СПОСОБ ОЧИСТКИ БУХТ И КОМПЛЕКС ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E21C45/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть эффективно использовано для очистки бухт от осадочных пород и металлолома, первые из которых можно отнести к полезным ископаемым, а металлолом, как полезный компонент, для дальнейшей переработки.

Известен способ разработки прибрежно-морских россыпных месторождений, включающий бурение скважин через осадочные породы с размещением их забоев в подстилающих породах, обсадку скважин колонной труб с цементацией затрубного пространства башмака, оборудование обсадных колонн добычными агрегатами, подачу во внутренние полости обсадных колонн рабочего агента, выдачу пульпы на плавсредство, защиту залива от выносимых взвешенных частиц пульпы из бухты.

К недостаткам способа следует отнести: невозможность извлечения металлолома из осадочных пород; невозможность защиты акватории залива от выносимых из бухты взвешенных частиц, что ведет к значительному эколого-экономическому ущербу. Создание индивидуальных средств защиты каждой скважины, в процессе ее эксплуатации, приведет к высоким капитальным и эксплуатационным затратам.

Прототипом к предлагаемому добычному агрегату является эрлифт, состоящий из трубопровода с диспергатором для подачи сжатого воздуха, расположенных соосно внутри трубопровода для выдачи пульпы. Недостаток известного способа заключается в его конструктивных особенностях, связанных с невозможностью оперативного демонтажа пульповыдачной колонны с воздухоотделителем, а также системы для подачи сжатого воздуха с целью освобождения фарватера при курсировании судов.

Прототипом к защитному экрану является техническое решение, состоящее из гибких высоконапорных рукавов с нормально закрытыми отверстиями перфорации. Недостатком известного технического решения является невозможность создания пузырьковой завесы переменного поперечного сечения в плане в зависимости от интенсивности очистных работ и гидродинамического режима акватории бухты.

Задача изобретения создать способ очистки бухт и комплекс технических средств для его осуществления, промышленное использование которого позволяет производить углубление бухты с одновременным извлечением металлолома, захоронением техногенного слоя с высокой эффективностью при минимальном ущербе, наносимом окружающей среде.

Достигается это тем, что способ очистки бухт включает бурение скважин через осадочные породы с размещением их забоев в подстилающих породах, обсадку скважин колонной труб с цементацией затрубного пространства башмака, оборудование обсадных колонн добычными агрегатами, подачу во внутренние полости обсадных колонн рабочего сечения, выдачу пульпы на плавсредство, защиту залива от выносимых взвешенных частиц пульпы из бухты. Бурение скважин производят рядами, параллельными линии фарватера с одинаковыми расстояниями между рядами и скважинами в каждом ряду по квадратной сетке. Очистку бухты на начальном этапе производят путем отработки скважин смежных рядов, примыкающих к линии фарватера, на которой расположено плавсредство, с выемкой осадочных пород через окна обсадных колонн, расположенных в непосредственной близости от поверхности подстилающих пород и выдачей пульпы на плавсредство. Последующее самообрушение осадочных пород с посадкой техногенного слоя в непосредственной близости от подстилающих пород, извлекают высвобожденный из осадочных пород металлолом, а затем перекрывают техногенный слой пульпой, образованной из слоя осадочных пород, расположенного между техногенным слоем и подстилающими породами. Очистку бухты от осадочных пород на втором и последующих этапах производят путем отработки скважин в смежных рядах, начиная со второго, расположенных по одной из сторон от линии фарватера. Очистку бухты на начальном и последующих этапах производят от ее торцевой части по направлению к выходу в залив. На выходе из бухты, на поверхности осадочных пород перпендикулярно к линии фарватера располагают защитный экран, из которого создают пузырьковую завесу переменного поперечного сечения в плане в зависимости от интенсивности очистных работ. Устья обсадных колонн располагают в акватории бухты ниже максимальной осадки судов и кораблей, курсирующих в бухте.

Комплекс технических средств для осуществления способа очистки бухт включает добычной агрегат, установленный на устье обсадной колонны, состоящей из трубопровода с диспергатором для подачи сжатого воздуха, расположенных соосно внутри трубопровода для выдачи пульпы. Добычной агрегат выполнен съемным за счет телескопического соединения обсадной колонны с трубопроводом для выдачи пульпы. Агрегат снабжен балластными емкостями, жестко закрепленными на внешней поверхности трубопровода, с возможностью погружения агрегата в экваторию при сообщении балластным емкостям отрицательной плавучести и расположении агрегата на поверхности акватории при сообщении балластным емкостям положительной плавучести. Торец трубопровода жестко соединен со сливным коленом, на продольной оси которого установлен противовес. Добычный агрегат установлен на обсадной колонне с возможностью поворота вокруг ее продольной оси.

