ГИДРОДОБЫЧНЫЙ СНАРЯД

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для добычи полезных ископаемых через скважину.
Известен гидродобычный снаряд для реализации способа скважинной гидродобычи по патенту РФ №2038480.
Он представляет собой два концентрично расположенные в скважине става труб, обвязку их на устье между собой и обсадной колонной скважины.
Внешний став труб пульпоподъемный, внутренний - для подачи воды на забой и воздуха для эрлифта. Эрлифт имеет два ввода воздуха с поверхности -по кольцевому пространству между обсадной колонной и внешним ставом труб и подаваемый воздух на забой скважины по внутреннему ставу труб. Внешний став труб имеет верхнюю часть, подвешенную неподвижно на устье и нижнюю часть, подвешенную на внутреннем подвижном ставе труб.
Внутренний став труб на конце снабжен гидромониторными насадками для размыва струёй водо-воздушной смеси пласта полезного ископаемого.
К недостаткам аналога можно отнести ограничение глубины установки аэратора на внешнем ставе труб глубиной спуска обсадной колонны в скважине, высокие энергозатраты подачи воздуха на забой, неэффективная работа гидромониторной струи на водовоздушной смеси, снижение подъема пульпы с забоя и потери воздуха в пласты, подаваемого на забой скважины вследствие разрыва сплошности пульпоподъемного става труб.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является гидродобычной снаряд по патенту РФ №2232895, выбранный в качестве прототипа.
Гидродобычный снаряд представляет собой два концентрично расположенных става труб примерно равной длины.
Внешний став труб пульпоподъемный, для подъема пульпы с забоя, образуемой размывом водяной гидромониторной струёй вытекающей из насадки на конце внутреннего става труб, или механическим разрушением гидродвигателем с буровым инструментом, или их комбинацией.
Внутренний став труб имеет в нижней части отклонитель породоразрушающих устройств, позволяющий бурить ответвления от оси скважины, образуя камеру большого диаметра.
Внешний став труб оборудован сальниковым уплотнителем на устье и имеет шаговое движение вдоль скважины, возможен поворот вокруг своей оси.
К недостаткам его можно отнести использование в работе гидродобычного снаряда обвязки его с обсадной колонной скважины, что ограничивает его применение только при достаточной длине спуска в скважину обсадной колонны, а также ограничение объема подъема пульпы эрлифтом объемом подачи жидкости на забой по внутреннему ставу труб, в случае отсутствия поступления воды из продуктивного пласта или смежных пластов.
Задачей полезной модели является создание гидродобычного снаряда, работающего в скважинах с обсадными колоннами независимо от их длины или без обсадки, способного поднимать пульпу эрлифтом в расчетном объеме независимо от объема подаваемой воды по внутреннему ставу труб и притока воды из пластов в скважину.
Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании предлагаемого технического решения являются:
- расширение функциональных возможностей гидродобычного снаряда в скважинах независимо от их конструктивного исполнения и глубины;
-обеспечение достижения подъема расчетного количества пульпы эрлифтной системой независимо от объема подачи ее на гидромонитор и гидродвигатель по внутреннему ставу труб;
- обеспечение поддержания расчетного уровня жидкости в скважине для поддержания в устойчивом состоянии пластов полезного ископаемого или создание условий их самообрушения и дезинтеграции на нужном горизонте.
Решение вышеуказанной задачи и достижение перечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном гидродобычном снаряде, включающем внешний и внутренний соосно расположенные ставы труб, эрлифтную систему, вертлюг, сальник внутреннего става труб, отклонитель и удлинитель с породоразрушающим инструментом на нижнем его конце, во внутренний став труб установлен дополнительный став труб для подачи воздуха в эрлифтную систему, вертлюг выполнен двухканальным, в разрез внутреннего става труб установлен распределитель потоков с возможностью направления воздуха в кольцевое пространство между внутренним и внешним ставами труб, а рабочего агента - в нижнюю часть внутреннего става труб на забой скважины.
Совокупность существенных признаков позволяет обеспечить в отличие от прототипа:
- возможность работы гидродобычного снаряда в любой незакрепленной скважине с устойчивыми стенками независимо от глубины;
- освободить от подачи воздуха в эрлифтную систему кольцевое пространство скважины между пульпоподъемной колонной и стенками скважины для выполнения технологически важных других дополнительных функций, расширяющих возможность гидродобычи полезных ископаемых, повышающих техническую и экономическую эффективности процесса.
