| WO/1996/026794 | SCREENING DEVICE AND APPARATUS INCLUDING SAME |
| WO/2007/014410 | BASE FOR A DRILLING DEVICE |
| WO/2006/108213 | MINING OPTIMISATION |
ТУРИВНЕНКО, Иван Петрович (ул. Роберта Эйдемана, N° 12 кв.77 Харьков, Kharkov, 61112, UA)
TURIVNENKO, Sergey Ivanovich (ul. Roberta Eydemana, 12-77Kharkov, 61112, UA)
ТУРИВНЕНКО, Иван Петрович (ул. Роберта Эйдемана, N° 12 кв.77 Харьков, Kharkov, 61112, UA)
TURIVNENKO, Sergey Ivanovich (ul. Roberta Eydemana, 12-77Kharkov, 61112, UA)
| Формула изобретения Способ Туривненко И.П. разработки месторождений полезных ископаемых и таких, которые искусственно возникли вследствие промышленной или другой жизнедеятельности человека, включающий предварительную оценку месторождения, бурение транспортных каналов в подземный полезный пласт, монтаж продуктоотводящей транспортной системы на-гора, воздействие на полезные ископаемые в зоне их естественного залегания тепловой энергией, полученной от источника ядерного излучения, отличающийся тем, что источник ядерного излучения помещают в закрытый контейнер и дислоцируют по скважине с возможностью контакта с разрабатываемым полезным ископаемым или иными веществами в отвалах различного происхождения, причем контейнер выполняют из материала непроницаемого для радиационного излучения и по тугоплавкости превосходящим температуры фазового перехода в диапазоне разрабатываемых ископаемых, причем мощность источника ядерного излучения выбирают исходя из условия достаточности выделяемой тепловой энергии для обеспечения фазового перехода ископаемых, теплофизические свойства которых определены в период их предварительной оценки ю |
Изобретение относится к области разработки месторождений различных полезных ископаемых, в частности и может быть использовано в добывающей промышленности с применением геотехнологий, требующих перевода
ископаемых в иное агрегатное состояние.
Интерес науки к этой проблеме наблюдается давно, однако в последнее время в связи истощением легкодоступных источников энергии и повышающейся энергоёмкостью их разработок, предпринято целый ряд попыток ее решения. Актуальность промышленно применимых решений возрастает с каждым годом. Рассматривая историю вопроса, обратимся к известным источникам, в которых предложены пути решения.
Известен метод подземного ожижения углей, сущность которого заключается в химико-физическом переводе угля в жидкое агрегатное состояние в недрах земли. (Тарковская И. А. Сто «пpoфeccия yгля», Киев, Наукова думка, 1990, с. 3- 43.) Предложено для обеспечения реакции суперкритического растворения углей создать в забое высокое давление и достаточную температуру, подав теплоноситель и растворитель, содержащий водород-спирт. Для реализации способа необходимо создать источник давления, источник тепловой энергии, оборудование для доставки теплоносителя и растворителя, т.е. способ сложный и дорогостоящий.
Сложность технологии добычи и необходимость очистки от компонента теплоносителя усложняет задачу его доведения до стадии промышленного . применения.
Известен «Cпocoб разработки газогидратных месторождению) с нижележащим пластом горячей воды, включающий разбуривание залежи, пересекающей пласты горячей води, скважины с системой замкнутых горизонтальных боковых секций, поддержание непрерывной циркуляции по образованным замкнутым каналам горячей воды из нижнего пласта и охлажденной из верхнего и отбор углеводородов из верхнего пласта (RU JГ22231635, E21B 43/24, 2002).
Однако реализация этого способа требует наличия под газогидратной залежью термальных вод и значительных затрат на создание скважин сложной пространственной конфигурации. Температура термальной воды не обязательно достаточна для изменения физического состояния газогидратной залежи настолько, чтобы осуществить фазовый переход и агрегатное превращение.
