СПОСОБ ПОДЪЁМА МАГМАТИЧЕСКОЙ ЛАВЫ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ Российский патент 2016 года по МПК E21B43/00 F04F1/14 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи магматической лавы из магматических озер, расположенных в кратерах действующих вулканов, или в полостях спящих вулканов, или вблизи от них, как имеющих выход на поверхность земли, так и находящихся на глубине.

Известен способ подъема магматической лавы на поверхность земли из источника магматической лавы - вулкана с использованием машины, включающей экскаватор и транспортер с ковшами. В соответствии с известным способом одну часть экскаватора машины устанавливают вне вулкана, а другую часть экскаватора машины спускают внутрь вулкана, при этом транспортером перемещают ковши таким образом, что нижним ковшом зачерпывают лаву и перемещают ее из жерла вулкана на участок вне вулкана (см. заявку РФ на изобретение №2006103014, опубл. 20.08.2007, п. 12 формулы).

Недостатком известного способа являются его повышенная опасность для персонала и ограниченная глубина извлечения магматической лавы.

Известен способ подъема магматической лавы на поверхность земли из источника магматической лавы - вулкана с использованием труб и насоса (см. заявку РФ на изобретение №2006103014, опубл. 20.08.2007, п. 23 формулы).

Недостатком этого способа также являются его ограниченные возможности, обусловленные недоучетом особенностей собственно магматической лавы, характеризующейся высокой температурой и вязкостью, затрудняющими использование обычных насосов, а также управляемость и бесперебойность процесса подъема магматической лавы на поверхность земли.

Техническим результатом изобретения является повышение его эффективности за счет увеличения глубины подъема магматической лавы, обеспечения безопасности, бесперебойности и управляемости процесса подъема на поверхность земли для ее дальнейшей переработки.

Необходимый технический результат достигается тем, что способ подъема магматической лавы на поверхность земли характеризуется тем, что используют рабочую трубу для подъема лавы и трубу меньшего диаметра для нагнетания негорючего газа, соединенную с рабочей трубой на заданной глубине диспергатором, имеющим протяженность от 5 до 75% от длины рабочей трубы с множеством отверстий различного диаметра, и осуществляют следующие шаги:

а) рабочую трубу спускают в источник лавы таким образом, что ее верхняя часть на 1-2 м превышает уровень лавы;

б) в диспергатор нагнетают газ до насыщения им лавы внутри рабочей трубы;

в) рабочую трубу опускают в источник лавы с переливом лавы в источник лавы и так выдерживают до равномерного насыщения газом лавы внутри рабочей трубы;

г) приемы а) - в) повторяют до запуска устойчивого процесса движения лавы внутри всей рабочей трубы;

д) по мере стабилизации скорости потока излияния насыщенной газом лавы из рабочей трубы переходят на стационарный режим подъема лавы, для чего рабочую трубу устанавливают на заданной глубине, предварительно герметично обвязав ее с приемной системой на поверхности земли и системой улавливания фумарольных газов, которые используют в составе негорючего газа для нагнетания в диспергатор.

Кроме того:

в качестве газа для нагнетания в диспергатор используют дополнительно фумарольный и/или негорючий газ сторонних источников;

в составе газа для нагнетания в диспергатор используют парогазовую смесь;

лаву, поднимаемую по рабочей трубе, обрабатывают ультразвуком и/или электрическими разрядами и при необходимости дополнительно воздействуют управляемым магнитным полем;

диспергатор выполняют в виде кожуха, охватывающего концентрично рабочую трубу, которая перфорирована внутри кожуха и имеет гибкие патрубки, направленные к центру трубы. Патрубки соединены с частью отверстий (перфораций) и способны отклоняться внутри рабочей трубы относительно ее внутренних стенок в потоке лавы. Кроме того, патрубки сами имеют отверстия для выхода поступающего из кожуха газа.

