СНАРЯД ДЛЯ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Полезная модель относится к области гидравлической добычи полезных ископаемых, а именно к конструкциям снарядов для скважинной гидродобычи (СГД) твердых полезных ископаемых, и может найти применение для извлечения твердых материалов из подземных формаций через скважины.
К настоящему времени разработано значительное количество различных конструкций снарядов для СГД твердых полезных ископаемых (см. например А.С. СССР и патенты РФ №№374453, 602685, 662717, 739240, 762339, 819345, 825966, 899967, 964150, 1002585, 1065601, 1113549, 1265341, 1427071, 1449662, 1461947, 1489139, 1553686, 1608346, 1620631, 1700249, 2111359, 2113591, 2169839, 2272142 и др.).
Несмотря на существенные отличия в конструкциях снарядов по вышеуказанным А.С., все они включают следующие основные узлы: колонну водопадающих труб, гидромониторное устройство, пульповыдачной гидроэлеватор и пульповыдачную колонну. Многообразие конструкций снарядов объясняется различным в конструктивном исполнении вышеупомянутых основных узлов, а также включением в состав снарядов новых узлов и конструктивных элементов. Эти технические усовершенствования направлены на ускорение процесса размыва пласта полезного ископаемого, повышение эффективности выноса пульпы из выемочной камеры, увеличение глубины разработки залежи полезного ископаемого, образование выемочной камеры с требуемыми размерами и формой и т.д., и т.п. В конечном итоге все это приводит к повышению технико-экономических показателей СГД полезных ископаемых.
В тоже время многие конструкции снарядов для СГД имеют существенные недостатки, что и является причиной их постоянного совершенствования. При этом следует принимать во внимание и различия горно-геологических условий залегания пласта полезного ископаемого, а также физико-механических свойств полезного ископаемого и вмещающих горных пород, что также существенно влияет на конструкцию снарядов для СГД.
Известно гидромониторное устройство конструкции ПСО Востокбурвод для образования полостей в скважинах (А.Д.Башкатов. Сооружение высокодебитных скважин. - М.: Недра, 1992. С.150-151). Гидромониторное устройство включает сообщенный с источником напорной воды полый вал с радиальными отверстиями, на конце которого закреплен вращающийся корпус с боковыми гидромониторными насадками, направленными по касательной к поверхности стенки скважины. Кольцевой зазор между корпусом и валом герметизирован самоуплотняющимися манжетами. Корпус зафиксирован на валу от осевого перемещения с помощью шайбы и шплинта. Верхняя часть вала выполнена в виде муфты под резьбу бурильных труб.
Известно «Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых» по патенту на полезную модель №71377 (МПК Е21С 45/00 Б.И. №7 - 2008 г.). Это устройство и принято за прототип заявляемого изобретения. Устройство по патенту №71377 состоит из соединенных между собой трубного става с вводом и нижнего оголовка. Нижний оголовок содержит боковую гидромониторную насадку, пульпоприемные окна и гидроэлеваторное устройство, состоящее из гидравлически связанных между собой корпуса, подводных трубок, разделительной полости, гидроэлеваторной насадки, приемной камеры, конфузора, камеры смешения и диффузора. При этом диффузор гидроэлеваторного устройства посредством отводного патрубка гидравлически связан с пространством между колонной обсадных труб и трубным ставом, а в донной части нижнего оголовка установлена торцевая гидромониторная насадка, гидравлически связанная с разделительной полостью.
Длина нижнего оголовка больше расстояния между башмаком обсадной колонны и подошвой продуктивного пласта.
Недостаток вышеназванного устройства состоит в малой эффективности работы при СГД полезных ископаемых. Это объясняется следующими факторами. Во-первых, для эффективной работы снаряда для СГД необходимо постоянное вращение его гидромониторного устройства. Однако обеспечить вращение снаряда с поверхности технически сложно и трудоемко. Во-вторых, повышается вероятность отвинчивания низа обсадной колонны труб. В третьих, снижается производительность добычи при увеличении глубины отработки продуктивного пласта.
Поставлена задача: повысить эффективность работы снаряда при СГД полезных ископаемых за счет ускорения процесса разрушения горных пород, улучшения условий подъема пульпы на поверхность, а также за счет снижения аварийности.
Поставленная задача решена следующим образом. В соответствие с прототипом снаряд для СГД полезных ископаемых состоит из соединенных между собой трубного става с вводом и нижнего оголовка. Нижний оголовок содержит пульпоприемные окна и гидроэлеваторное устройство, состоящее из гидравлически связанных между собой корпуса, подводных трубок, разделительной полости, гидроэлеваторной насадки, приемной камеры, конфузора, камеры смешения и диффузора. При этом диффузор гидроэлеватора посредством отводного патрубка гидравлически связан с пространством между колонной обсадных труб и трубным ставом. Причем длина нижнего оголовка больше расстояния между башмаком обсадной колонны и подошвой продуктивного пласта. Кроме того на нижнем конце оголовка установлено гидромониторное устройство, гидравлически связанное с разделительной полостью.
Согласно полезной модели, гидромониторное устройство включает сообщенный с источником напорной воды полый вал с радиальными отверстиями, на конце которого закреплен вращающийся корпус с установленными тангенциально боковыми гидромониторными насадками. При этом нижний конец полого вала снабжен забойной гидромониторной насадкой. Кольцевой зазор между корпусом и валом герметизирован самоуплотняющимися манжетами. Корпус зафиксирован на валу от осевого перемещения. Кроме того между обсадной колонной и корпусом нижнего оголовка, ниже отверстия отводного патрубка, установлен пакер. А между обсадной колонной и трубным ставом установлена колонна труб со смесителем для подачи сжатого воздуха.
