Устройство для подземного растворения солей

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к устройствам для добычи соли через скважины. Сущность изобретения: устройство содержит подземную камеру с зонами смешения и вытеснения, обсадную, водоподающую и рассолозаборную колонны труб, размещенные вертикально по принципу "труба в трубе" и открытые снизу в подземной камере. Устройство имеет патрубки для ввода растворителя, нерастворителя и вывода кондиционного рассола в оголовке скважины. Нижний участок водоподающей колонны труб выполнен в виде диффузора с рядом ребер, продольная плоскость симметрии которых размещена по нормали к внутренней поверхности диффузора. Нижний участок рассолозаборной колонны труб соединен с основным участком этой колонны труб с помощью переходника и имеет несколько рядов отверстий и вставку в виде опрокинутого усеченного конуса, верхним основанием примыкающего к его внутренней поверхности над верхним рядом отверстий. Последний размещен в районе наибольшей толщины сечения ребер. Соотношение наружных диаметров основных участков обсадной, водоподающей и рассолозаборной колонн труб равно 1 : 0,67 : 0,45, а соотношение наружных диаметров обсадной колонны, нижнего основания диффузора, нижнего участка рассолозаборной колонны труб и нижнего основания вставки равно 1 : (0,7 - 0,94) : (0,5 - 0,63) : (0,33 - 0,45), преимущественно 1 : 0,75 : 0,52 : 0,39. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к устройствам для добычи солей через скважины.

Известно устройство для подземного растворения солей, приведенное в кн. Пермякова Р. С. , Романова B.C., Бельды М.П. Технология добычи солей.- М.: Недра, 1981, работающее по методу заглубленной водоподачи. Устройство содержит скважину, превращающуюся по ходу размыва соляной залежи в подземную камеру с зонами смешения и вытеснения рассола, оголовок скважины на поверхности земли, объединяющий обсадную, водоподающую и рассолозаборную колонны труб, которые размещены по принципу "труба в трубе" вертикально в подземной камере, насосное оборудование, патрубки для ввода растворителя (воды) в водоподающую колонну и нерастворителя (нефтепродукта) в обсадную колонну, патрубок для вывода кондиционного рассола (с концентрацией соли, близкой к насыщению) из рассолозаборной колонны труб. Недостатком известного устройства является невысокая производительность из-за малой скорости растворения стенок соляной залежи при подаче небольшого количества растворителя в подземную камеру больших размеров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство по пат. РФ N 1488446, кл. E 21 B, 43/28, 1989 , являющееся усовершенствованием известного устройства и отличающееся от него наличием циркуляционного контура, в котором обсадная и рассолозаборная колонны труб дополнительно соединены между собой на поверхности земли, что позволяет подавать по обсадной колонне труб под кровлю соляной залежи и поднимать по рассолозаборной колонне труб из зоны вытеснения определенное количество кондиционного рассола, осуществляя таким образом циркуляцию части рассола между поверхностью земли и подземной камерой.

Недостатками прототипа являются незначительное увеличение производительности при вводе под кровлю скважины небольшого количества кондиционного рассола, не приводящее к заметному изменению характера движения и концентрации растворителя в подземной камере больших размеров, сложности совместного введения по обсадной колонне труб нерастворителя и кондиционного рассола из-за их взаимодействия, повышенный расход энергии для обеспечения циркуляции рассола вследствие возрастания потерь давления на трение в трубах.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что нижний участок водоподающей колонны труб выполнен в виде диффузора с рядом ребер, продольная плоскость симметрии которых размещена по нормали к внутренней поверхности диффузора, нижний участок рассолозаборной колонны труб соединен с основным участком этой колонны труб с помощью переходника, имеет несколько рядов отверстий и вставку в виде опрокинутого усеченного конуса, верхним основанием примыкающего к его внутренней поверхности над верхним рядом отверстий, причем верхний ряд отверстий размещен в районе наибольшей толщины сечения ребер, при этом соотношение наружных диаметров основных участков обсадной, водоподающей и рассолозаборной колонн труб равно 1:0,67:0,45, а соотношение наружных диаметров обсадной колонны, нижнего основания диффузора, нижнего участка рассолозаборной колонны труб и нижнего основания вставки равно 1: (0,7-0,94): (0,5-0,63): (0,33-0,45), например, 1:0,75:0,52:0,39.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Существенные отличия".

