Способы и средства подъема гидросмеси при скважинной гидродобыче

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

А.С. Хрулев, к.т.н., Подземгазпром

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОДЪЕМА ГИДРОСМЕСИ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ

При скважинной гидродобыче основными способами подъема гидросмеси на поверхность являются гидроэлеваторный, эр-лифтный и вытеснением, а также ряд комбинаций этих способов.

Способ подъема выбирается исходя из гидрогеологических условий разрабатываемого месторождения. Определяющими факторами являются уровень подземных вод и проницаемость продуктивного пласта и вмещающих пород.

На «сухих» месторождениях применяется, как правило, гидроэлеваторный способ подъема. Исключением может быть скважинная гидродобыча угля, при которой возможно создание и поддержание высокого уровня воды в скважине и применение эрлифтно-го способа подъема взорванного угольного массива при низкой проницаемости угольного пласта и вмещающих пород [1].

Применению гидроэлеваторного способа подъема на осадочных месторождениях Средней Азии в немалой степени способствовала большая проницаемость продуктивного пласта и вмещающих пород, благодаря которой, даже при остановках в работе гидроэлеваторного снаряда или при накоплении крупнообломочного материала в зоне всасывания, не происходит затопления подземной камеры, так как вода удаляется через окружающие проницаемые сухие породы. Это благоприятствует эффективному размыву пласта незатоп-ленной гидромониторной струей.

В ряде случаев высокая прочность продуктивной толщи пород наряду с ценностью по лезного ископаемого также определяет выбор гидроэлеваторного способа подъема. Таким условиям могут отвечать месторождения битуминозных песчаников, алмазов

зоны выветривания. Здесь, для обеспечения рентабельности добычи, целесообразно производить разрушение продуктивного пласта незатопленной гидромониторной

струей.

Еще одним определяющим фактором при выборе гидроэлеваторного способа подъема является потеря устойчивости вмещающих пород при затоплении подземной камеры и скважины. Подобным условиям соответствуют многолетнемерзлые россыпные месторождения золота [2]. Здесь мощность продуктивного пласта как правило составляет 1-3 м, а глубина разработки 20 м и более. Если не обеспечить «сухой» режим в подземной камере, происходит интенсивное оттаивание пород вокруг скважины и в кров-

ле пласта с их обрушением и образованием провала на поверхности вокруг скважины.

Главным достоинством гидроэлеваторного способа является

подъем гидросмеси из незатоп-ленной подземной камеры, что значительно увеличивает эффективность гидромониторного размыва пород. Основными же недостатками этого способа является необходимость затрачивать 7080% энергетической воды на подъем гидросмеси и существенные ограничения по крупности поднимаемых кусков породы. Последнее часто приводит к забивке всаса гидроэлеватора или скоплению крупных кусков породы в зоне всасывания и, как следствие, затоплению подземной камеры. Для ликвидации этих последствий

Таблица

Основные характеристики способов подъема при СГД

Способ подъема гидросмеси Положительные стороны Отрицательные стороны

Гидроэле- ваторный Подъем из незатопленной камеры Высокая энергоемкость подъема (70-80% воды на подъем), ограничения по крупности

Эрлифтный Более высокая производительность и подъем крупнообломочного материала Затопленный забой, большие расходы воздуха при малом затоплении

Вытеснением Высокая производительность и подъем крупнообломочного материала, малая энергоемкость Необходимость обеспечить высокую герметичность подземной выработки

Гидроэле- ва-торно- эрлифтный Подъем из незатопленной камеры Большой расход воздуха при малом затоплении эрлифта

Вытесне- ние-эрлифт Высокая производительность и подъем крупнообломочного материала, малая энергоемкость, добыча в слабопроницаемых породах Затопленный забой

требуется производить периодическую расчистку зоны всасывания и откачку воды из камеры с временным прекращением размыва пласта.

При скважинной гидродобыче полезных ископаемых реализованы в основном два типоразмера гидроэлеваторных снарядов: снаряд конструкции МГРИ с общим расходом по воде 100-180 м3/ч и скважинный гидроэлеватор конструкции ВНИИ-1 с расходом по воде около 1000 м3/ч для разработки глу-бокозалегающих многолетнемерзлых россыпей золота [3,4].