Известный способ термической разработки газовых гидратов с нижележащим естественным или искусственно сформированным углеводородным пластом. Способ включает разбуривание залежи, пересекающей пласты, по крайней мере, одной многозабойной скважиной с горизонтальными стволами. Формирование теплового потока, в подстилающем его нижележащем пласте и отбор углеводородов из газогидратного пласта. Производят бурение многозабойной скважины, которая имеет расположенную в нижележащем пласте горизонтальную секцию с перфорационными отверстиями на ее начальном участке и, по крайней мере, один восстающий участок с многоствольными перфорированными горизонтальными ответвлениями, расположенными в газогидратном пласте. Формирование теплового потока осуществляют посредством инициирования внутрипластового горения и поддержания фронта горения в нижележащем пласте путем подачи окислителя через затрубное пространство между насосно-компрессорными трубами (HKT) и эксплуатационной колонной и перфорационными отверстиями на начальном участке горизонтальной секции. Длину секции выбирают из условия обеспечения прогрева образованной в результате разложения газогидратов газоводяной смеси до температуры, предотвращающей повторное гидратообразование, в процессе ее движения в интервале от кровли нижележащего пласта до устья скважины. При этом отбор природного газа с водой производят через многоствольные перфорированные горизонтальные отверстия и эксплуатационную колону. (Патент РФ Na 2306410 «Cпocoб термической разработки газовых гидpaтoв»)
Способ не только сложен, но и ограничен в применении по другим причинам. Для ведения разработки выбирают газогидратную залежь только с нефтяной и/или газовой оторочкой и нерентабельными запасами. При отсутствии нефтяной или газовой оболочки под подошвой газогидратной залежи в водоносном коллекторе формируют искусственную нефтяную и/или газовую оторочку.
К недостаткам следует отнести и сам способ формирования теплового поля посредством внутрипластового горения, которое осуществляют посредством забойной топливной горелки, электрического нагревателя или химических реагентов. Кроме того, процесс горения требует постоянной подачи окислителя (кислородосодержащую газовую смесь), не обеспечивает выделения тепловой энергии с постоянными параметрами и возможности её прогнозирования в том диапазоне температур, который охватывал бы весь спектр разрабатываемых в данной залежи ископаемых и достаточной для их фазового перехода.
Описанный способ, как и все другие, в которых применяется процесс внутрипластового горения, малоэффективен для разработки как газовых гидратов, так и других полезных ископаемых из-за непроницаемости газогидратной залежи и, соответственно, различных механизмов протекания физических процессов, происходящих под тепловым воздействием. Тепловой энергии, полученной при внутрипластовом горении, может быть достаточно для изменения физического состояния залежи, например, вязкости, но недостаточно для изменения ее агрегатного состояния. Эти недостатки являются следствием применения промежуточных операций по производству и доставке в пласт теплоносителя. Известен способ разработки месторождений тяжелых углеводородов, включающий бурение залежи, состоящей, по меньшей мере, из двух продуктивных пластов, изолированных друг от друга непроницаемыми перемычками. Бурение производят системой сгруппированных по площади залежи скважин с горизонтальными участками. В каждой группе через один ряд скважин производят закачку теплоносителя в одни продуктивные пласты, а осуществляют отбор углеводородов из других продуктивных пластов, причем в смежных группах скважин попеременно чередуют продуктивные пласты, в которые производят закачку теплоносителя и из которых отбирают углеводороды ( патент US 5016709, E 21 В 43/24, 1991).
Способ позволяет повысить эффективность процесса теплового воздействия за счет реализации принципа многоуровневого воздействия на пласты.
К недостаткам способа относятся его сложность, обусловленная необходимостью бурения большого количества скважин для реализации многоуровневой схемы теплового воздействия, а также большой расход теплоносителя, что в итоге снижает экономичность процесса разработки, повышает удельные затраты на единицу добываемой продукции. Кроме того, необходимость постоянной подачи теплоносителя и кислорода требует создания целой инфраструктуры для его получения и закачки.
Общим недостатком известных способов является необходимость создания сложных сооружений для выработки теплоносителя и доставки его в зону продуктивного пласта. Отсутствие согласованности температурных величин теплоносителя и температуры фазового перехода ископаемого в местах естественного залегания.
