Способ скважинной комплексной разработки металлоугольного пласта

СПОСОБ СКВАЖИННОЙ КОМПЛЕКСНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕТАЛЛОУГОЛЬНОГО ПЛАСТА Изобретение относится к области горного дела и посвящено проблеме бесшахтной (скважинной) разработки металлоугольных пластов. Технический результат - повышение глубины переработки минерального сырья путем получения не только горючего газа, но и редких (ценных) металлов за счет упрощения технологии их добычи - извлечение технологией, совмещенной с технологией подземной газификации угля. Способ проводят в две последовательные стадии. В первой стадии газифицируют уголь подземной газификацией металлоугольного пласта на месте его пластового залегания. Во второй стадии извлекают сопутствующий углю в пласте металл путем выщелачивания последнего растворителем из оставшегося после газификации угля слоя золы и шлаков. Подземную газификацию металлоугольного пласта осуществляют с помощью вертикально-горизонтальных дутьевых и газоотводящих скважин,вертикально-горизонтальной поперечной скважины, вертикальных розжиговых, водоотливных и дренажных скважин. Выщелачивают металл, используя стволы вертикальных скважин и вертикально-горизонтальных дутьевых скважин для нагнетания растворителя. Стволы вертикально-горизонтальных газоотводящих скважин используют для отвода на земную поверхность раствора растворителя и сопутствующего углю в пласте металла. Крейнин Ефим Вульфович, Цыплухин Кирилл Петрович (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ ПРОМГАЗ" (RU) 017460 Изобретение относится к области горного дела и посвящено проблеме бесшахтной (скважинной) разработки металлоугольных пластов. Известна технология подземной газификации углей (ПГУ), основанная на бурении на угольный пласт серии вертикально-горизонтальных дутьевых и газоотводящих скважин, предназначенных соответственно для подвода к реакционной угольной поверхности воздушного дутья и для отвода продуктов газификации угля, а также вертикальных розжиговых, водоотливных и дренажных скважин, соответственно, для розжига угольного пласта и для ограничения притока подземных вод в подземный газогенератор [RU 2358102, 2009; RU 2358101, 2009]. Несмотря на новизну и полезность этих последних технических решений в области ПГУ, они не учитывают особенностей металлоугольных пластов и необходимость переработки не только угля, но и извлечения содержащегося в угольном пласте металла. Известна также технология извлечения металла из горного массива с помощью скважин, пробуренных с поверхности на металлосодержащие горные породы. Эта геотехнология представляет собой способ растворения металла специальными химическими реагентами, нагнетаемыми через поверхностные скважины [Кратков В.В., Лобанов Д.П., Нестеров Ю.В., Абдульманов И.Г. Горнохимическая геотехнология добычи урана. - М.: "Геос", 2001; Фазлуллин М.И. Подземное выщелачивание урана. - М.: "Руда и металлы", 2007]. Недостатком этих прогрессивных технических геотехнологических решений является отсутствие предложений по комбинированной отработке пласта, содержащего уголь и сопутствующий металл. Технической задачей является создание технологического регламента комплексной разработки металлоугольной залежи с использованием одних и тех же поверхностных скважин. При этом такой регламент должен быть малозатратным и должен обеспечить максимальное извлечение компонентов минерального сырья. Технический результат, который может быть получен в результате решения поставленной технической задачи, - это повышение глубины переработки минерального сырья (металлосодержащего угольного пласта) путем получения не только горючего газа, но и редких (ценных) металлов за счет упрощения технологии их добычи - извлечение технологией, совмещенной с технологией подземной газификации угля. Поставленная проблема в виде технической задачи решается с получением технического результата тем, что в способе скважинной комплексной разработки металлоугольного пласта, заключающемся в проведении двух последовательных стадий, в первой из которых газифицируют уголь подземной газификацией металлоугольного пласта на месте его пластового залегания, а во второй - извлекают сопутствующий углю в пласте металл путем выщелачивания последнего растворителем из оставшегося после газификации угля слоя золы и шлаков, при этом в первой стадии подземную газификацию металлоугольного пласта