при условии, что направление распространения упругой волны совпадает с направлением простирания пор и трещин в пласте; длина упругой волны соизмерима с размерами пор и трещин в пласте по их простиранию; существуют перепады знакопеременного давления из-за несимметричности расположения пор и трещин в пространстве; частота упругих волн близка к частоте собственных флюидов, содержащихся в порах и трещинах руд и пород; существуют варьирования газосодержания на пути распространения упругой волны; во флюидосодержащих растворах содержатся твердые включения, служащие зародышами кавитации.

Воздействие на рудное тело вибровоздействиями в различных диапазонах частот в совокупности с нагнетанием в пласт в начальной стадии разработки разупрочняющими растворами и импульсного гидроразрыва способствует увеличению гидро- и аэродинамических связей пласта и более полному охвату горячей водой включений серы в пласте в процессе ее выплавки из пласта, причем при проведении ИГ при низких скоростях инжекции рабочего раствора добавляют в нее от 50 до 75% азота, а при высоких скоростях инжекции углекислоту, что увеличивает площадь ИГ за счет того, что газовые компоненты имеют более меньшие по размерам молекулы, которые более эффективно и с большей скоростью диффундируют в пласте и способствуют разрыву пласта при меньших давлениях по сравнению с нагнетанием рабочей жидкости. Кроме того, что воздействие на раствор мощными вибрационными колебаниями в диапазоне 1-10 кГц снижает вязкость нагнетаемой в пласт жидкости на 20-60% и способствует увеличению как площади гидроразрыва, так и увеличивает его производительность, снижает время проведения ИГ.

Для увеличения проницаемости рудного тела и повышения его фильтрационных свойств циклически нагнетают в пласт холодную и горячую воду в объемах, превышающих 10³ м³, при которых величина главных напряжений в рудном теле уменьшается на 20-60% что облегчает создание трещин в пласте и их удержание в зоне охлаждения в течение 4-6 ч.

Для повышения эффективности способа и увеличения производительности в совокупности с предотвращением утечки растворов в окружающие рудные породы вибровоздействия последовательно осуществляют сначала из одной крайней скважины, а затем из другой, причем время воздействия мощными вибрационными колебаниями с каждой стороны определяют из выражения
t миграции L пласта/V флюидов, где L пласта путь проходимый упругой волной по простиранию пласта в одном направлении, мм;
V флюидов скорость миграции флюидов под воздействием виброколебаний в выбранном диапазоне частот, м/с.

Работу группы виброисточников контролируют геомеханическим и геофизическими методами исследований: методом разгрузки с использованием тензодатчиков, с использованием методов сейсмоакуcти-чеcкой или электромагнитной эмиссии, сейсмическими методами исследований.

Для повышения КПД извлечения серы из рудного тела во время откачки создают в скважине вакуум в диапазоне 10-60 мм рт.ст. и производят откачку полезного расплавленного компонента из скважины.

Обработка горного массива и рудного тела в месте проведения ИГ осуществляется либо с помощью виброисточников 4, работающих в низкочастотном диапазоне 60-1500 Гц; посредством возбуждения мощных ультразвуковых колебаний с помощью редкоземельного вещества, обладающего гигантской магнитострикцией (Открытия в СССР, МГУ, М. 1988, открытие N 65), что позволяет роаботать в выбранном диапазоне частот и использовать кавитирующие процессы, проявляющиеся при нагнетании нагретых жидкостей с расклинивающими агентами 0,01-0,03 мм, чтобы не дать порам и трещинам закрыться при попадании в них твердых частиц плотностью 2,6-4,8 г/см³ в зависимости от величины геостатического давления горных пород. Проявления кавитирующих процессов в нагретых породах способствует резкому повышению гидро- и аэродинамических связей пород и повышению проницаемости их за счет возникновения микро- и макроударных волн давления, что также способствует снижению прочности пород на разрыв на 10-40% и увеличению площади ИГ.