Комплекс технических средств для осуществления способа очистки бухт включает защитный экран, состоящий из гибких высоконапорных рукавов с нормально закрытыми отверстиями перфорации. Гибкие высоконапорные рукава установлены параллельно между собой и жестко закреплены в кольцевых стаканах, которые посредством тяг шарнирно соединены между собой с возможностью изменения расстояний между рукавами за счет натяжения смежных ветвей канатов в противоположные стороны. Канаты неподвижно закреплены в муфтах, соединенных с кольцевыми стаканами по образующим, обращенным к поверхности осадочных пород.

Бурение скважин и расположение обсадных колонн по квадратной сетке позволяет осуществлять маневрирование добычным плавсредством без демонтажа добычных агрегатов, установленных на устьях обсадных колонн.

Установка башмака обсадной колонны с цементацией затрубного пространства в пределах интервала подстилающих пород, повышает устойчивость колонны и ее опрокидывание на стадии завершения добычных работ. Кроме того, устойчивость обсадной колонны повышается за счет соосного расположения во внутренней полости последней диспергатора необходимой длины, жестко соединенного с добычным агрегатом, который находится в положении устойчивого равновесия на поверхности акватории за счет противовеса, расположенного на продольной оси сливного колена.

Выполнение добычного агрегата съемным с торцевой части обадной колонны позволяет производить оперативный демонтаж при курсировании судов и кораблей.

Захоронение технологического слоя, сложенного из отходов нефтепродуктов, на поверхности подстилающих пород с дальнейшим перекрытием его незагрязненными осадочными породами, позволит развить жизнедеятельность фауны и флоры, которая ранее была загублена.

Очистка бухты по направлению от ее торца к выходу в залив значительно снижает вынос взвешенных частиц в акваторию залива вследствие увеличения длины пути их вероятного осаждения.

Расположение защитного экрана на выходе из бухты и в районе наименьшей ее ширины позволяет значительно снизить энергозатраты на создание пузырьковой завесы, препятствующей выносу взвешенных частиц, в акваторию залива. Кроме того, использование пузырьковой завесы с расположением защитного экрана на повехности осадочных пород не препятствует курсированию судов и кораблей. Во-вторых, пересечение пузырьковой завесы судами не приводит к образованию в последней окон, через которые взвешенные частицы пульпы проникают в акваторию залива.

Таким образом, использование способа очистки бухт не требует остановки жизнедеятельности портов, расположенных в ее акватории.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим и технологическими результатами. Благодаря данной совокупности существенных признаков удалось создать способ очистки бухт и комплес технических средств для его осуществления, промышленное использование которого позволяет производить углубление бухты с одновременным извлечением металлолома, захоронением техногенного слоя с высокой эффективностью при минимальном ущербе, наносимом окружающей среде.

Изобретение рассматривается на примере углубления и очистки бухты Золотой Рог, к обсадным породам которой приурочено значительное количество металлолома, а также наличием техногенного слоя, загрязненного нефтепродуктами.

На фиг. 1 и 2 показано положение добычного агрегата в работе и в погруженном состоянии соответственно; на фиг.3 вид по стрелке А на добычной агрегат; на фиг.4 разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.5 и 6 положение элементов защитного экрана при максимальных и минимальных расстояниях между гибкими высоконапорными рукавами соответственно; на фиг.7 и 8 разрезы В-В и Г-Г по элементам защитного экрана; на фиг.9 запасовка компонентов защитного экрана; на фиг.10 подготовка бухты к очистке; на фиг.11 процесс выемки осадочных пород с посадкой техногенного слоя; на фиг.12 узел I на фиг.1 (плавсредство и добычные агрегаты в плане); на фиг.13 процессы извлечения металлолома и захоронения техногенного слоя.