Сущность изобретения заключается в том, что по существу для подъема магматической лавы используют газлифт (эрлифт) с учетом особенностей упомянутой лавы. Ввиду повышенной вязкости и неоднородности структуры магматической лавы, а также ее высокой температуры предусматривают особые приемы запуска подъема магматической лавы, перед тем как обеспечить стационарный режим ее подъема на поверхность земли с применением устройства, обеспечивающего объемное насыщение газом и/или парогазовой смесью магмовой лавы с одновременным объемным диспергированием собственно лавы. В результате экспериментов был установлено, что эффект объемного насыщения газом магмовой лавы и одновременно ее объемного диспергирования появляется при протяженности (длине) диспергатора 5-75% от длины рабочей трубы с отверстиями различного диаметра. При этом в процессе всех операций подъема магматической лавы используют негорючий газ, обеспечивающий необходимую безопасность подъема за счет исключения дополнительных очагов неконтролируемого горения в опасной зоне.

Дополнительно к негорючему газу может быть добавлен пар для большей стабилизации явлений насыщения газом поднимаемой лавы и ее диспергирования. В качестве негорючего газа могут быть использованы нейтральные газы на стадии запуска устройства, а в последующем и фумарольные газы, выделяющиеся из поднимаемой магматической лавы и улавливаемые в процессе ее подъема из источника лавы и/или транспортирования по поверхности земли. Этим обеспечивают локализацию токсичных газов и, одновременно, стабильный температурный режим в зоне работ. В случае недостатка упомянутых газов могут быть использованы негорючие газы или их смеси сторонних источников - других объектов.

Способ осуществляют следующим образом.

В источник магматической лавы спускают газлифт. Для этого используют рабочую трубу для подъема лавы и трубу меньшего диаметра для нагнетания негорючего газа, соединенную с рабочей трубой на заданной глубине диспергатором, имеющим протяженность от 5 до 75% от длины рабочей трубы и множество отверстий различного диаметра. При этом осуществляют следующие шаги:

а) рабочую трубу спускают в источник лавы таким образом, что ее верхняя часть на 1-2 м превышает уровень лавы;

б) через трубу меньшего диаметра в диспергатор нагнетают газ до насыщения им лавы внутри рабочей трубы;

в) рабочую трубу опускают в источник лавы с переливом лавы в источник лавы и так выдерживают до равномерного насыщения газом лавы внутри рабочей трубы;

г) приемы а) - в) повторяют до запуска устойчивого процесса движения лавы внутри всей рабочей трубы.

После этого переходят на стационарный режим подъема лавы. Для этого рабочую трубу устанавливают на заданной глубине, предварительно герметично обвязав ее с приемной системой на поверхности земли и системой улавливания фумарольных газов, которые используют в составе негорючего газа для нагнетания в диспергатор.

При необходимости в качестве газа для нагнетания в диспергатор используют дополнительно фумарольный и/или негорючий газ сторонних источников, например фумарольный газ другого источника магматической лавы или газы горения перерабатывающих предприятий.

При недостаточной производительности подъема магматической лавы рабочую трубу обрабатывают ультразвуком и/или электрическими разрядами.

Диспергатор для лучшего проявления эффектов насыщения газом магматической лавы и диспергирования самой лавы выполняют в виде кожуха, охватывающего концентрично рабочую трубу. При этом рабочую трубу перфорируют внутри кожуха и снабжают гибкими патрубками внутри нее, связанными с перфорационными отверстиями и имеющими возможность отклоняться внутри рабочей трубы относительно ее внутренних стенок в потоке лавы. Таким образом, объемное насыщение газами достигается за счет поступления в магму газа из большого количества отверстий различного диаметра, расположенных как на внутренней поверхности рабочей трубы, так и на патрубках.

