Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи, в строительном деле при сооружении через скважины подземных хранилищ в осадочных горных породах для хранения жидких и газообразных продуктов и захоронения промышленных отходов. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает вскрытие продуктивного пласта добычной скважиной, установку в ней обсадной колонны труб, спуск в нее соосных подвесных колонн труб с гидромониторной насадкой и всасывающим наконечником, подачу в скважину воды и сжатого воздуха, при этом воздух подают по одной из подвесных колонн труб в нижнюю часть всасывающего наконечника, производят размыв гидродобычной камеры в интервале продуктивного пласта и забор образующейся гидросмеси через всасывающий наконечник, перемещающийся по вертикали, не выходя полностью из обсадной колонны. Для реализации способа предлагается устройство, в котором внутри всасывающего наконечника размещена форсунка, при этом зазор между всасывающим наконечником и обсадной колонной труб составляет 1-10 мм. Изобретение обеспечивает повышение эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых и надежности в работе устройства. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи, в строительном деле при сооружении через скважины подземных хранилищ в осадочных горных породах для хранения жидких и газообразных продуктов и захоронения промышленных отходов.

Известен способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта скважиной, оборудование ее обсадной трубой, монтаж в нее подвесной колонны, состоящей из водоподающей, воздухоподающей и пульпоподъемной труб, подачу воды и сжатого воздуха в скважину и подъем гидросмеси на поверхность по подвесной колонне труб [1].

Устройство для реализации данного способа представляет собой подвесную колонну труб, состоящих из пульпоподъемной трубы, внутри которой расположены водоподающая и воздухоподающая трубы [1].

Недостатки данного способа и устройства для его осуществления заключаются в низкой производительности подъема гидросмеси, ввиду неполного использования сечения скважины (30-60%), и в сложности монтажа и управления скважинным оборудованием в процессе добычи из-за большого веса подвесной колонны, состоящей из трех труб: водоподающей, воздухоподающей и пульпоподъемной.

Наиболее близким к заявленному техническому решению, относящемуся к способу скважинной гидродобычи полезных ископаемых, является способ извлечения материалов из глубоко залегающих подземных формаций, включающий вскрытие продуктивного пласта добычной скважиной с обсадкой ее колонной труб, спуск в скважину двух подвесных колонн труб с всасывающим наконечником, подачу сжатого воздуха по обсадной колонне труб, перемещение всасывающего наконечника, подачу воды на размыв гидродобычной камеры в интервале продуктивного пласта, подачу воды по одной из подвесных колонн, забор образующейся гидросмеси через всасывающий наконечник и подъем ее на поверхность по другой подвесной колонне труб [2].

Известно устройство для реализации данного способа, включающее обсадную колонну труб скважины, оголовок, две соосно расположенные подвесные колонны труб с гидромониторной насадкой в нижней части для подачи воды, одна из которых жестко связана с всасывающим наконечником [2].

Недостатки указанного способа и устройства для его осуществления заключаются в низкой производительности эрлифтного подъема, обусловленной малым значением коэффициента затопления эрлифта из-за высокого уровня ввода воздуха в пульпоподъемную колонну, а также в большом весе подвесных колонн, обусловленном большим диаметром пульпоподъемной колонны.

Решаемая задача заключается в повышении эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых и надежности работы устройства.

При этом достигается повышение производительности и объема добычи полезных ископаемых из добычной камеры при залегании неустойчивых пород в кровле продуктивного пласта за счет увеличения дальности гидромониторного разрушения и создания избыточного давления воды в камере, повышающего устойчивость ее кровли. Кроме того, снижаются металлоемкость и вес устройства, основу которого составляют воздухо- и водоподающие трубы сравнительно небольшого диаметра, существенно упрощается конструкция устройства.

Достижение технического результата обеспечивается при использовании известного способа, включающего вскрытие продуктивного пласта добычной скважиной, установку в ней обсадной колонны труб, спуск подвесных колонн труб с всасывающим наконечником, подачу в скважину воды и сжатого воздуха, перемещение всасывающего наконечника, размыв гидродобычной камеры в интервале продуктивного пласта, забор образующейся гидросмеси через всасывающий наконечник и подъем ее на поверхность. При этом согласно предлагаемому способу воздух подают по одной из подвесных колонн труб в нижнюю часть всасывающего наконечника, а подъем гидросмеси производят по обсадной колонне, перемещение всасывающего наконечника осуществляют по вертикали, не выводя его полностью из обсадной колонны.

