СКВАЖИННЫЙ ГИДРОДОБЫЧНОЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к горнодобывающей промышленности и может быть использована при скважинной гидродобыче обводненных полезных ископаемых.
Известен гидродобычной комплекс скважинной гидродобычи полезных ископаемых, который включает ряд скважин: гидродобычных и вспомогательных, и технических средств разрушения руд и подъема рудной массы на поверхность. Недостатком такого технического решения является низкая эффективность гидромонитора в рабочей камере, заполненной подземными водами, из-за падения энергии давления струи рабочего агента практически до нуля уже на расстоянии 0,5-0,7 м от сопла.
Комплекс позволяет вскрывать продуктивный пласт вертикальной скважиной, оборудованной гидроэлеватором для выдачи гидросмеси на поверхность (Арене В.Ж. и др. «Опыт скважинной гидродобычи руд на Шамраевском участке КМА», Горный журнал №5, 1995 [1]; Журин С.Н., Колесников В.И., Стрельцов В.И. «Геомеханический мониторинг обводненных массивов», Изд. «Природные ресурсы». М., 1997.
Известно также устройство, включающее сопло, закрепленное на внутренней гибкой колонне (А.С. №1828922). В рабочем состоянии сопло выдвигается и увеличивает радиус размыва. Но гибкость выдвигаемых рукавов ограничивает выдвижение сопла на 1,5 м, поэтому эффективность действия гидромонитора увеличивается незначительно.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является гидродобычной комплекс, включающий устройство по А.С. №972099. Указанное устройство содержит добычную скважину, вскрывающую продуктивный пласт, пройденную с перебуром пласта и подстилающих пород, электронасос, который размещен ниже продуктивного пласта, кожух с пакером,
устанавливаемый выше кровли продуктивного пласта между стенкой скважины и кожухом, гидродобычное устройство, спускаемое в интервал разрабатываемого пласта, а также пульпоподъемную колонну, воздухопровод, электрокабель и водосливную трубу.
Разработка продуктивного пласта указанным комплексом осуществляется следующим образом.
После спуска гидромониторного устройства в интервал продуктивного пласта включают насос, который откачивает воду из затрубного пространства и подает ее на насадки: разрушающую полезное ископаемое. Образующаяся гидросмесь засасывается в пульпоподъемную трубу. Затем в воздухопровод подают воздух, который через форсунку подается в пульпоподъемную колонну, в пакер и в добычную камеру, вытесняя из нее воду. Для образования добычной камеры гидродобычное устройство вращают вокруг своей оси. Возврат использованной воды происходит самотеком в покрывающие породы.
Недостатками прототипа на основе устройства по А.С. №972099 является ряд ограничивающих условий его применения, которые в природной обстановке практически не встречаются, и сложность технического решения, а именно:
- покрывающие продуктивный пласт горные породы должны быть непроницаемые для воздуха или допускать крайне низкие потери воздуха, в противном случае вытеснение воды воздухом из добычной камеры происходить не будет;
- продуктивный пласт также должен иметь крайне низкую проницаемость по воздуху, так как, воздух будет уходить в отрабатываемый пласт, а гидромонитор будет оставаться затопленным;
- приток воды в рабочую камеру из продуктивного пласта в сумме закачки через гидромонитор и разрыхляющую забой насадку должен быть » равен объему воды используемому гидроэлеватором;
- при меньшем поступлении воды в камеру, через всас гидроэлеватора в насос будет поступать воздух. При большем поступлении воды, гидромониторное сопло окажется затопленным. Управлять балансом воды в камере крайне сложно;
- напор воды в продуктивном пласте должен быть меньше давления воздуха, в противном случае поступление воздуха в камеру и пакер происходить не будет;
- принципиальное решение и конструктивное исполнение устройства, предусматривающее его вращение с одновременной подачей воздуха в пакер очень сложны технически.
Задачей полезной модели является разработка гидродобычного комплекса для обеспечения ведения гидродробычных работ в обводненных » породах в сложных гидрогеологических условиях.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемой полезной модели являются:
- реализация назначения гидродобычного комплекса в гидрогеологических условиях;
- увеличение длины струи гидромонитора;
- расширение области применения скважинной гидродобычи для более плотных обводненных полезных ископаемых;
- многократное увеличение диаметра добычных камер и извлечения полезного ископаемого из каждой камеры;
- обеспечение управляемости процессом гидродобычи;
- повышение надежности работы гидродобычного комплекса;
- снижение числа гидродобычных скважин на отрабатываемых месторождениях.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что скважинный гидродобычной комплекс, включающий не менее одной оборудованной гидродобычной скважины с гидродобычной камерой, расположенной в продуктивном пласте
и не менее одной контрольной скважины, дополнительно включает не менее чем одну водопонижающую скважину, оборудованную не менее чем одним фильтром и погружным насосом, при этом фильтр установлен в зоне продуктивных и/или подстилающих пород, а погружной насос расположен на глубине, обеспечивающей возможность снижения уровня подземных вод до нижней границы гидродобычной камеры.