Конкретный пример реализации способа

На Камчатке имеется лавовое озеро вулкана Плоский Толбачик, расположенное непосредственно у западной границы кратера и имеющее вид провала округлой формы диаметром 300 метров и глубиной до 50 метров. Магматическая лава в озере имеет температуру около 1000°C и насыщена вулканическими газами. Для начала добычи магматической лавы по краям кратера устанавливают опоры для тросов, при помощи которых на поверхность лавового озера устойчиво опускают платформу с отверстием, через которое опускают в магматическую лаву две колонны труб, например, из ударопрочного керамического армированного конструкционного материала, выдерживающего повышенные температуры (более 1500 С°). Выбирают рабочую трубу диаметром 2-3 м с ребрами жесткости. Она служит для подъема магматической лавы. Труба меньшего диаметра - 100-200 мм предназначена для нагнетания негорючего газа или негорючей парогазовой смеси. При этом упомянутые трубы выполняют таким образом, что на глубине 25 м обеспечивают их соединение объемным диспергатором. Диспергатор выполняют в виде патрубков, расположенных как вдоль внутренней поверхности рабочей трубы, а также и под углом к лавовому потоку, доходя до его центральной части в рабочей трубе, с отверстиями разного диаметра (4-10 мм), закрытых мелкоячеистой сеткой от попадания магмы внутрь патрубка. В режиме запуска устройства осуществляют следующие действия:

а) выходное отверстие рабочей (подъемной) трубы опускают до уровня зеркала магмового озера и спускают в источник лавы таким образом, что ее верхняя часть на 1 м превышает уровень лавы;

б) в диспергатор нагнетают негорючий газ, например азот, до насыщения им лавы внутри рабочей трубы;

в) рабочую трубу опускают в источник лавы с переливом лавы в источник лавы и так выдерживают до равномерного насыщения газом лавы внутри рабочей трубы;

г) приемы а) - в) повторяют до запуска устойчивого процесса движения лавы внутри всей рабочей трубы.

Затем по мере стабилизации скорости потока излияния насыщенной газом лавы из рабочей трубы переходят на стационарный режим подъема лавы. Для этого рабочую трубу устанавливают стационарно на глубине 35-50 м, предварительно герметично обвязав ее с приемной системой на поверхности земли и системой улавливания фумарольных газов, которые используют в составе негорючего газа для нагнетания в диспергатор.

Запускают диспергатор с необходимой производительностью в стационарном режиме.

Для более эффективного запуска устройства - газлифта и перевода его в стационарный режим может быть использован диспергатор по п. 5 формулы. По трубкам такого диспергатора, пересекающим сечение рабочей трубы, создают дополнительные источники по объемной газификации потока лавы. Поскольку трубки диспергатора закреплены к стенке рабочей трубы таким образом, что они имеют свободный конец и могут упруго отгибаться к стенке рабочей трубы и возвращаться в исходное положение, то этим обеспечена возможность пропускания и плотных кусков магмовой породы.

Для улучшения прохождения потока лавы по рабочей трубе и дальнейшей технологической переработки способ предусматривает возможность воздействия на магматический поток управляемым магнитным полем, а также электроразрядного и ультразвукового воздействия на поднимаемую магмовую лаву для разрушения присутствующих физических неоднородностей.

Также для ускоренного запуска устройства может быть использован диспергатор-ускоритель в виде «графитовых» стержней (по аналогии с атомными реакторами), которые на начальном технологическом этапе вводят сверху в рабочую трубу и между которыми подаются электрические разряды для «встряхивания» магмы.

После того как в подъемной трубе прошел запускающий режим рабочую трубу соединяют с наземной обвязкой. У выходного отверстия рабочей трубы монтируют приемную емкость, дно которой имеет уклон в сторону транспортного лотка, предназначенного для наземного транспортирования магматической лавы. Приемную емкость оборудуют парогазоотделителем с системой парогазоотводных труб и компрессором для отсасывания фумарольных газов. Предусмотрено непрерывное отсасывание компрессором выделяющихся из магматической лавы фумарольных газов. В результате в приемной емкости давление устанавливается ниже атмосферного, что дополнительно способствует подъему магматической лавы и выделению фумарольных газов. Количество магматической лавы, поднимаемой на поверхность земли, регулируют работой компрессора за счет увеличения или уменьшения объема закачиваемого в диспергатор негорючего газа.