Другое отличие способа заключается в том, что подачу воды осуществляют с производительностью, превышающей производительность подъема гидросмеси на поверхность.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающее в качестве известных признаков обсадную колонну труб скважины и оголовок, соосно расположенные подвесные колонны труб с гидромониторной насадкой в нижней части для подачи воды, одна из которых жестко связана с всасывающим наконечником. Согласно предлагаемому устройству внутри всасывающего наконечника размещена форсунка, связанная с одной из подвесных колонн труб, при этом зазор между всасывающим наконечником и обсадной колонной труб составляет 1-10 мм.

Отличием устройства является также то, что для создания зазора между всасывающим наконечником и обсадной колонной труб, на нижнем ее конце установлено кольцо, внутренний диаметр которого на 1-5 мм больше наружного диаметра всасывающего наконечника.

Другим отличием является то, что подвесные колонны труб во всасывающем наконечнике расположены эксцентрично относительно его оси.

Раздельная подача воды на размыв продуктивного пласта по одной подвесной колонне, а воздуха на эрлифтирование - по другой подвесной колонне труб в нижнюю часть всасывающего наконечника позволяет увеличить производительность и дальность гидромониторного разрушения и снизить потери давления, неизбежные при транспортировании смеси воды и воздуха по одной колонне труб.

Подача воздуха, осуществляемая с расходом, при котором производительность по поднимаемой гидросмеси меньше расхода подаваемой воды, создает в подземной гидродобычной камере избыточное давление относительно естественного гидростатического давления воды во вмещающих породах. Это избыточное давление повышает устойчивость кровли камеры, т.к. давление и фильтрационные токи воды направлены наружу, а не внутрь камеры. В результате создается возможность увеличения объема добычи в неустойчивых породах без обрушения кровли подземной камеры. Кроме того, избыточное давление воды в подземной камере также повышает коэффициент затопления эрлифта и тем самым увеличивает его производительность.

Размещение форсунки внутри всасывающего наконечника увеличивает степень затопления эрлифта, что приводит к повышению производительности эрлифтного подъема.

Установка кольца на нижнем конце обсадной колонны, внутренний диаметр которого на 1-5 мм больше наружного диаметра всасывающего наконечника, позволяет, с одной стороны, облегчить монтаж подвесных колонн в скважине за счет увеличения зазора между всасывающим наконечником и обсадной колонной, а с другой - сделать зазор минимальным для уменьшения возможного подсоса воды из верхней части гидродобычной камеры, что повышает производительность эрлифтного подъема.

Расположение подвесных колонн труб во всасывающем наконечнике эксцентрично относительно его оси позволяет увеличить проходное сечение в самом узком месте при подъеме гидросмеси, и тем самым уменьшить вероятность забивки всасывающего наконечника при подъеме крупнообломочного материала (щебня, гравия), то есть повысить надежность работы устройства.

Смещение гидромониторной насадки от оси всасывающего наконечника также увеличивает проходное сечение при подъеме гидросмеси. Кроме этого, возникающий при работе гидромониторной насадки вращающий момент облегчает поворот в скважине в этом же направлении всасывающего наконечника, что также повышает надежность и эффективность работы устройства.

Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности способа скважинной гидродобычи.

Предлагаемый способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых поясняется схемой на фиг.1.

На фиг.2, 3, 4 показано устройство для осуществления предложенного способа. На фиг.2 - вариант выполнения устройства с соосным расположением подвесных колонн труб. На фиг.3 - вариант выполнения устройства с эксцентричным расположением нижних частей подвесных колонн труб. На фиг.4 показано сечение по А-А устройства, изображенного на фиг.3.

В устройстве на фиг. 1 и 2 продуктивный пласт 1 вскрывается добычной скважиной 2 с обсадной колонной труб 3. В скважину 2 спущены соосно расположенные подвесные воздухоподающая наружная и внутренняя водоподающая 5 колонны труб, снабженные всасывающим наконечником 6 и гидромониторной насадкой 7. Для отвода гидросмеси из гидродобычной камеры 8 обсадная колонна 3 труб снабжена в верхней части оголовком 9. Водоподающая подвесная колонна 5 труб в нижней части снабжена форсункой 10 для выхода воздуха. Обеспечение необходимого зазора между всасывающим наконечником 6 и обсадной колонной труб 3 создается посредством кольца 11, установленного на нижнем конце обсадной колонны 3 труб.