При подъеме гидросмеси из осушенной камеры производительность снаряда МГРИ около 50 м3/ч, а диаметр камеры смешения 40-60 мм. Производительность снаряда ВНИИ-1 по гидросмеси около 300 м3/ч при диаметре камеры смешения 160-200 мм.

Для удаления негабаритных кусков породы из зоны всасывания в этих снарядах используются специальные насадки. В конструкции ВНИИ-1 вспомогательная насадка включается с поверхности по мере необходимости на непродолжительное время (рис.1). Ее диаметр равен диаметру основной гидроэлеваторной насадки, которая в это время перекрывается. Кроме этого вход в приемную камеру выполнен скошенным под углом 450, что снижает вероятность заклинивания в нем негабаритных кусков породы, а зона всасывания ограждена защитной решеткой. Гидроэлеваторный снаряд установлен на платформу с двумя гидроцилиндрами, работающими от энергетической воды, подаваемой на гидроэлеватор. С помощью этих гидроцилиндров производятся небольшие вертикальные перемещения снаряда, что способствует повышению эффективности грунтозабора при большом количестве негабаритных включений в продуктивном пласте (~10%). Для снижения потерь золота при СГД гидроэлеваторный снаряд работает в паре с гидромониторным снарядом, установленным в другой скважине, что позволяет не менять

положение всаса гидроэлеватора при размыве продуктивного пласта

и реализовать технологическую схему выемки попутным забоем.

Эрлифтный подъем применяется на обводненных месторождениях, представленных породами с большой проницаемостью.

Положительными сторонами этого способа подъема являются простота конструкции, большая производительность и большие проходные сечения пульпоподъемной колонны труб, что позволяет поднимать такие крупнообломочные материалы, как щебень, гравий и мелкие валуны. К отрицательной стороне применения эрлифта можно отнести значи-

тельное возрастание расхода сжатого воздуха и диаметра пульпо-

подъемной колонны при малой величине затопления (рис.2) [5].

По конструктивным особенностям эрлифтные снаряды можно разделить на три типа: 1) с наружным параллельным расположением воздухоподающей и пульпоподъемной колонн труб, 2) с расположением воздухоподающей колонны труб внутри пульпоподъемной и 3) с расположением пульпоподъемной колонны труб внутри воздухоподающей. Первый тип эрлифтных снарядов нашел применение при скважинной гидродобыче строительных песков в Западной и Восточной Сибири, при добыче квар-

Рис. 1. Скважинный гидроэлеваторный снаряд конструкции ВНИИ-1

опробования месторождений методом СГД. Положительным моментом его реализации является применение стандартных насоснокомпрессорных и обсадных труб с муфтовыми соединениями и монтаж с использованием бурового станка. Существенный недостаток - использование не более 30% полезного сечения скважины для подъема гидросмеси, поэтому производительность этих снарядов по гидросмеси обычно не превышает 100 м3/ч.

Второй тип эрлифтного снаряда с расположением воздухоподающей колонны труб внутри пульпоподъемной был разрабо-тан для добычи фосфоритовой руды на Кингисеппском месторождении. При этом типе снаряда для подъема гидросмеси используется 60-65% сечения скважины. Производительность по гидросмеси составляет 200-250 м3/ч. При эксплуатации опытно-промышленного участка использован секци-

онный эрлифтный снаряд, конструктивно совмещенный со

скважинным гидромонитором [5].

В третьем типе эр-лифтного снаряда, разработанном в МГРИ, подача сжатого воздуха на эрлифтирование производится через оголовок по обсадной колонне скважины, а на пульпоподъемной колонне выполнены отверстия для ввода сжатого воздуха. В этом типе снаряда обеспечивается еще большее использование площади сечения скважины ( до 70%), однако его применение целесообразно, если скважина обсаживается на большую глубину, например, до продуктивного пласта. Различные модификации этого типа эрлифтного снаряда применяются при добыче богатых железных руд Курской Магнитной Аномалии [6].

