Технология бурения эксплуатационных скважин при отработке месторождений урана методом подземного выщелачивания Лектор - доцент кафедры «Бурение скважин» Брылин Владимир Иванович

Введение По данным МАГАТЭ (JAEA, 3 may 2001) на начало 2001 г. в мире действовало 438 ядерных энергетических блоков; 33 страны в мире имеют ядерные реакторы. На долю АЭС приходится около 20% вырабатываемой электрической энергии в мире, в которой топливная составляющая в себестоимости 1 к Вт часа в 8 раз меньше по сравнению с лучшими показателями ТЭЦ. Мировое потребление урана, 64,59 тыс.т – в 2000 году, для нужд энергетики неуклонно растет и по прогнозу Уранового института составило 70,6 тыс. т – в 2010 году и планируется 73,74 тыс.т – в 2020 году.

Основными потребителями урана являются: США (104 реактора) – 19 тыс. т или 30,26 % мирового потребления в 1998 году; Франция (58 реакторов) – 7,47 тыс. т или 11,9 %. Подземное выщелачивание, возникшее как идея в 50-х годах в США, сегодня превратилось в признанный метод получения урана, конкурентоспособный по отношению к традиционному горно- химическому способу.

Доля урана, полученного этим способом, в общей добыче в США возрастает в 1988 г. до 30 %, в 1992 г. до 56 %, а в 1994 г., несмотря на неблагоприятные условия уранового рынка, в США было добыто 3,4 млн. ф. U3O8, в том числе, методом подземного скважинного выщелачивания 2,38 млн. ф., т.е. 69 %.

В течение ряда лет ведущими странами в освоении и промышленной эксплуатации урановых руд способом подземного выщелачивания остаются США и страны СНГ, среди которых ведущая роль по объемам производства принадлежит Казахстану и Узбекистану. По достоверно разведанным запасам урана Казахстан занимает одно из ведущих мест в мире, причем 75,3 % из них относятся к пластово-инфильтрационному типу, пригодному для отработки способом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ).

Начиная с 1998 года, практически весь уран, произведенный в Казахстане, был добыт методом ПСВ.

Цель данного курса - расширение области знаний специалистов разного профиля по бурению скважин различного технологического назначения. Мы обобщим теоретический и практический материал по сооружению геотехнологических (эксплуатационных) скважин для подземного выщелачивания урана.

ЛИТЕРАТУРА 1. Бурение разведочных скважин / учеб. для вузов / Соловьев Н.В., Брылин В.И., Храменков В.Г. и др. / под общ. ред. Н.В. Соловьева. – М.: Высш. шк., – 904 с. 2. Брылин В.И. Технология бурения и оборудование эксплуатационных скважин при отработке месторождений урана методом подземного выщелачивания: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, – 210 с.

3. Геотехнология урана на месторождениях Казахстана / Язиков В.Г., Забазнов В.Л. Петров Н.Н., Рогов Е.И., Рогов А.Е. – Алматы, – 444 с. 4. Технология и техника сооружения геотехнологических скважин при подземном выщелачивании урана/ Сушко С.М., Дауренбеков С.Д., Бегун А.Д., Касенов А.К., Федоров Б.В.-Алматы: Изд. АО НАК «Казатомпром», ТОО «Институт высоких технологий», с.

5. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учеб. пособ. – М.: МГГУ, – 656 с. 6. Бурение и оборудование геотехнологических скважин/Сергиенко И.А., Мосев А. Ф., Бочко Э. А.,Пименов М. К.- М.: Недра, с. 7. Мамилов В.А., Петров Р. П. Добыча урана методом подземного выщелачивания. – М.: Атомиздат, – 248 с.

В последнее время для добычи многих твердых полезных ископаемых начинают применять различные бесшахтные (геотехнологические) методы добычи с использованием буровых скважин. Они позволяют упростить и удешевить добычу, производить отработку бедных месторождений, а также месторождений, характеризующие сложными условиями залегания. Вскрытие рудной залежи осуществляют буровыми скважинами, которые предлагается называть геотехнологическими.

С давних времен известна добыча каменной соли через буровые скважины. Большие успехи достигнуты при добыче самородной меди методом подземной выплавки. В стадии освоения находится метод скважинной гидродобычи, позволяющий с высокой эффективное осуществлять разработку полезных ископаемых, залегающих на различных глубинах. Проведены большие работы по разработке и внедрению в промышленных масштабах добычи урана методом подземного выщелачивания.

Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых позволяют: снизить в некоторых случаях в 24 раза капитальные затраты на строительство предприятий, повысить производительность труда по конечной продукции, сократить численность работающих, применение этих методов способствует значительному улучшению условий труда и уменьшению отрицательного воздействия на окружающую среду.

Информация по урану Мировые запасы урана стоимостной категории менее 80 дол/кг служат основой для текущей и перспективной добычи. На г. они составляли 4456,4 тыс. т, или около 80 % суммарных запасов.

36 % пригодны для отработки подземным горным способом; 20 % запасов связаны с комплексными месторождениями, где возможна попутная добыча урана; 19 % пригодны для добычи открытым горным способом (карьеры); 15 % – для добычи методом скважинного подземного выщелачивания. Мировые запасы урана по способам их возможной добычи распределились следующим образом:

Возросшая себестоимость товарной продукции при традиционных системах горно-шахтной разработки сделала добычу бедных руд убыточной, стало выгодно отрабатывать только богатые руды. Если идти по этому пути, то в категорию некондиционных отойдут большая часть рядовых и все бедные руды, в результате запасы балансовых руд уменьшатся в 9 раз и соответственно сократится срок работы предприятий. Безусловно, такой подход недопустим, поэтому принято в мире альтернативное решение, основанное на широком применении горно- химической технологии – СПВ!

Глава Минприроды Юрий Трутнев (2010 г.) "Нельзя планировать строительство массы АЭС, когда уран берется со складских запасов или покупается за рубежом",-- говорит господин Трутнев. Программа (до 2020 г.) предусматривает расширение существующих регионов добычи урана, введение новых площадей и возможное освоение ряда перспективных площадей на Чукотке, в Карелии, на границе Красноярского края и Иркутской области и других. Новые регионы будут затронуты и при увеличении финансирования разведки урана. В России.

В геологические исследования до 2020 года предлагается вложить около 540 млрд руб. бюджетных средств. Это в 2 раза больше чем было запланировано в 2005 г. Удвоятся и утроятся вложения в такие сектора, как черные, цветные и благородные металлы, уран и неметаллы.

Основные регионы геологоразведки запасов урана и золота

Существующие источники энергии – уголь, газ, нефть – постепенно истощаются. На смену им приходит энергия атома. Основным сырьем становится уран, извлекаемый из руд. Природные ресурсы урана также небезграничны и поэтому более полное их использование весьма актуально.

Методы добычи урана через горные выработки ограничены, так как современная техника не позволяет рентабельно вовлекать в эксплуатацию: бедные руды, руды, залегающие на значительных глубинах, руды, залегающие в сложных горно- геологических условиях.

Подземное выщелачивание (ПВ) через пробуренные скважины химическими реагентами открывает широкие возможности для комплексного использования урановых руд, что позволит рентабельнее использовать более бедные руды.

Преимущества метода подземного выщелачивания 1. Исключаются дорогостоящие операции: выемки руды из шахт, дополнительного ее дробления и измельчения, хранения радиоактивных рудных отвалов. 2. Резко улучшаются условия труда. 3. Обеспечивается более полное использование недр. 4. Сводятся к минимуму потери урана при добыче и переработке, извлекается металл из забалансовых руд.

Метод подземного выщелачивания занимает важное место в охране окружающей среды, так как при его использовании поверхность земли и воздушный бассейн почти не загрязняются. Переработка радиоактивной руды на месте ее залегания исключает загрязнение окружающей среды долгоживущими естественными радиоактивными элементами. При подземном выщелачивании снижается стоимость урана и более полно используется урансодержащее сырье.

Общие сведения о геотехнологическом методе добычи урана- скважинном подземном выщелачивании

Сущность подземного выщелачивания полезных ископаемых : Через скважины, пробуренные с поверхности, в пласт полезного ископаемого нагнетается химический реагент, способный переводить минералы полезного ископаемого (урана) в растворимую форму. Происходит избирательный перевод полезного компонента в жидкую фазу путем управляемого движения растворителя по руде в естественном залегании

Раствор, насыщенный металлом, пройдя часть рудного пласта, через другие скважины поднимается на поверхность и далее по трубопроводу транспортируется к установкам для переработки

Рис Принципиальная технологическая схема подземного выщелачивания Принципиальная технологическая схема подземного выщелачивания

Главная цель подземного выщелачивания (ПВ): наиболее полное и селективное растворение урановых минералов; извлечение растворенного урана с места залегания руды.

