Термические и термохимические методы воздействия на массив горных пород

Термическое воздействие на горные породы изменяет агрегатное состояние вещества в форму, удобную для доставки к скважине и на поверхность (жидкость, газ), а также физические свойства (например, уменьшают вязкость, улучшают условия фильтрации).

Эти процессы эндотермические и требуют подвода тепловой энергии. Подвод тепла может осуществляться различными теплоносителями (дымовые газы, пар, горячая вода и т.п.) или воздействием на пласт различного рода полями.

Выбор температуры воздействия зависит от конкретного полезного ископаемого.

Например, температура плавления озокерита лежит в пределах 50...80°C, серы 112,8...119°C, бишофита 117°C. При температуре -160°С вязкость серы повышается примерно в 800 раз. Необходимо отметить, что при превышении определённой температуры начинаются химические превращения вещества.

Характер протекания процессов термического воздействия на горные породы во многом зависит от того, из каких минералов, агрегатных структур состоит массив, стабильности их характеристик.

Наиболее типичным примером теплового воздействия на массив пород является подземная выплавка серы. При этом необходимо выделять две зоны в массиве горных пород, выполняющие различные функции. Первая простирается от устья до забоя скважины и является транспортной магистралью. Вторая включает в себя призабойную зону пласта, в которой происходит превращение полезного компонента в жидкое состояние. Такой способ называется подземной выплавкой

Естественно, что практический эффект зависит от количества подведённого к пласту тепла. Подавая заданные объёмы теплоносителя в пласт, можно регулировать радиус зоны плавления.

Процесс подземной выплавки представляет собой комплекс сложных физических явлений, математическое описание которых не всегда возможно.

При подземной выплавке рудный пласт разогревается до температуры плавления полезного компонента путём нагнетания в массив горячего теплоносителя, который, фильтруясь по трещинам, кавернам и крупным порам, вытесняет холодную воду и выплавляет полезный компонент. Для разогрева пласта могут использоваться различные теплоносители: горячие дымовые газы, парогазовая смесь, пар, горячая вода, рассолы с различным удельным весом. Теплоноситель должен иметь большую удельную теплоёмкость, хорошие вытесняющие свойства и быть дешёвым в производстве. Выбор теплоносителя чрезвычайно важен, т.к. 50-60 % затрат по технологии приходится на получение и подогрев теплоносителя.

Скорость прогрева массива различными теплоносителями характеризуется коэффициентом термоинжекции. Для воздуха, дымовых газов, парогаза, пара и воды он соответственно составляет: 1, 2, 11, 31, 123. Наиболее эффективный термоинжекционный агент — горячая вода.

Тепловая энергия на подземном участке вокруг добычной скважины распространяется за счёт:

§ кондуктивного теплообмена, интенсивность которого полностью определяется температурными условиями протекания процесса и физическими свойствами рудного тела;

§ конвекции, при которой интенсивность процесса зависит от закономерностей движения жидкости, определяемых уравнениями аэрогазодинамики;

§ теплообмена между теплоносителями и рудным массивом.

У добычной скважины в зоне плавления взаимодействуют две жидкие и твёрдая фазы (расплавленный полезный компонент, вода и минералы, составляющие рудный скелет).

Расплавленный теплом горячей воды полезный компонент за счёт большего удельного веса стекает к почве пласта призабойной зоны скважины, образуя так называемую лужу, нижняя часть которой соприкасается с холодными подстилающими породами. При прекращении инжекции горячей воды в пласт в результате аварии или при ремонте важным параметром является время остывания расплавленного вещества.

Наиболее разработан процесс подземной выплавки применительно к месторождениям самородной серы.

Термохимические процессы при геотехнологии основаны на энергетических изменениях системы при химических превращениях полезных ископаемых, возникающих под действием внутрипластового теплового очага. Термохимические процессы лежат в основе таких геотехнологических способов как подземное сжигание серы, газификация угля и сланцев, тепловое воздействие на нефтеносные пласты, подземное сжигание угля.

Обычно наличие очага приводит к тому, что в массиве образуются отдельные зоны, для каждой из которых характерны определённые реакции и температуры. Для обоснования оптимального режима термохимического процесса необходимо выяснить:

§ распределение физико-химических зон процесса;

§ влияние и характер изменения фильтрационных зон;

§ характер распространения температурных зон;

§ режимы подачи рабочих агентов и т.п.

Одним из резервов развития геотехнологических способов является добыча полезных ископаемых непосредственно из магмы, однако эти процессы ещё недостаточно изучены.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства горной породы изменяет тепловое воздействие ?

2. Какие процессы геотехнологии являются основными, вспомогательными, и обеспечивающими?

3. Перечислить свойства теплоносителя для ПВС.

4. Перечислить этапы процесса растворения.

5. Чем характеризуется скорость прогрева массива различными геотехнологическими способами?

6. Как выделяют две зоны в массиве горных пород в процессе разогрева ?

7. Тепловая энергия на подземном участке вокруг добычной скважины распространяется за счёт чего?