Сущность способа заключается в том, что под воздействием мощных вибрационных колебаний, порождаемых выхлопами сжатого воздуха из компрессора высокого давления от 60 до 300 атм, из источника в скважину, заполненную жидкостью, и примерно от 3 до 16% всей запасенной в источнике энергии передается через воду в массив и рудное тело, то есть переходит в сейсмические колебания в диапазоне от 60 до 1500 Гц. Под действием упругой волны в массиве возникают волны сжатия и рас- тяжения. Эти волны вызывают миграцию ф л ю и д о в жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах пород, и содействуют их миграции в десятки и сотни раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Кроме того, вибрации содействуют раскрытию пор и трещин на пути распространения волн. Частотный диапазон 60-1500 Гц выбран, исходя из условий волнового подобия, то есть исходя из того, что упругая волна лишь тогда взаимодействует с неоднородностью встречающейся на ее пути, если ее размеры соизмеримы с размерами встречающейся неоднородности. При скорости Р-волн в массиве, равной 3000 м/с, длины волны равны соответственнo: на 60 Гц (3000 м/с) / (60 Гц) 50 м; на 1500 Гц 2 м с учетом структурных особенностей горного массива имеющиеся в нем неоднородности составляют от 2 до 50 м и упругие колебания в выбранном диапазоне частот 60-1500 Гц приводят в возбужденное состояние локальный участок рудного тела. Нагнетая в породы нагретую воду до 80^оС и воздействуя ультразвуковыми колебаниями на пласт, вызывают кавитирующие взрывы на пути распространения упругой волны. Кроме того, миграция флюидов в порах, трещинах и разломах пород сопровождается перераспределением поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов; истечением газовых компонент из пор и трещин дегазацией локального участка массива; кавитирующими процессами, причем процесс кавитации процесс вероятносный, они имеют место при определенных начальных и граничных условиях условиях в условиях высоких РТ-воздействий на массив.

Возбуждение в пласте ультразвуковых колебаний в диапазоне 1-10 кГц способствует снижению вязкости растворов, а введение в растворы расклинивающих агентов в виде расширяющихся веществ позволяет значительно повысить проницаемость пласта и тем самым снизить время выплавки серы и увеличить производительность скважины.

Преимущества способа состоят в том, что размещение в скважине виброисточников и редкоземельного вещества в заколонном пространстве позволяет: работать в выбранном диапазоне частот и возбуждать упругие колебания в режиме накопления в локальном участке рудного тела; управлять состоянием и свойствами горного массива и рудного тела в процессе выплавки серы из массива; повысить КПД извлечения серы из массива за счет увеличения гидро- и аэродинамических связей пород в массиве; использовать эффекты кавитации и упругий миграционный геоэффект для интенсификации процесса выплавки серы и снизить энергоемкость процесса; улучшить параметры гидроразрыва и увеличить трещиноватость и проницаемость пород в рудном теле; управлять импульсами разрушения горных пород в процессе вибровоздействия на рудное в широком диапазоне частот 60-10 кГц.

П р и м е р. Гидроразрыв осуществляют на глубине 420 м, горное давление составляет 360 кг/см². Используют группу виброисточников типа "Импульс-1" с параметрами: давление в источнике Р 100 кг/см²; объем камеры давления в источнике 30 дм³; глубина размещения источников в скважине 420 м (на глубине расположения пласта); количество источников в группе 10 шт; диапазон частот 60-1500 Гц.

Амплитуду давления в первой полуволне источника определяют из выражения
A_1нпи 0,015 (PV)^1/3R, где Р давление в источнике, кг/см²;
V объем камеры давления в источнике, дм³;
R глубина размещения источника в скважине, м.

A_1нпи 0,015 (100 ˙ 30)^1/3/420 4,5 ˙ 10^-4 кг/см² при работе группы из 10 источников A_10нпи 4,5 ˙ 10^-3 кг/см² и для того, чтобы развить знакопеременное давление в упругой волне не менее геостатического, необходимо совершить N (360 кг/см²) / (4-5˙ 10^-3 кг/см²) 8 ˙ 10⁵ вибровоздействий. При выполнении этого условия в массив рудное тело закачивают энергию упругую, достаточную для увеличения проницаемости пород при нагнетании в них ПАВ горячей воды, гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом, нагретых до 180^оС.