осуществляют с помощью вертикально-горизонтальных дутьевых и газоотводящих скважин,предназначенных, соответственно, для подвода окислителя к раскаленной угольной поверхности и отвода образовавшегося горючего газа на земную поверхность, вертикально-горизонтальной поперечной скважины, предназначенной для образования первоначального канала розжига, вертикальных розжиговых, водоотливных и дренажных скважин, предназначенных соответственно для розжига металлоугольного пласта и для ограничения притока подземных вод к зонам газификации металлоугольного пласта в подземном газогенераторе, во второй стадии выщелачивают металл, используя стволы вертикальных скважин и вертикально-горизонтальных дутьевых скважин для нагнетания растворителя, а стволы вертикально-горизонтальных газоотводящих скважин - для отвода на земную поверхность раствора растворителя и сопутствующего углю в пласте металла. Способствует достижению технического результата то, что в конкретном случае вертикальногоризонтальные дутьевые скважины обсаживают на всю длину, а вертикально-горизонтальные газоотводящие скважины - до входа в металлоугольный пласт. Горизонтальные части вертикально-горизонтальных дутьевых скважин выполняют двухствольными, один из стволов - верхний по металлоугольному пласту, другой - нижний по породам почвы пласта,верхний ствол используют в стадии газификации угля при перекрытом нижнем стволе, а нижний ствол после его открытия - в стадии выщелачивания металла. При этом в нижнем стволе создают перфорации в заданных местах по егодлине, а после завершения стадии газификации угля последовательно, начиная от забоя, осуществляют через упомянутые перфорации гидравлический разрыв пород и промывку водой созданой гидравлическим разрывом щели между нижним стволом и выгазованным объемом подземного газогенератора. Обычно вертикальные водоотливные и дренажные скважины размещают по периферии подземного газогенератора. Вертикальные водоотливные скважины бурят ниже расположения горизонтальной части вертикально-горизонтальной поперечной скважины и до начала стадии газификации угля соединяют с выгазовываемым объемом подземного газогенератора через упомянутую вертикально-горизонтальную поперечную скважину методом гидравлического разрыва пород. Участки стволов вертикальных дренажных скважин перфорируют в водоносные горизонты породной толщи, покрывающей подземный газогенератор, а до начала стадии выщелачивания металла герметизируют созданные перфорированные участки стволов дренажных скважин и соединяют дренажные скважины с выгазовыванным объемом отрабо-1 017460 танного подземного газогенератора методом гидравлического разрыва металлоугольного пласта. Герметизацию перфорированных участков стволов дренажных скважин осуществляют путем опускания в их стволы внутренних ставов труб с последующим цементированием образовавшегося кольцевого зазора. Как правило, в первой стадии комплексной разработки металлоугольного пласта рассчитывают запасы сопутствующего углю в пласте металла в границах подземного газогенератора, а во второй стадии осуществляют измерение концентрации металла в извлекаемом растворе, преимущественно насыщенном сопутствующим углю в пласте металлом и при резком ее снижении судят об исчерпании рассчитанных запасов сопутствующего углю в пласте металла в границах подземного газогенератора, после чего прекращают вторую стадию. Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с известными показывает, что заявленный способ в предложенной совокупности существенных признаков формулируется впервые и придает проблеме комплексного освоения металлоугольных пластов конкретный характер в виде последовательного осуществления стадий газификации угля и выщелачивания металла, а также используемых конструкций скважин, т.е. является новым. Заявляемый способ соответствует также изобретательскому уровню, т.