Целью изобретения является повышение производительности устройства для подземного растворения солей.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для подземного растворения солей, содержащем подземную камеру с зонами смешения и вытеснения, обсадную, водоподающую и рассолозаборную колонны труб, размещенные вертикально по принципу "труба в трубе" и открытые снизу в подземной камере, патрубки для ввода растворителя, нерастворителя и вывода кондиционного рассола в оголовке скважины, нижний участок водоподающей колонны труб выполнен в виде диффузора с рядом ребер, продольная плоскость симметрии которых размещена по нормали к внутренней поверхности диффузора, нижний участок рассолозаборной колонны труб соединен с основным участком этой колонны труб с помощью переходника, имеет несколько рядов отверстий и вставку в виде опрокинутого усеченного конуса, верхним основанием примыкающего к его внутренней поверхности над верхним рядом отверстий, причем верхний ряд отверстий размещен в районе наибольшей толщины сечения ребер, при этом соотношение наружных диаметров основных участков обсадной, водоподающей и рассолозаборной колонн труб равно 1:0,67:0,45, а соотношение наружных диаметров обсадной колонны, нижнего основания диффузора, нижнего участка рассолозаборной колонны труб и нижнего основания вставки равно 1: (0,7-0,94): (0,5-0,63): (0,33-0,45), например, 1: 0,75 : 0,52 : 0,39.

Реализация предлагаемого устройства для подземного растворения солей с циркуляционным контуром внутри подземной камеры не представляет технической сложности.

На фиг.1 изображено устройство для подземного растворения солей, продольный разрез; на фиг. 2 - выносной элемент 1 на фиг. 1; на фиг.3 - продольный разрез А-А на фиг.2.

Устройство для подземного растворения солей содержит подземную камеру 1, образующуюся в ходе размыва пробуренной скважины, обсадную 2, водоподающую 3 и рассолозаборную 4 вертикальные колонны труб, размещенные по принципу "труба в трубе" и открытые снизу в подземной камере 1 на разной высоте, причем трубы собраны в колонны с помощью муфтовых соединений. Обсадная колонна труб 2 проходит надсолевые породы и заканчивается на уровне кровли соляной залежи, рассолозаборная колонна труб 4 проходит всю толщу соляной залежи и заканчивается вблизи забоя, а водоподающая колонна труб 3 заканчивается внутри соляной залежи, на высоте 10-15 метров от забоя. Высота рассолозаборной колонны труб 4 может составлять многие сотни метров, в зависимости от глубины залегания соляной залежи. Наружный диаметр труб обсадной колонны 2 принят равным 325 мм в соответствии с техническими данными буровой установки, а соотношение наружных диаметров обсадной колонны труб 2 и основных участков колонн труб 3 и 4 принято равным 1:0,67:0,45, что обеспечивает близкие величины площадей проходных сечений труб для воды и рассола. Увеличение наружных диаметров всех колонн труб, например, для снижения энергозатрат на прокачку воды и рассола, нецелесообразно, так как вызовет значительное увеличение трудо- и энергозатрат при буровых работах вследствие необходимости применения более мощной буровой установки, приведет к повышению металлоемкости колонн труб 2, 3 и 4, но не позволит заметно увеличить производительность устройства из-за ограниченной площади поверхности растворения соли в подземной камере 1.

Возможность увеличения наружных диаметров только нижних участков небольшой протяженности водоподающей 3 и рассолозаборной 4 колонн труб, расположенных внутри подземной камеры 1, весьма ограничена небольшими диаметрами применяемых труб и существующим типоразмерным рядом наружных диаметров труб, но это увеличение позволяет резко снизить потери давления на трение в этих колоннах труб при организации внутрикамерного циркуляционного контура. Нижний участок 5 рассолозаборной колонны труб 4 выполнен из трубы с наружным диаметром, например, 168 мм и соединен с основным участком этой колонны труб с наружным диаметром 146 мм с помощью переходника 6, а основной участок водоподающей колонны труб 3 с наружным диаметром 219 мм соединен с ее нижним участком, выполненным расширяющимся в виде усеченного конуса, то есть диффузора 7, с углом наклона образующей конуса к вертикали 1-3 и с наружным диаметром нижнего основания диффузора, например, 245 мм. Максимально возможными наружными диаметрами нижнего основания диффузора 7 и нижнего участка 5 рассолозаборной трубы будут соответственно внутренние диаметры труб обсадной колонны 2 и основного участка водоподающей колонны 3, но реальная возможность увеличения наружных диаметров этих деталей ограничена величинами зазоров между элементами соседних труб, допускаемых по монтажным соображениям, поэтому для наружных диаметров нижнего основания диффузора 7 и нижнего участка 5 рассолозаборной трубы выбраны диаметры, обеспечивающие прохождение диффузора 7 и нижнего участка 5 рассолозаборной трубы внутри колонн труб 2 и 3 при монтаже скважины. Минимально возможными наружными диаметрами нижнего основания диффузора 7 и нижнего участка 5 рассолозаборной трубы будут наружные диаметры труб основных участков водоподающей 3 и рассолозаборной 4 колонн соответственно.

