Cechy charakterystyczne metod otworowych:
1.Wydobycie odbywa się za pomocą specjalnie przygotowanych i uzbrojonych otworów. 2.Czynnikami wydobywczymi są media technologiczne (rozpuszczalniki, nośniki ciepła itd.) migrujące przez eksploatowane złoże, przy czym wtaczanie ich do złoża i odprowadzenie kopaliny na powierzchnię odbywa się bardzo często tym samym otworem. 3.Kierowanie procesem wydobycia odbywa się przez zmianę parametrów technologicznych (ciśnienia, wydajności, stężenia itp.) oraz miejsca wprowadzania medium do złoża i miejsca odbioru kopaliny .4.Technologia otworowa zapewnia selektywną eksploatację złoża a także czasami przeróbkę, co umożliwia właściwy dobór czynników wydobywczych .5.Kopalina pozostaje w miejscu zalegania w stanie pierwotnym i przemieszcza się dopiero po zmianie stanu skupienia ze stałego na ciekły lub gazowy. 6.Eksploatacja rozwija się wokół otworów wydobywczych i przemieszcza się strefami jako eksploatacja pojedynczymi otworami, gniazdowa lub frontalna. 7.Metody otworowe gwarantują najkrótszy czas udostępniania złoża a zatem także najkrótszy czas zamrożenia środków inwestycyjnych.
Technologia otworowa nadaje się także do eksploatacji małych złóż, pozabilansowych dla klasycznych metod eksploatacji, zalegających w trudnych warunkach górniczo-geologicznych.
Klasyfikacja metod otworowych- Opiera się o kryterium rodzaju procesu stosowanego do eksploatacji (który zmienia stan skupienia kopaliny lub składnika użytecznego na ciekły lub gazowy).
1.Metody oparte na procesach chemicznych:
a)ługowanie kopalin wodą (sól kamienna, sole potasowe itp.).b) ługowanie roztworami kwasów:1) siarkowego (azuryt, kupryt i inne),2) azotowego (argentyn, bizmutyn),3) solnego (uranit, molibdenit),c) ługowanie roztworami zasad (boksyty, cynkity i inne),d) obróbka termochemiczna przez spalanie i prażenie (podziemne zgazowanie węgla, ropy naftowej, prażenie pirytów).
2.Metody oparte na procesach fizycznych:
a) termiczne wytapianie (siarka..),b) hydromechaniczne c) urabianie za pomocą strumienia wody(piasek, surowce okruchowe, piaski szklarskie, fosforytowe wydobywane z głębi ziemi i z dna mórz i oceanów – konkrecje manganowe),
d) urabianie za pomocą wibracji.
3.Metody oparte na procesach biochemicznych:
a) bakteryjne ługowanie rud metali kolorowych; wykorzystuje się niektóre mikroorganizmy czerpiące energię do procesów życiowych z utleniania związków żelaza i siarki.
ISTOTA ŁUGOWANIA
Ługowanie – strata masy ciała stałego na rzecz rozpuszczalnika.
Rozpatrując ograniczoną objętość „V”, w której znajduje się masa materii „M”, można stwierdzić że przy wykorzystaniu procesu dyfuzji, przez elementarną powierzchnię zwilżoną „δA”, dopływa strumień masy „m”, o którym w czasie „δt”, zmniejsza się masa materii „δm”
Dyfuzja – wyrównywanie stężeń w roztworach wskutek cząsteczkowych ruchów cieplnych.
Ten strumień jest proporcjonalny do powierzchni zwilżonej ciała stałego zwanej graniczną powierzchnią faz.
Natomiast wyrażenie:
jest gęstością strumienia dyfuzji, dla którego można podać zależność:
D – współczynnik dyfuzji: jest to wielkość charakterystyczna dla każdego materiału, D[m2/s]
c – stężenie.
Oznaczając ; to = :
Oznacza to wyrównanie stężeń i bezruch roztworu.
To samo wyraża wydajność rozpuszczania (wydajność na jednostkę powierzchni):
Natomiast prędkość rozpuszczania:
ponieważ ma wymiar prędkości [m/s], gdzie M1, M2 – masa soli na początku i końca ługowania. Wymiar prędkości ma także wyrażenie:
gdzie: β – współczynnik przejmowania masy
hgr – grubość laminarnej warstwy przyściennej, która jest czynnikiem regulującym przepływ masy
Metody ługowania soli
1)Ługowanie natryskowe, 2)Ługowanie komór wodą w zastoju, 3)Ługowanie ciśnieniowe za pomocą otworów wiertniczych z powierzchni – z ciągłym zatłaczaniem wody i ciągłym odbiorem solanki. A)pojedynczymi otworami,
B) zespołami 2-3 otworów połączonych ze sobą na powierzchni, C) zespołem otworów zatłaczających wodę i odbierających solankę połączonych ze sobą poprzez złoże (hydrowręb)
Odmiany ługowania soli pojedynczymi otworami:
1)z obiegiem lewym,2)- z obiegiem prawym, 3)- z zastosowaniem hydrowręb i ochrony stropu przy użyciu cieczy izolującej,4)- ługowanie wielopoziomowe
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów 1) Na złożach antyklinarnych:
- zwykle dwie do trzech kolumn jako ororowanie stałe (cementowane) np. ϕ13 5/8”, i ϕ 9 5/8”,
- dwie lub trzy rury wolnowiszące, które tworzą kolumny eksploatacyjne zasilające (wodna i olejowa) i kolumna solankowa np. ϕ5,5” i ϕ3,5”,
- otwory wiercone są w siatce regularnej o module 35 m, a maksymalna średnica kawerny nie może przekraczać 25 m, maksymalna głębokość otworów 350-440 m.