Далее сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображена конструкция и схема работы снаряда для СГД полезных ископаемых:
- на фиг.1 - конструкция и схема работы снаряда;
- на фиг.2 - конструкция гидромониторного устройства в поперечном разрезе.
Предлагаемое устройство состоит из соединенных между собой трубного става 1 с вводом 2 и нижнего оголовка (фиг.1). Нижний оголовок содержит пульпоприемные окна 3 и гидроэлеваторное устройство, состоящее из гидравлически связанных между собой корпуса 4, подводных трубок 5, разделительной полости 6, гидроэлеваторной насадки 7, приемной камеры 8, конфузора 9, камеры смешения 10 и диффузора 11, соединенного с отводным патрубком 12. При этом длина нижнего оголовка больше расстояния между башмаком обсадной колонны 13 и подошвой продуктивного пласта 14. Кроме того на нижнем конце оголовка установлено гидромониторное устройство, гидравлически связанное с разделительной полостью 6. Гидромониторное устройство (фиг.1, 2) состоит из полого вала 15 с радиальными отверстиями 16 и вращающегося корпуса 17. Корпус 17 зафиксирован на валу 15 от осевого перемещения с помощью крепежного устройства, состоящего из шайбы 18 и гайки 19. На корпусе 17 выполнены боковые гидромониторные насадки 20, подводящие каналы 21 и кольцевая полость 22. Кольцевой зазор между корпусом 17 и валом 15 герметизирован самоуплотняющими манжетами 23. Кроме того нижний конец полого вала 15 снабжен забойной гидромониторной насадкой 24, а между обсадной колонной 13 и корпусом нижнего оголовка, ниже отверстия отводного патрубка 12, установлен пакер 25. А между обсадной колонной 13 и трубным ставом 1 установлена воздухоподающая колонна труб 26 со смесителем 27 для подачи сжатого воздуха.
Данный снаряд работает следующим образом.
Подготовка к скважинной гидродобыче.
Бурят скважину 28 до кровли продуктивного пласта 14, закрепляют ее ствол колонной обсадных труб 13, которую при необходимости цементируют. Затем скважину углубляют до подошвы продуктивного пласта.
После того, как скважина подготовлена к гидродобыче, в ней размещают вышеописанное устройство в составе нижнего оголовка и трубного става 1 так, чтобы гидромониторное устройство расположилось в зоне продуктивного пласта 14. При этом нижний оголовок на поверхности монтируется таким образом, чтобы выход отводного патрубка 12, при отработке на всю мощность продуктивного пласта 14, располагался в скважине не ниже башмака колонны обсадных труб 13. Ввод 2 оголовка посредством нагнетательного шланга соединяют с насосным агрегатом, а вывод 31 колонны обсадных труб снабжают выкидным шлангом.
Процесс скважинной гидродобычи
Рабочая жидкость под давлением через ввод 2 (фиг.1) подастся по трубному ставу 1 в нижний оголовок. При этом рабочая жидкость поступает через подводные трубки 5 в разделительную полость 6, где разделяется на два потока - один из них подходит к гидромониторному устройству, а другой - к гидроэлеваторному.
В гидромониторном устройстве через радиальные отверстия 16 полого вала 15, кольцевую полость 22 и подводящие каналы 21 рабочая жидкость поступает на боковые и забойную гидромониторные насадки соответственно 20 и 24. За счет того, что насадки 20 расположены тангенциально, при истечении из них гидромониторной струи, возникают реактивные силы, приводящие к вращению корпуса 17. При этом происходит гидродинамическое разрушение горной породы. Забойная гидромониторная насадка 24 предназначена для обеспечения в процессе добычи углубки скважины, а также используется для создания условий подъема гидросмеси на поверхность за счет восходящего потока жидкости.
В гидроэлеваторном устройстве за счет эжекции, создаваемой струей жидкости, сформированной в гидроэлеваторной насадке 7, разрушенная порода поступает через пульпоприемные окна 3 в приемную камеру 8 и через конфузор 9, камеру смешения 10, диффузор 11 и отводной патрубок 12 по колонне обсадных труб 13 на поверхность.
В процессе добычи пространство между обсадной колонной 13 и корпусом 4 нижнего оголовка, ниже отверстия отводного патрубка 12, перекрывается пакером 25. Это обеспечивает снижение гидростатического давления на продуктивный пласт, тем самым способствуя разрушению горной породы продуктивного пласта за счет действия горного давления. При этом пакер может быть как гидравлический, так и механический.
При необходимости увеличения глубины отработки продуктивного пласта и упрощения транспортировки, крупных и тяжелых фракций горных пород на поверхность применяется эрлифтирование. При этом в затрубное пространство между трубным ставом 1 и колонной обсадных труб 13 спускается воздухоподающяя колонна 26 со смесителем 27.
По сравнению с устройством по патенту РФ на полезную модель №71377 предлагаемая конструкция повышает эффективность СГД полезных ископаемых за счет следующих признаков:
- ускорение процесса разрушения (размыва) горных пород посредством постоянного вращения корпуса гидромониторного устройства;
- улучшение условий подъема пульпы на поверхность посредством использования эрлифтирования;
- снижение аварийности работы снаряда, а именно исключение вероятности отвинчивания низа обсадной колонны труб за счет отсутствия необходимости вращения трубного става 1.
Технический результат: повышение эффективности работы снаряда при СГД полезных ископаемых.