Способ осуществляют следующим образом (фиг. 1). Продуктивный пласт 1 вскрывают добычной скважиной 2, в которой устанавливают обсадную колонну 3. После этого в скважину 2 спускают две соосные подвесные колонны труб 4 и 5 с всасывающим наконечником 6. Подвесную колонну 3 труб в верхней части соединяют с трубопроводом сжатого воздуха, а подвесную водоподающую колонну 5 соединяют в верхней части с трубопроводом воды. В скважину 2 подают воду и сжатый воздух.

Перемещая всасывающий наконечник 6 по вертикали с одновременным вращением его в скважине 2 и подъемом и спуском его по всей мощности продуктивного пласта 1, производят размыв гидродобычной камеры 8 с помощью гидромониторной насадки 7, при этом образующуюся гидросмесь забирают через нижний конец всасывающего наконечника 6 и далее по всасывающему наконечнику 6 и обсадной колонне 3 поднимают на поверхность. Сжатый воздух, подаваемый по подвесной колонне 4 во всасывающий наконечник 6, формирует поток гидросмеси вверх с забором гидросмеси через нижнюю часть всасывающего наконечника 6. Последний перемещают по вертикали, не выводя его полностью из обсадной колонны 3, чтобы не происходил забор воды из верхней части гидродобычной камеры 8.

При размыве гидродобычной камеры 8 подачу воды производят с производительностью, превышающей производительность по подъему гидросмеси на поверхность. Благодаря этому в гидродобычной камере 8 создают избыточное давление воды, что увеличивает производительность подъема гидросмеси из скважины 2 и возможный объем добычи полезных ископаемых из гидродобычной камеры 8 вследствие повышения устойчивости пород в ее кровле.

Примером конкретного выполнения служат испытания данного способа при добыче циркон-ильменитовых песков. Согласно предлагаемому способу продуктивный пласт 1 песков вскрывают скважиной 2 на глубину 60 метров с обсадкой ее трубой 3 диаметром 245х9 мм на глубину 53 м от поверхности. В скважину 2 буровым станком УРБ-3АМ монтируют две соосно расположенные подвесные колонны труб 4 и 5: наружную 4 диаметром 168 мм для подачи воздуха и внутреннюю 5 диаметром 108 мм для подачи воды. В нижней части подвесных колонн 4 и 5 закрепляют всасывающий наконечник 6 в виде трубы диаметром 219 мм и длиной 10 м. При этом зазор между всасывающим наконечником 6 (диаметром 219 мм) и внутренним диаметром обсадной колонны 3 (245х9 мм) устанавливают равным 8 мм. Внутри, в нижней части наружной подвесной колонны 5 устанавливают форсунку 10 для выхода сжатого воздуха и гидромониторную насадку 7 диаметром 24 мм для размыва продуктивного пласта 1 песков. При подаче воды под давлением около 2 МПа по водоподающей колонне труб 4 к гидромониторной насадке 7 производят размыв продуктивного пласта 1 путем вертикального перемещения подвесных колонн труб 4 и 5 и всасывающего наконечника 6 с их круговым вращением в скважине 2. При этом верхний конец всасывающего наконечника 6 не выводят из обсадной колонны труб 3. Образующуюся гидросмесь удаляют через нижний торец всасывающего наконечника 6 и по обсадной колонне труб 3 поднимают на поверхность, где с помощью оголовка 9 на скважине 2 отводят на карту намыва. Производительность подачи воды составляет 120-130 м³/ч, а производительность подъема гидросмеси около 100-110 м³/ч, в том числе по пескам около 40 т/ч. Таким образом, в размываемой подземной камере 8 создают избыточное давление воды, которое увеличивает производительность эрлифта при расходе воздуха около 6 м³/мин в 2 раза и объем добычи в 4 раза. В процессе испытаний не было зафиксировано обрушение пород кровли подземной камеры 8, в то время как при обычной откачке, без создания избыточного давления воды в подземной камере 8, обрушение пород кровли происходило непрерывно, достигая поверхности в течение 1-3 суток.

