УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 1998 года по МПК E21C45/00 

Изобретение относится к гидравлическим установкам для добычи полезных ископаемых, а именно к устройствам для гидродобычи полезных ископаемых из скважин, и может найти применение для извлечения полезных ископаемых из подземных формаций, представленных металлосодержащими песками, мелким гравием и т.п.

Из отечественной и зарубежной патентной и научно-технической информации известно достаточно большое количество устройств для скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Они различаются по назначению, принципу действия и конструктивному исполнению. Соответственно этому различны горно-технические условия их применения, технические и технологические возможности, а также достигаемый ими положительный эффект. Анализ указанных устройств позволил сделать вывод, что по назначению и конструктивному исполнению наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых по авт.свид. СССР N 1449662. По принципу действия и достигаемому положительному эффекту наиболее близким аналогом, который принят за прототип, является скважинный земснаряд по авт.свид.СССР N 1099082.

Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых по авт.свид. CCCP N 1449662 включает верхний оголовок, высоконапорный став с установленным внутри него и соосно с ним пульповодом, и нижний оголовок. Нижний оголовок содержит гидромонитор и гидроэлеватор. Между гидромониторной и гидроэлеваторной насадками смонтирован распределительный узел в виде обечайки, которая установлена с возможностью осевого перемещения концентрично ставу и снаружи него.

Производственные испытания устройства, разработанного на основе изобретения по авт. свид. N 1449662, характеризующегося относительной простотой конструкции и не сложностью монтажа, в полевых условиях при разработке песков Туганского месторождения (Томская обл.) показали, что при использовании серийно-выпускаемых мобильных насосов типа 9МГР глубина разработки полезных ископаемых не превышает 80-100 м. Это сопровождается неполной отработкой глубже залегающих продуктивных горизонтов, затрудняет добычу песков с примесью мелкого гравия. Чтобы увеличить глубину разработки следует использовать более мощные насосные установки производительностью до 150 м³/ч. Однако в этом случае необходимо строительство ЛЭП,силовой подстанции и т.п., что значительно удорожает производство и усложняет организацию добычных работ.

Скважинный земснаряд по авт.свид. N 1099082 (прототип) состоит из пульпоподъемной колонны с приемным отверстием вблизи забоя и забойной заглушкой, водоподающей колонны с гидромониторной насадкой, которая расположена внутри пульповода и концентрично ему, и воздухоподающей трубы. При этом воздухоподающая труба расположена в скважине, вне пульпоподъемной и водоподающей колонн параллельно им. Кроме того, земснаряд снабжен разжижающей насадкой, устройством для передвижения по скважине верхней части водоподающей трубы с гидромониторной насадкой, которая телескопически соединена с нижней ее частью.

Всесторонний анализ скважинного земснаряда по авт.свид. N 1099082 позволил сделать вывод, что его применение повышает эффективность добычи песков на больших глубинах. Однако это достигается за счет значительного усложнения конструкции земснаряда и повышения трудоемкости и сложности монтажно-демонтажных работ.

Задача изобретения - разработка относительно простого по конструкции и несложного в эксплуатации устройства для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, которое позволило бы увеличить глубину разработки песков с учетом использования мобильных насосов и другого серийно выпускаемого полевого оборудования.

Поставленная задача решена следующим образом. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых состоит из трех частей: верхнего оголовка, трубного става и нижнего оголовка. Верхний оголовок имеет два ввода, один из которых предназначен для подачи энергетической воды, другой - для подачи сжатого воздуха. Кроме того, оголовок снабжен выводом для истечения пульпы из пульповода. Трубный став включает три установленные соосно друг другу колонны труб, одна из которых (внешняя) является высоконапорной колонной, промежуточная - пульповодом и внутренняя - воздухоподающей колонной. Нижний оголовок содержит гидромонитор и гидроэлеватор, который состоит из гидроэлеваторной насадки и камеры смещения, переходящей в пульповод. Смеситель воздухоподающей колонны расположен в пульповоде над камерой смешения гидроэлеватора и гидромонитором. Верхний конец воздухоподающей колонны через отверстие ввода пульповода выведен в верхний оголовок. Кроме того, устройство снабжено торцевой гидромониторной насадкой, которая находится в донной его части.

На чертеже изображено устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых в сечении по его продольной оси.

Устройство состоит из трех соединенных между собой частей: верхнего оголовка, трубного става и нижнего оголовка.

