Введение к работе
Актуальность работы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 г сырьевая база нефтегазодобычи в стране должна сместиться в сторону ее северных районов п-ов Ямал, шельфы арктических морей, Восточную Сибирь и др Только на территории одного п-ва Ямал уже открыто 11 газоносных и 15 нефтегазоконденсатных месторождений Именно поэтому п-ов Ямал определен регионом стратегических ингересов ОАО «Газпром» и основным объектом освоения газоконденсатных месторождений на длительную перспективу Аналогичные решения приняты и отечественными нефтяными компаниями
Для создания инфраструктуры нефтегазопромыслов (автодорог, различного рода производственных площадок, гидротехнических сооружений и пр) требуется выполнить большой объем горно-строительных работ с использованием, главным образом, песка в качестве строительного материала По данным ОАО «Газпром», только для обустройства одного Бованенковского месторождения на п-ве Ямал потребуется около 30 млн м3 песка Всего же, по разным аналитическим оценкам, для обустройства всех разведанных нефтегазовых месторождений Заполярья России в течение 20-30 лет может потребоваться не менее 1 млрд м3 строительного песка
При широкомасштабном освоении нефтегазовых месторождений (для п-ва Ямал с 2008 г) главным источником получения качественного строительного песка в Заполярье будет являться гидромеханизированная его добыча из многочисленных озерных месторождений, как правило, расположенных рядом с обустраиваемыми нефтегазопромыслами На долю гидромеханизированной добычи придется 75-85 % всего планируемого для добычи песка Оставшиеся 15-25 % смогут обеспечить местные карьеры, отрабатывающие песчаные месторождения поверхностного типа по «сухоройной» технологии Однако песок, добываемый из этих месторождений, имеет более низкое качество, кроме того, открытая разработка связана с нарушением значительных площадей, традиционно используемых северными народами для оленеводства, а сами карьеры значительно (от 20 до 40 км) удалены от объектов строительства По очевидным экономическим соображениям и ввиду бездорожья отпадает и вариант доставки качественного песка из отдаленных карьеров, находящихся в южных районах
Для полного удовлетворения потребностей развивающегося нефтегазового комплекса в строительном песке только по одному п-ву Ямал, по разным оценкам, необходимо будет ежегодно добывать от 10 до 15 млн мЗ песка, из них гидромеханизированным способом до 7-12 млн мЗ Действующий в Заполярье парк земснарядов из-за ограниченности эксплуатационного сезона, составляющего не более 90-110 календарных дней, и недостаточно высокой технической и эксплуатационной производительности добычного оборудования сможет обеспечить
добыч} не более 4-5 млн м3 песка в год Возможность наращивания объемов добычи путем простого увеличения количества электрических земснарядов ограничена мощностями промысловых электростанций, а дизельных - допустимыми расходами на доставку дорогостоящего дизельного топлива из южных районов В создавшихся условиях остается только один выход повысить производительность имеющегося парка земснарядов путем изыскания и использования внутренних технологических резервов, продления эксплуатационного сезона и сокращения простоев оборудования При этом важно не увеличить техногенную нагрузку на окружающую среду и экономно расходовать природные и производственные ресурсы
Речь, таким образом, идет об интенсификации гидромеханизированной добычи
песка повышении интенсивности как технологических процессов гидромеханизации,
так и отработки озерных месторождений в целом Имеющиеся в распоряжении
производства научно-технические разработки в рамках существующих технологий не
дают возможность этого добиться и нарастить тем самым объем добычи песка до
требуемых величин Необходим новый подход к теории и практике
гидромеханизированной добычи песка в экстремальных условиях Заполярья, позволяющий научно обосновать и технически обеспечить более интенсивную, производительную и качественную отработку озёрных песчаных месторождений Этими соображениями и руководствовался автор настоящей диссертации, приступая к ее выполнению.
Научно-техническая проблема интенсификация гидромеханизированной добычи песка в условиях Заполярья имеет важное государственное значение, актуальна и требует скорейшего решения
Целью работы является изыскание и научно-техническое обоснование мер по увеличению объемов добычи строительных песков гидромеханизированным способом для нужд нефтегазовой отрасли страны в районах Крайнего Севера
Идея работы состоит в том, что эффективность гидромеханизированной добычи строительных песков из озёрных месторождений Заполярья можно значительно повысить путем интенсификации технологических процессов, продления эксплуатационного сезона и применения технических средств, максимально адаптированных к экстремальным природным условиям, местным экологическим и ресурсным ограничениям
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи.
