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. Изобретение может найти также применение в строительном деле при сооружении через скважины подземных хранилищ в осадочных горных породах для хранения жидких и газообразных продуктов и захоронения промышленных отходов. Решаемая задача заключается в повышении эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых за счет сокращения затрат времени на проходку скважины, ее обсадку, монтаж и демонтаж скважинного снаряда и извлечение обсадной колонны труб. Достижение технического результата обеспечивается при использовании известного способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающего вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной, обсадку скважины колонной труб, монтаж скважинного снаряда с концентрично расположенными колоннами труб, гидроэлеватором и гидромониторной насадкой, гидромониторный размыв пласта и подъем образующейся гидросмеси пород гидроэлеватором на поверхность. При этом, согласно предлагаемому способу, вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной и ее обсадку осуществляют путем перемещения внешней колонны труб скважинного снаряда вдоль оси скважины и одновременного вращения внутренней колонны труб, гидромониторную насадку вводят внутрь внешней колонны труб скважинного снаряда, а при размыве продуктивного пласта ее выводят из внешней колонны труб скважинного снаряда. Для достижения названного технического результата предлагается устройство, выполненное в виде скважинного снаряда, включающее в качестве известных признаков концентрично расположенные колонны труб, внешняя из которых является обсадной колонной скважины, а внутренняя снабжена наконечником с гидроэлеватором, гидромониторной насадкой и герметизирующим элементом, и оголовок в виде двухпроходного вертлюга для подвода воды и выдачи пульпы. При этом, согласно предлагаемому устройству, герметизирующий элемент установлен на наконечнике выше гидромониторной насадки и выполнен в виде цилиндрического выступа. Для ограничения перемещения внутренней колонны труб относительно внешней на нижнем торце внешней колонны труб установлена втулка с возможностью взаимодействия с цилиндрическим выступом, внешний диаметр которого превышает внутренний диаметр втулки. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи и строительстве подземных резервуаров-хранилищ.
Известен способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, перекрытых неустойчивыми осадочными породами, включающий вскрытие продуктивного пласта вертикальной скважиной, оборудование ее обсадной трубой до кровли пласта, монтаж в нее скважинного оборудования, размыв пласта перпендикулярно оси скважины с оставлением сектора 120° в качестве целика для безопасного размещения добычного оборудования над скважиной и гидроэлеваторным подъемом образующейся гидросмеси на поверхность [1].
Недостаток данного способа заключается в опасности обрушения пород вокруг вертикальной скважины с провалом поверхности под добычным оборудованием.
Устройство для реализации данного способа представляет собой скважинный снаряд с гидроэлеватором центрального типа и с соосно расположенными колоннами, жестко закрепленными относительно друг друга: внешней - для подачи воды и внутренней для подъема гидросмеси на поверхность, а также с перпендикулярно расположенной к оси снаряда гидромониторной насадкой для размыва пласта [2].
Недостаток данного устройства заключается в низкой производительности снаряда, поперечные размеры которого ограничены обсадной колонной скважины, в которую монтируется снаряд.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной, обсадку скважины колонной труб, монтаж в нее скважинного снаряда с концентрично расположенными колоннами труб, гидроэлеватором и гидромониторной насадкой, гидромониторный размыв пласта и подъем образующейся гидросмеси гидроэлеватором на поверхность [3].
Недостаток данного способа заключается в больших затратах времени на вскрытие продуктивного пласта и отработку добычной камеры, обусловленных необходимостью последовательного выполнения работ по бурению скважины, установке в ней колонны обсадных труб, монтажу скважинного оборудования, отработке камеры, демонтажу скважинного оборудования и извлечению из скважины колонны обсадных труб.
Известно устройство для реализации данного способа, выполненное в виде скважинного снаряда, включающее концентрично расположенные колонны труб, внешняя из которых является обсадной колонной скважины, а внутренняя снабжена наконечником с гидроэлеватором, гидромониторной насадкой и герметизирующим элементом, и оголовок в виде двухпроходного вертлюга для подвода воды и выдачи пульпы [4].