Заявляемое изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для геотехнологических методов извлечения серы из глубоких скважин до 15 км. Сущность способа состоит в том, что согласно способу бурят скважины в рудном пласте. В скважинах, окаймляющих рудный пласт на глубине расположения пласта размещают невзрывные пневматические сейсмические виброисточники. Определяют поле напряжений и главные векторы максимального и минимального главных напряжений, действующих в пласте. Ориентируют виброисточники в направлении действия максимального напряжения. Возбуждают мощные вибрационные колебания на частотах 60 1500 Гц в совокупности с нагнетанием разупрочняющих растворов и при смене деформаций сжатия деформациями растяжения переходят на частоту собственных колебаний пласта и нагнетают горячую воду при температуре до 80°С. Инициируют на пути распространения упругой волны кавитирующие взрывы и осуществляют откачку полезного компонента из скважины. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ СЕРЫ ИЗ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН, включающий бурение в рудное тело нагнетательной и откачной скважин, закачку в нагнетательную скважину водного теплоносителя и откачку расплавленной серы, отличающийся тем, что размещают на глубине расположения рудного тела в направлении максимального главного напряжения в рудном массиве виброисточники, перед закачкой теплоносителя возбуждают упругие колебания в диапазоне частот 60 1500 Гц в сочетании с нагнетанием разупрочняющих растворов, виброобработку производят до смены деформаций сжатия деформациями растяжения, после чего переходят на частоту вибровоздействий, равную частоте собственных колебаний рудного тела, а при подаче теплоносителя осуществляют обработку мощными вибрационными колебаниями в диапазоне 1 10 кГц и инициируют кавитирующие взрывы на пункт распространения упругой волны, причем энергию кавитирующего пузырька, возникающего в зоне разрежения и схлопывающегося в зоне сжатия упругой волны, определяют из выражения
E = πR³· 4/3 P_o,
где P_о давление в порах и трещинах пласта в отсутствии упругой волны, кг/см²;
R размер кавитирующего пузырька, мм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют инициирование кавитирующих взрывов в местах встречи упругой волны с нагретыми свыше 30^oС участками тела. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в теплоноситель добавляют 7 12% ПАВ, причем сначала нагнетают воду, а затем ПАВ. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рудном теле осуществляют импульсный гидроразрыв. 5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что при проведении гидроразрыва при низких скоростях инжекции добавляют в рабочую жидкость азот, а при высоких скоростях инжекции углекислоту. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно нагнетают в рудное тело, циклически чередуя, горячую и холодную воду в объемах, превышающих 10³ м³, и уменьшают величину главных напряжений в рудном теле на 20 60%
7. Способ по пп.1 и 6, отличающийся тем, что циклическое нагнетание горячей и холодной воды производят последовательно сначала из нагнетательной, а затем из откачной скважин, при этом время воздействия на рудное тело с каждой стороны определяют из выражения
T_м L_р.м/V_ф,
где L_р.м путь, проходимый упругой волной по рудному телу в одном направлении;
V_ф скорость миграции флюидов под воздействием упругой волны, м/с. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины армируют обсадной трубой, внешнюю часть которой покрывают на глубине расположения рудного тела с внешней стороны слоем редкоземельного элемента, и подводят к слою электроды, через которые подают на слой напряжение возбуждения в рудном теле упругих колебаний, при этом частотой упругих колебаний управляют, изменяя частоту и величину возбуждающего напряжения, подаваемого на электроды. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в разупрочняющие растворы добавляют расклинивающие агенты, в качестве которых используют твердые включения с размерами частиц 0,01 0,03 мм с коэффициентом объемного расширения 50 150. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно нагнетают в рудное тело жидкие ВВ при интенсивности вибровоздействий 0,5 0,7 от уровня разрушающих напряжений, взрывают жидкие ВВ, размещенные в порах и трещинах рудного тела, а процесс взрывания жидких ВВ повторяют в несколько циклов. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время откачки серы из откачной скважины последнюю герметизируют и создают в ней вакуум от 10 до 60 мм рт.ст.