Таким образом, неэффективность традиционных методов теплового воздействия на полезные ископаемые вызывает настоятельную необходимость поиска принципиально новых решений и, в особенности, главной составляющей этих технологий - мощного источника тепловой энергии, способного обеспечить в зоне залегания пласта температуру фазового перехода ископаемого.
В плане решения этой задачи было предложено воздействовать на продуктивный пласт залежи газогидрата высокочастотным электромагнитным (ВЧЭМ) полем. Авторы доказывают, что при взаимодействии ВЧЭМ поля с гидронасыщенной средой в ней одновременно возникают, распределенные по объему источники тепла, которые разогревают пласт до температуры фазового перехода. Предлагается в забое скважины против продуктивного пласта поместить генератор ВЧЭМ волн. (Насыров H.M., Низаева И.Г., Саяхов Ф.П.
«Maтeмaтичecкoe моделирование явлений тепломассопереноса в газогидратных залежах в высокочастотном магнитном пoлe.» Прикл. механика и техническая физика.1997.,T.З 8, N°6 стр. 93-104)
Описанный способ не доведен до стадии промышленного применения, и объясняется это тем, что: существует полная зависимость источника тепловой энергии в виде генератора ВЧЭМ поля от наличия источника электрической энергии, присутствие которой обязательно;
- под воздействием ЭМ поля ВЧ возникшие в залежи источники тепла начнут действовать практически одновременно. Это приведет к быстрой фазовой трансформации
газового пузыря, объем которого во много раз превышает первоначальный объем газогидрата. Не контролированное высвобождение большого количества газа может привести к катастрофическим последствиям.
В этой работе была сделана попытка создания, не требующего сложных наземных сооружений источника тепловой энергии и упрощения процесса теплового воздействия на залежи газогидратных месторождений с целью изменения их агрегатного состояния. Однако этот способ не предлагает конкретных путей выхода на промышленную добычу газа.
Известны способы подземного захоронения жидких радиоактивных отходов (ЖРО), включающие закачку указанных отходов в пласты-коллекторы через скважины и фиксацию их в обводненных зонах песчано-галечниковых горизонтов древних палеорусел, перекрытых толщей непроницаемых глинистых и песчано-глинистых отложений, что сопровождается интенсивным тепловыделением в процессе распада ЖРО и теплопередачей в соседние пласты (см. патент RU 2122755, G 21 F 9/24, 1996).
Однако указанные способы не предусматривают возможность использования выделяемого тепла как полезного источника теплового воздействия на залежи полезных ископаемых с целью изменения их физического состояния.
Известен способ разработки углеводородов (Патент РФ JVk 2211319) .
Согласно указанному способу, который включает бурение залежи, состоящей, по меньшей мере, из двух пластов, изолированных друг от друга и смежных горных пород непроницаемыми перемычками, по меньшей мере, двумя скважинами и, по крайней мере, одной горизонтальной секцией, одна из которых является нагнетательной, а другая — добывающей. Закачку теплоносителя производят через нагнетательную скважину, а отбор углеводородов, по меньшей мере, из одного продуктивного пласта - через добывающую скважину, при этом в качестве теплоносителя используют жидкие радиоактивные отходы, которые закачивают под непроницаемую подошву месторождения и под подошвой газогидратного пласта создают подземное хранилище жидких радиоактивных отходов (ЖРО).
Бурение нагнетательной скважины производят с числом горизонтальных секций, соответствующим числу разбуриваемых пластов, верхние из которых прокладывают в продуктивных пластах, а перфорированную нижнюю, состоящую, по крайней мере, из двух лучеобразных участков, в непродуктивном, в которые осуществляют закачку жидких радиоактивных отходов. Бурение добывающей скважины производят с числом горизонтальных секций, меньшим или равным числу горизонтальных секций нагнетательной скважины, выбираемых исходя из условия минимально возможного удаления их друг от друга, причем после окончания закачки жидких радиоактивных отходов в зоне непроницаемой перемычки на участке перехода нагнетательной скважины из продуктивного пласта в непродуктивный устанавливают изолирующий мост, а затем осуществляют герметичную изоляцию нижней секции нагнетательной скважины от ее вышележащей секции.