Использование заявляемой совокупности существенных признаков направлено на снижение потерь энергии струи за счет обеспечения работы гидромонитора в воздушной среде, при этом удается увеличить длину струи более чем в 10 раз по сравнению с длиной струи, получаемой при работе гидромонитора в водозаполненной камере.
Полезная модель поясняется фигурой «Вертикальный разрез», на которой показаны размещенные в продуктивном пласте и оборудованные гидродобычная и водопонижающие скважины, водосборная емкость, центробежный насос, трубопровод и депрессионная воронка.
Заявляемый скважинный гидродобычной комплекс включает гидродобычные 1 скважины, гидродобычные снаряды 2, водопонижающую 3 скважину, продуктивный 4 пласт, покрывающие отложения 5, и подстилающий 6 пласт.
Водопонижающая 3 скважина оборудована эксплуатационной колонной 7 с фильтром 8, который установлен в интервале продуктивного 4 и подстилающего 6 пластов, «глухой» трубой 9, установленной в нижней части подстилающего 6 пласта, погружным насосом 10, который размещен ниже продуктивного 4 пласта - в подстилающем 6 пласте и водоподъемным ставом 11. С целью улучшения гидравлической связи гидродобычной камеры 12 с водопонижающей 3 скважиной в слабопроницаемых плотных породах в интервале между забоями гидродобычной 1 (до начала ее бурения) и водопонижающей 3 скважины в последней проводится торпедирование (по известной технологии). Гидродобычные скважины 1 размещены на расстоянии С. от водопонижающей скважины 3. Величина l
определяется в соответствии с характеристикой покрывающих пород, устойчивостью потолочины (на фиг. не показана) гидродобычной камеры 12. Вспомогательные контролирующие скважины на фиг.1 не показаны. На практике они находятся слева и справа от водопонижающей 3 скважины.
В состав комплекса также входит центробежный насос 13, подающий воду, откачиваемую водопонижающей 3 скважиной по трубопроводу 14 из водосборной емкости 15. На фиг. также показана депрессионная воронка 16 поверхности подземных вод в дренируемой толще пород, и гидродобычные камеры 12.
Работа скважинного гидродобычного комплекса осуществляется следующим образом.
В зависимости от системы разработки месторождения может меняться расположение гидродобычных 1 и водопонижающих 3 скважин относительно друг друга.
При линейной системе разработки гидродобычные 1 и водопонижающие 3 скважины располагают в один линейный ряд, в ряду могут чередоваться скважины: водопонижающие 3 через одну, две или более гидродобычных 1 скважин, в зависимости от величины создаваемой депрессионной воронки одной водопонижающей 3 скважиной и размера гидродобычной камеры, определяемой в зависимости от допустимой величины обнажения потолочины.
Возможно расположение водопонижающей 3 скважины в центре при круговом расположении гидродобычных 1 скважин. При площадной разработке месторождения возможно расположение водопонижающих 3 скважин по периметру, а гидродобычных 1 - внутри оконтуренной площади.
Во всех случаях должно выполняться условие достижения снижения уровня подземных вод до нижней границы гидродобычных камер.
Сооружают водопонижающую 3 скважину вскрывающую продуктивный пласт 4 и постилающий 6 на расчетную глубину, обеспечивающую
водопонижение в продуктивном 4 пласте с образованием депрессионой воронки 16 до его подошвы.
На расчетном расстоянии l сооружают гидродобычные 1 скважины по обе стороны от водопонижающей 3 скважины. В водопонижающей 3 скважине монтируют погружной насос 10 и начинают откачку подземных вод из продуктивного пласта в водосборник 15. В гидродобычных 1 скважинах монтируют гидродобычные снаряды 2.
При отработке пласта «снизу-вверх», в работу включают гидродобычные 1 скважины, когда поверхность депрессионной воронки 16 окажется у почвы отрабатываемого пласта. Гидродобычные снаряды 2 подают воду поступающую по трубопроводу 14 под высоким давлением. Гидромониторные струи 17 разрушают полезное ископаемое продуктивного 4 пласта и гидродобычным снарядом 2 пульпа поднимается на поверхность.
