Способ односкважинного подземного выщелачивания рудных тел

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых подземным выщелачиванием. Способ включает раздельную закачку выщелачивающего раствора и окисляющего газа в скважину и откачку из нее продуктивного раствора. Новым является то, что рудный интервал скважины выполняют открыто сообщенным с рудным телом и раздельную закачку осуществляют в указанный интервал. 3 з.п.ф., 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых: цветных, редких, благородных и других металлов подземным выщелачиванием их руд.

Известен способ подземного выщелачивания (ПВ) рудных тел, включающий бурение, как минимум одной технологической скважины, оборудование ее фильтром в пределах вскрытого рудного интервала, проведение чередующихся закачек и откачек продуктивного раствора и переработку растворов с извлечением из них полезного компонента [1] Основными недостатками этого способа являются ограниченность использования его только для залежей 50 м; ему присуще свойство несбалансированности объемов закачиваемых и откачиваемых растворов с заметным превышением последних, что приводит к трудностям утилизации избыточно добываемых их количеств; потери металла за счет возникающего при этом способе переотложения металла за границы залежи; низкая эффективность отработки залежи при наличии фильтрационной неоднородности в рудном теле, особенно при большой его мощности; низкая скорость выщелачивания при слабой проницаемости рудных тел и расположении их в зонах преобладания восстановительной обстановки; невозможность использования способа в областях с распространением многолетней мерзлоты.

Известен также способ, взятый за прототип, включающий раздельную закачку выщелачивающего раствора и окисляющего газа в скважину и откачку из нее продуктивного раствора [2] Главными недостатками прототипа являются низкая скорость протекания окислительных процессов, большое количество разубоживающих растворов, трудности оборудования скважины гидроизолирующим материалом, невозможность использования в многолетнемерзлых вмещающих породах и др.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего интенсифицировать процесс ПВ при одновременном упрощении геотехнологической схемы его проведения и технического оснащения с соответствующим снижением затрат времени, энергии, материалов.

Решение этой задачи достигается в способе, сущность которого выражается в следующей совокупности и последовательности проведения операций. А именно в способе односкважинного ПВ рудных тел, включающего закачку в скважину выщелачивающего и откачку из нее продуктивного раствора, при этом согласно изобретению в призабойную часть скважины раздельно от выщелачивающего раствора по газоподающей колонне труб подают окисляющий газ, при этом интервал скважины в зоне рудного тела, оставляют открытым и сообщающимся с рудным телом.

При таком осуществлении способа окисляющий газ, в качестве которого может быть использован воздух, кислород или их смеси, поднимающийся из нижней части скважины навстречу закачиваемому в скважину выщелачивающему раствору препятствует продвижению этого раствора к нижней части скважины. Происходящее при этом одновременное растворение газа, в частности воздуха в выщелачивающем растворе насыщает его кислородом, обеспечивая этим протекание окислительных процессов при прохождении этого раствора через рудное тело. При подаче в скважину только воздуха или другого газа без подачи раствора появляются в рудном теле циркуляционные потоки раствора, замкнутые через скважину, т.е. в результате подачи воздуха в нижней ее части образуется зона пониженного давления и в верхней повышенного, под действием которых находящийся в скважине раствор движется из верхней части скважины через рудное тело к нижней и отсюда под действием потока воздуха к верхней оттуда опять в рудное тело и т.д.

При таком осуществлении способа окисляющий газ, в качестве которого может быть использован воздух, кислород или их смеси, поднимающийся из нижней части скважины навстречу закачиваемому в скважину выщелачивающему раствору, препятствует продвижению этого раствора к нижней части скважины и тем самым вызывает его движение в рудное тело через верхнюю часть скважины. Происходящее при этом одновременное растворение газа, в частности, воздуха в выщелачивающем растворе насыщает его кислородом, обеспечивая этим протекание окислительных процессов при прохождении этого раствора через рудное тело. При подаче в скважину только воздуха или другого газа без подачи раствора появляются в рудном теле циркуляционные потоки раствора, замкнутые через скважину, т.е. в результате подачи воздуха в нижней ее части образуется зона пониженного давления и в верхней повышенного, под действием которых находящийся в скважине раствор движется из верхней части скважины через рудное тело к нижней и отсюда под действием потока воздуха к верхней, оттуда опять в рудное тело и т.д.