Недостаток данного устройства заключается в больших затратах времени, обусловленных монтажом в скважине сначала обсадной колонны труб, а затем внутренней колонны труб скважинного снаряда, и невозможности использовать снаряд для проходки скважины.
Решаемая задача заключается в повышении эффективности способа за счет сокращения затрат времени на проходку скважины, ее обсадку, монтаж и демонтаж скважинного снаряда и извлечение обсадной колонны труб.
В результате решения этой задачи достигаются следующие преимущества:
- Снижение затрат времени на отработку подземной камеры в 2 раза за счет совмещения операций по бурению, обсадке скважины и монтажу скважинного снаряда.
- Увеличение возможного объема добычи из подземной камеры за счет сокращения времени отработки полигона, благодаря чему снижается величина напряжений в кровле подземных камер и интенсивность обрушения покрывающих пород.
- Возможность использовать скважинный снаряд как для проходки и обсадки скважины, так и для последующей выемки продуктивного пласта за счет осевого перемещения внутренних пульпоподъемных труб относительно внешней колонны.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в способе скважинной гидродобычи, включающем вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной, обсадку скважины колонной труб, монтаж скважинного снаряда с концентрично расположенными колоннами труб, гидроэлеватором и гидромониторной насадкой, гидромониторный размыв пласта и подъем образующейся гидросмеси пород гидроэлеватором на поверхность, согласно предлагаемому техническому решению, вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной и ее обсадку осуществляют путем перемещения внешней колонны труб скважинного снаряда вдоль оси скважины и одновременного вращения внутренней колонны труб, при этом гидромониторную насадку вводят внутрь внешней колонны труб скважинного снаряда, а при размыве продуктивного пласта ее выводят из внешней колонны труб скважинного снаряда.
Перемещение внешней колонны труб скважинного снаряда вдоль оси скважины и одновременное вращение внутренней колонны труб при вскрытии продуктивного пласта добычной наклонной скважиной и ее обсадке значительно снижают затраты на преодоление трения о породу при обсадке скважины и позволяют создавать осевую нагрузку для механического разрушения пород на забое скважины, что интенсифицирует процесс вскрытия продуктивного пласта.
Ввод гидромониторной насадки внутрь внешней колонны труб скважинного снаряда при проходке скважины позволяет производить размыв породы на забое скважины кольцевой струей, выходящей из внешнего корпуса скважинного снаряда, без размыва пород вокруг скважины, и удалять породу с забоя скважины на поверхность с помощью гидроэлеватора. При этом разрушения пород за пределами скважины не происходит. Большой поток воды, выходящий из гидромониторной насадки, также интенсифицирует процесс вскрытия по сравнению с установкой специальных насадок малого диаметра для гидромониторного бурения скважины. Вращение внутреннего става позволяет установить на его торце буровые коронки, что также интенсифицирует проходку скважины.
Вывод гидромониторной насадки из внешней колонны труб скважинного снаряда при размыве продуктивного пласта способствует быстрому переходу из режима проходки скважины в режим добычи и не требует раздельного подвода воды в скважинный снаряд на бурение и размыв пласта.
Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности способа скважинной гидродобычи.
Осуществление поставленной задачи достигается использованием устройства для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, выполненного в виде скважинного снаряда, включающего концентрично расположенные колонны труб, внешняя из которых является обсадной колонной скважины, а внутренняя снабжена наконечником с гидроэлеватором, гидромониторной насадкой и герметизирующим элементом, и оголовок в виде двухпроходного вертлюга для подвода воды и выдачи пульпы. При этом, согласно предлагаемому устройству, герметизирующий элемент установлен на наконечнике выше гидромониторной насадки и выполнен в виде цилиндрического выступа. Для ограничения перемещения внутренней колонны труб относительно внешней на нижнем торце внешней колонны труб установлена втулка с возможностью взаимодействия с цилиндрическим выступом, внешний диаметр которого превышает внутренний диаметр втулки.
