Способ подземной разработки рудных месторождений подземным выщелачиванием Советский патент 1993 года по МПК E21B43/28 

сл

с

Изобретение относится 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 напряжения и обработку пласта вибровоэдей- ствиями в диапазоне 60-1500 Гц при нагнетании раствора ПАВ. Затем подают выщелачивающий раствор и одновременно воздействуют колебаниями на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела. Новым является то. что перед закачкой выщелачивающего раствора на глубине расположения рудного тела осуществляют гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость добавляют 50-70% азота или углекислоты при низких или высоких скоростях инжекции соответственно. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

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

Цель изобретения - повышение эффективности разработки за счет увеличения проницаемости и трещиноватости руд и вмещающих пород и улучшения гидро- и аэродинамических связей пласта.

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

стенкой скважины и обсадной трубой; 6 - виброисточники; 7 - компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7; 8 - электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников; 9-информационно-вычислительный комплекс; 10 - импульсный источник напряжения; 11, 12 - электроды; 13-лазер накачки; 14-световод для 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 для различных диапазонов частот в массиве горных пород; на фиг. 4 - экспериментальные результаты поведения радиуса кавитэ00

со

ю

vj ГО

ы

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

Способ осуществляют следующим об- разом.

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определяют поле напряжений и главные векторы 1 и 2 в рудном пласте, где требуется вызвать колебания и повысить проницаемость руд и вмещающих пород.

В пласте 2 бурят скважину 3, армируют ее обсадной трубкой 4 и заполняют пространство между обсадной трубой 4 и стен кой скважины 3 редкоземельным -веществом или их соединениями, обладающими гигантской магнитострикцией, применив в качестве вяжущего тонкозернистый цемент в количестве 5-7%, вставляют в ре- дкоземельное вещество электроды 11,12 от источника возбуждающего импульсного напряжения 10 и подают на редкоземельное вещество возбуждающее напряжение от 500 до 5000 В и возбуждают мощные упру- гие колебания 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 давления ЭУ-5 или ЭУ-7 - от 60 до 300 атмосфер и более переходит в сейсмические колебания в рудный пласт 2. Глу- бина размещения источников - давлением столба жидкости в скважине оказываемо.й на виброисточник 6,регулируют частоту колеба- ний в выбранном диапазоне частот,причем,давг ление для диапазона частот 60-1500 Гц составляет 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 удалениях поле упругих напряжений генерируемое источником,распределено равномерно и работу группы таких виброисточников легко синхронизировать. Время воздействия - время синхронной работы группы виброисточников 6 контролируют с использованием электронного пульта управления 8 и ИВК 9, и оно зависит от обводненности пласта и геомеханических условий его залегания - горным давлением, обусловленным весом вышележащих пород на пласт. С помощью ИВК 9 осуществляется синхронизация работы группы источников 6 посредством сопоставления эталонных им-

пульсов давления, полученных в лабораторных условиях и импульсами давления, получаемыми в скважине 3, причем по заранее введенной в ИВК 9 программе осуществляют корректировку работы группы виброисточников в процессе воздействия в выбранном диапазоне частот. С использованием Фурье преобразователей, входящих составной частью в ИВК 9, определяют спектры получаемых сигналов, сопоставляют их с эталонными и производят корректировку синхронизации работы группы виброисточников при вибровоздействиях на пласт 2 в совокупности с нагнетанием в пласт разупрочняющих растворов - ПАВ. горячей воды при Т 80°С, кислот гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом нагретых до 180°С и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия пласта переходят в деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости пласта, после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний пласта, и вибровоздействия производят в совокупности с нагнетанием выщелачивающих растворов. Для повышения эффективности способа вибровоздействия осуществляют из скважин 17с размещенными в них виброисточниками, и заполненными жидкостью 18 (см. фиг. 5), окаймляющих пласт с его торцов, при этом встречные вибровоздействия осуществляют попеременно сначала с одной стороны, а затем с другой рудного пласта, настраивая колебания в резонанс с собственными колебаниями рудного тела. Пр и подаче в скважины выщелачивающего раствора время вибровоздействия с каждой стороны пласта ограничивают временем миграции растворов по пласту, что в свою очередь позволяет сни-- зить расход реагента за счет его непроизводительных -по сравнению потерь при обычных условиях, когда реагент нерационально расходуется при растекании в поры и трещины вмещающих пород за пределами пласта.