Таким образом, раздельная подача воздуха и раствора в скважину определяет появление такого нового технического результата, как образование гидродинамической перемычки (в отличие от цементной по прототипу) между верхней и нижней частями скважины при одновременном насыщении выщелачивающего раствора окислителем. Кроме того, в этом случае появляется возможность многократного насыщения одной и той же порции раствора окислителем, что обеспечивает интенсификацию окислительных процессов в рудном теле, снижение разубоживания продуктивных растворов и повышение в них концентрации выщелачиваемого компонента. Появление же эффекта гидродинамической перемычки и использование для этого такого легкодоступного материала, как воздух, определяет упрощение геотехнологической схемы ПВ и технического ее оснащения с соответствующим снижением затрат и др.

Другим отличием заявляемого способа является то, что откачку продуктивного раствора из скважины ведут одновременно с закачкой в нее выщелачивающего раствора, причем откачку ведут из нижней части скважины с использованием раствороподъемной колонны труб, опущенной в скважину ниже колонны воздухоподающих труб.

Одновременное вместе с закачкой выщелачивающих растворов проведение откачки продуктивных растворов позволяет при прочих равных условиях усилить разность давлений между растворами, находящимися в верхней и нижней частях скважины, что вызывает увеличение скоростей движения раствора в рудном теле и соответственно увеличивает скорость выщелачивания полезного компонента из руд. Подаваемый и в этом случае воздух продолжает осуществлять роль источника окислителя для насыщения им рабочего раствора и фактора, способствующего образованию газогидродинамической перемычки в стволе скважины, разобщающей верхние выщелачивающие растворы от нижних продуктивных. Следует отметить, что высота перемычки является величиной управляемой, зависящей от величины дебита закачки-откачки растворов и соотношения этого дебита с дебитом подачи воздуха. Например, при постоянной подаче воздуха по мере уменьшения дебита закачки-откачки растворов расстояние по стволу скважины между участками ее, заполненными выщелачивающими и продуктивными растворами, увеличивается, т.е. путь фильтрации рабочих растворов в рудном теле прежде, чем они снова попадут в скважину уже в качестве продуктивных, также увеличивается и увеличивается расстояние зоны обработки растворами в рудном теле от скважины.

Таким образом, изменением соотношения дебита закачки-откачки растворов с дебитом подачи воздуха и их величинами предоставляется возможность управлять размерами газогидродинамической перемычки в стволе скважины и размерами зон выщелачивания в рудном теле.

Еще одним отличием заявляемого способа является то, что закачку выщелачивающего раствора в скважину ведут периодически, чередуя с периодами откачки из нее продуктивного раствора. Такое ведение процесса выщелачивания позволяет существенно упростить техническое оснащение скважины, так как в этом случае можно отказаться от раствороподъемной колонны труб в скважине, используя в качестве ее сам ствол скважины и имеющиеся в ней обсадные трубы. Это становится возможным в связи с тем, что во время откачки верхняя часть скважины не будет занята выщелачивающими растворами.

Ведение процесса с периодическими закачками и откачками растворов из скважины наиболее целесообразно проводить на заключительной стадии выщелачивания руд, когда вследствие уменьшения содержания полезного компонента в руде и нахождения его в труднодоступных для растворов частях вмещающей породы уменьшается скорость выщелачивания и скорость протекания окислительных процессов в руде. В этом случае для повышения эффективности выщелачивания необходимо увеличить время контакта раствора с рудой для повышения в нем концентрации полезного компонента. Проведение откачки в этот период очевидно даст малопродуктивные растворы, поэтому их следует проводить после накопления полезного компонента в растворах, находящихся как в стволе скважины, так и в рудном массиве.

Наконец, последним отличием способа является то, что для выщелачивания используется воздух, нагретый выше температуры рудного тела. Использование нагретого воздуха особенно целесообразно при проведении выщелачивания в областях распространения многолетней мерзлоты, захватывающей и рудные тела. В этом случае применение нагретого воздуха способствует не только повышению интенсивности окислительных процессов, но и наиболее эффективному проведению размораживания руд. Применение воздуха, как теплоносителя, обладает рядом преимуществ по отношению к обычно применяемому для этого нагретого выщелачивающего раствора: более простой технологической схемой нагревания; применением материалов в обычном, не коррозионностойком исполнении; отсутствием опасности замерзания теплопроводящих каналов и др.

Осуществление способа иллюстрируется чертежом, на котором видны: рудное тело 1; открытая часть ствола скважины 2 в рудном теле; воздухоподающая колонна труб 3; раствороподъемная колонна труб 4; безрудные породы 5; обсаженная часть скважины 6; поверхность земли 7; трубопровод 8 для подачи сжатого воздуха в скважину; трубопровод 9 для транспортировки продуктивных растворов, полученных из скважины; трубопровод 10 для подачи выщелачивающих растворов в скважину; трубопровод 11 для выпуска воздуха из скважины; линии тока 12 движения растворов в рудном теле и в скважине; воздушные пузыри 13; фильтровая часть 14 в раствороподъемной колонне 4.