Для выщелачивания урана из пласта обычно используют водные растворы (2-10%): кислот или солей карбонатов щелочных металлов. При подземном выщелачивании выбор растворителя обусловливается вещественным составом рудных залежей и вмещающих их пород. При кислотном выщелачивании окисленных минералов уран переходит в раствор в виде уранил-иона: UO 2 +H 2 SO 4 =UO 2 SO 4 +H 2 O

Наиболее дешевым растворителем является серная кислота; стоимость других выщелачивающих уран реагентов (% к стоимости серной кислоты) характеризуется следующими показателями: H 2 SO 4 – 100, HNO 3 – 215, НСl – 238, (NH 4 ) 2 CO 3 – 300

Кислотный способ выщелачивания дает более высокое извлечение урана по сравнению с карбонатным способом, но имеет ряд существенных недостатков: сравнительно высокую агрессивность, что приводит к растворению помимо урана других компонентов руды, пустых пород и обусловливает повышенный расход кислоты; невозможность применения способа для отработки рудных тел, в которых содержится более 2 % карбонатов (по СО 2 ); необходимость использования в качестве конструкционных материалов при обсадке скважины на большие глубины труб из специальных дорогостоящих материалов (нержавеющая сталь, армированный полиэтилен и др.)

Тема 1. Системы разработки урановых месторождении

Системы разработки – это совокупность вскрывающих и подготовительных выработок, определенный порядок их проведения и эксплуатации, увязанный во времени и пространстве с управляемым химико- технологическим процессом перевода металла из руды в раствор. Виды систем: шахтные,.... бесшахтные (скважинные),. комбинированные,. карьерные. Карьерные- с предварительным вскрытием рудных пластов, измельчением и перемещением руд для выщелачивания на перерабатывающем комплексе.

Шахты Долгое время шахтный метод добычи урановой руды был основным. Урановые шахты принципиально не отличаются от других типов шахт, разве что более сильной вентиляцией и повышенной степенью охраны труда. На руднике урановую руду извлекают из горного массива буро-взрывным способом и разрушенную породу поднимают на поверхность.

Рудник «Глубокий» "Приаргунское производственное горно- химическое объединение" Горизонт Глубокий на ОАО ППГХО – 600 м под землей Погрузо-доставочная машина на ОАО ППГХО

Карьеры Довольно часто (особенно в прошлом) уран добывали открытым способом в карьерах. Примером может служить рудник Актау (Казахстан). Карьер размером 17 на 3 км обеспечивал его производительность 650 тонн урана в год. Такие карьеры наносят существенный урон окружающей среде – их рекультивация практически невозможна.

Урановый карьер

Ф.2

Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания (ПВ) урана из руд с естественной проницаемостью.

Схема добычи урана методом подземного скважинного выщелачивания

Комбинированные системы из элементов бесшахтных (скважинных) и шахтных систем подземного выщелачивания

Опытно-промышленный участок подземного выщелачивания рудника «Глубокий» ОФО ППГХО

Классификация систем разработки месторождений урана методом подземного выщелачивания Класс Наименование класса Наименование группы 1 Шахтные системы подземного выщелачивания металла в блоках из руд с естественной проницаемостью из отбитых руд С различным расположением дренажных горных выработок и различными режимами выщелачивания Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания металла из руд с естественной проницаемостью С площадным (ячеистым) расположением скважин и фильтрационным режимом 2 С линейным расположением технологических скважин и фильтрационным режимом С противофильтрационными завесами, с различным расположением скважин и режимами выщелачивания 3Комбинированные системы из элементов бесшахтных (скважинных) и шахтных систем подземного выщелачивания С закачкой растворов по скважинам с поверхности, приемом их в горные выработки и различными режимами выщелачивания

Процесс подготовки месторождений к отработке методом ПВ через скважины с поверхности включает, кроме бурения и обвязки скважин поверхностными коммуникациями, оснащение узлов рабочим (технологическим и контрольно- измерительным) оборудованием и приборами. Далее будем рассматривать вопросы ПВ в основном через скважины с дневной поверхности.

