Принцип диспергирования горных пород

Принцип диспергирования горных пород

Диспергирование — тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате которого образуются дисперсионные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

Удельная работа, затрачиваемая на диспергирование, зависит от характеристик и структуры измельчаемой породы, поверхностной энергии и степени измельчения.

Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ) — диспергаторов, эмульгаторов, понизителей твёрдости — снижает энергозатраты при диспергировании и повышает дисперсность измельчённой фазы.

Этот процесс пока не нашёл промышленного применения в геотехнологии.

 

Воздействие электромагнитных полей на массив горных пород

В основном, эти процессы используются для интенсификации химических реакций и процессов. Их сущность заключается в переводе электрической энергии в тепловую. Прогрев массива зависит от величины напряжённости электрического поля. Поле создаётся с помощью электродов, опускаемых в скважины, расположенные по контуру подлежащего разогреву массива.

Этот способ применялся для разогрева серных руд Предкарпатья и битумов в Башкирии.

 

Производственные процессы при геотехнологии

Сооружение добычных скважин

Для бурения скважин обычно применяют станки, используемые для поискового бурения. Для сооружения скважин большой глубины используются станки шарошечного бурения типа СБШ, небольшой глубины при слабых покрывающих отложениях — станки шнекового вращательного бурения типа СБР, при породах мягких и средней крепости и глубине до 500 м — роторные буровые установки типа УРБ.

Проведены испытания по бурению относительно неглубоких скважин турбобурами конструкции ВНИИБТ. Были также опробованы различные методы бурения геотехнологических скважин высоконапорными струями воды.

Все буровые установки состоят из следующих основных узлов: вышки или мачты; механизмов подъёма, вращения и промывки; двигателя с трансмиссией; генераторной и компрессорной установок; контрольно-измерительных приборов; превенторов; вспомогательного оборудования.

Удаление буровой мелочи осуществляется промывкой. В качестве промывочной жидкости используется глинистый раствор или вода.

Циркуляция промывочной жидкости — глинистого раствора, — осуществляется обычно с помощью поршневых насосов двойного действия.

Привод большинства буровых установок основан на дизельных двигателях или двигателях внутреннего сгорания. При необходимости бурения большого числа геотехнологических скважин, расположенных относительно недалеко друг от друга, с экологической, технологической и экономической точек зрения, наиболее перспективным является электрический привод бурового станка.

Для предотвращения выброса жидкости и газа при бурении скважин в опасных по выбросам зонах устанавливаются превенторы, герметизирующие пространство между обсадными и бурильными трубами. Противовыбросное оборудование обычно укомплектовывается: превентором с плашками, патрубком с двумя отводами; колонным фланцем, уплотнительными кольцами, четырьмя задвижками высокого давления.

В комплект также входит оборудование для выполнения вспомогательных работ: глиномешалки, сита, гидроциклоны, желоба, средства очистки глинистого раствора, отопительная установка и др.

Породоразрушающий инструмент (долота) подразделяется по назначению на: сплошного бурения, колонкового бурения, специального назначения.

Долота сплошного бурения разрушают породу по всей площади забоя скважины. Долота колонкового бурения разрушают забой по кольцу с оставлением в центре забоя столбика породы — керна, используемого в дальнейшем после отрыва и извлечения на поверхность для получения геологоразведочных данных об условиях залегания полезного ископаемого и вмещающих пород.

Долота специального назначения используются при увеличении диаметра скважины (разбуривании), а также для различного рода аварийных работ. Различают следующие типы долот специального назначения: пикообразные, эксцентричные, ступенчатые, долота-расширители, долота-фрезы.

При бурении скважин в мягких породах используют лопастные долота, а в породах средней крепости и крепких — шарошечные. При бурении скважин по весьма крепким горным породам используются алмазные и фрезерные, армированные твёрдым сплавом, долота, работающие на принципе истирания.

Лопастные долота, работающие на принципе резания или скалывания, бывают двух - или трёхлопастными.

Шарошечные долота, работающие на принципе дробления и скалывания, чаще всего состоят из трёх конических шарошек.

Бурильные трубы служат для передачи вращательного момента и нагрузки долоту и подачи промывочной жидкости. Соединение бурильных труб осуществляется с помощью замков и ниппелей. Используются обычно телескопические бурильные трубы. Бурильные трубы имеют шестигранную или квадратную форму для передачи вращения колонне от ротора бурового станка. Вертикальность скважин обеспечивается центратором.

При бурении скважин при подземной газификации углей особенность процесса состоит в том, что скважины относительно небольшой глубины но большого диаметра, причем большинство скважин проводится под углом. Вертикальные скважины бурят установкой типа УИТ-40, а наклонные— УНБ - ЗИФ-1200 AM. [8]

Установка УИТ-40 смонтирована на колёсно-гусеничном прицепе, а установка УНБ — на металлическом рамном основании в виде саней.