При реализации способа целесообразно:
- через нагнетательную скважину перед закачкой жидких радиоактивных отходов производить закачку в непродуктивный пласт реагента с низкой теплопроводностью и удельным весом, превышающим удельный вес жидких радиоактивных отходов для образования термоизолирующей оторочки;
- герметичную изоляцию нижней секции нагнетательной скважины от ее вышележащих секций осуществлять путем удаления участка обсадной колонны в интервале кровли и/или подошвы непроницаемой перемычки над непродуктивным пластом с цементированием выше- и нижележащего участков скважины;
- после удаления участка обсадной колонны осуществляют закачку в смежные продуктивный и непродуктивный пласты смеси глинистого раствора с бетонитовыми гранулами под давлением, обеспечивающим герметичное смыкание горных пород для предупреждения техногенных последствий разработки.
В предпочтительных вариантах реализации способа предлагается: после установки изолирующего моста удлинить бурением верхнюю горизонтальную секцию нагнетательной скважины на величину, равную длине минимально удаленного лучеобразного участка и после перфорации производить закачку в нее дополнительного теплового агента, например, перегретого пара.
К недостаткам способа следует отнести:
- главный недостаток заключается в выполнении источника тепловой энергии, в виде системы лучеобразных участков, расходящихся в разные стороны в непродуктивном пласте, предназначенном для закачки и консервации жидких радиоактивных отходов, что порождает ряд следующих недостатков:
- необходимость создания сложной системы герметизации для
предупреждения техногенных последствий;
- повышенные экологические риски в процессе разработки месторождения;
- необходимость предусмотреть систему интенсивного теплообмена между ЖРО и газогидратной залежью, т.к. естественный теплообмен через непроницаемую подошву происходит очень медленно;
- источник тепловой энергии не сориентирован на теплофизические характеристики и параметры разрабатываемого ископаемого, поскольку невозможно рассчитать и прогнозировать как время, так и величину тепловыделения, сопутствующего процессу радиационного распада жидких радиоактивных отходов. ЖРО не имеют стабильных характеристик.
- не обеспечивается достаточный потенциальный запаса тепла в теплоносителе для разогрева пласта до температуры фазового перехода, поэтому предусмотрена дополнительная закачка нерадиоактивного теплового агента, например, пара.
- кроме того, реализация указанного способа сопряжена с необходимостью обеспечения безопасной транспортировки и закачки жидких радиоактивных отходов, герметизации подземного хранилища, а также с созданием системы радиационной и экологической безопасности.
И, как результат, при реализации способа необходимо создать сложные подземные и наземные сооружения для технологического и технического обслуживания самих жидких радиоактивных отходов, а проблема тепловой обработки залежи не решается. Кроме того, само понятие «жидкиe радиоактивные oтxoды» настолько многозначно и не имеет стабильных конкретных физических характеристик, что при их использовании для реализации способа требуется исследование самих ЖРО, поэтому трудно прогнозировать результат с какой-либо степенью вероятности. Срок жизни, а следовательно, теплоотдачи ЖРО предсказать трудно, т.к. они имеют различное происхождение и предназначены только для захоронения.
Наиболее близким по технической сути является патент, принятый в качестве прототипа, (РФ JVs 2133335) «Cпocoб разработки нефтяных месторождений и переработки нефти и устройство для его осуществления)), сущность которого заключается в использовании в качестве источника тепловой энергии тепло ядерного теплогенератора. На выбранном в процессе предварительной оценки месторождения участке залежи бурят в непосредственной близости одну от другой две вертикальные скважины. В одну скважину вводят ядерный теплогенератор, а в другую - устройство для подземной дегазации , дистилляции и термического крекинга сырой нефти. В диагональных плоскостях, равноудаленных от центра, проводят четыре пары добывающих скважин. Ядерный теплогенератор вырабатывает высокотемпературную воду, ею воздействуют на продуктивный пласт, путем перемещая ее по пласту в направлении добывающих скважин. Прогревают продуктивный пласт и скелет породы. Одновременно в скважинное устройство подают сырую нефть. Формируют по высоте устройства равномерный перепад температур и создают зоны термического крекинга, дистилляции, ректификации, конденсации, разделения фракций, дегазации сырой нефти.