Подготовка рудных залежей к выщелачиванию включает также создание временных гидрозавес для ограничения движения или направления растворов. В ряде случаев требуется расчленение рудовмещающих пород гидроразрывом.

По условиям движения растворов в продуктивных пластах главной при ПВ. является фильтрационная схема. Она основана на использовании постоянного потока растворов реагента, заполняющего все трещины и поры рудоносного массива за счет разности напоров у закачных и откачных скважин.

Основными учетными единицами в структуре скважинных систем разработки гидрогенных урановых месторождений методом ПВ являются: элементарный ряд (ячейка), эксплуатационный блок эксплуатационный участок.

1. Элементарная ячейка Это-часть продуктивной толщи, запасы которой отрабатываются одной откачной скважиной. Ячейка пространственно ограничивается контурами, которые в максимальной степени должны быть приближены к различным гидродинамическим границам - водоупорам, контурам закачных скважин с тем, чтобы ячейка функционировала по возможности В гидродинамическом замкнутом режиме, то есть при отсутствии растекания технологических растворов за контур ячейки и разбавлении их законтурными водами.

2. Эксплуатационный блок ПВ распределением запасов, геохимическим строением и вещественным составом руд и рудовмещающих пород, одновременно вводимых в эксплуатацию и отрабатываемых в едином геотехнологическом режиме. Это часть продуктивной толщи, включающая группу смежных элементарных ячеек, характеризующихся по возможности однородными:

Перечисленные условия необходимы для обеспечения возможности управления процессом ПВ и максимально достижимой синхронности отработки запасов эксплуатационного блока. Число объединяемых в блок элементарных ячеек определяют, исходя из отмеченных выше геолого-гидрогеологических условий и сроков подготовки и отработки запасов.

3. Эксплуатационный участок Участком является группа смежных эксплуатационных блоков, имеющая самостоятельные систему коммуникаций и установки контроля и управления геотехнологическим режимом процесса ПВ. Размеры участка (число объединенных эксплуатационных блоков) определяются как морфологическими структурными и тектоническими особенностями рудной залежи (или ее части), так и другими техническими и организационными факторами.

4. В практике проектирования предприятий ПВ принято объединять ряд эксплуатационных участков в эксплуатационные поля, которые привязываются обычно к единой технологической установке (перерабатывающему комплексу).

Отработка запасов в эксплуатационных блоках ПВ осуществляется в три этапа. Два являются : - подготовительным - заключительным Третий-собственно технологическим.

На этих этапах производятся: 1)вскрытие запасов, т е. бурение и освоение скважин, обвязка их технологическими коммуникациями и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой; 2)ведение технологического процесса в недрах;

Технологический этап отработки запасов методом ПВ с учетом современного уровня представлений о физико- химических условиях процесса и технико-экономических особенностей его осуществления принято делить на три стадии:

1)закисление рудной залежи. т. е подготовка рудовмещающего водоносного горизонта к формированию и движению в нем потока продуктивных растворов, 2)активное выщелачивание урана, т. е. формирование и извлечение из блока кондиционных продуктивных растворов, 3) довышелачивание («отмывка») урана, т. е. по существу вытеснение остаточных (после прекращения активной стадии выщелачивания) урансодержащих кондиционных растворов пластовыми водами или бедными (маточными) растворами.

3)ликвидация отработанных блоков, т. е. восстановление первоначального состояния рудовмещающего водоносного горизонта в пределах блока и поверхности земли.

Бесшахтные (скважинные) системы подземного выщелачивания металла из руд с естественной проницаемостью

В зависимости от схемы движения растворов и схем расположения технологических скважин в этом классе систем ПВ выделяются три группы. С площадным (ячеистым) расположением скважин и фильтрационным режимом С линейным расположением технологических скважин и фильтрационным режимом С противофильтрационными завесами для ограничения растекания выщелачивающего реагент, с различным расположением скважин.

Площадные (ячеистые) системы расположения скважин обычно применяют для разработки залежей, приуроченных к осадочным слоистым неоднородным рудам в условиях относительно низкой водопроницаемости руд (коэффициент фильтрации Кф до 0,1–1,0 м/сут). Эти системы представляют собой равномерное чередование на площади залежи откачных и закачных скважин, образующих между собой ячейки (треугольные, квадратные, гексагональные и др.) с небольшими межскважинными расстояниями (8–20 м).

