Изменения гидрогеологических параметров рудовмещающего водоносного горизонта в процессе эксплуатации

Исследования по изменению фильтрационных свойств проводились в незначительном объеме.

Под воздействием рабочих агентов происходит изменение фильтрационных свойств отрабатываемого массива в результате различных явлений.

Выщелачивание растворимых компонентов руды. По мере выщелачивания проницаемость отработанной зоны увеличивается, достигая некоторого предельного значения, и на участке между нагнетательными и дренажными скважинами вдоль линий тока образуются три зоны: 1) с первоначальной проницаемостью; 2) переходная и 3) с конечной проницаемостью.

Форма этих зон в плане и в разрезе обычно весьма сложная, поскольку пласт всегда в какой-то степени неоднороден. Наиболее проницаемые участки отрабатываются в первую очередь, это влечет за собой еще больший рост их проницаемости, и, таким образом, степень неоднородности в процессе выщелачивания возрастает.

При выщелачивании полезных ископаемых, характеризующихся высоким содержанием в рудах и устойчивой кровлей (например, марганцевые руды с содержанием 20—25%), происходит оседание выщелоченной руды и образование в кровле пласта свободной полости. Давление в этой полости практически постоянно и равно давлению у забоя нагнетательной скважины. В результате движение жидкости в участке пласта ниже полости прекращается, что резко уменьшит скорость выщелачивания.

Образование газовой фазы. Частым спутником химических превращений руды под воздействием теплоносителя является выделение газообразных продуктов реакции, вследствие чего относительная проницаемость руд резко снижается. Выделение газа наиболее интенсивно происходит в зоне взаимодействия, к которой с одной стороны примыкает зона неизмененных руд, а с другой — выщелоченная зона. Под действием сил поверхностного натяжения газ стремится занять наиболее крупные поры, в то время как жидкая фаза оттесняется в узкие поры. Это может привести к полному прекращению фильтрации. Положение усугубляется тем, что газ поступает в нагнетательную скважину и образует в ней эмульсию с небольшой плотностью; таким образом, напор в нагнетательной скважине снижается. Если рабочий раствор подается путем налива, может начаться фонтанирование нагнетательной скважины в результате эрлифта. В связи с этим прибегают к систематическим остановкам процесса и реверсированию скважин.

Наглядным примером влияния выделяющегося газа на фильтрацию может служить опыт, схема которого приведена на рис. 38. В сосуд помещался песок с содержанием кальцита 5% по массе. При подаче раствора кислоты сверху фильтрация не наблюдалась. Наоборот, при подаче кислоты снизу фильтрация происходила даже про напоре, составляющем 40% от высоты образца.

Появление газовой фазы может играть и положительную роль, так как, снижая проницаемость отработанных участков, обусловливает более интенсивную проработку участков пласта с низкой проницаемостью. Кроме поверхностных сил на условия фильтрации двухфазных систем влияет и разность плотностей фаз. Особенно сильно это сказывается при наклонном залегании. В этом случае гравитационные силы вызывают вытеснение газированной жидкости в направлении восстания. Это нужно учитывать при выборе системы разработки месторождения. Так, при подземном выщелачивании наиболее выгодна отработка пластов по направлению восстания.

Выпадение нерастворимого осадка. Примером реакций, протекающих с выпадением осадка, может служить реакция кальцита с серной кислотой, продуктом которой является гипс. При этом объем твердых частиц увеличивается в полтора раза, т. е. порода с пористостью 10% и содержанием более 10% по объему карбоната при обработке серной кислотой должна стать полностью непроницаемой.

Проверка данного предположения проводилась на модели, состоящей из вертикальной фильтрационной трубки длиной

0,6 м, диаметром 60 мм и устройства для подачи воды и замера расходов. В трубку поместили просеянный песок фракции 0,25—0,5 мм, содержащий 10% по массе карбоната кальция.

Фильтрация осуществлялась снизу вверх при градиенте напора, равном единице. Коэффициент фильтрации образца при пропускании воды изменялся от 3 до 5 м/сут. Затем в фильтрационную трубку снизу подали 5%-ный раствор серной кислоты и провели замеры расхода. В течение 14 дней коэффициент фильтрации образца снизился до 0,2 м/сут, т. е. уменьшился в 20 раз по сравнению с первоначальным, и на выходе появилась свободная серная кислота. После этого вместо кислоты в трубке была подключена вода. Через двое суток фильтрация полностью прекратилась. Динамика сокращения проницаемости показана на рис. 39.

После прекращения опыта проведен химический анализ проб, взятых из верхнего и нижнего слоев фильтрационной трубки.

Из табл. 10 видно, что произошло частичное замещение карбоната гипсом, причем осадок выпадал из раствора преимущественно в верхней части трубки, тогда как растворение происходило внизу.

Образование двух компонентов жидкой фазы. Примером образования двух компонентов может наглядно служить подземная выплавка серы, при которой в пласте происходит увеличение проницаемости в результате этой выплавки и освобождения заполненных ею пор и трещин. Лабораторными исследованиями установлено, что в зависимости от текстуры руды проницаемость образцов после выплавки составляет от 7 до 20 мкм2 по сравнению с начальной проницаемостью 0,3—1 мкм2.

