Какие полезные ископаемые добывают из скважины

В последние годы все большее распространение в горном деле получают многочисленные геотехнологическиа методы разработки месторождений твердых полезных ископаемых: гидравлические, теплофизические, гидрохимические, биохимические, пирохимические, органохимические и их сочетания (комбинированные). В основе этих методов лежат различные физико-химические процессы, в результате которых ценные элементы на месте залегания переводятся в пульпообразное жидкое или газообразное состояние либо в химический раствор.

Возможны два основных направления в применении геотехнологических методов разработки месторождений: шахтный и бесшахтный. Под бесшахтным обычно понимают разработку месторождений через скважины. Специалисты связывают с этим методом значительные перспективы освоения подводных месторождений твердых полезных ископаемых. В настоящее время во многих странах через скважины с успехом добывают фосфориты и урановые руды (гидрорыхлением горных пород); серу и озокерит (подземной выплавкой); соли (подземным растворением); медь и уран (выщелачиванием металла из вмещающих пород); уголь (подземной газификацией); сланцы (подземной перегонкой); нефть (термическими методами); сульфидные минералы (подземным обжигом); сублимирующиеся вещества (подземной возгонкой и различными сочетаниями указанных способов). Существует множество вариантов перечисленных способов. Например, для выщелачивания металлов и минералов из руд используют кислоты (серную, соляную и др.), биологически активные водные растворы или органические растворители.

Сущность геотехнологических методов разработки сводится к следующему. Пласт полезного ископаемого разбуривают серией скважин в определенном порядке в зависимости от системы разработки, выбранной с учетом конкретных горнотехнических и гидрогеологических условий месторождения. 

Скважины в породах дна проходят с оснований. К их числу относятся основания, используемые для разведки и разработки нефтегазовых месторождений. Это насыпные и естественные острова, стационарные и полупогружные основания, а также естественный и намораживаемый лед.

Разработку месторождения фосфоритов через скважины ведут на обводненной залежи в Ленинградской области. Фосфоритосодержащий пласт месторождения представлен мелкозернистыми песками и перекрыт глауконитовыми песчаниками, известняками и четвертичными отложениями.

В комплект добычного оборудования входили: высоконапорные насосы для подачи рыхлящей воды на размыв, компрессор, снабжающий сжатым воздухом эрлифтные подъемники, и установка первичного обогащения, отделяющая фосфориты от вмещающих пород. Размыв фосфоритосодержащих песков производился гидромониторами, управляемыми дистанционно с помощью специального телескопического устройства. Оно позволяло продвигать гидромониторный ствол вслед за разрабатываемым забоем.

Это техническое решение сохраняло и поддерживало минимально необходимое расстояние от насадки гидромонитора до разрабатываемых горных пород. Разрыхленный материал всасывался и поднимался эрлифтным методом, т. е. подачей воздуха в гидроподъемную магистраль.

Скважинный метод разработки серосодержащих месторождений основан На способности серы расплавляться под действием перегретого (не ниже 160° С) пара. Его впервые применили в 1937 г. на серных рудниках Флориды (США). Вскоре во многих странах учли высокую экономичность этого метода при добыче серы, и в настоящее время через скважины извлекают около двух третей ее общего количества. Например, в 1973 г. в капиталистических странах было добыто всего 34,7 млн. т серы, в том числе через скважины — 23,3 млн.т, или 67,3 %.

Метод этот не сложен. В пласте бурится скважина, которую оборудуют четырьмя колоннами труб, вставляемых одна в другую. Первую колонну опускают до верхней границы пласта и используют в качестве обсадной. Внутреннюю колонну доводят до его нижней границы, а третью и четвертую трубы углубляют в пласт почти до почвы. Перегретый пар закачивают под давлением 10—15 ат по межтрубному пространству между третьей и второй колонной труб. Через отверстия в трубах второй колонны он проникает в трещины породы. Под действием температуры сера выплавляется из серонасыщенного пласта и стекает к устью подъемной трубы. Горячий, сжатый до 70 ат воздух вспенивает серонасыщенную жидкость, и она поднимается по третьей колонне труб на поверхность.

Подобным способом США разрабатывают серные месторождения под дном Мексиканского залива. Так, в 1967 г. в этом районе было получено 7,1 млн. т серы, причем в общем количестве добытой серы в США на долю «подводной» приходится 15%. Месторождение в Мексиканском заливе приурочено к соляным куполам в меловых и третичных породах. Мощность перекрывающих пустых пород составляет 30 м, мощность рудной залежи колеблется в пределах от 510 до 750 м. Наиболее обогащен слой мощностью 66—140 м (примерно 15—30%). Разработки ведутся при глубине воды до 15,5 м. Месторождение вскрывается серией скважин, которые бурятся о оснований платформенного типа. С одной платформы проводят по 108 скважин. Все 180 платформ соединены между собой эстакадами.

На платформах размещаются тепловые электростанции, мастерские, вертолетные площадки, оборудование для подачи горячей воды и воздуха в скважины, помещения для обслуживающего персонала. Электростанции питаются газом из морских скважин, пробуренных вблизи места разработки. В последние годы на месторождении начали применять не стационарные, а самоподнимающиеся буровые основания. Выдвижные опоры длиной по 60 м поднимают платформы над поверхностью моря на 20—25 м. Это новшество позволяет не только вести с платформ разведочные и буровые работы, но и продолжать добычу при их перемещении на новые участки.

