СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ
DEVELOPMENT METHOD OF UNDERGROUND RESERVOIR IN PERMAFROST SEDIMENTARY ROCKS

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при строительстве подземных резервуаров-хранилищ и разработке полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи.
Известен способ скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей, включающий бурение скважины и ее обсадку, монтаж в скважине пульпоподъемной, водоподающей и воздухоподающей колонны труб, формирование выработки-емкости путем теплового разрушения пород и их эрлифтного подъема с поддержанием уровня раздела вода-воздух путем подачи сжатого воздуха к кровле выработки-емкости с удалением избыточного воздуха через обсадную колонну [1].
Недостаток данного способа заключается в фиксированном положении уровня раздела вода-воздух у башмака обсадной колонны, что делает невозможным формировать устойчивый свод выработки-емкости путем регулирования положения уровня раздела вода-воздух.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ скважинной разработки многолетнемерзлых осадочных пород, включающий бурение скважины и ее обсадку, монтаж в скважине пульпоподъемной, водоподающей и воздухоподающей колонны труб, создание подземной выработки-емкости с поддержанием заданного уровня раздела вода-воздух регулированием расхода подаваемой воды и воздуха путем водно-теплового разрушения пород с подачей подогретой воды с расходом, равным или меньшим расходу твердого материала, содержащегося в поднимаемой гидросмеси, и эрлифтного подъема образующейся гидросмеси на поверхность с подачей воды из водоема для взвешивания оттаявшей породы в зоне всасывания с расходом, равным или превышающем расход воды в поднимаемой гидросмеси [2].
Недостаток данного способа заключается в необходимости изменять количество тепла, подаваемого для оттаивания при поддержании заданного уровня раздела вода-воздух при регулировании расхода подогретой воды, что снижает производительность оттаивания и, следовательно, увеличивает время создания выработки-емкости. Кроме этого, производительность эрлифтного подъема ограничена низким его затоплением, определяемым положением границы раздела вода-воздух.
Решаемая задача заключается в повышении эффективности создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных породах за счет повышения производительности эрлифтного подъема и повышения производительности по оттаиванию мерзлого песка.
В результате решения этой задачи обеспечивается:
- Высокая производительность эрлифтного подъема оттаявшей породы благодаря созданию дополнительного подпора подачей сжатого воздуха в герметичную скважину при поддержании заданного уровня раздела вода-воздух в выработке-емкости.
- Высокая производительность оттаивания мерзлых пород за счет подачи пара с постоянным расчетным расходом.
- Более эффективное введение тепла в выработку-емкость для оттаивания, так как пар подается вместе с дополнительной водой, конденсируясь и нагревая ее, что улучшает условия перемешивания и нагрева воды в выработке-емкости.
- Наиболее эффективно происходит процесс взвешивания породы в зоне всасывания за счет подачи всей оборотной воды, образующейся при отделении песка из поднимаемой гидросмеси. При этом не требуется дополнительных емкостей на поверхности, используемых при изменении расхода оборотной воды.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе создания подземного резервуара в многолетнемерзлых породах, включающем вскрытие песчаного многолетнемерзлого пласта скважиной, установку в ней технологических колонн, подачу по ним воды, сжатого воздуха, теплоносителя, создание выработки-емкости путем теплового разрушения мерзлых пород и эрлифтного подъема образующейся гидросмеси песка на поверхность с подачей воды для взвешивания осадка в зону всасывания эрлифта и дополнительной воды в выработку-емкость с управлением положения уровня раздела вода-воздух путем регулирования расхода подаваемой воды, согласно предлагаемому способу герметизируют оголовок скважины и повышают избыточное давление в подземном резервуаре путем подачи сжатого воздуха в скважину, при тепловом разрушении мерзлых пород в качестве теплоносителя используют пар, который подают с постоянным расходом совместно с дополнительной водой, для управления положением уровня раздела вода-воздух изменяют расхода дополнительной воды, а для взвешивания осадка подают оборотную воду, образующуюся при отделении песка из поднимаемой гидросмеси.
Герметизация оголовка скважины и повышение избыточного давления в подземном резервуаре путем подачи сжатого воздуха в скважину позволяет повысить производительность эрлифтного подъема без повышения уровня воды в скважине.
Использование пара в качестве теплоносителя при тепловом разрушении мерзлых пород, который подают с постоянным расходом совместно с дополнительной водой, обеспечивает постоянную высокую производительность оттаивания песка и равномерное оттаивание поверхности выработки-емкости за счет лучшего перемешивания находящейся в ней воды с теплоносителем.
Изменение расхода дополнительной воды для управления положением уровня раздела вода-воздух в выработке-емкости позволяет более рационально, с минимальными затратами использовать дополнительную чистую воду, получаемую из природного источника, при этом не уменьшая количество тепла, вводимого для оттаивания песка.
Подача оборотной воды, образующейся при отделении песка из поднимаемой гидросмеси, повышает эффективность взвешивания осадка благодаря постоянному расходу воды, подаваемой в зону всасывания эрлифта, и позволяет использовать установки для обезвоживания песка в схеме замкнутого водооборота без использования резервуаров для воды.
Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных пород за счет повышения производительности эрлифтного подъема благодаря созданию дополнительного подпора при подаче воздуха в герметичную скважину и подаче постоянного количества тепла на оттаивание за счет подачи пара с постоянным расходом.
На чертеже представлен вариант реализации способа создания подземного резервуара в многолетнемерзлых породах.