к. совокупность его существенных признаков позволяет эффективно осуществить комбинированную отработку металлоугольного пласта, чего в известных решениях применительно к такому пласту не было выявлено в уровне техники. Промышленная применимость заявляемого способа подтверждается примером его осуществления. На фиг. 1 приведена принципиальная схема подземного газогенератора на горизонтальном металлоугольном пласте (план); на фиг. 2 приведен поперечный разрез по вертикально-горизонтальной дутьевой скважине с двуствольной горизонтальной частью (с двумя буровыми стволами: верхний - по пласту угля для подачи окислительного дутья на стадии газификации, нижний - по породам почвы пласта для подачи растворителя на стадии выщелачивания металла). В общем случае способ реализуют следующим образом. На первой стадии осуществляют подземную газификацию металлоугольного пласта на месте его пластового залегания с помощью сооруженных вертикально-горизонтальных дутьевых и газоотводящих скважин 1, 2, предназначенных, соответственно, для подвода окислителя к раскаленной угольной поверхности и отвода образовавшегося горючего газа на земную поверхность. Вертикально-горизонтальная поперечная скважина 3 соединяет в забойной части скважины 1, 2 и предназначена для образования первоначального канала розжига. Скважины 1, 2 имеют обсаженные (породные) участки 4, 5, вынесенные за пределы зоны активного сдвижения покрывающей толщи. Розжиг металлоугольного пласта производят с помощью вертикальной розжиговой скважины 6, размещенной в районе забоев крайних скважин 1, 2. Вертикальные водоотливные и дренажные скважины 7, 8 предназначены для ограничения притока подземных вод к зонам газификации металлоугольного пласта в подземном газогенераторе. Затем приступают ко второй стадии скважинной комплексной разработки металлоугольного пласта: извлекают сопутствующий углю в пласте металл путем выщелачивания последнего растворителем из оставшегося после газификации угля слоя золы и шлаков. При этом используют стволы вертикальных скважин 6, 7, 8 и вертикально-горизонтальных дутьевых скважин 1 для нагнетания растворителя, а стволы вертикально-горизонтальных газоотводящих скважин 2 - для отвода на земную поверхность раствора(преимущественно насыщенного) растворителя и сопутствующего углю в пласте металла. В качестве примера реализации предлагаемого изобретения в конкретном случае рассмотрим комбинированную отработку ураноугольного пласта. Первая стадия способа заключается в газификации угля в границах подземного газогенератора (фиг. 1). Процесс подземной газификации угля осуществляется путем подачи воздушного дутья (возможно нагнетание в качестве окислителя технического кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) в дутьевые скважины 1 и отвода образовавшегося горючего газа из газоотводящих скважин 2. В забойной части скважины 1, 2 соединены вертикально-горизонтальной поперечной скважиной 3. Обсаженные (породные) участки 4, 5 вертикально-горизонтальных скважин 1 и 2 выносят за пределы зоны активного сдвижения покрывающей толщи. Розжиг ураноугольного пласта осуществляют через вертикальную скважину 6, размещенную в районе забоев крайних скважин 1 и 2. Бурят специальные водоотливные вертикальные скважины 7 для водоотлива непосредственно из подземного газогенератора и соединяют их с вертикально-горизонтальной поперечной скважиной 3 методом гидравлического разрыва ураноугольного пласта. По периферии подземного газогенератора в конкретном случае пробурено шесть вертикальных дренажных скважин 8, перфорированных по длине в водоносные горизонты покрывающей толщи. Используя все эти скважины, отработку ураноугольного пласта осуществляют в две стадии. В первой из них переводят уголь в горючий газ, подвергая его газификации путем нагнетания окислителя(воздуха) в дутьевые скважины 1, обсаженные по ураноугольному пласту на всю длину. При этом полученный горючий газ отводят из соседних газоотводящих скважин 2, обсаженных только до входа в ураноугольный пласт. По мере выгазования угля точка подвода воздуха по дутьевым скважинам 1 переносится по направ-2 017460 лению от поперечной скважины 3 (первоначального канала розжига) к границе подземного газогенератора (места входа обсадки газоотводящих скважин 1 в ураноугольный пласт). В процессе газификации угля содержащийся в нем металл (уран) переходит в золу и шлаки, вследствие чего его концентрация в них возрастает. В случае необходимости возможно охлаждение затухающей реакционной угольной поверхности путем нагнетания азота в скважины 1 и 2. После этого переходят ко второй стадии отработки ураноугольного пласта, т.