Угол наклона вышки УНБ может изменяться от 37 до 60°. В России освоен метод бурения наклонно-горизонтальных скважин (скважины с горизонтальным окончанием) на сравнительно небольшую глубину (до 300 м). Выбор конструкции скважины зависит в первую очередь oт применяемого геотехнологического способа и назначения скважины. Существенное влияние при этом оказывают также горно-геологические факторы: глубина, мощность водоносных горизонтов, мощность залежи полезного ископаемого.

Конструкция скважины включает в себя:

• 
  приспособление для задания направления, предназначенное для крепления устья скважины;
• 
  кондуктор, перекрывающий верхнюю часть скважины и обеспечивающий изоляцию водоносных горизонтов, а также вертикальность скважины;
• 
  колонну обсадных труб, которая опускается до залежи.

Приспособление для задания направления при большой глубине скважины тщательно центрируется и надёжно закрепляется, а при скважинах небольшой глубины может вообще не применяться.

Кондуктор обязательно цементируется с подъёмом цемента до устья скважины.

При обнаружении сильных водопротоков или обвалов стенок скважины опускается промежуточная колонна обсадных труб, а дальнейшая обсадка ведётся трубами меньшего диаметра.

Весьма важным при бурении скважин является удаление буровой мелочи. Продувка скважин сжатым воздухом практически не используется.

Обычно при бурении геотехнологических скважин используют две схемы бурения:

• 
  с обратно всасывающей промывкой;
• 
  с частичной аэрацией столба промывочной жидкости.

Схема бурения с обратно всасывающей промывкой приведена на рис. 1.3.1 a. Сущность её заключается в следующем: с глубины 60-80 м эрлифтом, находящимся внутри колонны буровых труб 7 непрерывно откачивается промывочная жидкость; при этом в результате полученного разрежения по кольцевому зазору между буровыми трубами и стенками скважины промывочная жидкость поступает к долоту 8, захватывает буровую мелочь и через отверстие в последнем поступает внутрь колонны буровых труб; через приставку к сальнику-вертлюгу 1 шлам выносится на поверхность не кольматируя (не заштыбовывая) забой скважины. Если водоприток из обуриваемых горных пород недостаточен, в скважину необходимо доливать чистую воду.

Схема бурения с частичной аэрацией столба промывочной жидкости приведена на рис.1.3.1.б. Эта схема наиболее широко применяется на практике. При этом сохраняется обычная технология бурения с промывкой и используются компрессоры низкого давления (0,6 - 0,8 МПа). В кольцевой зазор между обсадной 7 и промежуточной 4 колоннами нагнетается поток сжатого воздуха 5. Через отверстия в нижней части промежуточной колонны (смеситель) 6 воздух поступает внутрь её. Аэрированный поток промывочной жидкости 3 проходит по зазору между колонной буровых труб 2 и промежуточной колонной, откачивая тем самым буровую мелочь на поверхность. Промывочная же жидкость подаётся по отверстию в ведущей буровой трубе к шарошечному долоту 12.

Этот способ может применяться с использованием компрессоров низкого давления при глубине статического уровня пластовых вод не более 45 м.

Рис. 1.3.1 – Схемы промывки, используемые при бурении геотехнологических скважин: а) обратно-всасывающая промывка;
б) с частичной аэрацией столба промывочной жидкостью

 

Для утяжеления раствора используются добавки порошки барита, гематита, магнетита, пиритовых огарков, колошниковой пыли в количестве от 3,5 до 4,6 г/см³. Для повышения качества местных глин используют поверхностно-активные (ПАВ) и химически активные (XAB) вещества.

Утяжелители растворов применяются для того, чтобы избежать выброса воды, пара или газа из скважины.

При бурении скважины по полезному ископаемому обычно осуществляется отбор керна. При этом стремятся нанести ему наименьший вред. При бурении по соли в качестве промывочной жидкости используется крепкий раствор соли, при бурении по серной залежи — чистая вода.

Иногда при бурении происходит интенсивное поглощение промывочной жидкости стенками скважины, что сопровождается обрушением стенок скважины при неустойчивых породах.

Для борьбы с поглощением бурового раствора стенками скважины используют различные специальные реагенты: структурообразователи, гельцемент, быстросхватывающиеся смеси и т.п.

Структурообразователи увеличивают вязкость промывочной жидкости. Такой раствор, проникая в трещины и поры массива, закупоривает их. В качестве структурообразователей обычно используются: жидкое стекло (до 5 %), кальцинированная сода (до 6 %); инертные добавки (опилки, рисовая шелуха, кордное волокно, слюда, торф, пакля и т.п.) – (до 3 % и более).

Гельцемент представляет собой смесь глинистого раствора с цементом в пропорции примерно 1:1. Гельцемент закачивают в скважину, продавливают до забоя и через сутки возобновляют бурение.

При сильной закарстованности залежи необходимо не только предотвратить поглощение раствора, но и заполнить наиболее крупные карстовые полости тампонажный раствором в радиусе до 10 м. В качестве тампонажного раствора обычно используется глиноцементный раствор, приготавливаемый из 300 кг цемента на 1 м³ глинистого раствора и инертных наполнителей.