Верхний оголовок располагается на поверхности, над устьем скважины, и представляет собой конструкцию, имеющую два ввода и один вывод: ввод 1 через шланг соединен с насосом и предназначен для подачи в высоконапорную колонну энергетической воды; ввод 2 через шланг соединен с компрессором и предназначен для подачи в воздухоподающую колонну сжатого воздуха, вывод 3 снабжен выкидным шлангом и предназначен для выдачи пульпы на поверхность из пульповода.

Трубный став располагается в стволе скважины в интервале от устья до кровли продуктивного пласта и состоит из трех колонн: высоконапорной колонны 4, по которой энергетическая вода подается к нижнему оголовку, пульповода 5 и воздухоподающей колонны 6. Все эти колонны установлены концентрично друг относительно друга, причем воздухоподающая колонна 6 расположена в пульповоде 5, который, в свою очередь, находится в высоконапорной колонне 4. Смеситель 7 воздухоподающей колонны 6 установлен над гидромонитором и соответственно над гидроэлеватором.

Нижний оголовок располагается в зоне продуктивного горизонта и содержит два основных узла - гидромонитор и гидроэлеватор. Гидромонитор представляет собой гидромониторную насадку 8 в виде усеченного конуса. Вход 9 насадки 8 сообщается с высоконапорной колонной 4, а ее выход 10 с затрубным пространством. Конструктивно это выполнено за счет прилива 11 на пульповоде. Высоконапорная колонна 4 в своей нижней части имеет заглушку 12, в которую вмонтирована камера смешения 13 гидроэлеватора. К указанной камере смешения 13 примыкает гидроэлеваторная насадка 14, которая сообщается с высоконапорной колонной 4 посредством трех трубок 15 и полости 16 гидроэлеваторной насадки. Высоконапорная колонна 4 ниже заглушки 12 имеет три окна 17 для обеспечения входа пульпы из затрубного пространства в камеру смешения 13 гидроэлеватора и далее в пульповод. В донной части устройство снабжено торцевой гидромоторной насадкой 18, к которой энергетическая вода поступает через трубки 15 и полость 16 гидроэлеватора.

Подготовка к гидродобыче.

Пробуривают скважину до кровли продуктивного горизонта, закрепляют ее ствол обсадными трубами, обсадную колонну цементируют. Затем скважину углубляют до подошвы продуктивного горизонта. При этом чтобы исключить преждевременное обрушение стенок скважины, углубку производят с использованием промывочной жидкости высококачественного глинистого раствора на основе КМЦ.

После того, как скважина подготовлена к гидродобыче, в ней размещают вышеописанное гидродобычное устройство в составе нижнего оголовка, высоконапорной колонны 4 и пульповода 5 так, чтобы гидромониторная насадка 8 расположилась в зоне продуктивного пласта. Затем через отверстие в пульповоде 5 верхнего оголовка опускают воздухоподающую колонну 6. Глубина спуска этой колонны определяется из расчета, чтобы ее смеситель 7 находился на расстоянии 2-2,5 м от гидромониторной насадки и, соответственно, на расстоянии 4-6 м от камеры смешения 13 гидроэлеватора. Ввод 1 оголовка посредством нагнетательного шланга соединяют с насосным агрегатом, ввод 3 - с компрессором, а вывод 2 пульповода снабжают выкидным шлангом.

Процесс гидродобычи.

Включают компрессор, и сжатый воздух через ввод 3 по воздухоподающей колонне 6 подается к смесителю 7, через который он попадает в пульповод 5. Включают насосный агрегат. Энергетическая вода через ввод 1 подается по высоконапорной колонне 4 в гидромониторную насадку 8 и одновременно через трубки 15 в полость 16 гидроэлеваторной насадки 14. Поступая через вход 9 гидромониторной насадки 8 и выходя из нее через осуженную часть 10, струя энергетической воды, обладая высокой скоростью и, соответственно, большой энергией, производит разрушение горных пород продуктивного пласта и разжижает их.