На чертеже изображен подземный резервуар, включающий обсаженную трубой скважину 1 и выработку-емкость 2. В скважине 1 смонтированы пульпоподъемная труба 3, воздухоподающая труба 4, труба для подачи оборотной воды 5 и труба для подачи теплоносителя б с патрубками для подачи пара 7 и дополнительной воды 8. Устье скважины загерметизировано оголовком 9, имеющим патрубок для подачи сжатого воздуха 10. В выработке-емкости 2 показано положение уровня раздела вода-воздух 11.
Способ создания подземного резервуара, изображенного на фиг. 1, осуществляется следующим образом. Многолетнемерзый песчаный пласт вскрывается скважиной 1, в которую устанавливаются технологические колонны 3, 4, 5, 6 для подъема гидросмеси, подачи сжатого воздуха, оборотной воды, пара и дополнительной воды. Выработка-емкость 2 создается путем теплового разрушения при подаче пара через патрубок 7 и дополнительной воды через патрубок 8 в трубу 6, которые нагревают воду в выработке-емкости. В результате теплообмена на поверхности выработки-емкости 2, находящейся ниже уровня раздела вода-воздух 11, происходит оттаивание мерзлого песка с его осаждением на дне выработки-емкости 2. Оборотная вода подается по трубе 5 для взвешивания осаждающегося песка, который при подаче сжатого воздуха по трубе 4 в виде гидросмеси засасывается в пульпоподъемную трубу 3 и поднимается на поверхность. На поверхности производится выделение песка из гидросмеси с возвратом оборотной воды в выработку-емкость 2 по трубе 5. При повышении уровня раздела вода-воздух 11 в выработке-емкости 2 относительно заданного уровня снижается расход дополнительной воды, подаваемой по патрубку 8 в трубу 6, а при понижении уровня раздела вода-воздух 11 расход дополнительной воды увеличивается.
Для повышения производительности эрлифтного подъема в загерметизированный оголовок 9 скважины 1 по патрубку 10 подается сжатый воздух с поддержанием избыточного давления над уровнем раздела вода-воздух 11. Это позволяет обеспечить высокую производительность эрлифтного подъема даже при низком положении уровня раздела вода-воздух 11 относительно общей глубины скважины 1.
Пар подается через патрубок 7 в трубу б с постоянным расходом, что обеспечивает стабильную и высокую производительность по оттаиванию мерзлого песка. В трубу 6 через патрубок 8 подается также дополнительная вода, доставляемая из природного водоема или соседнего подземного резервуара, количество которой определяется объемом извлеченного из выработки-емкости 2 песка. При совместном движении пара и дополнительной воды по трубе 6 пар конденсируется и нагревает воду, которая, попадая в выработку-емкость 2, перемешивается с находящейся в ней водой, что обеспечивает равномерное по высоте оттаивание стенок выработки-емкости 2.
При повышении плотности гидросмеси, поднимаемой по трубе 3, в ней снижается содержание воды, что приводит к подъему заданного уровня раздела вода-воздух 11. Для его восстановления снижается расход дополнительной воды, подаваемой через патрубок 8. При понижении плотности поднимаемой гидросмеси, в ней увеличивается расход воды, что приводит к понижению уровня раздела вода-воздух. В этом случае увеличивается расход дополнительной воды, подаваемой через патрубок 8.
При создании подземного резервуара по трубе 5 подается вся оборотная вода без регулирования ее расхода, что позволяет более эффективно взвешивать осадок в зоне всасывания эрлифта, не накапливать в наземных емкостях или сбрасывать загрязненную воду, образующуюся при отделении песка из гидросмеси, что значительно упрощает процесс создания подземного резервуара.
Примером практической реализации предлагаемого способа создания подземного резервуара в многолетнемерзлых породах является строительство подземного резервуара для захоронения отходов бурения на Бованенковском месторождении на полуострове Ямал. Песчаный пласт многолетнемерзлого песка мощностью 20 м залегает на глубине 30 м от поверхности под слоем глинистых пород. Пласт песка вскрывают скважиной 1 диаметром 400 мм и глубиной 50 м, которую обсаживают на глубину 30 м обсадной колонной диаметром 324 мм. В скважину 1 монтируют пульпоподъемную трубу 3 диаметром 245 мм, внутри которой устанавливают воздухоподающую трубу 4, трубу для подачи оборотной воды 5, трубу для подачи теплоносителя 6. На обсадной колонне скважины 1 устанавливают герметичный оголовок 9 с патрубком для подачи сжатого воздуха 10.
3
3
В процессе создания подземного резервуара подают пар через патрубок 7 при температуре 150°C с расходом 1,5 т/час и дополнительную воду со средним расходом 15 м/час. При изменении уровня раздела вода-воздух 11 в выработке-емкости 2 расход дополнительной воды изменяют от 0 до 30 м/час.
3
3
В результате теплообмена в выработке-емкости 2 происходит оттаивание песка, который осаждается на дне подземного резервуара. Для эрлифтного подъема по трубе 4 от компрессора подается сжатый воздух с расходом 1500 м/час и оборотная вода по трубе 5 с расходом 85 м/час. Образующуюся гидросмесь поднимают по трубе 3 на поверхность и направляют на установку по обезвоживанию. Обезвоженный песок складируют на поверхности, а отделенную оборотную воду насосом по трубе 5 возвращают в выработку-емкость 2. Для повышения производительности эрлифтного подъема в оголовок 9 скважины 1 через патрубок 10 подают сжатый воздух от компрессора, поддерживая избыточное давление в скважине равное 0,2 МПа.
Источники информации
1. Патент России № 2009323, МПК E21C 45/00, «Способ скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей», 1991 г.
2. Патент России № 2305771, МПК E21C 45/00, «Способ скважинной разработки многолетнемерзлых осадочных пород», 2006 г.