УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ
DEVELOPMENT DEVICE OF UNDERGROUND RESERVOIR IN PERMAFROST SEDIMENTARY ROCKS

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при строительстве подземных резервуаров-хранилищ и разработке полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи.
Известно устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающее обсадную колонну труб скважины, оголовок, пульпоподъемную колонну и расположенную внутри нее водоподающую колонну труб, соединенную с всасывающим наконечником [1].
Недостатком указанного устройства являются большие потери тепла при использовании воды для оттаивания многолетнемерзлых пород, что делает устройство не эффективным при строительстве подземных резервуаров.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для реализации способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающее пульпоподъемную колонну труб с оголовком для отвода пульпы, воздухоподающую колонну труб с форсункой на нижнем конце, установленную внутри пульпоподъемной колонны труб с возможностью вертикального перемещения через оголовок, водоподающую колонну труб, установленную внутри воздухоподающей колонны труб и имеющую выход через боковую поверхность всасывающего наконечника [2].
Недостаток данного устройства является отсутствие возможности повышения давления в скважине для увеличения производительности эрлифтного подъема и невозможность подачи оборотной, дополнительной воды и пара для взвешивания осадка, регулирования уровня воды в скважине и обеспечения подачи максимального количества тепла для оттаивания мерзлых пород.
Решаемая задача заключается в повышении эффективности создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных породах.
В результате решения этой задачи обеспечивается:
- Максимальная подача тепла для оттаивания при подаче пара с заданным постоянным расходом.
- Повышение производительности эрлифтного подъема за счет герметизации скважины и повышения избыточного давления воздуха на оголовке скважины для создания избыточного подпора при работе эрлифта.
- Возможность использования всего объема оборотной воды для взвешивания осадка в зоне всасывания эрлифта, что упрощает технологическую схему обезвоживания песка на поверхности из поднимаемой эрлифтом гидросмеси.
- Контроль уровня раздела вода-воздух в подземном резервуаре позволяет управлять процессом создания выработки-емкости заданной устойчивой формы.
- Возможность подъема и опускания всасывающего наконечника обеспечивает равномерное всасывание песка эрлифтом с максимальной плотностью гидросмеси.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в устройстве для создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных породах, включающем пульпоподъемную колонну труб с оголовком для отвода пульпы, установленную внутри обсадной колонны труб скважины, воздухоподающую колонну труб с форсункой на нижнем конце, установленную внутри пульпоподъемной колонны труб с возможностью вертикального перемещения через оголовок, водоподающую колонну труб, установленную внутри воздухоподающей колонны труб и имеющую выход через боковую поверхность всасывающего наконечника, согласно предлагаемому способу в верхней части водоподающей колонны труб установлена пароподающая труба, на обсадной колонне и пульпоподъемной колонне труб выполнено фланцевое соединение, герметизирующее эти колонны между собой, на обсадной колонне труб ниже фланцевого соединения установлен подвод сжатого воздуха с двумя кранами и манометром, внутри пульпоподъемной колонны труб установлена дополнительная водоподающая колонна труб, нижний конец которой находится на уровне нижнего конца всасывающего наконечника, и уровнемер, верхний конец которого пропущен через фланцевое соединение и герметизирующее устройство, а на крышке оголовка установлен домкрат, соединенный с одной из внутренних колонн труб.
Отличием устройства является также то, что длина пароподающей колонны труб, находящейся внутри водоподающей колонны труб, составляет 0,5-1 м.
Другим отличием устройства является то, что уровнемер выполнен в виде трубки, нижний конец которой имеет боковое отверстие, а верхний конец соединен с манометром и краном.
Так же отличием устройства является то, что соединение домкрата с одной из внутренних колонн труб выполнено в виде закрепленной на ней траверсы, через которую пропущена подвижная и неподвижная штанги с отверстиями для фиксации их положения относительно траверсы с помощью вставных пальцев, при этом нижний конец подвижной штанги закреплен на штоке домкрата.