2) Na złożach wysadowych:
- zwykle trzy do czterech kolumn jako orurowanie stałe np. ϕ 32” (do 10m), ϕ 241/2” (do 80 m), ϕ 185/8” (do 265 m) i ϕ 133/8” (do 450 m),
- dwie do trzech kolumn jako uzbrojenie wolnowiszące np. ϕ 8 5/8” i ϕ 5” (do 1700 m),
- otwory wiercone są w siatce regularnej o module 100 m, a średnica maksymalna kawerny wynosi 50 m,
- maksymalna głębokość otworów sięga do 1200 m, a projektowan do 1700 m.
Podstawowe przesłanki prowadzenia technologii:
1) maksymalna wydajność ługowania, 2)- nie przekraczanie granicznych wymiarów kawern,3)- otrzymywanie solanki o maksymalnej gęstości (stężeniu).
Spełnienie tych rygorów następuje w wyniku:
1)- kontrola stężenia wydobywanej solanki,2)- sterowanie wydajnością zatłaczania wody do otworu,- 3)manewrowanie uzbrojeniem ruchomym otworu,4)- wprowadzanie i wyprowadzanie cykliczne oleju z kawerny otworowej, 5)- monitorowania kształtu kawerny w oparciu o np. metody geofizyczne.
Eksploatacja otworowa soli jest projektowana (wymiary graniczne komór) przy założeniu aby nie wystąpiły żadne deformacje obserwowane na powierzchni.
Występowanie soli w Polsce
Utwory cechsztynu (perm górny):
- rejon środkowopolski (od Rogóźna przez Kłodawę, Inowrocław, Mogilno)
- obszar przedsudecki o przebiegu NW-SE od Nowej Soli, poprzez Głogów i na znacznej części LGOM,
- obszar nadbałtycki – od Łeby do Zatoki Puckiej
Zasoby geologiczne bilansowe: ok. 76,05 mld ton
Utwory miocenu (trzeciorzęd) na przedgórzu Karpat:
- od rejonu Rybnika, Żor i Orzesza poprzez Wieliczkę (Barycz), Bochnię, Siedlec, Moszczenicę (Łężkowice) aż po Tarnów (okolice Wojnicza).
Zasoby geologiczne bilansowe soli w tych utworach: ok. 4,18 mld ton.
Kryteria bilansowości dla złóż soli
Złoża pokładowe soli kamiennej:
1.Maksymalna głębokość spągu złoża 1200 m
2.Minimalna miąższość złoża wraz z przerostami 30 m
3.Minimalna średnia ważona zawartość NaCl w profilu złoża wraz z przerostami 80%
Złoża wysadowe soli kamiennej:
1.Maksymalna głębokość dokumentowania 1400 m
3.Minimalna odległość stropu złoża od zwierciadła solnego (najniżej położonego punktu jego stwierdzenia) 150 m
4.Minimalna średnia ważona zawartość NaCl w profilu złoża 80%
Charakterystyka metody podziemnego wytapiania siarki
Istota metody i własności siarki i rudy siarki istotne w metodzie podziemnego wytapiania:
1) stosunkowo niska temperatura topnienia siarki (ok. 120 st. C),
2)- prawie dwukrotnie większa gęstość siarki niż wody (1,78 Mg/m3 w temp. 150 st. C),3)- nie rozpuszczanie się siarki w wodzie i nie mieszanie się z wodą,
4)- istnienie minimum lepkości siarki w temperaturze ok. 157 st. C (η=6,55 cP); (maksimum lepkości występuje w temp. 187 st. C – 931,6 p), 5)- różnica we współczynnikach rozszerzalności objętościowej siarki i szkieletu wapiennego rudy.
Te względy decydują, że temperatura wody gorącej tłoczonej ze złoża wynosi 160 st. C, a temperatura wody złożowej odbieranej ze złoża powinna być < od 120 st. C.
Kryteria bilansowości złóż siarki
A.Techniczne możliwości:
a) istnieje pokład rudy porowaty i przepuszczalny dla wody, b) pokład jest ograniczony od stropu warstwą nieprzepuszczalną, c) pokład jest ograniczony od spągu warstwą nieprzepuszczalną lub warstwą o zasadniczo niższej przepuszczalności niż pokład, d) minimalna miąższość nadkładu nie może być niższa niż 75m,
B.Ekonomiczne:
e) minimalna miąższość złoża – 5m, f) minimalne osiarkowanie – 12 %
g) minimalna zasobność winna zawierać się w przedziale od 4,3 – 5,2 Mg/m2, w zakresie głębokości 75-400 m.