Способ подъема гидросмеси вытеснением используется при добыче соли методом подземного растворения через скважины и при строительстве подземных хранилищ в отложениях каменной соли. Он также применяется при создании подземных емкостей в мерзлых осадочных породах, предназначенных для хранения жидких углеводородов и стабильного газового конденсата [1]. Скважина оборудуется двойной обсадной колонной, внутри которой циркулирует охлаждающий агент от аммиачной холодильной машины. Охлаждение необходимо для обеспечения герметичности мерзлого массива за обсадной колонной. Заданный уровень воды в подземном резервуаре поддерживается ниже башмака обсадной колонны скважины закачкой в обсадную колонну сжатого воздуха или природного газа. В скважине устанавливаются две сооснорасположенные колонны труб:

внутренняя для подъема вытесняемой гидросмеси на поверхность и наружная - для подачи в подземный резервуар воды для оттаивания мерзлых пород. Производительность подъема по гидросмеси - до 400 м3/ч. Подземные резервуары объемом до 6000 м3 создавались на глубинах от 40 до 100 м. Этим способом создано более десятка подземных резервуаров на Мастахском газоконденсатном месторождении (ГКМ) в Якутии, Средне-Вилюйском ГКМ, Мессояхском ГКМ в районе г. Норильска.

Положительной стороной применения способа подъема вытеснением является большая производительность по гидросмеси и низкая энергоемкость подъема, обусловленная только гидравлическим сопротивлением в трубах и плотностью поднимаемой гидросмеси. Однако для реализации данного способа подъема необходимым условием является непроницаемость пород продуктивного пласта и вмещающих пород, а также обеспечение герметичности за обсадной колонной скважины.

Все перечисленные основные способы подъема имеют как положительные, так и отрицательные стороны их применения (см. табл.). Для повышения эффективности процесса подъема гидросмеси на поверхность были разработаны и опробованы комбинации известных способов.

Комбинированный гидроэле-ваторно-эрлифтный способ призван с одной стороны обеспечить откачку гидросмеси из незатоп-ленной камеры, с другой стороны - снизить энергоемкость гидроэлеваторного подъема. МГРИ рекомендует применять данный способ для подъема с глубины более 120 м [3]. При проведении работ по СГД фосфоритов в Узбекистане (п. Мурунтау) был испытан комбинированный гидроэлеваторно-эрлифтный способ подъема. Однако, ожидаемого увеличения высоты подъема достигнуто не были.

Так, при подаче воздуха в пульпоподъемную колонну, про-

цевых песков в Румынии и при

исходило снижение производительности гидроэлеватора по

гидросмеси и, как следствие, затопление скважины. По видимому, это связанно с увеличением сопротивления в пульпоподъемной колонне за гидроэлеватором и для эффективной работы данной системы необходимо согласование скоростных режимов гидроэлеватора и эрлифта. Необходимо отметить, что при увеличении высоты подъема в 2 раза, что соответствует величине коэффициента относительного погружения эрлифта 0,3-0,4 потребуются значительные расходы сжатого воздуха и увеличение диаметра пульпоподъемной колонны в интервале эрлифтного подъема (рис.2).

Комбинированный способ подъема вытеснение-эрлифт был

разработан и испытан для добычи касситеритовых песков из мощ

ных многолетнемерзлых россыпей Якутии [7,8]. Здесь, как и при сооружении подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, сжатый воздух использовался для защиты пород кровли пласта и стенок скважины от оттаивания, но для снижения требований к герметичности скважины в процессе размыва продуктивного пласта применена комбинация вытеснения и эрлифта (рис.3).

Данный способ подъема представляет интерес при разработке обводненных осадочных пород содержащих глинистые частицы и, тем самым, обладающих пониженной проницаемостью. Один из вариантов реализации этого способа показан на рис.4. Скважина

обсаживается до продуктивного пласта. В ней монтируются водоподающая и воздухоподающая колонны труб, которые соединены в нижней части с подвижным всасывающим наконечником. Сверху обсадной колонны труб устанавливается пульпоотводной оголовок. При размыве подземного резервуара расход подаваемой воды несколько превышает производительность по гидросмеси. В результате этого создается дополнительный подпор в подземной камере, что повышает ее устойчивость, снижает расход сжатого воздуха на эрлифтирование, а подъем гидросмеси на поверхность по обсадной колонне позволяет максимально использовать площадь сечения скважины и, тем самым, значительно повысить производительность гидродобычного снаряда. Использование обсадной колонны труб для подъема гидросмеси на поверхность существенно упрощает конструкцию снаряда и снижает его вес.