В тех случаях, когда проницаемость руд и вмещающих пород очень незначительна - породы и пласт находятся в значительной глубине - в пласте производят импульсный массированный гидроразрыв (ИМГ), для чего приводят локальный участок рудного пласта в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц и нагнетают в скважину рабочую жидкость с добавкой в нее 50-75% газов под давлением, причем при низких скоростях инжекции нагнетают азот, а при высоких - углекислоту, что позволяет снизить вязкость пластовой жидкости и увеличить ее

диффузионные свойства - проникания в поры и трещины пласта. При нагнетании рабочей жидкости в скважину гидроразрыва вибровоздействия осуществляют на частоте собственных колебаний нагнетания жидко- сти, причем, с помощью ИВ К 9 осуществляют синхронизацию работы группы виброисточников и при этом выбирают оптимальный режим нагружения, при котором не индуцируются остаточные напряжения и осуществляют контроль скорости нагружения пород в пласте месте проведения импульсного гидроразрыва; скорость изменения поперечного сечения магистральной трещины гидроразрыва; определи- ют ширину трещины в процессе гидроразрыва для пористой руды и вмещающих пород, степень ее раскрытия, коэффициент интенсивности напряжений, поле напряжений в месте гидроразрыва, энер- гию, затрачиваемую на гидроразрыв, изменение вязкости 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 уровня, определяемого уровнем достижения напряжения в пласте равном не менее 0,5 от разрушающих для руд и пород, слагающих пласт с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления и не разрушить стенки скважины.

Колебания вызывают в пласте относи- тельную подвижку структурных элементов, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн и частичную дегацию пласта. Эти явления имеют место как при работе группы вибро- источников, так и в случае работы одиночного источника.

Для того, чтобы снизить вязкость 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 напряжения через электроды 11, 12отисточникэ 10 возбуждают мощные ультразвуковые колебания в диапазоне от 0,9 до 12 кГц, что снижает вязкость рас- творов 10-60%,

Для увеличения трещиноватости рудного пласта и увеличения его гидро- и аэродинамических свойств в рэзупрочняющие и выщелачивающие растворы при нагнетании

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

Размещение редкоземельных веществ в заколонном пространстве осуществляют при низком уровне вибровоздействий составляющих 0,1-0,2 от разрушающих напряжений для руд и пород, слагающих пласт, и в совокупности с нагнетанием в заколонное пространство редкоземельного вещества с вяжущим в виде тонкоземельного цемента в количество 5-7% и заполняют пространство между стенкой скважины, и обсадной.трубой.

Нанесение редкоземельного вещества толщиной 3-5 см на поверхность обсадной трубы производят посекционно с шагом 7- 12 м на глубине размещения обсадных труб на глубине рудного пласта и подавая на редкоземельное вещество возбуждающее напряжение посредством электродов от источника напряжения возбуждают электромагнитные колебания до 50% энергии которых переходят в упругие колебания и работают в выбранном диапазоне частот,из- меняя частоту и величину возбуждающего напряжения возбуждают частоты от 900 до 12000 Гц, причем,если упругая 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, содержащихся в порах и трещинах пласта, и способствующих резкому увеличению проницаемости рудного пласта и вмещающих породи повышения КПД извлечения полезного компонента из пласта.