Комплекс технических средств для осуществления способа очистки бухт включает добычный агрегат, состоящий из трубопровода 1 с диспергатором 2, расположенных соосно с трубопроводом 3 для выдачи пульпы. Диспергатор снабжен отверстиями 4 для выхода сжатого воздуха, подаваемого от компрессорной станции 5 по магистральным трубопроводам 6, а затем и по участковым 7 и трубопроводу 1. Корпус диспергатора 2 выполнен с необходимой длиной и жестко соединен с трубопроводом 1 для придания обсадным колоннам 8 требуемой устойчивости. Добычный агрегат (ДА) выполнен съемным за счет телескопического соединения обсадной колонны 8, снабженной уплотнительными элементами 9, с трубопроводом 3. ДА снабжен балластными емкостями 10 с обратными клапанами 11. Внутренние полости балластных емкостей 10 посредством патрубков 12, трубопровода 13 с задвижкой 14 сообщены пневматически с участковыми трубопроводами 7. Балластные емкости 10 жестко закреплены на внешней поверхности трубопровода 3 с возможностью погружения ДА в акваторию 15 при сообщении балластным емкостям 10 отрицательной плавучести за счет поступления воды через обратный клапан 11 в их внутренние полости после прекращения подачи сжатого воздуха и его вытеснения при открытых задвижках 14 и 16 через трубопроводы 13, 7 и 6 в атмосферу при закрытой задвижке 17.

Всплытие ДА осуществляется за счет вытеснения воды из балластных емкостей 10 через обратный клапан 11 сжатым воздухом при закрытой задвижке 16 и открытых задвижках 17 и 14. Торец трубопровода 3 жестко соединен со сливным коленом 18, которое снабжается воздухоотделителем (на чертежах не показан). На продольной оси 19 сливного колена 18 установлен противовес 20. Противовес 20 выполнен в виде металлических шайб 21, установленных на оси 22, основное назначение которых не создавать опрокидывающего момента ДА при наращивании сливного колена 18 при захоронении техногенного слоя 23. ДА установлен на обсадной колонне 8 с возможностью поворота вокруг ее продольной оси 24, что также связано с захоронением техногенного слоя 23.

Комплекс технических средств для осуществления способа очистки бухт включает также защитный экран, состоящий из гибких высоконапорных рукавов 25, 26 и 27, соединенных между собой задвижками 28 и 29. Верхняя полуцилиндрическая часть рукавов 25-27, обращенная к акватории 15, снабжена нормально закрытыми окнами перфорации 30. Окна 30 закрыты за счет упругих свойств материала, из которых изготовлены рукава, например резины, при отсутствии в их внутренних полостях сжатого воздуха. Торцевая часть рукава 25 пневматически связана с компрессорной станцией 31. Рукава установлены параллельно между собой и жестко закреплены в кольцевых стаканах 32, которые посредством тяг 33 шарнирно 34 соединены между собой. Защитный экран снабжен также канатами 35, 36, 37, которые неподвижно закреплены в муфтах 38, соединенных с кольцевыми стаканами 32 по образующим, обращенным к поверхности осадочных пород 41. Торцевые части канатов 35, 36 и 37 намотаны на барабаны лебедки 39, установленной на берегу бухты, и пропущены через систему блоков 40 расположенной на противоположном берегу бухты.

Способ очистки бухт осуществляют следующим образом.

Подготовка бухты к очистке включает бурение скважин с последующей обсадкой колоннами труб 8 через техногенный слой 23, осадочные породы 41 с размещением их забоев в подстилающих породах 42. Башмак обсадной колонны 8 размещают в подстилающих породах 42 с цементацией 43 затрубного пространства. Приемные окна 44 располагают в непосредственной близости от поверхности подстилающих пород 42. Бурение скважин производят рядами 45 и 46, параллельными линии фарватера 47. Количество рядов скважин зависит от поперечных размеров бухты. Если размеры бухты значительны, количество рядов увеличивают по обе стороны от линии фарватера, напрмер ряды 48 и 49. Расстояния между рядами 49-46, 46-45, 45-48 и скважинами в каждом ряду принимают одинаковыми с созданием квадратной сетки скважин, что увеличивает маневренность плавсредства 50 в стесненных условиях.

Одновременно с бурением и обсадкой скважин на выходе из бухты в самой узкой ее части на поверхности осадочных пород 41 перпендикулярно в линии фарватера 47 располагают защитный экран. В зависимости очистных работ, которая предопределяет степень загрязнения акватории 15 бухты взвешенными частицами, а также гидродинамическими режима, устанавливают:
количество гибких высоконапорных рукавов 25, 26 и 27, участвующих в работе, для чего задвижки 28 и 29 закрывают или открывают;
радиальной расстояние между рукавами 25 и 26, а также 26 и 27 путем натягивания смежных ветвей канатов 35 и 36, 36 и 37 в противоположные стороны 51, 52, 53 соответственно.