Установка пароподающей трубы в верхней части водоподающей колонны труб позволяет подавать пар с постоянным расходом совместно с подачей по этой же трубе с переменным расходом дополнительной воды, что обеспечивает максимальную подачу тепла на оттаивание и возможность регулирования расхода воды для управления положением раздела вода-воздух в подземном резервуаре, при этом сокращается количество труб для подачи воды и пара.
Фланцевое соединение на обсадной колонне и пульпоподъемной колонне труб, герметизирующее эти колонны между собой, обеспечивает возможность повышения избыточного давления в скважине для повышения производительности эрлифтного подъема.
Установка подвода сжатого воздуха с двумя кранами и манометром на обсадной колонне труб ниже фланцевого соединения позволяет повысить избыточное давление воздуха в скважине для повышения производительности эрлифтного подъема и обеспечивает возможность регулирования величиной избыточного давления.
Установка дополнительной водоподающей колонны труб, нижний конец которой находится на уровне нижнего конца всасывающего наконечника, обеспечивает взвешивание осевшего песка в зоне всасывания эрлифта и раздельную подачу оборотной и дополнительной воды в устройство.
Установка уровнемера, верхний конец которого пропущен через фланцевое соединение и герметизирующее устройство, позволяет контролировать уровень раздела вода-воздух в подземном резервуаре, находящемся под избыточным давлением.
Установка домкрата на крышке оголовка, соединенного с одной из внутренних колонн труб, позволяет перемещать всасывающий наконечник в процессе работы устройства.
Длина пароподающей колонны труб, находящейся внутри водоподающей колонны труб, равная 0,5-1 м, обеспечивает эффективное смешивание в трубе пара и воды, отличающихся по величине давления и плотности и движущихся вниз.
Выполнение уровнемера в виде трубки, нижний конец которой имеет боковое отверстие, а верхний конец соединен с манометром и краном, позволяет по величине давления или его отсутствию определять границу раздела вода-воздух и, при необходимости, производить продувку трубки сжатым воздухом, если произошло ее засорение.
Соединение домкрата с одной из внутренних колонн труб, выполненное в виде закрепленной на ней траверсы, через которую пропущены подвижная и неподвижная штанги с отверстиями для фиксации их положения относительно траверсы с помощью вставных пальцев, при этом нижний конец подвижной штанги закреплен на штоке домкрата, позволяет использовать домкрат с небольшим ходом штока для подъема и опускания всасывающего наконечника на высоту, превышающую ход штока.
Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных породах.
Предлагаемое устройство для создания подземного резервуара в многолетнемерзлых породах поясняется фиг.1 и 2.
На фиг.1 показан общий вид устройства для создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных породах. На фиг.2 показана верхняя часть устройства с подъемником для перемещения технологических колонн труб.
В устройстве на фиг.1 и 2 многолетнемерзлые песчаные породы вскрываются скважиной 1, в которой установлена обсадная колонна труб 2 с фланцем 3. В скважину 1 спущены пульпоподъемная колонна труб 4 с оголовком 5 в виде воздухоотделителя в верхней части и подвижным всасывающим наконечником 6, жестко соединенным с водоподающей 7 и воздухоподающей 8 колонной труб. Пульпоподъемная колонна труб 4 соединена с обсадной колонной труб 2 фланцевым соединением 3, герметизирующим эти колонны труб между собой. В нижней части воздухоподающей колонны труб 8 выполнена щелевая форсунка 9. Внутри воздухоподающей колонны труб 8 установлена труба 10 для подачи теплоносителя, выходящая в нижней части через боковую поверхность всасывающего наконечника 6 и имеющая в верхней части два патрубка для подачи дополнительной воды 11 и пара 12. Патрубок для подачи пара 12 соединен с пароподающей трубой 13 длиной 0,5 -1 м. На обсадной колонне труб 2 ниже фланцевого соединения 3 установлен узел подвода сжатого воздуха с подводящим 14 и сбросным 15 краном и манометром 16. Через фланцевое соединение 3 и герметизирующее сальниковое устройство 17 между обсадной колонной труб 2 и пульпоподъемной колонной труб 4 установлен уровнемер 18, имеющий боковое отверстие 19 на нижнем конце и манометр 20 с краном 21 в верхней части. На крышке оголовка 5 установлен домкрат 22, соединенный с водоподающей колонной труб 7.