Главный недостаток способа заключается в том, в нем предусмотрена многозвенная нерентабельная система использования энергии ядерного теплогенератора для получения «выcoкoтeмпepaтypнoй вoды». Неизвестно, как сохранять начальную температуру воды во время ее перемещения по пласту. Величина тепловой энергии, получаемая таким образом недостаточна для устойчивого и стабильного фазового превращения залежи, а может обеспечить только, например, уменьшение вязкости вещества.
Задача способа по прототипу заключалась в создании нового источника тепловой энергии для подземной разработки нефтяных месторождений, в качестве которого, использован «ядepный теплогенератор, вырабатывающий высокотемпературную вoдy». Этот признак представляет особый интерес как прототип заявляемого решения. Поскольку в описании к патенту данное понятие не раскрыто, автор обратил внимание на источник, предшествующий заявке на данный патент (Тарковская И.А. «Cтo профессий yгля». Киев: Наукова думка.- 1990.Cтp.24) , где для получения синтез-газа из угля также использовано тепло ядерного реактора, точнее, его охлаждающий агент, который является теплоносителем в погружном нагревателе. В связи с этим возникает вопрос: если авторы патента по прототипу имеют в виду такую воду, то ее температура должна быть не выше 100 0 C, выше этой температуры - пар и перегретый пар. Но водой, нагретой до 100 0 C предложено прогревать пласт и скелет породы. Остаточной температуры едва ли хватит для нагрева сырой нефти до изменения ее агрегатного состояния.
Отсюда можно сделать вывод: для реализации способа по прототипу необходим ядерный реактор в непосредственной близости от скважины и промежуточный теплоноситель— вода соответствующей температуры, которая является к тому же радиоактивной.
Недостатки способа по прототипу:
- в качестве первичного источника тепловой энергии использовано топливо ядерного реактора, а вторичного - его охлаждающий агент (вода).
- использование вторичного, промежуточного источника тепловой энергии - воды ;
- невозможность обеспечения стабильной температуры теплоносителя в зоне контакта с полезным ископаемым;
-в процессе перемещения теплоносителя по пласту в направлении добывающих скважин тепловые потери неизбежны и величина их не может быть прогнозирована, кроме того, радиоактивная вода обводняет нефтепродукт и дальнейшая функция ее неизвестна.
-температура теплоносителя не может быть ориентирована на теплофизические свойства разрабатываемого ископаемого, а тем более в диапазоне свойств нескольких ископаемых.
- необходимость подземных работ для установки теплогенератора.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа добычи полезных ископаемых или веществ, содержащихся в отвалах различного происхождения, путем перевода их из одного агрегатного состояния в другое в местах их залегания методом теплового воздействия при непосредственном контакте с источником тепловой энергии, образующейся в процессе аккумулирования энергии излучения ядерного источника и превращения ее в тепловую энергию с обеспечением температуры, достаточной для изменения агрегатного состояния разрабатываемого ископаемого.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе разработки полезных ископаемых, включающем предварительную оценку месторождения, бурение транспортных каналов в подземный полезный пласт, монтаж продуктоотводящей транспортной системы на-гора, воздействие на полезные ископаемые в зоне их естественного залегания тепловой энергией, полученной от источника ядерного излучения, отличающимся тем, что источник ядерного излучения помещают в закрытый контейнер и дислоцируют по скважине в зону прямого контакта с разрабатываемым полезным ископаемым или другими веществами в местах их залегания (отвалах различного происхождения), причем закрытый контейнер выполняют из материала непроницаемого для радиационного излучения и по тугоплавкости превосходящего температуры фазового перехода в диапазоне всего спектра разрабатываемых объектов, причем мощность источника ядерного излучения выбирают, исходя из критериев достаточности выделяемой (за счет энергии поглощенного излучения) тепловой энергии для обеспечения фазового перехода ископаемых или иных веществ, теплофизические свойства которых определены в период их предварительной оценки.