Работой водопонижающей 3 скважины поддерживают уровень подземных вод в продуктивном пласте 4 таким, чтобы гидромониторная струя 17 работала в воздушной среде. При увеличении гидродобычной камеры 12 по диаметру и достижении ей расчетных размеров (из условия устойчивости потолочины) процесс отработки пласта полезного ископаемого заканчивают. Гидродобычные скважины 1 ликвидируются или используются как закладочные, а водопонижающая 3 скважина, в зависимости от состояния водопонижения в смежных блоках, может продолжать эксплуатироваться в расчетном режиме.
Практическое использование заявленного способа иллюстрируется примером гидродобычного комплекса.
Пример.
На месторождении фосфатных песков продуктивный пласт средней мощностью 12 м залегает на глубине от 51 до 63 м. В кровле песков находится пласт пластичных слабо водопроницаемых мелов, выполняющих роль верхнего водоупора.
5
2
Почва продуктивного пласта представлена алевритами мощностью около 2 метров и мергелями, верхняя часть толщи которых мощностью до 10 м слаботрещиновата и обводнена. Воды фосфатных песков, алевритов и мергелей гидравлически связаны и образуют единый водоносный горизонт, естественный уровень которых находится на глубине 9 м. Общая мощность водоносного горизонта составляет 24 м. Средние значения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности соответственно равны 2.6 м/сут и 1,8·10 м/сут.
Фосфатные пески преимущественно мелко-зернистые палевошпат-кварцевые с глауконитом и примесью цементирующего карбонатного и алевритового материала. Пески плотные, слабосцементированные, предел сопротивления на одноосное сжатие не превышает 2 МПа.
Гидродобычной комплекс включает две вертикальные гидродобычные скважины, которые проходятся на глубину 63 м. Диаметр обсадной колонны, перекрывающей надрудную толщу - 426 мм. Продуктивные пески проходятся диаметром 393 мм. Скважины оборудованы гидромониторным и пульпоподъемным устройствами.
Пласт отрабатывают в направлении снизу-вверх двумя итервалами (заходками) по 6 м каждый.
На удалении 2-х метров от оси гидродобычных скважин расположена водопонижающая скважина. До кровли мелов на глубину 23-25 м, скважина проходится по песчано-глинистой толще и закрепляется трубами диаметром 426 мм. Ниже до глубины 75 м проходка ведется одним диаметром с креплением обсадными трубами диаметром 325 мм. В интервале водоносного горизонта обсадные трубы перфорированы и оборудованы сетчатым фильтром.
3
Погружной насос спускают на глубину 70 м. При минимально необходимом понижении уровня подземных вод в гидродобычной камере 54 м, установившийся приток к водопонижающей скважине (по формуле Дюпюи) равен 152 м/час, поэтому скважина оборудована погружным насосом
марки ЭЦВ 12-160-140. Требуемое снижение уровня вод - до почвы продуктивного пласта в добычных скважинах достигается менее чем за одни сутки. После наступления необходимого снижения уровня вод в добычных скважинах в работу включают гидромониторы. В качестве рабочего агента используют дренажные воды, аккумулируемые в накопителе.
Напор на выходе из насадки сопла гидромонитора равен 40 м.в.ст. Длина струи 17 в незатопленной камере - 9,5 м. Максимальный диаметр добычной камеры, м - 20.
В условиях затопленной камеры с применением выдвижного сопла. диаметр рабочей камеры не превышает 4 метров. Из этого следует, что гидродобыча фосфатных песков под защитой водопонижения позволяет увеличить размер гидродобычных камер в 5 раз и извлечь из двух одновременно эксплуатируемых камер ≈7000 т фосфатных песков.
По соображениям сохранения устойчивости потолочин и предупреждения обрушения кровли камер дальнейшее увеличение размеров добычных камер в плане не целесообразно.
Для контроля за развитием камер на расстоянии ~10 м от оси каждой гидродобычной скважины предусматривается бурение контрольных скважин.
Таким образом, как видно из примера, заявляемый гидродобычной комплекс работает эффективно в сложных обводненных гидрогеологических условиях, позволяет увеличить длину струи из гидромонитора в 10 раз, увеличить объем добычной камеры в пять раз и соответственно снизить число гидродобычных скважин.
Надежность работы и управляемость работой гидродобычного комплекса достигается путем регулярных наблюдений по контрольным скважинам.