1 – скважины откачные; 2 – скважины закачные; 3 – контур рудной залежи Ячеистые системы расположения скважин а – гексагональная ячейка; б – треугольная ячейка;

Линейные системы расположения скважин Состоят из последовательно чередующихся на площади залежей рядов откачных и закачных скважин. В зависимости от фильтрационных свойств (Кф > 1,0 м/сут) и однородности рудного массива расстояние между рядами и скважинами в ряду колеблются в широких пределах (15–50 м и более). Добычная ячейка обычно состоит из двух (шести) закачных и одной откачной скважины, принадлежащих к трем последовательно расположенным рядам

Линейные системы расположения скважин 1–добычная ячейка; 2–блокирующая скважина

Системы разработки с использованием противо–фильтрационных завес При отработке небольших рудных залежей шириной до 50 м для ограничения растекания рабочих растворов за пределы рудной залежи могут быть использованы вертикальные гидрозавесы путем бурения специальных барражных скважин.

Скважины: 1, 5 – для механической завесы;. 2, 4 – для химической завесы;. 3 – для разработки рудной залежи а – рудная залежь; б – механическая. завеса; в – химическая.... завеса; Системы разработки с использованием противо– фильтрационных завес

Внешние ряды скважин (1, 5) служат для создания механического барьера. Для этого в эти ряды скважин нагнетается твердеющий материал (цемент, синтетические смолы и др.). Нагнетанием в скважины внутренних рядов (2, 4) веществ, которые затвердевают после взаимодействия друг с другом и пластовой водой, создается химический барьер. Для уменьшения утечки рабочего раствора на некотором расстоянии от рудного тела вверх и вниз по потоку подземных вод разбуривается по два ряда скважин.

Химические барьеры могут быть образованы и вокруг всей рудной залежи; они будут препятствовать растеканию рабочих растворов за контуры отработки, а также – разубоживанию продуктивных растворов законтурными пластовыми водами.

В случае большой мощности рудовмещающего горизонта, а также отсутствия нижнего или верхнего водоупора возникает необходимость создания горизонтальных гидрозавес или водоупоров с применением гидроразрыва пород. Разработана методика создания искусственных непроницаемых водоупоров из глиноцементной смеси или твердеющих синтетических смол, закачиваемых после гидроразрыва пород с целью создания пропластков.

1 – продуктивная часть пласта; 2 –непродуктивная часть пласта; 3 - трещина; 4 – отверстия; 5 - пакер; 6 – подающие водо – песчаные трубы; 7 - обсадная колонна (стенки скважины); 8 - устьевое оборудование; 9 – жидкость разрыва; 10 жидкость-песконоситель; 11 - манометр Схема отделения продуктивного горизонта гидроразывом пласта

Системы разработки месторождений методом ПВ с созданием гидрозавес и гидроразрыва пород отличаются трудоемкостью и повышенными затратами, но эффект от создания таких экранов, предотвращающих растекание рабочих растворов эксплуатационных блоков, объясняет проводимые поиски способов их создания. Для гидроразрыва, приготовления и закачивания растворов чаще всего применяются специальные устройства- цементировочные агрегаты или инъекционные комплексы.

Комплекс инъекционный«Мини» Комплекс инъекционный "Мини" предназначен для приготовления и нагнетания под давлением цементного или цементно- глинистого раствора для заполнение сформированных трещин. Технические характеристики максимальное давление 10 МПа, объем бака смесителя 200 л, объем бака накопителя 500 л производительность 5-8 м 3 /ч

Насос инъекционный Гидравлическая схема насоса позволяет плавно регулировать расход цементного (бентонитового) раствора, а также давление нагнетания. Привод: электрический 5,5 к Вт, либо пневматический (макс. давление в пневмосистеме 1,0 МПа, расход воздуха 10 м 3/мин.) Масса насоса 370 кг Компания ССТ-специальная строительная техника Россия, г. Москва, 1-Магистральный тупик, д. 5 а, БЦ "Magistral Plaza" , Россия, г. Пермь, Комсомольский пр., 34, офис 113