Часть энергетической воды, поступающей из высоконапорной колонны 4 через трубки 15 в полость 16 гидроэлеваторной насадки 14, разделяется на два потока - один из них подходит к торцевой гидромониторной насадке 18, другой - к гидроэлеваторной насадке 14. Выходя из торцевой гидромониторной насадки 18, струя энергетической воды производит измельчение крупных кусков горных пород, образовавшихся в процессе разрушения продуктивного горизонта гидромонитором 8, а также поднимает с подошвы пласта крупные и тяжелые частицы породы, разжижает пульпу. За счет этого облегчается поступление пульпы в окна 17 и в камеру смешения 13 гидроэлеватора. Другой поток, проходя через гидроэлеваторную насадку 14, устремляется в камеру смешения 13, эжектируя при этом в пульповод пульпу, поступающую через окна 17. Ввиду того, что гидродинамический напор на уровне гидроэлеватора, который выполняет роль струйного насоса, остается практически постоянным, а гидростатическое давление в пульповоде в месте установки смесителя 7 воздухоподающей колонны 6 падает, создается постоянный подпор на пульпу, поступающую из камеры смешения 13 в пульповод 5. За счет уменьшения разницы в плотности пульпы и плотности воды благодаря наличия в пульпе пузырьков воздуха облегчаются условия подъема пульпы в пульповоде на поверхность. В результате этого при определенном расходе энергетической воды, обеспечивается возможность поднимать пульпу с больших глубин, а также упрощается транспортировка крупных и тяжелых фракций горных пород на поверхность.

После отработки продуктивного пласта в заданном направлении устройство поворачивается на определенный угол, и процесс добычи полезного ископаемого продолжается.

Предлагаемое устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых было разработано в Томском ГРЭ и испытано в производственных условиях Туганского месторождения при разработке рудных песков. При этом диаметр обсадной колонны составлял 219 мм, диаметр скважины в продуктивном пласте 190 мм, диаметры колонн - высоконапорной 168 мм, пульповода 108 мм и воздухоподающей 1/2 дюйма. Использованное оборудование: два насоса 9 МГР с общей производительностью 32 л/с и напором 50 атм, компрессор ПК-15 с производительностью 8 м³/мин и давлением 7 атм.

В результате проведенных производственных испытаний было установлено следующее.

По сравнению с устройством для гидродобычи, имеющего основные признаки изобретения по авт.свид. СССР N 1449662, глубина разработки полезного ископаемого увеличилась с 80-100 м до 200 м. Пульпа содержала большое количество крупной фракции, включая мелкий гравий. Это достигается за счет эрлифтирования пульпы, эжектируемой гидроэлеватором. По сравнению с устройством по авт. свид. N 1099082, предлагаемая конструкция более проста и менее трудоемка при монтаже. Это достигается за счет того, что воздухоподающая колонна расположена в пульповоде и концентрично ему.

Изобретение относится к гидравлическим установкам для добычи полезных ископаемых, а именно к устройствам для гидродобычи полезных ископаемых из скважин, и может найти применение для извлечения полезных ископаемых из подземных формаций, представленных металлосодержащими песками, мелким гравием и т. д. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых состоит из трех частей: верхнего оголовка, трубного става и нижнего оголовка. Верхний оголовок имеет два ввода, один из которых предназначен для подачи энергетической воды, другой - для подачи сжатого воздуха. Кроме того, оголовок снабжен выводом для истечения пульпы из пульповода на поверхность. Трубный став включает три установленные концентрично друг другу колонны труб, одна из которых (внешняя) является высоконапорной колонной, промежуточная - пульповодом и внутренняя - воздухоподающей колонной. Нижний оголовок содержит гидромонитор и гидроэлева-тор, который состоит из гидроэлеваторной насадки и камеры смешения, переходящей в пульповод. Смеситель воздухоподающей колонны расположен в пульповоде над гидромонитором и камерой смешения гидроэлеватора. Верхний конец воздухоподающей трубы выведен через отверстие вывода пульповода в верхний оголовок. Кроме того, нижний оголовок снабжен торцевой гидромониторной насадкой, которая находится в донной его части. Использование предлагаемого устройства для скважинной гидродобычи позволяет увеличить глубину разработки полезных ископаемых, упростить конструкцию устройства и снизить трудоемкость монтажно-демонтажных работ. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, состоящее из последовательно соединенных верхнего оголовка, включающего ввод высоконапорной колонны и вывод пульповода, трубного става, состоящего из высоконапорной колонны, пульповода и воздухоподающей колонны со смесителем, и нижнего оголовка, включающего гидромонитор и гидроэлеватор, отличающееся тем, что воздухоподающая колонна размещена концентрично внутри пульповода, расположенного концентрично в высоконапорной колонне, при этом смеситель воздухопроводящей колонны установлен в пульповоде над гидромонитором, а верхний ее конец выведен через отверстие в пульповоде верхнего оголовка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в донной части нижнего оголовка установлена гидромониторная насадка.