Установка герметизирующего элемента на наконечнике выше гидромониторной насадки с выполнением его в виде цилиндрического выступа и установка втулки на нижнем торце внешней колонны труб с возможностью ее взаимодействия с цилиндрическим выступом, внешний диаметр которого превышает внутренний диаметр втулки, обеспечивают возможность вращения и осевого перемещения наконечника относительно внешней колонны труб без выхода герметизирующего элемента за ее пределы и позволяют осуществлять посредством данного устройства как проходку скважины с одновременной ее обсадкой, так и быстрый переход из режима бурения в режим добычи полезных ископаемых, что в значительной мере повышает эффективность его работы.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
На фиг.1 - схема осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых на этапе вскрытия продуктивного пласта добычной наклонной скважиной;
На фиг.2 - схема осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых на этапе размыва продуктивного пласта.
На фиг.3 - схема устройства с наземной установкой.
На фиг.4 - нижний узел устройства.
На этих фигурах 1-4 показаны: добычная скважина 1, которая проходится до продуктивного пласта 2. В добычной скважине 1 находится внешняя колонна труб 3 скважинного снаряда, являющаяся обсадной колонной для добычной скважины 1. Внешняя колонна труб 3 скважинного снаряда на нижнем торце имеет втулку 4, служащую для ограничения хода внутренней колонны труб 5. Внутренняя колонна труб 5 скважинного снаряда соединена в нижней части с наконечником 6, внутри которого расположены гидроэлеватор 7 и гидромониторная насадка 8. Наконечник 6 в верхней части имеет герметизирующий элемент 9, выполненный в виде цилиндрического выступа. В верхней части скважинного снаряда установлен оголовок 10 в виде вертлюга для подвода воды и отвода поднимаемой гидросмеси, а также поворотный механизм 11 для свинчивания внешней 3 и внутренней 5 колонн труб и вращения внутренней колонны труб 5 в процессе проходки скважины 1 и размыва продуктивного пласта 2, и подъемник 12, обеспечивающий перемещение внутренней колонны труб 5 относительно внешней колонны труб 3. Скважинный снаряд монтируется на наземной установке 13 в каретке 14, которая перемещается по наклонным аппарелям 15 с помощью подъемной лебедки 16.
Способ осуществляется следующим образом. С поверхности скважинным снарядом производят вскрытие наклонной скважиной 1 продуктивного пласта 2 (фиг.1 и 2). Для этого под заданным углом погружают скважинный снаряд с концентрично расположенными колонами труб 3 и 5, гидроэлеватором 7 и гидромониторной насадкой 8, которую вводят внутрь внешней колонны труб 3 скважинного снаряда. При проходке добычной наклонной скважины 1 воду от насоса по трубопроводу подают через оголовок 10 по внешней колонне труб 3 на гидроэлеватор 7 и гидромониторную насадку 8. Вода из гидромониторной насадки 8 проходит по кольцевому зазору между внешней колонной труб 3 и наконечником 6 с герметизирующим элементом 9, создавая кольцевую струю на забое скважины 1, которая размывает породы перед обсадной колонной труб 2. Размытые породы в виде гидросмеси гидроэлеватором 7 по внутренней колонне труб 5 через оголовок 10 поднимаются на поверхность.
В процессе проходки добычной наклонной скважины 1 внешняя колонна труб 3 служит в качестве обсадной колонны, препятствуя обрушению стенок скважины 1. При этом внешняя колонна труб 3 совершает только осевое перемещение в скважине 1 без вращения, что снижает трение о стенки скважины 1, а одновременное вращение внутренней колонны труб 5 относительно внешней колонны труб 3 позволяет осуществлять механическое разрушение породы на забое скважины 1 и улучшает всасывание разрушенных пород гидроэлеватором 7.