е. выщелачиванию урана из зольно-шлакового остатка. Предварительно желательно максимально понизить уровень подземных вод в выгазованном пространстве подземного газогенератора. С этой целью используют вертикальные водоотливные и дренажные скважины 7 и 8, размещенные по периферии подземного газогенератора и выполняющие функцию водопонизительных, создают депрессионную гидродинамическую воронку на участке подземного газогенератора, снижая поступление подземных вод в его выгазованное пространство. Для повышения полноты извлечения урана из зольно-шлакового остатка дутьевые вертикальногоризонтальные скважины 1 еще на стадии бурения выполняют двухствольными (фиг. 2). Верхний ствол 9 проходят по углю (ураноугольному пласту), а нижний - по породам его почвы. Оба ствола обсаживают на всю длину. При этом расстояние между стволами 9 и 10 желательно должно быть больше глубины прогрева пород почвы ураноугольного пласта при газификации угля. По экспериментальным данным(при вскрытии подземных газогенераторов) глубина прогрева почвы угольного пласта до 100 С не превышает 1-1,5 м. Еще в процессе сооружения подземного газогенератора в нижнем стволе 10 двуствольных горизонтальных частей вертикально-горизонтальных дутьевых скважин 1 создают перфорации 11 в заданных местах по его длине, после чего их (стволы 9, 10) изолируют друг от друга путем установки, например,цементной пробки (не показана), а после завершения стадии газификации угля последовательно, начиная от забоя, осуществляют через упомянутые перфорации 11 гидравлический разрыв пород и промывку водой созданой гидравлическим разрывом щели между нижним стволом 10 скважины 1 и выгазованным объемом подземного газогенератора. Используя пакерное устройство, перфорации соединяют с выгазованным объемом отработанного газогенератора последовательно от забоя ствола 10 до границы входа вертикально-горизонтальных скважин 1 в ураноугольный пласт. Границы зоны выгазования металлоугольного пласта и линия входа направленных скважин в металлоугольный пласт обозначены поз. 12 (см. фиг. 1). Граница зоны активного сдвижения покрывающей толщи обозначена поз.13 (см. также фиг. 1). Также изначально при сооружении подземного газогенератора вертикальные водоотливные скважины 7 (например, в количестве двух) бурят ниже расположения горизонтальной части вертикальногоризонтальной поперечной скважины 3 и до начала стадии газификации угля соединяют с выгазовываемым объемом подземного газогенератора через упомянутую вертикально-горизонтальную поперечную скважину 3 методом гидравлического разрыва ураноугольного пласта. Вертикальные дренажные скважины 8 (в нашем случае в количестве шести) располагают по боковым сторонам подземного газогенератора. При этом в первой стадии газификации угля дренажные скважины 8 служат для осушения верхней толщи горных пород, а во второй стадии выщелачивания урана для нагнетания растворителя в отработанное пространство подземного газогенератора. Поэтому дренажные скважины 8 перед началом стадии выщелачивания подвергают модернизации, заключающейся в их герметизации. С этой целью в скважину 8 опускают внутренний став труб, цементируют образовавшийся кольцевой зазор (между опущенной внутренней трубой и перфорированной трубой дренажной скважины 8). После этого модернизированные дренажные скважины 8 соединяют с выгазованным пространством отработанного подземного газогенератора, применяя гидравлический разрыв ураноугольного пласта. В стадии выщелачивания металла в вертикальные скважины 7, 8 и стволы 10 вертикальногоризонтальных скважин 1 нагнетают специальный растворитель (например, раствор H2SO4). При этом образовавшийся раствор металла в серной кислоте извлекают через скважины 2 (обсаженные их участки 5). В поверхностном перерабатывающем комплексе металл извлекают из раствора известными химическими способами. С целью полноты извлечения сопутствующего углю в пласте урана заранее (в первой стадии комплексной разработки ураноугольного пласта) рассчитывают его запасы в границах подземного газогенератора (выгазовываемого угля подземного газогенератора). Во второй стадии измеряют концентрации урана в извлекаемом растворе сопутствующего углю в пласте урана и, при резком (существенном) ее снижении, судят об исчерпании рассчитаных запасов сопутствующего углю в пласте урана в границах подземного газогенератора, после чего прекращают вторую стадию и приступают к подавлению экологических последствий обеих стадий комплексной разработки ураноугольного пласта. Предлагаемое техническое решение будет реализовано при комплексной отработке Кольджатского ураноугольного месторождения. Такая совмещенная технология апробируется впервые в мировой практике физико-химической геотехнологии. Ее успешная реализация позволит не только создать новое направление в физико-химической геотехнологии, но и вызовет коммерческий интерес в зарубежных странах.