Выполнение способа поясняется на следующем примере.

Известно месторождение медных руд, вмещающими породами которых являются окварцованные кварц-полевошпатовые песчаники со слабой трещинной проницаемостью, характеризуемой средним коэффициентом фильтрации 1,0 м/сутки. Основным рудообразующим минералом является халькозин, среднее содержание меди в руде 1,0 Рудное тело имеет мощность в среднем 100 м и располагается на глубине 300 м. Месторождение находится в области распространения многолетнемерзлых пород, температура в рудном теле составляет в среднем -5^oС.

Месторождение вскрывают технологическими скважинами, располагаемыми по сети 25х25 м². В усредненной по геологическим условиям ячейке этой сети скважину оборудуют до глубины 200 м обсадной колонной труб 6 (см. фиг. 1) и оставляют необсаженным рудный интервал 200-300 м. В скважину опускают воздухоподающую колонну труб 3 на глубину 295 м и затем внутри ее опускают до глубины 298 м раствороподъемную колонну труб 4 с перфорированной в интервале 280-281 м частью 14. К обсадной колонне герметически укрепляют оголовок и соединяют его через краны с трубопроводами 8, 9, 10 и 11.

После оборудования таким образом скважины в нее подают по колонне 3 нагретый до +50 +70^oС воздух с дебитом 10+50 м³/час. Следует отметить, что использование нагретого воздуха соответствует природным условиям данного конкретного месторождения, в других же случаях, например, при наличии положительных температур в рудном теле нагревание воздуха не является существенно необходимым. Затем подают в скважину через трубопровод 10 выщалачивающий раствор, представляющий собой раствор серной кислоты в воде концентрацией 5+10 г/л и имеющий температуру не ниже +5^oС в количестве сначала 1 м³/ч и затем по мере увеличения зоны размороженных вмещающих пород до 10 м³/час. Одновременно с подачей выщелачивающего раствора в том же количестве производят откачку продуктивного по колонне 4, используя для этого часть воздуха из колонны 3, который, поступая через перфорированную часть колонны 14, создает возможность ведения по ней откачки растворов эрлифтным способом. Большая же часть воздуха, поднимаясь в пространстве между стенками скважины и трубами 3, разобщает в нем выщелачивающие от продуктивных растворов. Часть из этого воздуха растворяется в выщелачивающем растворе и идет вместе с ним в рудное тело и окисляет там, переводя в легкорастворимую форму, сульфидные минералы меди, другая часть поднимается к устью скважины и выпускается из нее по трубе 11.

В таком режиме скважина работает в течение приблизительно одного года, пока легкодоступные для рабочего раствора рудообразующие минералы не будут растворены и концентрация меди не начнет снижаться ниже приемлемых значений. После этого прекращают подачу и извлечение из скважины растворов и воздуха, извлекают из нее трубную колонну 4 и затем подают в скважину воздух по колонне 3 при закрытом трубопроводе 10 и открытом 11. Подача в скважину только воздуха обеспечивает циркуляцию раствора в рудном теле через ствол скважины, которую поддерживают до повышения в растворе концентрации меди до заданных значений. Затем увеличивают подачу воздуха в скважину через колонну 3 так, чтобы вместе с воздухом из скважины стал бы поступать через трубу 11 также и раствор, осуществляя тем эрлифтную его откачку. После откачки из зоны выщелачивания насыщенного медью раствора снижают подачу воздуха и подают в скважину выщелачивающий раствор по трубопроводу 11 в объеме, близком к объему откачного раствора и производят его циркуляцию в рудном массиве. Далее такие циклы (циркуляция, откачка продуктивного, закачка выщелачивающего раствора) повторяются до полного выщелачивания рудного тела, приходящегося на технологическую скважину.

Формула изобретения

1. Способ односкважинного подземного выщелачивания рудных тел, включающий раздельную закачку выщелачивающего раствора и окисляющего газа в скважину и откачку из нее продуктивного раствора, отличающийся тем, что рудный интервал скважины выполняют открыто сообщенным с рудным телом, а раздельную закачку выщелачивающего раствора и окисляющего газа осуществляют в открытый интервал скважины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что откачку продуктивного раствора из скважины ведут одновременно с закачкой в нее выщелачивающего раствора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу выщелачивающего раствора в рудный интервал скважины ведут периодически, чередуя с периодами откачки из нее продуктивного раствора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окисляющего газа используют воздух, нагретый выше температуры рудного тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1