После проходки скважины 1 до продуктивного пласта 2 приступают к добыче полезного ископаемого (фиг.2). Для этого внутреннюю колонну труб 5 опускают вниз относительно внешней колонны труб 3 до упора герметизирующего элемента 9, выполненного в виде цилиндрического выступа, на втулку 4, установленную на нижнем торце внешней колонны труб 3, и выводят часть наконечника 5 с гидромониторной насадкой 8 из внешней колонны труб 3. Вращая внутреннюю колонну труб 5, производят круговой размыв пород продуктивного пласта 2 струей воды из гидромониторной насадки 8, а образующуюся гидросмесь засасывают гидроэлеватором 7 и по внутренней колонне труб 5 поднимают на поверхность.
При залегании неустойчивых пород, покрывающих продуктивный пласт 2, возможно их обрушение в очистное пространство с образованием провала на поверхности, однако, благодаря наклонному положению скважины 1 ее устье находится вне зоны провала, что обеспечивает безопасность работ.
После размыва продуктивного пласта 2 скважинный снаряд извлекают из скважины 1.
Примером конкретного выполнения можно привести добычу погребенных циркон-ильменитовых песков. Продуктивный пласт 2, перекрытый песчано-глинистыми отложениями, вскрывают скважиной 1 с помощью скважинного снаряда. Для этого снаряд устанавливают на наземной установке 13 под углом 60° к поверхности и производят его погружение в грунт с размывом пород струей воды, выходящей из кольцевого зазора между втулкой 4 на внешней колонне труб 3 и наконечником 6 внутренней колонны труб 5. При этом подъемником 12 поднимают внутреннюю колонну труб 5 относительно внешней колонны труб 3 с вводом гидромониторной насадки 8 внутрь внешней колонны труб 3. Одновременным вращением внутренней колонны труб 5 с помощью механизма поворота 11 производят разрушение и измельчение породы на забое скважины 1 с помощью буровых резцов, установленных на нижнем торце наконечника 6 (буровые резцы на фигуре не показаны).
Гидросмесь породы, образующаяся перед снарядом, всасывается гидроэлеватором 7 и по центральной колонне труб 5 и оголовку 10 удаляется из скважины 1. После погружения скважинного снаряда на длину секции 10 м устанавливают следующую секцию и продолжают процесс проходки скважины 1. Внешний корпус снаряда закреплен в каретке 14, которая перемещается по наклонным аппарелям 15 и движется вниз по оси скважины за счет веса скважинного снаряда и приложения усилия до 50 т через полиспастную систему лебедки 16 на наземной установке 13. Таким образом, проходится скважина 1 до продуктивного пласта 2 на вертикальную глубину до 50 м. Достигнув продуктивного пласта 2, внутреннюю колонну труб 5 перемещают относительно внешней колонны труб 3 таким образом, чтобы гидромониторная насадка 8 вышла из внешней колонны труб 3. При вращении внутренней колонны труб 5 с одновременным погружением скважинного снаряда без вращения внешней колонны труб 3 производят круговой размыв продуктивного пласта 2 с подъемом цирконильменитовых песков гидроэлеватором 7 на поверхность. Наружная колонна труб 3 скважинного снаряда служит обсадной колонной для скважины 1. После отработки подземной камеры скважинный снаряд с помощью лебедки 16 наземной установки 13 извлекается из скважины 1 на поверхность.
Провал поверхности над размываемой подземной камерой находится в 30 м от наземной установки 13, поэтому обеспечивается безопасность ведения добычи песков. Угол наклона скважины 1-60° обеспечивает ее сохранность в процессе отработки подземной камеры, так как мульда сдвижения покрывающих пород в первые недели не выходит за контур подземной камеры, а угол сдвижения достигает величины угла естественного откоса - 45° в течение года.
Устройство для осуществления предложенного способа показано на фигурах 3 и 4. Оно включает концентрично расположенные внешнюю 3 и внутреннюю 5 колонны труб, наконечник 6 с гидроэлеватором 7 и гидромониторной насадкой 8. На нижнем торце внешней колонны труб 3 установлена втулка 4, внутренний диаметр которой больше внешнего диаметра наконечника 6. На наконечнике 6 выше гидромониторной насадки 8 установлен герметизирующий элемент 9, выполненный в виде цилиндрического выступа, внешний диаметр которого больше внутреннего диаметра втулки 4.