На фиг.2 показан вариант устройства, в котором шток домкрата 22 соединен с подвижной штангой 23. Вторая неподвижная штанга 24 установлена на крышке оголовка 5. Подвижная 23 и неподвижная 24 штанги пропущены через траверсу 25, закрепленную на водоподающей колонне труб 7, и имеют отверстия 26 для установки вставных пальцев 27, позволяющих фиксировать положение штанг 23 и 24 относительно положения траверсы 25.
Работа устройства осуществляется следующим образом. После вскрытия мерзлого песчаного пласта скважиной 1 производится монтаж в ней обсадной колонны труб 2 с фланцем 3 на конце (фиг.1). Внутрь обсадной колонны труб 2 монтируется пульпоподъемная колонна труб 4, которая опирается фланцевым соединением 3 на обсадную колонну труб 2. После этого в пульпоподъемной колонне труб 4 монтируется всасывающий наконечник 6, жестко закрепленный на водоподающей 7, воздухоподающей 8 колонне труб и трубе для подачи теплоносителя 10. На пульпоподъемной колонне труб 4 устанавливается оголовок 5, через крышку которого пропускаются водоподающая 7, воздухоподающая 8 колонна труб и труба для подачи теплоносителя 10. В верхней части трубы для подачи теплоносителя 10 устанавливается патрубок для подачи дополнительной воды 11 и пароподающая труба 13 с патрубком для подачи пара 12. На крышку оголовка 5 устанавливается домкрат 22, шток которого соединяется с подвижной штангой 23. На верхнем конце водоподающей колонны труб 7 закрепляется траверса 25, через которую пропускаются подвижная штанга 23 и неподвижная штанга 24, опирающаяся на крышку оголовка 5. Через фланцевое соединение 3 и герметизирующее сальниковое устройство 17 пропускается уровнемер 18 на расчетную глубину положения уровня раздела вода-воздух при размыве подземного резервуара. На обсадной колонне труб 2 ниже фланцевого соединения 3 устанавливается узел подвода сжатого воздуха с подводящим 14 и сбросным 15 кранами и манометром 16. С помощью гибких напорных рукавов подводящий кран 14 и воздухоподающая колонна труб 8 соединяются с передвижным компрессором, патрубок 12 соединяется с передвижной дизельной парогенераторной установкой, водоподающая колонна труб 7 с насосом оборотной воды, установленным на обезвоживающей установке, а патрубок 11 с насосом в емкости для дополнительной воды, заполняемой привозной водой из соседнего водоема.