-3 017460 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ скважинной комплексной разработки металлоугольного пласта, заключающийся в проведении двух последовательных стадий, в первой из которых газифицируют уголь подземной газификацией металлоугольного пласта на месте его пластового залегания, а во второй - извлекают сопутствующий углю в пласте металл путем выщелачивания последнего растворителем из оставшегося после газификации угля слоя золы и шлаков, при этом в первой стадии подземную газификацию металлоугольного пласта осуществляют с помощью вертикально-горизонтальных дутьевых и газоотводящих скважин, предназначенных соответственно для подвода окислителя к раскаленной угольной поверхности и отвода образовавшегося горючего газа на земную поверхность, вертикально-горизонтальной поперечной скважины,предназначенной для образования первоначального канала розжига, вертикальных розжиговых, водоотливных и дренажных скважин, предназначенных соответственно для розжига металлоугольного пласта и для ограничения притока подземных вод к зонам газификации металлоугольного пласта в подземном газогенераторе, во второй стадии выщелачивают металл, используя стволы вертикальных скважин и вертикально-горизонтальных дутьевых скважин для нагнетания растворителя, а стволы вертикальногоризонтальных газоотводящих скважин - для отвода на земную поверхность раствора растворителя и сопутствующего углю в пласте металла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вертикально-горизонтальные дутьевые скважины обсаживают на всю длину, а вертикально-горизонтальные газоотводящие скважины - до входа в металлоугольный пласт. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что горизонтальные части вертикально-горизонтальных дутьевых скважин выполняют двухствольными, один из стволов - верхний по металлоугольному пласту, другой - нижний по породам почвы пласта, верхний ствол используют в стадии газификации угля при перекрытом нижнем стволе, а нижний ствол после его открытия - в стадии выщелачивания металла. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в нижнем стволе создают перфорации в заданных местах по его длине, а после завершения стадии газификации угля последовательно, начиная от забоя, осуществляют через упомянутые перфорации гидравлический разрыв пород и промывку водой созданой гидравлическим разрывом щели между нижним стволом и выгазованным объемом подземного газогенератора. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вертикальные водоотливные и дренажные скважины размещают по периферии подземного газогенератора. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что вертикальные водоотливные скважины бурят до глубины ниже расположения горизонтальной части вертикально-горизонтальной поперечной скважины и до начала стадии газификации угля соединяют с выгазовываемым объемом подземного газогенератора через упомянутую вертикально-горизонтальную поперечную скважину методом гидравлического разрыва угольного пласта. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что участки стволов вертикальных дренажных скважин перфорируют в водоносные горизонты породной толщи, покрывающей подземный газогенератор, а до начала стадии выщелачивания металла герметизируют созданные перфорированные участки стволов дренажных скважин и соединяют дренажные скважины с выгазовыванным объемом отработанного подземного газогенератора методом гидравлического разрыва угольного пласта. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что герметизацию перфорированных участков стволов дренажных скважин осуществляют путем опускания в их стволы внутренних ставов труб с последующим цементированием образовавшегося кольцевого зазора. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первой стадии комплексной разработки металлоугольного пласта рассчитывают запасы сопутствующего углю в пласте металла в границах подземного газогенератора, а во второй стадии осуществляют измерение концентрации металла в извлекаемом растворе сопутствующего углю в пласте металла и при резком ее снижении судят об исчерпании рассчитанных запасов сопутствующего углю в пласте металла в границах подземного газогенератора, после чего прекращают вторую стадию.