Кроме того, коэффициент фильтрации в зоне плавления увеличивается приблизительно в 5 раз вследствие уменьшения вязкости теплоносителя.

К уменьшению проницаемости приводит, прежде всего, появление второй фазы — расплавленной серы. В самом начале процесса плавления происходит переход твердой серы в жидкую с увеличением объема приблизительно на 10%. В этот период жидкая сера заполняет часть ранее свободных пор.

Из рис. 40 видно, что если сера занимает хотя бы 60% ранее свободных пор, фазовая проницаемость для воды снижается почти до нуля. Это является причиной того, что в начальный период работы серодобычной скважины ее приемистость постепенно уменьшается и часто прекращается совсем. После откачки серы поры освобождаются, но на границе с выплавленной зоной остается слой расплавленной серы, сквозь который теплоноситель не проходит. В дальнейшем фультрация идет только на контакте серного пласта с покрывающими породами и по безрудным проницаемым породам в кровле.

Таким образом, вокруг работающей серодобычной скважины существуют три зоны: 1) с очень высокой проницаемостью; 2) с затрудненной проницаемостью; 3) с начальной проницаемостью (рис. 41).

Размеры и форма зоны серонасыщения зависят от режима плавления и откачки серы и рельефа кровли залежи. Вниз по падению происходит перекрытие пласта, причем расстояние до этого барьера зависит от угла падения кровли, угла фильтрации серы и пустотности руд.

Вверх по падению залежи, в особенности при наличии безрудных фильтрующих пород в кровле, полное перекрытие пласта зоной серонасыщения (при условии своевременной откачки серы) не происходит.

Таким образом, водопроводимость пласта в ходе подземной выплавки зависит от того, какие факторы являются преобладающими.

Для выяснения реальной картины были построены гидродинамические карты (рис. 42).

Исходными данными для построения карт служили ежедневные замеры расходов серодобычных и водоотливных скважин, а также температур и давлений. По этим данным вычисляли приведенные напоры.

Для расчета водопроводимости использовались скважины, характер фильтрации вокруг которых можно было бы свести к некоторым схемам, поддающимся расчету. Наиболее распространенным случаем являлась фильтрация от одной серодобычной скважины к нескольким разгрузочным. Этот случай можно свести к расчетной схеме, описывающей фильтрацию от скважины, расположенной в центре правильного многоугольника к скважинам, расположенным в его вершинах. Результаты расчетов водопроводимости приводятся в табл. 11, из которой видно, что рассчитанные водопроводимости в среднем соответствуют тем значениям, которые были определены в ходе детальной разведки. Следовательно, для предварительных расчетов водоприемистости серодобычных скважин можно пользоваться этими данными.

Обрушение рудного скелета отработанных зон. При высоких содержаниях полезного ископаемого и благоприятных текстурных особенностях руды после отработки могут обрушиться. Это явление зависит от ряда свойств руды и покрывающих пород. Фильтрационные свойства обрушившегося скелета зависят от гранулометрического и минерального состава руды. Если одновременно происходит плавное опускание покрывающих пород, то этими фильтрационнымн свойствами определяется последующая фильтрация растворов.

В том случае, когда покрывающие породы не оседают, образуется полость. Наконец, если покрывающие породы обрушиваются, образуется зона, заполненная глыбами покрывающих пород. Характерным примером явлений обрушения скелета может служить участок ПВС на Гаурдакском месторождении.

Характер керна скважин, пройденных в зоне плавления, показывает, что высокое содержание серы в рудах обусловливает разрушение рудного скелета в результате выплавки, причем свойства обрушившейся массы зависят от первоначальной текстуры и структуры руды.

Основными типами руд в Гаурдаке являются наложенные известняковые руды, представляющие собой крепкий известняк, трещины и каверны которого заполнены крупнокристаллической серой, и метасоматические серно-кальцитовые руды, в которых наблюдается сложное прорастание кристаллов кальцита, серы и гипса (рис. 43).

Известняковые руды после выплавки не разрушаются или разрушаются с образованием крупных обломков; в то время как серно-кальцитовые превращаются в песок с частицами размером менее 1 мм.

Наиболее благоприятным моментом для обрушения является откачка серы. До тех пор, пока участок руды заполнен жидкой серой, на частицы действует взвешивающая сила тяжелой жидкости (серы) и нагрузка в основании слоя определяется формулой

где m — мощность слоя; уп, уc — плотность породы и серы.

После вытеснения серы водой нагрузка возрастает до 1,7 т, т. е. в 2 раза. Давление покрывающей толщи в данном случае не учитывается, так как они представлены высокоустойчивыми ангидритами.

В результате обрушения призабойная зона и перфорация оказываются заполненными обломками скелета и дальнейший приток серы к скважине будет определяться проницаемостью обрушившейся массы и ее мощностью. С явлением обрушения, видимо, связано образование «пробок» в скважинах — наиболее распространенная причина выхода последних из строя.