Предлагаемое устройство (фиг.1) для осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых включает обсадную колонну 3 скважины 2, оголовок 9 для отвода поднимаемой эрлифтом гидросмеси, соосно расположенные подвесные колонны 4 и 5 труб соответственно для подачи воды с гидромониторной насадкой 7 в нижней части и для подачи сжатого воздуха с форсункой 10. Подвесные колонны труб 4 и 5 жестко связаны с всасывающим наконечником 6. Форсунка 10 расположена в нижней части всасывающего наконечника 6. Зазор между всасывающим наконечником 6 и обсадной колонной 3 в нижней ее части составляет 1-10 мм.

Если указанный зазор при использовании стандартных труб превышает необходимый диапазон, то на нижнем конце обсадной колонны 3 может устанавливаться кольцо 11, внутренний диаметр которого на 1-5 мм больше наружного диаметра всасывающего наконечника 6 (фиг.3).

При подъеме крупнообломочного материала важно обеспечить максимальное проходное сечение для пропуска гидросмеси в узкой части всасывающего наконечника 6, поэтому спускаемые соосные водоподающая 4 и воздухоподающая 5 подвесные колонны труб расположены эксцентрично относительно оси всасывающего наконечника б (фиг.3 и 4). Для этой же цели гидромониторная насадка 7 смещена от оси всасывающего наконечника 6. При этом, благодаря реактивной силе струи воды, вылетающей из насадки 7, облегчается вращение всасывающего наконечника 6 при размыве гидродобычной камеры 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После вскрытия продуктивного пласта 1 скважиной 2 производится монтаж в ней обсадной колонны 3 до кровли продуктивного пласта 1 (фиг.1). После этого внутрь обсадной колонны 3 скважины 2 монтируются соосно расположенные подвесные колонны труб 4 и 5 с всасывающим наконечником 6, а в верхней части скважины 2 устанавливается оголовок 9. Вода от насоса по наземному водоводу подается через подвесную колонну 4 труб на насадку 7, а сжатый воздух от компрессора по наземному воздуховоду подается через подвесную колонну 5 труб на форсунку 10. Перемещая с помощью подъемного устройства (крана, бурового станка и т.п.) подвесные колонны 4 и 5 труб вместе с всасывающим оголовком 6, производится размыв гидродобычной камеры 8 в интервале продуктивного пласта 1. Образующаяся при этом гидросмесь поступает через нижний конец всасывающего наконечника 6, где, смешиваясь с воздухом, выходящим из форсунки 10, поднимается по обсадной колонне 3 и с помощью оголовка 9 направляется на карту намыва для складирования продуктивных песков.

Источники информации 1. Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. Учебное пособие. М., МГРА, 1995, с.85.

2. Абрамов Г.Ю., Вильмис А.Л. Скважинная гидродобыча глубокозалегающих богатых железных руд КМА. 1-й советско-югославский симпозиум по проблемам скважинной гидравлической технологии. T.I МГРИ,1991, с 33-37.

Формула изобретения

1. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта добычной скважиной, установку в ней обсадной колонны труб, спуск подвесных колонн труб с всасывающим наконечником, подачу в скважину воды и сжатого воздуха, перемещение всасывающего наконечника, размыв гидродобычной камеры в интервале продуктивного пласта, забор образующейся гидросмеси через всасывающий наконечник и подъем ее на поверхность, отличающийся тем, что воздух подают по одной из подвесных колонн труб в нижнюю часть всасывающего наконечника, а подъем гидросмеси производят по обсадной колонне, причем перемещение всасывающего наконечника осуществляют по вертикали, не выводя его полностью из обсадной колонны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу воды осуществляют с производительностью, превышающей производительность подъема гидросмеси на поверхность.

3. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающее обсадную колонну труб скважины, оголовок, соосно расположенные подвесные колонны труб с гидромониторной насадкой в их нижней части для подачи воды, одна из которых жестко связана с всасывающим наконечником, отличающееся тем, что оно снабжено связанной с одной из подвесных колонн труб и размещенной внутри всасывающего наконечника форсункой, при этом зазор между всасывающим наконечником и обсадной колонной труб составляет 1-10 мм.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для создания зазора между всасывающим наконечником и обсадной колонной труб на нижнем конце последней установлено кольцо с внутренним диаметром на 1-5 мм больше наружного диаметра всасывающего наконечника.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что подвесные колонны труб во всасывающем наконечнике расположены эксцентрично относительно его оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4