На рис. представлена схема добычи полезных ископаемых, где:
1- место дислокации контейнера с источником ядерных излучений под пластом;
2 - место дислокации контейнера с источником ядерных излучений
непосредственно в пласт;
3 - место дислокации контейнера с источником ядерных излучений над пластом;
4- каналы подачи контейнера из монтажно-испытательного эксплуатационного комплекса (МИЭК ИЯИ) к разрабатываемому объекту. МИЭК источника ядерных излучений представляет собой известный комплекс, в котором предусмотрены условия размещения, хранения, транспортировки и доставки к месту дислокации контейнеров с ИЯИ. Он обеспечивает все необходимые эксплуатационные параметры хранения - систему охлаждения, температурно-влажностный режим, условия радиационной и пожарной безопасности.
5- продуктоотводящая транспортная система (ПОТС);
6- залежь полезных ископаемых;
7- зоны агрегатных превращений;
Предлагаемое решение имеет следующие преимущества над известными и позволяет получить новый технический результат, который находится в
причинно-следственной связи с его новыми признаками:
отсутствует промежуточного вторичного источника тепловой энергии и
связанные с этим энергозатраты, т.к. тепловое воздействие на пласт начинается с момента контакта объекта разработки с контейнером;
- закрытый контейнер с источником ядерных излучений внутри
представляет собой первичный источник тепловой энергии, который опускают в скважину с возможностью прямого контакта с объектом разработки;
- источники ядерных излучений, аккумулируясь в контейнере, инициируют процесс самопоглощения с выделением тепла внутри контейнера и последующим теплоотводом от него, причем диапазон температур теплоотвода может быть заранее просчитан одним из известных методов;
- приведение в соответствие характеристик теплофизических свойств ископаемых и источника тепловой энергии дает возможность создать баланс выделяемой и поглощаемой тепловой энергии для осуществления безопасного процесса фазового перехода ископаемого или иного объекта разработки; - устранена необходимость в создании традиционных наземных и подземных сооружений для получения источника тепловой энергии и обслуживания процесса добычи;
- исключены экологические риски, связанные со свободным перемещением жидких радиоактивных отходов;
- весь процесс происходит без доступа кислорода и окислителя;
-значительно расширена сфера применения контейнера как источника тепла за счет возможности переработки бытовых отходов.
Пример выполнения способа:
Выполняют выбор и оценку месторождения, для чего на выбранном участке бурят геологоразведывательную скважину и получают послойную характеристику недр на всю глубину скважины, строят каротажную диаграмму, определяют объект разработки. Могут быть и другие общеизвестные операции, связанные с конкретными особенностями месторождения или местонахождения. Бурят транспортный канал в зону разработки, монтируют продуктоотводящую транспортную систему, определяют теплофизические характеристики каждого ископаемого в полезном пласте. По транспортному каналу опускают контейнер и приводят в действие (снимают транспортную защиту) источник ядерных излучений. Процесс теплового воздействия источника ядерных излучений происходит в такой последовательности: нагревают пласт до начала фазового перехода и появления подвижной границы превращения, происходит преобразование вещества на геометрической поверхности границы раздела фаз, формирование однородной объемной зоны ископаемого в другом агрегатном состоянии. Из указанной зоны агрегатных превращений продукт в подвижном состоянии посредством продуктоотводящей транспортной системы подают на- гора. Областью применения способа могут быть кроме залежей ископаемых природного происхождения отвалы жизнедеятельности человека (терриконы, отвалы бытовых и других промышленных отходов, подлежащих утилизации).
Следствием реализации технического результата является очевидная возможность получить существенный экономический эффект.
Авторами изучен достаточно большой объем как технической, так и патентной информации, но решения с признаками, характеризующими заявляемое, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о его новизне.
Решение является технически завершенным и промышленно применимым.
Next Patent: WIND TURBINE