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:
- ługowanie kopalin wodą (sól kamienna, sole potasowe itp.).
- ługowanie roztworami kwasów:
* siarkowego (azuryt, kupryt i inne),
* azotowego (argentyn, bizmutyn),
* solnego (uranit, molibdenit),
- ługowanie roztworami zasad (boksyty, cynkity i inne),
- obróbka termochemiczna przez spalanie i prażenie (podziemne zgazowanie węgla, ropy naftowej, prażenie pirytów).
2. Metody oparte na procesach fizycznych:
- termiczne wytapianie (siarka..),
- hydromechaniczne – urabianie za pomocą strumienia wody(piasek, surowce okruchowe, piaski szklarskie, fosforytowe wydobywane z głębi ziemi i z dna mórz i oceanów – konkrecje manganowe),
- urabianie za pomocą wibracji.
3. Metody oparte na procesach biochemicznych:
- 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[m2/s]
D – współczynnik dyfuzji: jest to wielkość charakterystyczna dla każdego materiału,
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:
- z obiegiem lewym,
- z obiegiem prawym,
- z zastosowaniem hydrowręb i ochrony stropu przy użyciu cieczy izolującej,
- ługowanie wielopoziomowe
Uzbrojenie i rozmieszczenie otworów
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.
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 projektowanych do 1700 m.
Podstawowe przesłanki prowadzenia technologii:
- maksymalna wydajność ługowania,
- nie przekraczanie granicznych wymiarów kawern,
- otrzymywanie solanki o maksymalnej gęstości (stężeniu).
Spełnienie tych rygorów następuje w wyniku:
- kontrola stężenia wydobywanej solanki,
- sterowanie wydajnością zatłaczania wody do otworu,
- manewrowanie uzbrojeniem ruchomym otworu,
- wprowadzanie i wyprowadzanie cykliczne oleju z kawerny otworowej,
- 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:
- stosunkowo niska temperatura topnienia siarki (ok. 120 st. C),
- prawie dwukrotnie większa gęstość siarki niż wody (1,78 Mg/m3 w temp. 150 st. C),
- nie rozpuszczanie się siarki w wodzie i nie mieszanie się z wodą,
- 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),
- 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:
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:
- sprawdzenie drożności rurociągów doprowadzających media technologiczne do otworu,
- sprawdzenie szczelności połączeń spawanych i kołnierzowych oraz zamontowanie armatury w głowicy powierzchniowej (więźbie otworowej),
- 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:
- wygrzanie złoża wokół otworu eksploatacyjnego w najniższych jego partiach,
- wytopienie siarki z tej części złoża w ilości umożliwiającej podjęcie wydobycia (pompowania siarki, przez otwór włączany do eksploatacji.
Realizacja wstępnego grzania rozpoczyna się przez:
- podaż gorącej wody technologicznej tylko przez kolumnę siarkową,
Fazy pracy – Wstępne grzanie i odprężanie otworu
· Po ok. 48 godz. następuje podaż wody równocześnie przez górną perforację przez ok. 24 godz. (kolumną wodą).
· 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 kolumny rur powietrznych.
Właściwa eksploatacja polega na równoczesnym tłoczeniu wody technologicznej kolumną zasilającą i sprężonego powietrza kolumną powietrzną oraz wydobyciu mieszaniny płynnej siarki i powietrza kolumną eksploatacyjną wydobywczą.
Wydatek tłoczonego powietrza powinien być tak ustalony aby gwarantować ciągłą pracę otworu (ciągłe pompowanie siarki – ma miejsce wtedy jeśli wydajność pompowania siarki jest </= wydajności topienia i napływu siarki do otworu).
Przy nie zachowaniu tego warunku następuje wyczerpanie zapasu płynnej siarki na zewnątrz orurowania i odsłonięcie dolnej perforacji, efektem czego jest tzw. przebicie otworu wodą gorącą (dostanie się wody gorącej do kolumny wydobywczej). Jest to zjawisko niekorzystne gdyż jego częste występowanie podnosi ...
licha2