Полезную модель иллюстрируют следующие фигуры:
Фиг.1. Гидродобычный снаряд - поверхностная часть и устье скважины в разрезе (верхняя часть).
Фиг.2. Гидродобычной снаряд в разрезе в скважине (нижняя часть).
Гидродобычной снаряд включает двухканальный вертлюг 1, закрепленный на ведущей трубе 2 внутреннего става труб 3. Вертлюг включает вводной патрубок 4 внутреннего става труб 3 и вводной патрубок 5 дополнительного
(воздухопадающего) става труб 6. В верхней части двойного става труб установлен сальник 7 ведущей трубы 2 внутреннего става труб 3 в тройник 8 внешнего става труб 9. Устье скважины закреплено устьевой трубой 10 с муфтой 11. Во внутренний став труб 3 установлен дополнительный став труб 6 ниже устьевой трубы 10 стенки скважины 12 ( без крепления).
Верхняя часть внутреннего става труб 3 заканчивается распределителем потоков 13, в котором расположен аэратор 14 эрлифтной системы, состоящей из внешнего става труб 9 и дополнительного става труб 6, ведущей трубы 2 и их обвязки. Под распределителем потоков 13 подвешена нижняя часть внутреннего става труб 15, включающая отклонитель 16, удлинитель 17 и породо-разрушающий инструмент 18.
Гидродобычной снаряд работает следующим образом.
В скважину опускают внешний (пульпоподъемный) став труб 9 заканчивающийся тройником 8 до глубины, на которой начинают разрушение пласта полезного ископаемого, подвешивают его на муфте 11 устьевой трубы 10, крепящей устье скважины. Затем собирают нижнюю компоновку внутреннего става труб 3 из узлов: породоразрушающего инструмента 18, удлинителя 17, отклонителя 16, нижней части труб внутреннего става труб 15.
Компоновку расчетной длины опускают во внешний став труб 9. Затем присоединяют распределитель потоков 13 с аэратором 14 эрлифтной системы. Над распределителем потоков 13 наращивают верхнюю часть внутреннего става труб 3 , которая имеет диаметр труб несколько больший, чем нижняя часть этого става труб. Суммарная длина верхней и нижней частей внутреннего става труб 3 равна длине внешнего става труб 9. Затем в верхнюю часть внутреннего става труб 3 опускают дополнительный (воздухоподающий) став труб 6 с навернутым на нижний конец конусом с внутренним каналом для пропуска воздуха в аэратор 14. Распределитель потоков 13 имеет специальное гнездо (на фиг. не показано) для конуса дополнительного става труб 6, в котором происходит уплотнение за счет разгрузки части дополнительного става труб 6. Последняя
труба этого става представляет собой телескопическое устройство, соединяющее воздухоподводящую трубу внутри ведущей трубы 2 и дополнительный став труб 6 опущенный во внутренний став труб 3. Затем присоединяют ведущую трубу 2 к внутреннему ставу труб 3. На этом сборка гидродобычного снаряда заканчивается. К патрубкам 4 и 5 подсоединяют высоконапорные рукава, подводящие рабочий агент - воду и воздух во внутренний 3 и дополнительный став труб 6. Воздух по дополнительному ставу труб 6 доходит до распределителя потоков 13 и выходит через аэратор 14 в кольцевое пространство между внешним ставом труб 9 и внутренним ставом труб 3, аэрирует воду, начинает работать эрлифтная система с выдачей пульпы на поверхность через тройник 7. Одновременно в кольцевое пространство между внутренним ставом труб 3 и дополнительным ставом труб 6 вода поступает через распределитель потоков 13 в нижнюю часть внутреннего става труб 15 и выходит через породоразрушающий инструмент 18.
