В основу метода ПВС положены способность самородной серы плавиться при сравнительно низкой температуре (119°С) и низ­кая вязкость расплавленной серы (0,0065 Н.с/м2 при Т=158°С). Метод выплавки серы с помощью перегретой воды впервые был предложен в России в 1893 г. инж. К. Паткановым. Американским инж. Фрашем в 1895 г. было предложено выплавлять серу перегре­той водой непосредственно в массиве, поэтому метод ПВС назы­вают методом Фраша.

Сущность метода ПВС заключается в том, что залежь самород­ной серы отрабатывается с помощью добычных скважин, про­буренных на расстоянии 25—50 м друг от друга, что соответствует 2—3 мощностям пласта. В каждой скважине монтируют систему коаксиально расположенных труб, через которые осуществля­ют подачу перегретой воды в серную залежь и откачку рас­плавленной серы в эмульгированом виде на поверхность.

Принципиальная схема серо-добычной скважины пред­ставлена на рис. 14.1.

После бурения скважины до кровли рудной залежи в нее вставляют обсадную колонну и производят цементацию зазора между колонной и стенками сква­жины. Обсадная колонна в ос­новном служит для предотвраще­ния потерь тепла перегретой во­дой при ее движении по высоте покрывающих пород. Это дости­гается за счет того, что между обсадной колонной и водоподающей трубой имеется воздушный зазор. После установки обсадной колонны скважину бурят на всю глубину рудного тела с незначительным перебуром по подстилаю­щим породам.

После окончания бурения скважины ее промывают и произво­дят интенсивную откачку воды для очистки каверн и трещин от буровой мелочи и обеспечения притока пластовых вод в скважину. Если приток пластовых вод в скважину (приемистость скважины) окажется недостаточным, что свидетельствует о низкой фильтра­ционной способности серных руд, то ее подвергают кислотной об­работке до тех пор, пока приемистость скважины не достигнет

5 м/ч при нагнетании в нее воды под давлением 106 Па.

После проведения вышеописанных профилактических меропри­ятий скважину сдают для монтажа оборудования. В нее вставля­ют три трубопровода, коаксиально расположенных один в другом. Диаметр наружного трубопровода (водоподающая колонна) равен

6 дюймам, промежуточного трубопровода (серная колонна) — 3 дюймам и внутреннего (воздушная колонна) — 1 дюйму.

В зазор между водоподающей и серной колоннами нагнетается перегретая вода с Т=160°С, которая через перфорации 7 попада­ет в сероносную залежь. Перегретая вода, двигаясь за счет филь­трации в рудной залежи, нагревает руду и расплавляет серу. Так как плотность расплавленной серы больше воды, то она стекает вниз и через перфорации 8 в водоподающей колонне попадает в серную трубу, поднимаясь в ней на высоту гидростатического давления, соответствующего уровню почвы залежи.

В нижней части серодобычной колонны в зазоре между во­доподающей и серной трубами устанавливается разделительный пакер, который предотвращает возможность попадания перегретой воды (минуя рудную залежь) в приямок для расплавленной серы. С другой стороны, разделительный пакер служит для предотвра­щения попадания воды в зазор между водоподающей и серной ко­лонной при нагнетании ее по серной колонне при аварийных си­туациях, связанных с застыванием серы в нижней части серодо­бычной скважины.

С помощью сжатого воздуха, который подается по центрально­му трубопроводу, расплавленная сера эмульгируется и подается по зазору между серной и воздушной колоннами на поверхность.

Воду для закачки в скважину перегревают до Т=160°С в пря­моточных водогрейных или паровых котлах с бойлерными. Пере­гретая вода, проходя через контрольно-распределительную стан­цию (КРС), нагнетается в скважину. КРС служит для контроля за температурой и давлением подачи перегретой воды, а также для их регулирования. Каждая КРС обслуживает несколько рабочих скважин.

Расстояние между добычными скважинами выбирают таким, чтобы обеспечить максимальное извлечение серы при возможно меньших затратах на буровые работы, монтаж и оборудование серодобычных скважин, производство теплоносителя на 1 т извле­ченной серы.

Метод ПВС является более эффективным по сравнению с тра­диционными способами разработки в том случае, когда для его применения имеются определенные условия. Для оценки этих усло­вий существует несколько критериев. В первую очередь запасы серы должны обеспечить рентабельность строительства предприя­тия и промышленный масштаб производства. Если при произво­дительности 100 тыс.т в год товарной серы предприятие будет ра­ботать не менее 2—3 лет, то оно будет рентабельным.

Вторым критерием является мощность рудной залежи. Перс­пективными для ПВС считаются залежи мощностью не менее 10м.

Третьим критерием является содержание серы в руде. При со­держании серы более 10% руда является перспективной для ПВС. Однако эта цифра может быть и ниже (до 5%) в том случае, если выплавляемость серы хорошая, что имеет место при прожилковой и крупновкрапленной структуре серных руд.

Четвертым и наиболее важным критерием является проницае­мость серного пласта. Она должна обеспечивать водопоглощение пласта на 1 м его мощности не менее 0,5 м3/ч и приемистость сква­жины не менее 5 т/ч при давлении подачи воды, равном 106 Па.

Пятым критерием является водонепроницаемость подстилаю­щих и особенно покрывающих сероносный пласт пород. При от­сутствии водоупора в покрывающих породах горячая вода, которая легче холодной пластовой воды, будет подниматься вверх и рас­пространяться в породах кровли сероносного пласта, что не обес­печит условий «природного автоклава». При отсутствии водоупора в подстилающих породах имеют место потери расплавленной серы.

Шестым критерием для оценки целесообразности ПВС являют­ся глубина залегания рудной залежи и прочность покрывающих пород. Наиболее благоприятная глубина залегания 100—600 м. При глубине менее 50 м возможен гидравлический разрыв покры­вающих пород в процессе нагнетания перегретой воды в пласт. При глубине залегания более 500—600 м имеют место большие за­траты на бурение скважин и их оборудование, а также большие потери тепловой энергии.

Последним, седьмым критерием является наличие в районе ме­сторождения местных ресурсов воды, топлива и электроэнергии. Следует отметить, что на производство 1 т серы методом ПВС в зависимости от условий залегания рудной залежи необходимо от 5 до 50 м3 воды, нагретой до 160 °С.

В том случае, если условия месторождения не удовлетворяют приведенным выше семи критериям, его нецелесообразно разраба­тывать методом ПВС по технико-экономическим соображениям.

Тепловой баланс при ПВС.

Как показывает практика, расходы на производство теплоноси­теля при ПВС достигают 50—60% общих затрат на производство серы. Снизить себестоимость добычи серы методом ПВС возможно в первую очередь за счет выбора рациональных термодинамических параметров теплоносителя и сокращения его непроизводи­тельных потерь.

В качестве теплоносителя при ПВС возможно применять горя­чие дымовые газы, пар, парогазовые смеси, перегретую воду. Од­ним из основных показателей теплоносителя является его тепло­содержание(энтальпия). С этой точки зрения наиболее подходя­щим теплоносителем является перегретая вода, объемная теплоем­кость которой примерно в 2000 раз больше, чем у дымовых газов.