Способ отработки многоярусной руды скважинным подземным выщелачиванием Российский патент 2024 года по МПК E21B43/28 

Область техники

Изобретение относится к области геотехнологии, а именно к способам отработки руд скважинным подземным выщелачиванием на месторождениях инфильтрационного типа.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время известно большое количество способов отработки многоярусных руд на месторождениях инфильтрационного типа скважинным подземным выщелачиванием. Однако применение известных технических решений ограничивают существенные недостатки, которые им присущи.

В изобретении рассматриваются инфильтрационно-пластовые (песчаниковые) месторождения урана и других металлов, в том числе и палеодолинного типа. Причем в водоносном продуктивном горизонте рудные залежи можно разделить на рудные интервалы (ярусы), которые не имеют между собой водоупорных разделяющих слоев (глин, алевритов, аргиллитов и т.д.).

Известен способ разработки месторождения с ярусными рудными интервалами подземным выщелачиванием, включающий одновременное вскрытие всех ярусных рудных интервалов технологическими скважинами, обсадкой и оборудование фильтрами продуктивных рудных интервалах, подачу выщелачивающих и откачку продуктивных растворов с транспортировкой их на перерабатывающих комплекс, при этом отработку начинают с верхнего рудного интервала, а остальные рудные интервалы изолируют песком, смолой или цементом. После отработки верхнего интервала его изолируют и приступают к выщелачиванию нижезалегающего рудного интервала и так далее до полной отработки всех ярусных интервалов (А.С. СССР №1 502 814). Недостатками данного способа являются растягивание во времени процесса отработки пропорционально количеству рудных интервалов и, как следствие, увеличение эксплуатационных затрат на добычу полезного ископаемого. Кроме этого, хрупкость обсадных труб, применяемых для скважинного подземного выщелачивания (ПНД, НПВХ), предполагает минимизацию механических воздействий на фильтровые зоны скважин, что делает технически достаточно рискованным осуществление расконсервации рудных интервалов, например, от цементной изоляции.

Известны способы отработки двухярусных рудных тел:

- последовательная двухэтапная отработка ярусов сверху вниз из одной сети технологических скважин (Справочник по геотехнологии урана. М, Энергоатомиздат, 1997, с. 300-320);

- последовательная двухэтапная отработка ярусов снизу вверх из одной сети технологических скважин (Комплексы подземного выщелачивания//Под ред. Кедровского О.Л. М: Недра, 1992. с. 115-121).

Указанные способы обладают рядом существенных недостатков:

- при последовательной отработке ярусов сверху вниз из одной системы скважин возникает проблема гидроизоляции верхнего яруса после его отработки от нижнего, которая пока не имеет удовлетворительного решения, включая создание искусственных водоупоров, что является весьма затратным мероприятием;

- при отработке ярусов в два этапа снизу вверх, без высокой степени адаптации сети скважин верхнего яруса к условиям его залегания будет потеряна значительная части продуктивного раствора, который под действием сил гравитации перетечет в нижний ярус.

Наиболее близким (прототип) к заявленному является способ одновременной отработки обоих ярусов с независимой подготовкой вскрывающей сети технологических скважин для каждого яруса (Справочник по геотехнологии урана. М, Энергоатомиздат, 1997, с. 315-317).

Основными недостатками известного способа являются риски сближения забоев скважин при их сооружении, что приводит к «каналированию» рабочих растворов и снижению эффективности добычи, при этом возникает необходимость добуривания дополнительных скважин для выравнивания процесса закачки-откачки растворов, а также сложность ведения процесса выщелачивания по закачке и откачке растворов, поддержание гидродинамики напоров и регулирование направлений продуктивных растворов, позволяющих одновременно отрабатывать мощные по разрезу рудные тела, достигающие на инфильтрационных месторождениях 25-30 м, что предопределяет сооружение 2-3 ярусных систем технологических скважин (в среднем по 10 метров фильтровых интервалов на 10 метров мощности руды), т.к. применение увеличенных по длине фильтров 20-25 м не позволяет эффективно вести процесс выщелачивания по всему вскрытому рудному интервалу, ввиду ограничения полноты работы всей длины фильтра и разубоживание растворов (Руденко А.А., Авдонин Г.И. «Перспективы освоения резервных месторождений урана РФ скважинным подземным выщелачиванием»//Материалы по геологии, поискам и разведке месторождений урана, редких и редкоземельных металлов. Информационный сборник, Вып. 161. М. ВИМС, 2020. с. 29-32).

Заявляемое техническое решение направлено на создание высокоэффективного способа одновременной поинтервальной отработки больших по мощности рудных тел скважинным подземным выщелачиванием.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый применением нового способа отработки многоярусной руды скважинным подземным выщелачиванием, заключается в создании сбалансированной системы одновременной отработки многоярусных, больших по мощности рудных тел технологическими скважинами.