После вскрытия залежи скважина обсаживается и цементируется. После ожидания затвердевания цемента продолжается бурение. Сооружение скважин, таким образом, сводится к выполнению следующих технологических процессов и операций:

1) бурение и обсадка скважин: бурение, спуск обсадных труб; бурение по продуктивному пласту; подвозка воды и глинистого раствора, подвозка обсадных труб, ГСМ, бурового инструмента.

2) цементирование обсадных колонн: установка устьевого оборудования; приготовление и закачка цементного раствора, подвозка технической воды; подвозка цемента.

3) заканчивание скважин спуск и подъём насосно-компрессорных и эрлифтных труб, пакеров; откачка; нагнетание, кислотная обработка, гидроразрыв; подвозка воды и кислоты для нагнетания.

4) оборудование скважин технологическими колоннами труб: спуск рабочих колонн труб; подвозка труб; опробование герметичности рабочих колонн и задвижек.

Крепление скважин включает два технологических процесса: спуск обсадных труб и их цементацию.

Обсадные трубы обычно изготавливают цельнотянутыми или цельнокатаными. Соединяются они между собой муфтами или сваркой.

Перед спуском обсадных труб каверномером исследуют профиль скважины и определяют количество необходимого цементного раствора.

Цементация скважины является наиболее ответственным процессом. Перед цементацией затрубное пространство промывается водой или глинистым раствором. Цемент закачивают с помощью цементировочного агрегата.

При сооружении скважин в соляных пластах цементационный раствор приготавливают на насыщенном растворе соли. По окончании цементации скважину оставляют на 16-24 часа в покое для схватывания цементного раствора, Для интенсификации или замедления этого процесса используют ускорители или замедлители затвердевания. Для улучшения цементирующего состава иногда в него добавляют 30-40% кварцевого песка тонкого помола. В качестве ускорителей используются хлористый натрий и хлористый калий, а в качестве замедлителя — сульфит-спиртовая барда или карбоксилметил-целлюлоза.

Опресовка скважин — это испытание их на герметичность. Проводят её в два этапа: первый этап — после застывания цемента до разбуривания цементного башмака под давлением в 2-3 раза выше рабочего; второй этап — после разбуривания башмака в трубе и под колонной обсадных труб при давлении в два раза большем рабочего.

Испытания производят нагнетанием воды. После достижения заданного давления закрывают вентиль и выжидают в течение одного часа. Если давление падает, цементацию повторяют.

После этого приступают к оборудованию добычных скважин. Под оборудованием добычных скважин понимается спуск в них колонн эксплуатационных труб.

Для различных геотехнологических способов используются различные виды оборудования. Набор эксплуатационных труб опускается до забоя скважины, опирается на него или подвешивается на оголовке скважины.

Эксплуатационные трубы обычно перфорированы. Длина участка перфорации зависит от мощности залежи. Диаметр отверстий составляет 18...20 мм, они располагаются в шахматном порядке на расстоянии 80-100 мм.

Диаметр эксплуатационных труб принимают максимально возможным, так как от этого зависит производительность добычной скважины. Оборудование скважин осуществляют непосредственно перед пуском во избежание коррозии. Эксплуатационные трубы обычно соединяются сваркой.

Устья скважин обычно также проходят эту стадию, заключающуюся в обвязке колонн труб устьевой арматурой, которая герметизирует устье и обеспечивает возможность раздельного движения рабочих агентов.

Конкретный набор оборудования скважин зависит от способа геотехнологии и определяется проектом.

От 30 до 70 % скважин не готовы после испытаний на герметичность обеспечить требуемую приемистость из-за кольматации призабойной части. Требуется проводить гидроразрыв, солянокислотную ванну, гидроперфорацию или торпедирование, что увеличивает стоимость сооружения скважины на 20%.

Перед сдачей скважины проводят комплекс её измерений, включающий:

• 
  электрический каротаж — измерение кажущегося удельного сопротивления и потенциала естественного электрического поля, на основании чего можно судить о гидравлической проницаемости горных пород;
• 
  термокаротаж — выделение слоев пород с различными температурными свойствами, определяющими литологический состав;
• 
  кавернометрия — определение истинного диаметра скважины для косвенной оценки пористости и трещиноватости;
• 
  инклинометрия — замер кривизны скважины для определения положения забоя скважины в пространстве.

Все данные измерений систематически фиксируются, составляется план горных работ, где указывается порядок бурения и сдачи скважин в эксплуатацию.

Принцип диспергирования горных пород

Диспергирование — тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате которого образуются дисперсионные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

Удельная работа, затрачиваемая на диспергирование, зависит от характеристик и структуры измельчаемой породы, поверхностной энергии и степени измельчения.

Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ) — диспергаторов, эмульгаторов, понизителей твёрдости — снижает энергозатраты при диспергировании и повышает дисперсность измельчённой фазы.

Этот процесс пока не нашёл промышленного применения в геотехнологии.