Работу группы виброисточников контролируют до, во время и после вибровоздей- ствия геомеханическими и геофизическими методами исследований: методом разгрузки с использованием тензодатчиков; сейсмическими методами или методами с использованием сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии, измеряя при этом температуру и химический состав реагента в скважинах, что позволяет судить об эффективности процесса выщелачивания. Параметры вибровоздействия - частоту, интенсивность и длительность - задают идентичными для всех виброисточников в группе и вибровоздействия производят при неизменных контактных условиях в режиме накопления упругой энергии, что позволяет закачать упругую энергию в пласт достаточную для тог о, чтобы эффективно воздействовать на процессы перемещения-миграции флюидов во всем объеме пласта, отчего зависит КПД извлечения полезного компонента при разработке рудных месторождений подземным способом.

Таким образом, пласт обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок, что способствует увеличению трещиноватости и проницаемости пласта и повышению КПД извлечения полезного компонента до 98% по сравнению с известными классическими способами выщелачивания.

В случае расположения .пласта на значительной глубине и низкой проницаемости руд и вмещающих пород перед нагнетанием в них реагентов осуществляют термоциклическое воздействие на пласт в совокупности с вибровоздействиями, причем.-холодную и горячую воду нагнетают в пласт из скважин, окаймляющих пласт на его торцах (фиг. 5),и термоциклическое нагнетание осуществляют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта - оптимальной проницаемости пласта. При нагнетании в пласт холодной воды в объемах, превышающих 103 м величины главных напряжений уменьшаются в охлаждённой руде и породе на 20-60%, что облегчает создание трещин в рудном пласте и удержание их в зоне охлаждения в течение 4-6 ч.

Комплексное использование целого ряда способов вибровоздействия на пласт в сочетании с нагнетанием разупрочняющих 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 растяжения и сжатия, которые воздействуют на флюиды - жидкости и газы, содержащиеся в порах и трещинах пласта, как тектонический насос; способствующий их миграции в массиве на несколько порядков сильнее, чем в отсутствие волны. Миграция флюидов в порах и трещинах приводит к изменению норового давления 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 поля упругих напряжений на пути распрастранения упругих волн; частичная дегазация локального участка пласта или массива, подверженного вибровоздействиям, то есть истечение газов из пор и трещин пород; кавитирующие процессы при определенных начальных и граничных условиях.

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

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

0 кавитирующих процессов управляют, изменяя частоту и интенсивность луча лазера.

Преимущества способа состоят в том, что размещение виброисточников по предлагаемому способу позволяет создать опти5 мальные условия для генерации колебаний в выбранном диапазоне частот в режиме накопления; управляют состоянием и свойствами рудного пласта в процессе выщела- чивания; улучшить гидро- и

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

Использование изобретения позволит

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

Ф о р м у л аизобретения

5 рудного тела скважин, размещение а них невзрывных сейсмических источников с ориентированием их осей в направлении максимального главного напряжения рудного тела и обработку пласта вибровоздей0 ствиями в диапазоне 60-1500 Гц при нагнетании в него раствора поверхностно- активного вещества до смены деформаций сжатия в рудном теле деформациям растяжения, заполнение скважин упруговязкой

5 средой, подачу выщелачивающего рЗстворэ с обработкой рудной массы вибровоздействиями на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела, и откачку продуктивного раствора, отличающий0 с я тем. что, с целью повышения эффективности разработки за счет увеличения прони- цаемости и трещиноватости руд и вмещающих пород и улучшения гидро- и аэродинамических связей пласта, перед по5 дачей выщелачивающего раствора на глубине расположения рудного тела осуществляют импульсный гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость гидроразрыва добавляют 50- 70% азота при низких скоростях инжекции или углекислоты при высоких скоростях.

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

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

ультразвуковых колебаний в диапазоне 0.9- 12 кГц и определяют энергию кавитирующе- го пузырька, образующегося в зоне разрежения и охлопывающегося в зоне сжатия упругой волны из соотношения

E nP0R3 4/3,

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

R - размер кавитирующего пузырька, мм.

for&Z

о to rff f0° ggq Фйе.з

фг/&5