Этим достигается создание стабильной пузырьковой завесы на выходе из бухты переменного поперечного сечения в плане, которая препятствует выносу взвешенных частиц в залив вне зависимости от деформации ее судами и существующими течениями. Требуемую плотность пузырьков в завесе достигают увеличением расхода сжатого воздуха, подаваемого от компрессорной станции 31.

На этом процесс подготовки бухты к очистным работам заканчивают.

Процесс очистки бухты производят в несколько этапов в зависимости от количества образованных рядов 45, 46, 48, 49 скважин. При выполнении работ на любом из этапов, очистку бухты производят от ее торцевой части по направлению 54 к выходу в залив.

На начальном этапе плавсредство 50 устанавливают на линии фарватера 47 в торцевой части бухты между рядами 45 и 46. В зависимости от его грузоподъемности и габаритных размеров, а также производительности компрессорной станции 5 землесоса 55 устанавливают количество одновременно отрабатываемых скважин. Для этого устья обсадных колонн 8 снабжают ДА, сливные колена 18 которых направляют в трюм плавсредства. От компрессорной станции по трубопроводам 6, 7, 13 и 1 при открытой задвижке 14 подают сжатый воздух, который, поступая во внутренние полости балластных емкостей 10, сообщает ДА положительную плавучесть. Выходя из отверстий 4 диспергатора 2, сжатый воздух эрлифтирует пульпу, поступающую через окна 44, в трюм плавсредства. В рассматриваемом случае осадочные породы 41 представлены рыхлыми несвязными илами, для приведения в подвижное состояние которых не требуется производить их размыв. Для случая, если осадочные породы представлены связными отложениями, приведение последних в подвижное состояние производят высоконапорными струями добычных гидромониторов, технология промышленного использования которых достаточно хорошо разработана. Осадочные породы, расположенные в трюме плавсредства 50, землесосом 55 по пульповоду 56, снабженному элементами плавучести 57 и подключенному к землесосу с помощью быстроразъемного соединения 58, транспортируются в отвал, расположенный за пределами береговой линии бухты.

Одновременно с осуществлением процесса очистки бухты, создают пузырьковую завесу на ее выходе путем подачи сжатого воздуха от компрессорной станции 31 во внутренние полости гибких высоконапорных рукавов 25, 26 и 27. Сжатый воздух, давление которого значительно превышает гидростатическое давление воды в акватории 15 бухты, раскрывает отверстия 30 и, выходя из последних, образует пузырьковую завесу с требуемыми параметрами.

В процессе выдачи осадочных пород в виде пульпы, происходит их самообрушение в сторону приемных окон 44 обсадной колонны 8. Вместе с ними происходит деформация технического слоя 23 и его посадка в виде отдельных элементов. При расположении техногенного слоя 23 в непосредственной близости от поверхности подстилающих пород 42 работу ДА прекращают. Плавучим краном 59 производят извлечение металлолома 60, высвобожденного из осадочных пород.

Затем сливные колена 18 ДА наращивают и поворачивают по направлению выработанного пространства, осуществляя при этом установку шайб 21 на оси 22 противовеса 20.

После этого ДА производят выемку слоя 61 осадочных пород, расположенного техногенным слоем 23 и поверхностью подстилающих пород 42. Пульпу, образованную из указанного слоя 61, сливают в акваторию 15, твердые компоненты которой осаждаются на отдельных элементах техногенного слоя 23, тем самым перекрывая его от непосредственного соприкосновения с водой акватории 15. Таким образом, техногенный слой, зараженный нефтепродуктами, будет захоронен, при этом не оказывая влияния на развитие фауны и флоры в очищенной бухте. После захоронения техногенного слоя, плавсредство перемещают вдоль линии фарватера 47 по направлению 54, предварительно демонтировав ДА. На последующей стоянке плавсредства процессы по выемке осадочных пород, извлечению металлолома и захоронению техногенного слоя осуществляют в аналогично описанной последовательности.

Очистку бухты на втором и последующих этапах производят путем отработки скважин в смежных рядах, расположенных по одной из сторон от линии фарватера. Для этого, на втором этапе, плавсредство перемещают в торцевую часть бухты и располагают, например, между 48 и смежным с ним рядом. На заключительном этапе плавсредство 50 располагают между 49 и смежным с ним рядом. После полной очистки бухты производят демонтаж пульповода 56 и извлечение обсадных колонн 8 с помощью плавучего крана 59. Демонтаж защитного экрана осуществляют на стадии завершения осветления воды в акватории 15 бухты.

Промышленное использование способа очистки бухт и комплекса технических средств для его осуществления позволит производить углубление бухты с извлечением металлолома, захоронением техногенного слоя с высокой эффективностью при минимальном ущербе, наносимом окружающей среде.