Чтобы уменьшить или предотвратить попадание в рабочую трубу газлифта «нетехнологических» и «негабаритных» плотных кусков магмовой породы, на входе подъемной трубы устанавливают механический конический фильтр.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи магматической лавы из магматических озер, расположенных в кратерах действующих вулканов, или в полостях спящих вулканов, или вблизи от них, как имеющих выход на поверхность земли, так и находящихся на глубине. Технический результат - повышение эффективности способа за счет увеличения глубины подъема магматической лавы, обеспечения безопасности, бесперебойности и управляемости процесса подъема. Способ характеризуется тем, что используют рабочую трубу для подъема лавы и трубу меньшего диаметра для нагнетания негорючего газа, соединенную с рабочей трубой на заданной глубине диспергатором. Диспергатор применяют протяженностью от 5 до 75% от длины рабочей трубы со множеством отверстий различного диаметра. При подъеме лавы осуществляют следующие шаги: а) рабочую трубу спускают в источник лавы таким образом, что ее верхняя часть на 1-2 м превышает уровень лавы; б) в диспергатор нагнетают газ до насыщения им лавы внутри рабочей трубы; в) рабочую трубу опускают в источник лавы с переливом лавы в источник лавы и так выдерживают до равномерного насыщения газом лавы внутри рабочей трубы; г) приемы а) - в) повторяют до запуска устойчивого процесса движения лавы внутри всей рабочей трубы; д) по мере стабилизации скорости потока излияния насыщенной газом лавы из рабочей трубы переходят на стационарный режим подъема лавы. Для этого рабочую трубу устанавливают на заданной глубине, предварительно герметично обвязав ее с приемной системой на поверхности земли и системой улавливания фумарольных газов. Эти газы используют в составе негорючего газа для нагнетания в диспергатор. 4 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ подъема магматической лавы на поверхность земли, характеризующийся тем, что используют рабочую трубу для подъема лавы и трубу меньшего диаметра для нагнетания негорючего газа, соединенную с рабочей трубой на заданной глубине диспергатором, имеющим протяженность от 5 до 75% от длины рабочей трубы со множеством отверстий различного диаметра, и осуществляют следующие шаги:
а) рабочую трубу спускают в источник лавы таким образом, что ее верхняя часть на 1-2 м превышает уровень лавы;
б) в диспергатор нагнетают газ до насыщения им лавы внутри рабочей трубы;
в) рабочую трубу опускают в источник лавы с переливом лавы в источник лавы и так выдерживают до равномерного насыщения газом лавы внутри рабочей трубы;
г) приемы а) - в) повторяют до запуска устойчивого процесса движения лавы внутри всей рабочей трубы;
д) по мере стабилизации скорости потока излияния насыщенной газом лавы из рабочей трубы переходят на стационарный режим подъема лавы, для чего рабочую трубу устанавливают на заданной глубине, предварительно герметично обвязав ее с приемной системой на поверхности земли и системой улавливания фумарольных газов, которые используют в составе негорючего газа для нагнетания в диспергатор.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве газа для нагнетания в диспергатор используют дополнительно фумарольный и/или негорючий газ сторонних источников.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в составе газа для нагнетания в диспергатор используют парогазовую смесь.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что лаву, поднимаемую по рабочей трубе, обрабатывают ультразвуком и/или электрическими разрядами.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что диспергатор выполняют в виде кожуха, охватывающего концентрично рабочую трубу, которая перфорирована внутри кожуха и имеет гибкие патрубки внутри нее, связанные с отверстиями и способные отклоняться внутри рабочей трубы относительно ее внутренних стенок в потоке лавы.