Minimalna miąższość nadkładu
Wynika z konieczności równoważenia ciśnienia złożowego (Pz) przez ciśnienie geostatyczne (Pgeos.) z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa (Kb).
Jako ciśnienie wody złożowej przyjmowane jest minimalne ciśnienie słupa wody technologicznej (Pwmin.) na poziomie rzędnej stropu złoża. To minimalne ciśnienie wynosi:
Ciśnienie geostatyczne wynosi:
Porównanie tych dwóch ciśnień pozwala obliczyć miąższość nadkładu równoważącą ciśnienie złożowe przez ciśnienie geostatyczne.
Stąd minimalna miąższość nadkładu wynosi:
gdzie: Pgmin. – minimalne ciśnienie wody technologicznej na głowicy otworu, gwarantujące utrzymanie temp. 160 st. C i pozostawanie w fazie ciekłej, ρn – średnia gęstość skał nadkładu, ρw – gęstość wody technologicznej czyli o temp. 160 st. C.
Przyjmując następujące wartości: ρn=1930 kg/m3, ρw=905 kg/m3, Pgmin.=505500 Pa wstawiając do wzoru otrzymujemy:
Konstrukcja i zasada działania otworu wydobywczego
Uzbrojenie otworu wydobywczego stanowi 5 kolumn rur o różnej średnicy.
Orurowanie stałe, cementowane w nadkładzie:
- kolumna wstępna (d=14”) – sięgająca od powierzchni do głębokości kilkunastu m w trzeciorzędowe warstwy nieprzepuszczalne (iły krakowieckie),
- kolumna techniczna (d= 8 5/8”) – sięgająca od powierzchni do głębokości ok. 2 mw strop serii złożowej.
Orurowanie ruchome:
- kolumna eksploatacyjna zasilająca (wodna, d=5”) – sięgająca 0,5 – 5,0 m w strop utworów podłożowych, mająca w końcowej części dwa sektory perforacji; dolną-siarkową, górną-wodną.
- kolumna eksploatacyjna wydobywcza (siarkowa, d=3,5”) – sięgająca do spągu złoża,
- kolumna eksploatacyjna powietrzna (d+1”) – sięgająca do głębokości kilkunastu metrów nad tzw. zamkiem
Fazy pracy otworu
I okres - Przygotowanie otworu do eksploatacji. Okres ten obejmuje:
1)sprawdzenie drożności rurociągów doprowadzających media technologiczne do otworu,2)- sprawdzenie szczelności połączeń spawanych i kołnierzowych oraz zamontowanie armatury w głowicy powierzchniowej (więźbie otworowej),
3)- usuwanie płuczki i resztek zanieczyszczeń z okresu wierceń w otworach eksploatacyjnych przez płukanie otworu zimną wodą i przedmuchiwanie sprężonym powietrzem poszczególnych kolumn aż do uzyskania pełnej cyrkulacji i wypływu czystej wody ze wszystkich kolumn uzbrojenia otworu.
II okres - Wstępne grzanie otworu.Celem wstępnego grzania jest:
1)wygrzanie złoża wokół otworu eksploatacyjnego w najniższych jego partiach, 2)- wytopienie siarki z tej części złoża w ilości umożliwiającej podjęcie wydobycia (pompowania siarki, przez otwór włączany do eksploatacji.
Realizacja wstępnego grzania rozpoczyna się przez:3)- podaż gorącej wody technologicznej tylko przez kolumnę siarkową,
Fazy pracy – Wstępne grzanie i odprężanie otworu
1)Po ok. 48 godz. następuje podaż wody równocześnie przez górną perforację przez ok. 24 godz. (kolumną wodą).
2)Po tym czasie następuje przerwanie podaży wody kolumną siarkową (dolną perforacją) i przystąpienie do operacji odprężania otworu.
Odprężanie otworu – polega na opróżnieniu kolumny siarkowej z wody podawanej w czasie wstępnego grzania, które może być wykonane przez:
- rozprężenie wody do atmosfery (otwarcie zaworu na głowicy otworu),
- wepchnięcie wody z kolumny siarkowej do złoża przez wtłoczenie do mniej sprężonego powietrza.
W trakcie operacji odprężania następuje zmniejszenie ciśnienia w kolumnie wydobywczej (siarkowej) w wyniku czego następuje równoważenie ciśnienia i napływ siarki do tej kolumny poprzez dolną perforację.
Podnoszenie słupa siarki w kolumnie wydobywczej odbywa się dotąd aż nastąpi zrównoważenie ciśnienia jej słupa z ciśnieniem złożowym.
Fazy pracy otworu – Właściwa eksploatacja
Po zakończeniu odprężania następuje zapuszczenie do otworu...
licha2