Выявить резервы роста производительности земснарядов и повышения качества добываемого песка
Исследовать возможность интенсификации размыва породного массива озерных песчаных месторождений.
3 Разработать технологию интенсивной отработки озерных месторождений,
позволяющую сократить потери песка, технологические простои земснарядов и
площади земель под гидромеханизированную добычу песка
4 Обосновать методы продления эксплуатационного сезона гидромеханизированных
работ
5 Разработать технические решения, направленные на сокращение простоев
земснарядов на вспомогательных работах
6 Определить технико-экономическую эффективность предлагаемых технических и
технологических решений
Методы исследования. В работе использованы следующие методы экспериментально-статистические методы исследований технологических процессов, методы прикладной математики и математической статистики, анализ и обобщение результатов опыта работы гидромеханизированных предприятий в условиях криолитозоны Заполярья, натурные наблюдения и инструментальные замеры, теоретические исследования с использованием методов математического моделирования технологических процессов, детерминированный метод с использованием экономико-математического моделирования; синтез новых технических и технологических решений, аналитические и графо-аналитические методы, аехнико-экономический анализ с использованием стоимостных параметров и нормативов
Научные положения, выносимые на защиту:
Реальный, эффективный и научно обоснованный в диссертации способ обеспечения потребностей нефтегазопромыслов Заполярья в качественном строительном песке состоит в интенсификации процессов и операций гидромеханизированной разработки озерных месторождений при экономном расходовании природных и производственных ресурсов
Эффективность гидравлической разработки пород земснарядами может быть существенно повышена при периодическом использовании гидравлической энергии грунтовых насосов, направляемой на формирование размывающих затопленных струй и придания этим струям абразивных свойств и более высокой плотности, а также применением породозаборных устройств, у которых технологические параметры породозабора принимаются с учетом проходных размеров грунтовых насосов, размывающих скоростей пород забоя, их разрьгхленности и скоростей всасывания жидкости в зоне эрозионного размыва
Сокращение потерь песка из-за образования мерзлоты в карьерах и на картах намыва и снижение его влажности достигается при использовании технологических схем разработки, основанных на опережающем углублении мелководных прибрежных участков озерных месторождений земснарядами и при формировании на картах намыва открытых дренажей, при котором технологический период водоотдачи
принимается с учетом водоотдающих свойств намытого песка, высоты карт намыва и расстояний между дренажами
Рациональное использование земель тундры, способствующее интенсификации намыва, повышению качества добытого песка и сокращению масштабов негативного воздействия на окружающую среду в условиях высокой заводненности и заболоченности местности в Заполярье, обеспечивается размещением карт намыва, вспомогательных земляных сооружений и площадок инфраструктуры гидромеханизированных комплексов на талых и сезонно-талых основаниях озер, в границах их акваторий и преимущественно с надветренной стороны этих озер
Наиболее рациональным и адаптированным к условиям Заполярья является метод продления эксплуатационного сезона гидромеханизированных работ, основанный на использовании основного климатического ресурса - холодного атмосферного воздуха в качестве хладагента, который в сочетании с подледными способами добычи состоит из обезвоживания добытого песка, его гранулирования, формирования из гранул аэросмеси и выдувания ее в штабель, где технологическая дальность аэрации гранул от места их формирования до штабеля принимается с учетом размера формируемых гранул и температуры воздуха
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждаются, представительным объёмом статистической
информации по озерным песчаным месторождениям Заполярья, обобщением опыта
работы гидромеханизированных предприятий в условиях Заполярья, результатами
теоретических исследований, базирующихся на общепризнанных положениях
открытой геотехнологии, сопоставимостью теоретических и эмпирических
результатов с практическими результатами гидромеханизированных работ, созданием
опытных и опытно-промышленных образцов новой техники, положительным опытом
применения новых технических и технологических решений
гидромеханизированными предприятиями в условиях Заполярья
Научная новизна работы
Классифицированы озёрные песчаные месторождения Заполярья по ^политологическим, морфометрическим и гидрологическим признакам и разработан графо-аналитический метод подсчета запасов технологической воды в озёрах криолитозоны, позволяющий принимать наиболее эффективные схемы возврата отработанных вод;
Разработаны новые технические и технологические решения, которые обеспечили интенсификацию, рациональное использование природных и производственных ресурсов и повышение эффективности гидромеханизированной добычи песка на продленном эксплуатационном сезоне работ
Установлена связь пространственно-временных параметров следующих
технологических процессов
- подводного рыхления пород гидросмесью, отбираемой из фунтовых насосов
земснарядов, с абразивными свойствами затопленных струй, ее плотностью и
параметрами воронки эрозионного размыва пород,
- формирования гидросмеси породозаборными устройствами с проходными
размерами грунтовых насосов, размывающими скоростями пород забоя, их
разрыхленностью и скоростями всасывания жидкости в зоне эрозионного размыва,
обезвоживания намытых пород с водоотдающими свойствами намытого песка, высоты карт намыва и расстояний между дренажами,
технологической дальности аэрации и укладки сыпучемерзлых песчаных пород в штабель с размерами образуемых криогенных гранул песка и величинами отрицательных температур атмосферного воздуха
Разработаны и научно обоснованы технологические схемы опережающей отработки мелководных участков карьеров перед наступлением зимнего периода, учитывающие величины промерзания карьеров, мощность разрабатываемой залежи и производительность добычного оборудования.