Использование: в горном деле для очистки бухт от осадков и металлолома. Сущность изобретения: способ очистки бухт включает бурение скважин, обсадку скважин имеющей окна колонной обсадных труб с цементацией затрубочного пространства, установку на колоннах добычных агрегатов, подачу в полость колонны рабочего агента и выдачу пульпы на плавсредство. Бурение скважин производят рядами, параллельными линии фарватера с одинаковыми расстояниями между рядами и в каждом ряду между скважинами. Обсадную колонну устанавливают нижними краями окон на границе подстилающих пород. Очистку бухты на начальном этапе производят путем отработки скважин смежных рядов, примыкающих к линии фарватера, извлекают высвобожденный металлолом, а затем перекрывают техногенный слой осадком пульпы. На выходе из бухты на поверхности осадочных пород перпендикулярно к линии фарватера устанавливают устройство для образования воздушно-пузырьковой завесы. Комплекс средств для осуществления способа включает плавсредство и добычной агрегат, состоящий из трубопровода для выдачи пульпы с соосно размещенным в нем диспергатором сжатого воздуха, при этом агрегат снабжен балластными емкостями с регулируемой положительной или отрицательной плавучестью и установлен на обсадной колонне телескопически, а торец трубопровода выполнен со сливным коленом и противовесом. Добычной агрегат размещен на обсадной колонне с возможностью поворота вокруг ее продольной оси. Комплекс средств снабжен устройством для образования воздушно-пузырьковой завесы, выполненным в виде гибких высоконапорных рукавов с нормально закрытыми перфорационными отверстиями, при этом рукава установлены параллельно друг другу и жестко закреплены в кольцевых стаканах, связанных между собой шарнирно тягами. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ очистки бухт, включающих бурение скважин через осадочные породы с размещением их забоев в подстилающих породах, обсадку скважин имеющей окна колонной обсадных труб с цементацией затрубного пространства башмака, оборудование обсадных колонн добычными агрегатами, подачу во внутреннюю полость обсадной колонны рабочего агента и выдачу пульпы на плавсредство, отличающийся тем, что бурение скважин производят рядами, параллельными линии фарватера с одинаковыми расстояниями между рядами и скважинами в каждом ряду, обсадную колонну труб устанавливают нижними краями окон на границе подстилающих и осадочных пород, очистку бухты от осадочных пород на начальном этапе производят путем отработки скважин смежных рядов, примыкающих к линии фарватера, с выемкой осадочных пород через окна обсадных труб и выдачей пульпы на плавсредство, извлекают высвобожденный из осадочных пород металлолом, а затем перекрывают техногенный слой осадком пульпы осадочных пород. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку бухты от осадочных пород на втором и последующих этапах производят путем отработки скважин в смежных рядах, начиная со второго, расположенных по одной из сторон от линии фарватера. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку бухты от осадочных пород на начальном и последующих этапах производят от ее торцевой части по направлению к выходу в залив. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на выходе из бухты на поверхности осадочных пород перпендикулярно линии фарватера устанавливают устройство для образования воздушно-пузырьковой завесы, причем плотность завесы устанавливают в зависимости от интенсивности очистных работ в бухте. 5. Комплекс технических средств для очистки бухт, включающий плавсредство и установленный на устье обсадной колонны добычной агрегат, состоящий из трубопровода для выдачи пульпы с соосно размещенным в нем диспергатором для подачи сжатого воздуха, отличающийся тем, что добычный агрегат снабжен установленными на трубопроводе балластными емкостями с регулируемой положительной или отрицательной плавучестью, при этом добычной агрегат установлен на обсадной колонне телескопически, а торец трубопровода выполнен со сливным коленом и противовесом, установленным диаметрально противоположно сливному колену. 6. Комплекс по п.5, отличающийся тем, что добычной агрегат установлен на обсадной колонне с возможностью поворота вокруг ее продольной оси. 7. Комплекс по п.5, отличающийся тем, что он снабжен устройством для образования воздушно-пузырьковой завесы, выполненным в виде гибких высоконапорных рукавов с нормально закрытыми перфорационными отверстиями, при этом рукава установлены параллельно друг другу и жестко закреплены в кольцевых стаканах, связанных между собой шарнирно тягами с возможностью изменения расстояния между рукавами путем смещения смежных ветвей рукавов в противоположные стороны посредством канатов, причем канаты закреплены в муфтах, соединенных с кольцевыми стаканами со стороны поверхности осадочных пород.