При этом уменьшение наружных диаметров нижнего участка 5 рассолозаборной трубы и нижнего основания диффузора 7 ведет к снижению эффективности работы предлагаемого устройства вследствие уменьшения площадей проходных сечений нижнего участка 5 рассолозаборной трубы и диффузора 7.

Нижний участок 5 рассолозаборной трубы снабжен перфорацией из нескольких рядов отверстий 8, расположенных по его высоте и периметру, а также вставкой 9 в виде опрокинутого усеченного конуса, верхним основанием примыкающего к внутренней поверхности переходника 6 над верхним рядом отверстий 8. Для обеспечения равномерной раздачи циркулирующего потока рассола по отверстиям 8 они выполнены с меньшей суммарной площадью проходного сечения, чем площадь кольцевого сечения между нижним основанием вставки 9 и нижним участком 5 рассолозаборной трубы, но при этом суммарная площадь проходных сечений отверстий 8 должна обеспечить требуемую пропускную способность по циркулирующему рассолу, а размер отверстий 8 должен быть не менее 10 мм для предотвращения забивки их шламом при проведении подготовительного размыва скважины. Нижнее основание вставки 9 выполнено с наружным диаметром, например, равным 127 мм и открытым навстречу потоку рассола, а высота вставки 9 выбрана из условия, чтобы ее нижнее основание было расположено ниже нижнего ряда отверстий 8. Для наружного диаметра нижнего основания вставки 9 максимально возможным будет максимально возможный внутренний диаметр нижнего участка 5 рассолозаборной трубы, а минимально возможной величиной (меньше наружного диаметра основного участка рассолозаборной трубы 4) может быть, например, наружный диаметр 108 мм. Увеличение наружного диаметра нижнего основания вставки 9 ведет к уменьшению объемного расхода доли рассола, отбираемого из нижнего участка 5 рассолозаборной трубы на смешение с водой в диффузоре 7, из-за увеличения гидравлического сопротивления по потоку циркулирующего рассола, а уменьшение диаметра нижнего основания вставки 9 ведет к увеличению гидравлического сопротивления нижнего участка 5 рассолозаборной трубы по основному потоку рассола, движущемуся вверх, на поверхность земли.

Практически интервал минимально и максимально возможных соотношений наружных диаметров обсадной колонны 2, нижнего основания диффузора 7, нижнего участка 5 рассолозаборной колонны труб 4 и нижнего основания вставки 9 в предлагаемом устройстве равен 1:(0,7-0,94):(0,5-0,63):(0,33-0,45), а наиболее эффективным является предложенное соотношение 1:0,75:0,52:0,39, исходящее из существующего типоразмерного ряда наружных диаметров труб.

Диффузор 9 снабжен рядом ребер 10, частично выступающими также и внутрь примыкающего к диффузору 9 основного участка водоподающей трубы 3. Продольная плоскость симметрии ребер 10, выполненных с переменным по высоте сечением, размещена по нормали к внутренней поверхности диффузора 7, что позволяет уменьшить площадь поперечного сечения для прохода воды в районе верхних частей ребер 10 и увеличить площадь поперечного сечения для прохода постоянно увеличивающегося при движении вниз объемного расхода слабого рассола в районе нижних частей ребер 10. Верхние части ребер 10, находящиеся выше диффузора 7, в основном участке водоподающей трубы 3, выполнены скошенными для центровки нижнего участка 5 рассолозаборной трубы при ее монтаже внутри диффузора 7. Ребра 10 в районе их наибольшей толщины сечения должны быть выполнены с высотой немного менее ширины кольцевой щели между диффузором 7 и нижней части 5 рассолозаборной трубы, что не препятствует прохождению нижнего участка 5 рассолозаборной трубы через диффузор 7 при монтаже скважины в силу небольшой протяженности участка наибольшей толщины сечения ребер 10, но позволит избежать неравномерного распределения потоков воды и рассола в каналах диффузора 7.

Верхний ряд отверстий 8 должен быть при монтаже размещен на уровне наибольшей толщины сечения ребер 10 для обеспечения наибольшей пропускной способности всех рядов отверстий 8.

В верхней части камеры 1, расположенной выше уровня нижнего основания диффузора 7, размещена зона смешения 11, а под ней, в нижней части камеры 1, размещена зона вытеснения 12.