Разработан и научно обоснован способ технологического размещения карт намыва и площадок инфраструктуры гидромеханизированного комплекса в заводненных и заболоченных регионах Заполярья - на талых и сезонно-талых основаниях озёр, в природных границах их акваторий, позволяющий интенсифицировать процесс намыва, полностью исключить изъятие пастбищных земель для объектов гидромеханизации и значительно уменьшить запыление тундры песчаными частицами, сдуваемыми с карт намыва
Установлены основные технико-экономические показатели гидромеханизированного комплекса средней производительности в условиях Заполярья
Научное значение работы состоит в развитии теории открытой геотехнологии и научных основ гидромеханизированных процессов применительно к сложным природно-климатическим условиям Севера России
Практическое значение диссертации заключается в разработке
* новых технических и технологических решений (способов и устройств) по
интенсификации гидромехнизированной добычи песка, рациональному
использованию природных и производственных ресурсов и сокращению масштабов
негативного воздействия на окружающую среду,
* методик расчета параметров криогенного гранулирования и укладки
сыпучемерзлых пород, карт намыва и дренажных траншей, формируемых в
криолитозоне, распластанных породозаборных устройств земснарядов, воронки предельного размыва пород с учетом глубины эрозионного размыва,
* новых технологических схем отработки месторождений, предупреждающих
промерзание озерной залежи леска,
* способов размещения карт намыва и площадок инфраструктуры
гидромеханизированного комплекса в акваториях озер криолитозоны,
* новых технических решений на вспомогательных работах
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы на практике при добыче песка землесосными снарядами в условиях Севера России, на гидромеханизированных предприятиях треста «Уренгойтрансгидромеханизация» (1986 - 1990 гг), ООО «ЭПРОМ» (1997 г), ЗАО «Уренгойгидромеханизация» (2006 - 2007гг) и в проектах гидромеханизированных работ, выпущенных специализированной проектной организацией ООО «Конвекс».
Результаты работы одобрены и рекомендованы Департаментом государственной политики и регулирования в области природопользования Министерства природных ресурсов России (письмо № 11-47/3093 от 19 04 2005 г) для их практического применения в районах Крайнего Севера
Апробация результатов работы. Результаты работы и ее отдельные элементы на различных этапах выполнения были доложены и одобрены на Всесоюзном научно-техническом совещании по совершенствованию гидромеханизации и подводной добычи полезных ископаемых (Москва, 1986 г), на техническом совете треста «Уренгойтрансгидромеханизация» (Уренгой, 1987 г), заседании секции ученого совета ЦНИИС «Транспортные гидротехнические сооружения» (Москва, 1987 г ), на I -IV съездах гидромеханизаторов России (Москва, 1998 - 2006 гг), на секции научно-технического Совета ОАО «Газпром» (Москва, 2005 г ), на научных конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГТУ, 2004 - 2006 гг), на расширенных заседаниях и семинарах кафедры «Технология, механизация и организация открытых горных работ» МГТУ (Москва, 2003 - 2006 гг)
Публикации. Результаты выполненных исследований освещены автором в 23 опубликованных работах, включая 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК России
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 230 наименований и 6 приложений, содержит 52 таблицы и 70 рисунков