Подобный способ прошел успешные испытания при добыче циркон-ильменитовых песков в районе г.Тара Омской области. Продуктивный пласт приурочен к нижней части толщи разнозернистых песков общей мощностью 14 м. Пласт подстилают и покрывают глинистые породы. Для проведения испытаний станком УРБ 3 АМ была пробурена скважина на глубину 60 м с обсадкой ее трубой 245х9 мм на глубину 53 м от поверхности. Этим же станком был смонтирован гидродобычной снаряд, конструктивная схема которого показана на рис.3. Снаряд имел в нижней части подвижный всасывающий наконечник из трубы длиной 10 м и диаметром 219 мм, закрепленный на водо-воздухо-подающем ставе труб, воздушную форсунку в виде перфорированной трубы диаметром 50 мм и две насадки: боковую горизонтальную диаметром 24 мм и нижнюю вертикальную, диаметром 12 мм для взвешивания песка в зоне всасывания. Управление снарядом осуществлялось с помощью бурового

Рис.3. Скважинная разработка многолетнемерзлых россыпей с применением комбинированного способа подъема «вытеснение-эрлиф»

Вода к снаряду подавалась от насоса ЦНС 180/200, а воздух от компрессора ДК-9.

В результате испытаний были получены следующие результаты:

♦ Производительность снаряда по гидросмеси составила 120м3/ч,

а по пескам 20-25 м3/ч.

♦ Плотность поднимаемой гидросмеси колебалась от т:ж - 1:3 до 1:5.

♦ Объем добычи за 13 часов чистой работы снаряда составил 320 м3 при мощности размываемого интервала пласта 2 м (с 53 до 55 м), Обрушения вышележащей части песчаного пласта в процессе откачки не зафиксировано.

♦ Давление воды на оголовке водоподающего става 1,2 МПа, расход воды около 110 м3/ч. Давление

по причинам, не связанным с технологией добычи. По результатам испытаний можно ожидать, что объем добычи из скважины при отрабатываемой мощности пласта 10 м будет около1500 м3, а при расходе воды 250-300 м3/ч производительность по пескам составит не менее 50 м3/ч.

Заключение.

Анализ современного состояния скважинной гидродобычи свидетельствует о развитии и совершенствовании способов подъема гидросмеси на поверхность.

Определяющим при выборе способа подъема является ведение процесса добычи в незатопленной или затопленной подземной камере, что зависит от гидрогеологических ус-

ловий конкретного месторождения. При отработке незатопленных камер в настоящее время используются гидроэлеваторные снаряды двух типоразмеров с расходом воды на подъем гидросмеси 100-120 м3/час и 800-1000 м3/ч.

В затопленных условиях применение гидроэлеваторного снаряда не эффективно, т.к. производительность эрлифта при том же диаметре скважины в 2-3 раза выше.

Совершенствование эрлифтных установок направлено на повышение использования площади сечения скважины и снижение расхода сжатого воздуха путем повышения относительного затопления эрлифта (комбинированные способы).

Использование обсадной колонны для транспорта гидросмеси или энергетических агентов (воды, сжатого воздуха) позволяет существенно упростить и облегчить конструкцию добычного снаряда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. Учебное пособие. M., 1995.

2. Khrulev A.S. Hydraulic Mining of Permafrost Placers by Boreholes. Society of Petroleum Engineers. Alaska, USA, May 29-31, 1991, p261-266.

3. Бабичев Н.И. Проектирование геотехнологических комплексов. M., из-во MTPM, 1985.

4. Хрулев А.С., Папко В.П., Умеренко В.В. Основные направления исследований по скважинной гидродобыче золотосодержащих песков. Сб. Науч. Трудов ВНИИ-1 «Повышение эффективности технологии разработки россыпных месторождений», Mагадан, 1989.

5. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых., M., «Недра», 1980.

6. Первый Советско-Югославский симпозиум по проблеме скважинной гидравлической технологии. Том 1, из-во M^H, M., апрель 1991.

7. Хрулев А.С., Папко В.П. Особенности отработки подземных камер при скважинной гидродобыче песков из мощных многолетнемерзлых россыпей. Сб. Науч. Трудов ВНИИ-1 «Повышение эффективности технологии разработки россыпных месторождений», Mагадан, 1989.

станка путем вертикального пере мещения и вращения става труб.

в ресивере компрессора при работе эрлифта 0,7 M№.

Испытания были прекращены

8. Хрулев А.С., Лавров Н.П. Патент РФ №2009323 от 15.03.1994 г. «Способ

скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей».

© А.С. Хрулев