Вариантом предлагаемой конструкции, позволяющим повысить эффективность работы устройства за счет увеличения площадей проходных сечений по подаваемому растворителю и по основному потоку кондиционного рассола, является исполнение вставки 9 и нижней части диффузора 7 из коррозионностойкой стали, что позволит уменьшить толщины стенок их обечаек не менее чем в два раза с сохранением сроков эксплуатации этих деталей. Другим вариантом конструкции, позволяющим уменьшить глубину проникновения в направлении забоя кольцевой затопленной струи растворителя, является выполнение нижних частей ребер 10 изогнутыми по винтовой линии, что уменьшает вертикальную и увеличивает горизонтальную составляющие скорости потока растворителя, поступающего из диффузора 7 в окружающий рассол.

Устройство для подземного растворения солей работает следующим образом.

В соляной залежи бурят скважину, закрепляют ее с помощью обсадной колонны труб 2, после чего производят монтаж водоподающей колонны труб 3 с диффузором 7 внутри обсадной колонны труб 2, а затем рассолозаборной колонны труб 4 с нижним участком 5 внутри водоподающей колонны труб 3. Проводят подготовительный размыв (предварительно подав нерастворитель по обсадной колонне труб 2) с образованием горизонтального вруба в нижней части соляной залежи и вертикальной выработки в соляной залежи вокруг водоподающей колонны труб 3, закачивая воду в водоподающую колонну труб 3 и отбирая некондиционный рассол по рассолозаборной колонне труб 4, после чего снижают расход воды и осуществляют эксплуатационный размыв соляной залежи с получением кондиционного рассола в количестве, немного меньшим объемного расхода подаваемой воды. При растворении соли происходит увеличение объема подземной камеры 1, связанное с увеличением радиусов размыва зоны смешения 11 и в меньшей степени зоны вытеснения 12. С течением времени происходит выравнивание радиусов размыва обеих зон. За длительное время эксплуатационного размыва образуется подземная камера 1 больших размеров (с радиусом размыва 50 и более метров), где имеет место свободное движение рассола, при этом величина линейной скорости растворения соляной залежи уменьшается с увеличением радиуса размыва. Во время эксплуатационного размыва в водоподающую колонну труб 3 нагнетают увеличенный по сравнению с прототипом расход воды, которая движется сверху вниз по кольцевому пространству между основными участками колонн труб 3 и 4, а затем в пространстве между диффузором 7 и нижним участком 5 рассолозаборной трубы, где разделяется на ряд потоков, образующихся при обтекании водой верхних частей ребер 10. В районе наибольшей толщины сечения ребер 10 скорость воды резко возрастает за счет уменьшения площади проходного сечения, что сопровождается увеличением скоростного напора и уменьшением статического напора потоков воды.

Кондиционный рассол вследствие давления в камере 1, создаваемого подачей в нее воды под давлением, поступает из зоны вытеснения 12 в открытый торец нижнего участка 5 рассолозаборной трубы и движется по нему вверх. Большая доля кондиционного рассола затем поступает через нижнее основание вставки 9 и переходник 6 в основной участок рассолозаборной колонны труб 4, а из него на поверхность земли на дальнейшую переработку, а меньшая доля, являющаяся циркулирующим рассолом, поступает в пространство между вставкой 9 и нижним участком 5 рассолозаборной трубы, движется в нем с возрастанием статического напора и проходит через ряды отверстий 8, интенсивно смешиваясь затем с потоками воды в каналах, образованных нижними частями ребер 10, нижним участком 5 рассолозаборной трубы и диффузором 7. Изменение направления движения меньшей доли рассола с восходящего в нижнем участке 5 на нисходящее в диффузоре 7 достигается за счет создания разности статического давления по обе стороны перфорированной стенки нижнего участка 5 рассолозаборной трубы вследствие увеличения статического напора внутри пространства между вставкой 9 и нижним участком 5 рассолозаборной трубы и уменьшения статического напора в каналах диффузора 7. Объемный расход циркулирующего рассола в предлагаемом устройстве в несколько раз выше, чем объемный расход рассола, подаваемого под кровлю соляной залежи в прототипе, но он не выводится на поверхность земли, а циркулирует в дальнейшем внутри камеры 1 по циркуляционному контуру, образованному нижним участком 5 рассолозаборной трубы, диффузором 7, зонами 11 и 12. Это позволяет значительно увеличить объемный расход растворителя по сравнению с объемным расходом подаваемой воды. Образующийся в диффузоре 7 растворитель в виде слабого рассола выходит по всему периметру нижнего основания диффузора 7 в зону смешения 11 в виде кольцевой затопленной струи, изменяет направление движения с нисходящего на восходящее и всплывает в вертикальной выработке зоны смешения 11, смешиваясь с более насыщенным окружающим рассолом зоны смешения 11. Поскольку объемный расход растворителя, поступающего в зону смешения 11, намного больше, чем объемный расход подаваемой воды в прототипе, то и объем вовлекаемого им в движение рассола зоны смешения 11 будет значительно больше, что интенсифицирует движение рассола в камере.