В верхней части скважинного снаряда установлен оголовок 10 для подвода воды и отвода пульпы, подъемник 12 для перемещения внутренней колонны труб 5 относительно внешней колонны труб 3, поворотный механизм 11. Скважинный снаряд монтируется и управляется с помощью наземной установки 13, имеющей каретку 14, которая установлена в наклонных аппарелях 15 и соединена с лебедкой 16.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Снаряд устанавливается в наземной установке 13 (фиг.3). Подъемником 12 внутренняя колонна труб 5 перемещается вверх относительно внешней колонны труб 3 так, чтобы гидромониторная насадка 8 оказалась внутри внешней колонны труб 3 (фиг.4).
Из наземного водовода через оголовок 10 и внешнюю колонну труб 3, наконечник 6 на гидромониторную насадку 8 и гидроэлеватор 7 подается под давлением вода и с помощью лебедки 16 производится спуск снаряда под углом 60°. При этом вода из насадки 8 между втулкой 4 на внешней колонне труб 3 и наконечником 6 выходит в виде кольцевой струи и размывает породы на забое скважины 1, а образующаяся гидросмесь засасывается гидроэлеватором 7 и по внутренней колонне труб 5 и оголовку 10 удаляется на поверхность. Герметизирующий элемент 9 обеспечивает движение напорной воды к гидромониторной насадке 8 и гидроэлеватору 7 при вращении и осевом перемещении внутренней колонны труб 5 относительно внешней колонны труб 3.
После окончания проходки скважины 1 внутренняя колонна труб 5 под собственным весом или с помощью подъемника 12 опускается относительно внешней колонны труб 3 до выхода гидромониторной насадки 8 из внешней колонны труб 3. С помощью поворотного механизма 11 производится вращение внутренней колонны труб 5 и размыв продуктивного пласта 2 гидромониторной насадкой 8 (фиг.2).
Источники информации
1. Б.Н.Байков, Ю.В.Либер. Варианты разработки Малышевского месторождения способом скважинной гидродобычи. Материалы 1-го Советско-Югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. М., МГРИ, 1991, с.19.
2. Б.Н.Байков, Н.И.Бабичев, Ю.В.Либер. Опытный образец гидродобычного агрегата для разработки россыпных месторождений через скважины. В сб. Вещественный состав, добыча и обогащение руд редких металлов. М., Гиредмет, 1985.
3. Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. Учебное пособие. М., МГРА, 1995, с.64-65.
4. П.А.Фролов. Технические средства реализации скважинной гидротехнологии. Материалы 1-го Советско-Югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. М., МГРИ, 1991, с.57.
1. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной, обсадку скважины колонной труб, монтаж скважинного снаряда с концентрично расположенными колоннами труб, гидроэлеватором и гидромониторной насадкой, гидромониторный размыв пласта и подъем образующейся гидросмеси пород гидроэлеватором на поверхность, отличающийся тем, что вскрытие продуктивного пласта добычной наклонной скважиной и ее обсадку осуществляют путем перемещения внешней колонны труб скважинного снаряда вдоль оси скважины и одновременного вращения внутренней колонны труб, при этом гидромониторную насадку вводят внутрь внешней колонны труб скважинного снаряда, а при размыве продуктивного пласта ее выводят из внешней колонны труб скважинного снаряда.
2. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, выполненное в виде скважинного снаряда, включающее концентрично расположенные колонны труб, внешняя из которых является обсадной колонной скважины, а внутренняя снабжена наконечником с гидроэлеватором, гидромониторной насадкой и герметизирующим элементом, и оголовок в виде двухпроходного вертлюга для подвода воды и выдачи пульпы, отличающееся тем, что герметизирующий элемент установлен на наконечнике выше гидромониторной насадки и выполнен в виде цилиндрического выступа, при этом для ограничения перемещения внутренней колонны труб относительно внешней на нижнем торце внешней колонны труб установлена втулка с возможностью взаимодействия с цилиндрическим выступом, внешний диаметр которого превышает внутренний диаметр втулки.