Расплавленная сера подается на берег по трубопроводу, уложенному по дну залива. Конструкция трубопровода состоит из трех концентрично расположенных одна в другой труб. По внутренней трубе (диаметр 152,4 мм) транспортируют расплавленную серу, закачиваемую в трубопровод при температуре 160° С, причем на изливе она снижается до 137,8°. Между второй и внутренней магистралью течет горячая вода, поддерживающая необходимый температурный режим во внутренней трубе. Вторая труба имеет изоляцию и небольшой зазор с внешней трубой, которая служит для предохранения магистрали от механических повреждений.

Параллельно основному трубопроводу проложено два става труб для возврата на рудник охлажденной воды и подачи технологической. Все части магистрали соединены между собой кожухам для создания общей опорной поверхности при прокладке системы в мягком илистом грунте дна залива. Магистраль заглублена в грунт на 1,5 м.

Платформы, соединенные между собой переходными мостиками, образуют единый стальной комплекс, вынесенный над поверхностью залива за зону воздействия наиболее высоких волн. Общая масса металлоконструкций превышает 10 тыс. т. Рудник обладает полной автономностью: на нем имеются склады со всем необходимым и резервуары для хранения серы на случай непредвиденных обстоятельств. Обслуживают этот морской комплекс 250 человек. Ежесуточно извлекается свыше 4 тыс. т. серы. Она обладает исключительной чистотой —до 99,9%, в ней отсутствуют многие вредные примеси, например селен, мышьяк и пр.

Метод растворения применяется в промышленных масштабах при разработке месторождений каменной соли, каолина и других подобных им полезных ископаемых. Растворителем для этих веществ служит вода, но физико-химическая сущность процессов различна: каменная соль полностью растворяется в воде, а каолин образует тонкодисперсную смесь. Выделение этих веществ из раствора происходит в обратном порядке — соль выпаривают, а каолин осаждают.

Добычу соли ведут через скважины, пробуренные к соляному пласту. В скважину вводят вначале обсадную трубу, а затем опускают необходимое количество концентрически расположенных одна относительно другой труб. Может быть использована только одна труба. В этом случае ее не доводят до нижнего забоя на 2—3 м. Вода, подаваемая под давлением либо по внутренней колонне труб, либо по межтрубному пространству, растворяет соль, которую затем в виде рассола откачивают на поверхность. По другому варианту добычу солевых растворов производят нагнетанием через скважины воды, растворяющей соль в пределах камеры заданных размеров. Для этой цели предусматривают дополнительный став трубопровода для подачи, например, нерастворителя-нефти, Нефть в размываемой камере всплывает наверх и предохраняет потолочину камеры от растворения, процесс идет лищь вниз и в стороны.

Себестоимость соли, извлекаемой через скважины подземным растворением, намного нише, чем в случае добычи ее шахтным методом. Ежегодно в мире подземным растворением добывают 25—30 млн. т соли.

Как известно, большинство веществ не обладают способностью легко растворяться в воде при обычной температуре. В то же время многие твердые минералы расплавляются даже при незначительном повышении температуры растворяющих веществ (например, асфальт, бура, озокерит плавятся при температуре 80—90″), Но большинство минералов, встречающихся в природе, не растворяется в обыкновенной воде даже при ее нагревании. Извлекать из недр их помогают методы выщелачивания.

В основе выщелачивания лежит способность многих минералов и металлов растворяться в растворах кислот, щелочей и нейтральных. Например, в качестве растворителей, выщелачивающих самородную медь, соли урана, применяют слабые растворы серной кислоты; для окислов цветных и редких металлов, таких, как молибден, сурьма, уран, — растворы соляной кислоты; для окислов вольфрама, бокситов — щелочные. Нейтральными растворами выщелачивают сульфиды серебра, меди, сурьмы, золота.

Исследования ученых показали, что процессы выщелачивания можно значительно ускорить с помощью бактерий. Так, скорость водного выщелачивания медных руд Дегтярского месторождения возрастает в 10 раз при наличии бактерий, составляющих естественную флору этого месторождения. Оказывается, кислота, синтезируемая этими бактериями, действует столь же эффективно, как и химически чистая серная кислота. В последние годы искусственное выщелачивание различных металлов и минералов с помощью бактерий применяется на ряде горных предприятий как в нашей стране, так и за рубежом.

Использование микробиологических методов открывает большие возможности в деле разработки морских месторождений. «Бактерии-горняки» извлекут из недр дна и «подготовят» к подъему ценные металлы в таких уголках Мирового океана, где технические возможности еще долгое время не позволят горнякам выполнять эти работы.

Успехи, достигнутые в технике морского бурения, опыт отработки полезных ископаемых через скважины, совершенствование методов выщелачивания и т. п. позволяют сказать, что в дальнейшем при выборе способов и приемов освоения месторождений морского дна одно из ведущих мест будет отдано скважинному методу.