Отличительный существенный признак «технологические скважины располагают этажно в соответствии с этажностью руды на середине межскважинного расстояния технологических скважин выше расположенного рудного интервала» является необходимым условием равномерного распределения скважин по разряженной сети в плане, что снижает точечную гидравлическую нагрузку на водоносный рудный горизонт. Такой прием обеспечивает более эффективное распределение технологических растворов в пласте и их свободную циркуляцию, исключающую эффект «каналирования» из-за избыточного давления на определенные участки. Так же происходит более полное прорабатывание пласта в связи с равномерным расположением сети скважин (Джакупов Д.А. «Повышение эффективности различных схем скважинного подземного выщелачивания при разработке сложных гидрогенных месторождений». Диссертация на соискание ученой степени PhD. Алматы, 2019 г., с. 67-69). Это подтверждает существенность данного признака.

Отличительный существенный признак «отношение дебитов откачных скважин на верхний интервал руды к дебитам скважин на ниже залегающий интервал рудного тела равны отношению соответствующих мощностей рудного тела на одноименных интервалах, выполняя равенства:

- при двухярусном расположении руды

Q₂/Q₁=m₂/m₁

- при трехярусном расположении руды

Q₃/Q₂=m₃/m₂

- при n-ярусном расположении руды

Q_n+1/Q_n=m_n+1/m_n, где

Q - дебит откачной скважины 1, 2, 3, n^ого и n+1 рудных интервалов;

m - мощность 1, 2, 3, n^ого и n+1 рудных интервалов» является одновременно и новым, так как в практике скважинного подземного выщелачивания и в открытых источниках такой прием автору не встречался. Как показывает практика мощность руды на месторождениях инфильтрационного типа достигает порой 25-30 м, и отрабатывать такой мощности руду одной скважиной с длиной фильтра 25-30 м (повышенный расход кислоты на 20-25%) или с несколькими фильтрами технически крайне сложно, ввиду хрупкости обсадной колонны, где в районах рудных интервалов будут производится закачки изолирующих материалов, что с большой долей вероятности приведет к нарушению целостности обсадной колонны и фильтров. Такие по мощности руды можно отрабатывать с сооружением поярусных сетей скважин: мощностью 20 метров двухярусной сетью, мощностью 30 метров - трехярусной и т.д. При этом процесс ведения откачки из разных ярусов должен выдерживать условия соотношения дебитов откачки верхнего и нижнего ярусов с соотношением мощностей руды на одноименных ярусах. (Максимов В.М. Справочное руководство гидрогеолога, Том 1, Л.: Недра, 1979. С 247-249). Существенность данного признака заключается в обеспечении регулирования гидродинамики процесса добычи, с основным условием скважинного подземного выщелачивания - соблюдения равенства дебитов закачки и откачки.

Отличительный существенный признак «смещение в плане между скважинами на разные рудные интервалы не менее 10 метров» является техническим условием по обеспечению исключения «каналирования» потока рабочих растворов, при условии соблюдения допустимых отклонений забоев буровых скважин (Джакупов Д.А. «Повышение эффективности различных схем скважинного подземного выщелачивания при разработке сложных гидрогенных месторождений». Диссертация на соискание ученой степени PhD. Алматы, 2019 г., с. 68-69).

Совокупность вышеперечисленных отличительных существенных и новых признаков заявляемого технического решения позволит достичь заявленной цели в полной мере.

Осуществление изобретения

Ниже приводятся сведения, подтверждающие осуществление предлагаемого изобретения и показана его эффективность по отношению к известным техническим решениям.

На схемах - Фиг. 1 и 2 показан пример осуществления заявляемого способа.

На эксплуатационном добычном блоке (1) - Фиг. 1, с двумя ярусами руды сооружают закачные (2) и откачные (3) технологические скважины на второй ярус - верхний по разрезу (9) и закачные (4) и откачные скважины (5) на первый ярус - нижний по разрезу (10). Рудный пласт (11) мощностью М, ограничен двумя водоупорами (8) и разделен на верхний рудный интервал (9) мощностью m₂ и нижний рудный интервал (10) мощностью m₁. При отработке двуярусных рудоносных интервалов известных мощностей m₁ и m₂ дебиты откачных скважин (3) и (5) должны выполнять равенство m₂/m₁=Q₂/Q₁. При выполнении этого условия гидродинамические потоки (13) к фильтрам откачных скважин не будут перехватывать друг друга, соблюдая равенство напоров (14) и границу потоков (12) с наибольшей величиной градиентов напоров в прифильтровой зоне скважин (16) и соблюдением основного условия ведения процесса скважинного подземного выщелачивания - дебит закачки должен быть равен дебиту откачки. Так, например, если рудные интервалы составляют m₁=7 м, а m₂=8 м, то дебиты будут соответственно Q₁=4 м³/час и Q₂=5 м₃/час, тогда выполняется равенство по ведению откачки 8/7=5/4.