Сжатый воздух от компрессора подается в воздухоподающую колонну труб 8 и через щелевую форсунку 9 вводится в пульпоподъемную колонну труб 4, что обеспечивает всасывание через наконечник 6 гидросмеси песка и воды и эрлифтный подъем ее на поверхность. Гидросмесь через оголовок 5 направляется на обезвоживающую установку, где происходит отделение песка от воды. Обезвоженный песок складируется на поверхности, а оборотная вода насосом подается в водоподающую колонну труб 7 для взвешивания песка, оседающего в результате оттаивания на дне подземного резервуара. Для повышения производительности эрлифтного подъема сжатый воздух от компрессора подается через узел подвода сжатого воздуха по подводящему крану 14 в обсадную колонну труб 2. С помощью манометра 16 и сбросного крана 15 производится регулирование давления воздуха в скважине 1, что увеличивает величину подпора при работе эрлифта. Контроль положения уровня раздела вода-воздух в подземном резервуаре осуществляют по манометру 20 уровнемера 18 и путем периодического открывания крана 21. Если уровень раздела вода-воздух находится ниже уровнемера 18, давление на манометре 20 будет равно давлению на манометре 16. В этом случае увеличивается подача дополнительной воды через патрубок 11 или уменьшается подача сжатого воздуха в воздухоподающую колонну труб 8 от компрессора. Если уровень раздела вода-воздух находится выше отверстия 19 уровнемера 18, то после открытия крана 21 сжатый воздух не будет выходить из уровнемера 18 и давление на манометре при закрытом кране 21 будет равно 0. В этом случае снижается подача дополнительной воды через патрубок 11 или увеличивается подача сжатого воздуха в воздухоподающую колонну труб 8 от компрессора. В расчетном режиме работы установки уровень раздела вода-воздух находится между нижним концом уровнемера 18 и боковым отверстием 19, при этом показания манометра 20 будут меньше давления воздуха на манометре 16 в связи с тем, что внутри уровнемера установится столб воды, определяемый величиной подпора воздуха в скважине 1, а при открытии крана 21 по уровнемеру 18 будет подниматься водовоздушная смесь за счет эрлифтирующего действия воздуха, проходящего через боковое отверстие 19.
Для обеспечения эрлифтного подъема гидросмеси высокой плотности, что обеспечивает эффективную работу устройства, производится перемещение всасывающего наконечника 6 с помощью домкрата 22. Как правило, подъем всасывающего наконечника 6 необходим после остановок в работе устройства, в результате которых на дне подземного резервуара накапливается оттаявший песок и резко увеличивается плотность поднимаемой гидросмеси. В этом случае с помощью домкрата 22 перемещается подвижная штанга 23, которая с помощью пальца 27, вставленного в отверстие 26, поднимает траверсу 25 вместе с водоподающей колонной 7 труб и закрепленным к ней всасывающим наконечником 6. Если хода штока домкрата 22 недостаточно для подъема всасывающего наконечника 6, при максимальном выходе штока домкрата 22 устанавливается палец 27 в отверстие 26 на неподвижной штанге 24 и опускается шток домкрата 22 в нижнее положение. На подвижной штанге 23 палец 27 устанавливается в отверстие 26 под траверсой 25 и производится подъем всасывающего наконечника 6 на величину хода штока домкрата 22.
Спуск всасывающего наконечника 6 производится в обратном порядке.
3
3
Примером конкретного использования предлагаемого устройства служит применение его при создании подземного резервуара для хранения дизельного топлива на нефтегазоконденсатном месторождении полуострова Ямал. Многолетнемерзлый песчаный пласт мощностью 20 м залегает на глубине 50 м от поверхности. Эрлифтный подъем песка при заглублении эрлифта менее 30% без создания дополнительного подпора в скважине не обеспечивает эффективное создание подземного резервуара из-за низкой производительности эрлифтного подъема. При работе предлагаемого устройства в скважину 1 через узел подвода сжатого воздуха поддерживали дополнительный подпор воздуха с давлением 0,25 МПа. При этом коэффициент затопления эрлифта при высоте уровня раздела вода-воздух в подземном резервуаре, равной 15 м, и высоте эрлифта 55 м составил 73%, что обеспечило необходимую производительность поднимаемой гидросмеси 100 м/час при содержании в ней песка до 25%. При данной производительности подземный резервуар объемом 4000 мпредлагаемым устройством был создан за 15 суток, что подтвердило эффективность использования устройства для создания подземного резервуара в многолетнемерзлых осадочных породах.
Источники информации
1. Абрамов Г.Ю., Вильмис А.Л. Скважинная гидродобыча глубокозалегающих богатых железных руд КМА. 1-й советско-югославский симпозиум по проблемам скважинной гидравлической технологии. Т.1, МГРИ, 1991, с.33-37.
2. Патент России №2181434, МПК Е21С 45/00, «Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления», 1999 г.