Известно, что при проведении подготовительного размыва на существующих скважинах скорость растворения соли в радиальном направлении увеличивается пропорционально величине квадратного корня из объемного расхода воды, следовательно, в режиме эксплуатационного размыва значительное увеличение подачи растворителя в виде слабого рассола также приведет к увеличению скорости растворения соли стенок соляной залежи вследствие повышения скорости движения рассола в зоне смешения 11 относительно ее стенок и более интенсивного, чем в прототипе, перемешивания растворителя и рассола, сопровождающееся получением кондиционного, а не слабого рассола. При этом концентрация рассола в пространстве под кровлей соляной залежи будет выше, чем в прототипе, и одинаковой по всей высоте зоны смешения 11 за счет увеличения концентрации и количества растворителя, поступающего из диффузора. Равенство концентрации рассола по высоте зоны смешения 11 способствует обеспечению постоянной скорости растворения соли в соляной залежи, ведущей к сохранению вертикальности ее стенок во время эксплуатационного размыва, в то время как различие в концентрации рассола по высоте зоны смешения 11 в известном устройстве может привести к отклонению стенок соляной залежи от вертикали и вследствие этого к снижению производительности.

Основное количество растворенной соли переходит в рассол с поверхности вертикальных стенок зоны смешения 11, при этом выше уровня подачи растворителя в зону смешения 11 во всем объеме зоны смешения 11 по ее высоте устанавливается относительная концентрация соли (отношение концентрации соли в зоне смешения к концентрации соли в насыщенном рассоле), примерно равная 80%. При донасыщении рассол зоны смешения 11 увеличивает свою плотность и за счет этого переходит в нижерасположенную зону вытеснения 12, в которой относительная концентрация рассола постоянно возрастает по мере приближения к забою до величины примерно 98% с соответствующим увеличением плотности.

Из зоны вытеснения 12 кондиционный рассол поступает в рассолозаборную трубу 4 через нижний участок 5, причем большая его доля является продукцией, а меньшая служит в качестве циркулирующего рассола, совершая дальнейший цикл.

В предлагаемом устройстве усовершенствована конструкция небольших деталей, что позволяет резко увеличить количество растворителя, поступающего в зону смешения, за счет организации циркуляции рассола только в подземной камере, и увеличить количество воды, подаваемой в скважину, а следовательно, увеличить производительность скважины по извлекаемой соли, что позволит сократить количество скважин на рассолопромысле и снизить удельные энергозатраты при производстве рассола.

Формула изобретения

1. Устройство для подземного растворения солей, содержащее подземную камеру с зонами смешения и вытеснения, обсадную, водоподающую и рассолозаборную колонны труб, размещенные вертикально по принципу "труба в трубе" и открытые снизу в подземной камере, патрубки для ввода растворителя, нерастворителя и вывода кондиционного рассола в оголовке скважины, отличающееся тем, что нижний участок водоподающей колонны труб выполнен в виде диффузора с рядом ребер, продольная плоскость симметрии которых размещена по нормали к внутренней поверхности диффузора, нижний участок рассолозаборной колонны труб соединен с основным участком этой колонны труб с помощью переходника, имеет несколько рядов отверстий и вставку в виде опрокинутого усеченного конуса, верхним основанием примыкающего к его внутренней поверхности над верхним рядом отверстий, причем верхний ряд отверстий размещен в районе наибольшей толщины сечения ребер, при этом соотношение наружных диаметров основных участков обсадной, водоподающей и рассолозаборной колонн труб равно 1 : 0,67 : 0,45, а соотношение наружных диаметров обсадной колонны, нижнего основания диффузора, нижнего участка рассолозаборной колонны труб и нижнего основания вставки равно 1 : (0,7 - 0,94) : (0,5 - 0,63) : (0,33 - 0,45).

2. Устройство для подземного растворения солей по п.1, отличающееся тем, что соотношение наружных диаметров обсадной колонны, нижнего основания диффузора, нижнего участка рассолозаборной колонны труб и нижнего основания вставки равно 1 : 0,75 : 0,52 : 0,39.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3