При этом объем подаваемой воды на породоразрушающий инструмент (гидромониторную насадку, долото) не зависит от объема поднимаемой пульпы эрлифтной системой, который рассчитывается в зависимости от расчетной массы поднимаемого полезного ископаемого. Если объем пульпы эрлифта больше объема воды, подаваемой на забой скважины по внутреннему ставу труб 3, то в скважину через открытое кольцевое пространство между стенкой скважины и внешним (пульпоподъемным) ставом труб 9 доливают воду (разность этих объемов) и поддерживают необходимый уровень в этом кольцевом пространстве, который может быть на устье скважины или на расчетной глубине, вызывающий самообрушение полезного ископаемого.
Таким образом выполняются поставленные задачи и достигаются технические результаты при использовании предлагаемого технического решения.
Практическую применимость заявляемого гидродобычного снаряда показывает пример.
ПРИМЕР.
На Шемраевском участке Больше-Троицкого месторождения и на Гостищевском месторождении КМА созданы опытные рудники по добыче железной руды способом скважинной гидродобычи.
На Шемраевском участке применяли для гидродобычи гидродобычный снаряд по патенту РФ №2038480 (аналог) и его разновидности (Арене В.И. и др. «Опыт скважинной гидродобычи руд на Шемраевском участке КМА». Горный журнал №1, 1995, с.24).
Рудная толща залегает на глубинах с 440 и 540 м до 1000 м и более на этих месторождениях и соответственно гидродобычные скважины закреплены обсадным колоннами до руды.
Ввиду недостаточной длины обсадной колонны в скважинах Шемраевского участка для подачи воздуха в эрлифтную систему использовали подачу воздуха и воды через внутренний став труб на забой.
3
3
3
Для условий Гостищевского месторождения возможно применение прототипа ввиду большей длины обсадной колонны (540 м), но остаются ограничения по глубине отрабатывающих пластов - не более 800 м и не удовлетворяется по объему пульпы, поднимаемому с забоя, который должен быть не более объема, подаваемой воды на гидромониторную насадку для образования рудной пульпы. Минимальный объем воды, подаваемый на гидромониторную насадку диаметром 16 мм составляет 75 м/ч для получения расчетной струи со скоростью 100 м/с, а минимальный объем эрлифта для получения необходимой скорости движения пульпы для подъема частиц в соответствии с гранулометриче-ским составом руды составляет 84,6 м/ч, при котором руда поднимается с забоя и не засоряет его крупными частицами. Для удовлетворения этого условия необходимо подавать на забой не менее 84,6 м/ч, через насадку, а это потребует затраты энергии в 1,43 раза больше, что экономически не выгодно.
Использование на обоих месторождениях заявляемого гидродобычного снаряда устраняет вышеуказанные ограничения.
Подачу воздуха производят по дополнительному составу труб, опускаемому во внутренний став труб гидродобычного снаряда на расчетную глубину, где также устанавливают распределитель потоков. Обсадная колонна скважины при этом не используется. На гидромониторную насадку подают количество жидкости необходимое для создания скорости истечения струи ≈100 м/с. Рассчитывают оптимальный объем подачи эрлифтом пульпы при скорости подъема в трубах не менее 1 м/с и концентрации твердого в пульпе, определяемой глубиной погружения смесителя и разностью давления столба воды за пульпоподъемной колонной и суммарным давлением пульпы в пульпоподъемной колонне. Разность объемов жидкости откачиваемой эрлифтом и подаваемой на забой - доливают в скважину через освободившееся кольцевое пространство между стенкой скважины и внешним (пульпоподъемным) ставом труб. Если с продуктивного пласта поступает рыхлой руды столько и больше, чем можно откачать эрлифтом при данном диаметре скважины, то рассчитывают эрлифт на максимальный объем откачки пульпы, откачивают эрлифтом пульпу с максимальной концентрацией твердого (по опыту до 10% от веса воды в пульпе) и дополнительный став труб опускают на максимальную глубину, подачу воды в скважину на гидромонитор рассчитывают независимо от объема пульпы. При этом гидродобычной снаряд будет работать на максимальном КПД.
Расчеты показывают, что без увеличения мощности на подачу воды через гидромонитор против потребной для создания скорости струи 100 м/с предлагаемым гидродобычным снарядом можно поднимать 22,6 т рудной массы вместо 8,4 т при использовании прототипа и при этом будет из скважины подниматься ≈100% гранулометрического состава рыхлых руд.
Как показывает пример устройством с заявленной совокупностью существенных признаков решается поставленная задача и достигаются технические результаты.