На другом эксплуатационном добычном блоке (1) - Фиг. 2, с тремя ярусами руды сооружают закачные (2) и откачные (3) технологические скважины на третий ярус - верхний по разрезу (15), закачные (4) и откачные скважины (5) на второй ярус - средний по разрезу (9) и закачные (6) и откачные скважины (7) на первый ярус - нижний по разрезу (10). Рудный пласт (11) мощностью М, ограничен двумя водоупорами (8) и разделен на верхний рудный интервал (15) мощностью m₃, средний рудный интервал (9) мощностью m₂ и нижний рудный интервал (10) мощностью m₁. При отработке трехярусных рудоносных интервалов известных мощностей m₁, m₂ и m₃ дебиты откачных скважин (3), (5) и (7) должны выполнять равенство m₂/m₁=Q₂/Q₁ и m₃/m₂=Q₃/Q₂. При выполнении этого условия гидродинамические потоки (13) к фильтрам откачных скважин не будут перехватывать друг друга, соблюдая равенство напоров (14) и границу потоков (12) с наибольшей величиной градиентов напоров в прифильтровой зоне скважин (16) и соблюдением основного условия ведения процесса скважинного подземного выщелачивания - дебит закачки должен быть равен дебиту откачки. Так, например, если рудные интервалы составляют m₁=7 м, m₂=8 м и m₃=6 м, то дебиты должны быть соответственно Q₁=4,4 м³/час, Q₂=5 м³/час и Q₃=3,75 м³/час, тогда выполняется равенство по ведению откачки - для среднего и нижнего ярусов: 8/7=5/4 и для верхнего и среднего ярусов: 6/8=3,75/5.

Эффективность использования заявляемого изобретения заключается в отсутствии необходимости сооружения дополнительных скважин для регулирования гидродинамики процесса при образовании эффекта «каналирования» рабочих растворов, достигая тем самым безостановочного процесса выщелачивания полезных ископаемых без потерь добываемого металла.

Например, при наличии на добычном блоке одного «раздува» руды большой мощности (25-30 метров), что предопределяет сооружение трехярусной системы скважин по 8-10 м каждая) и размером по площади порядка 2500 м² потребуется дополнительное сооружение по две закачных скважины на каждый интервал руды. При средней глубине одной скважины 200 м и стоимости ее в 2 млн. руб. дополнительные расходы только на бурение составят: 2 скв. × 3 яруса × 2,0 млн. руб. = 12 млн. руб. Кроме этого на время сооружения дополнительных скважин - 6 скв. (по 2 суток на 1 скважину) - 12 суток (при дебите 4 м³/час и среднем содержании урана в продуктивном растворе 90 мг/л) не будет добыто: 12 сут. × 24 час. × 3 откачных скважины в ячейке × 4 м³/час × 90 грамм = 311 кг металла, что при цене в 5500 руб. за 1 кг составит 1,7 млн. руб. Итого потери только по 1 добычному блоку составят 13,7 млн. руб.

Предложенное изобретение относится к области геотехнологии, а именно к способам отработки многоярусной руды на месторождениях инфильтрационного типа. Способ отработки многоярусных руд скважинным подземным выщелачиванием включает сооружение сети закачных и откачных технологических скважин, закачку выщелачивающих растворов и откачку продуктивных растворов. Технологические скважины располагают этажно в соответствии с этажностью руды на середине межскважинного расстояния технологических скважин выше расположенного рудного интервала со смещением в плане между скважинами на разные рудные интервалы не менее 10 м. Отношение дебитов откачных скважин на верхнем интервале руды к дебитам скважин на ниже залегающем интервале рудного тела равны отношению соответствующих мощностей рудного тела на одноименных интервалах, выполняя равенства: при двухъярусном расположении руды Q₂/Q₁=m₂/m₁; при трехъярусном расположении руды Q₃/Q₂=m₃/m₂; при n-ярусном расположении руды Q_n+1/Q_n=m_n+1/m_n, где Q - дебит откачной скважины 1, 2, 3, n-го и n+1 рудных интервалов; m - мощность 1, 2, 3, n-го и n+1 рудных интервалов. Технический результат - создание сбалансированной системы одновременной отработки многоярусных, больших по мощности рудных тел технологическими скважинами. 2 ил.

Способ отработки многоярусных руд скважинным подземным выщелачиванием, включающий сооружение сети закачных и откачных технологических скважин, закачку выщелачивающих растворов и откачку продуктивных растворов, отличающийся тем, что технологические скважины располагают этажно в соответствии с этажностью руды на середине межскважинного расстояния технологических скважин выше расположенного рудного интервала со смещением в плане между скважинами на разные рудные интервалы не менее 10 м, при этом отношение дебитов откачных скважин на верхнем интервале руды к дебитам скважин на ниже залегающем интервале рудного тела равны отношению соответствующих мощностей рудного тела на одноименных интервалах, выполняя равенства:

- при двухъярусном расположении руды

Q₂/Q₁=m₂/m₁;

- при трехъярусном расположении руды

Q₃/Q₂=m₃/m₂;

- при n-ярусном расположении руды

Q_n+1/Q_n=m_n+1/m_n, где

Q - дебит откачной скважины 1, 2, 3, n-го и n+1 рудных интервалов;

m - мощность 1, 2, 3, n-го и n+1 рудных интервалов.