ЭРЛИФТ Российский патент 2021 года по МПК F04F1/18 E21B43/00 

Изобретение относится к технике строительства, ремонта и эксплуатации стволов водозаборных и/или геотехнических скважин, а также иных горных выработок. Преимущественной областью его промышленного использования является добыча воды, рассолов, нефти, рыхлых несвязных грунтов, минерального сырья и/или получение других результатов работы горнопроходческого и бурового инструмента при решение задач горного дела и недропользования.

Известно и широко используется в горном деле большое разнообразие пневматических и гидравлических средств создания внутри ствола скважины или подъемного трубопровода восходящего потока рабочего агента, например газа, атмосферного воздуха или жидкости, способного своей упругой энергией поднять с забоя и доставить на дневную поверхность к устью скважины пульпу в виде трехфазной смеси, состоящей из жидкости, газов и обломков горной породы песчано-глинистой фракции с примесью дресвы и обломков щебня, из которой известными средствами сепарации забирается для доставки его потребителю полезный продукт, а все остальное, как балласт, отправляется на утилизацию. Самый аскетически простой в исполнение эрлифт состоит из подъемного трубопровода, трубопровода подачи рабочего агента и смесителя, в полости которого организован синтез всех веществ, которые получили к нему свободный доступ за счет наличия у него многочисленных сквозных отверстий (см. Справочное руководство гидрогеолога, 3-е изд., перераб., и доп.Под ред. В.М. Максимова, Л., изд. Недра, 1979 г., стр. 203-204). Намного сложнее устроены гидроэлеваторы, в которых посредством разнообразных сопел, форсунок и диффузоров моделируются восходящие струйные потоки воды или другой жидкости (см. там же на стр. 213, а также описание изобретения «Способ сжатия сред в струйном аппарате и устройство для его осуществления» по патенту РФ №2016261 от 15.07.94 г., кл. МПК F04F 5/02). В частности, 10.06.2000 г. В России был выдан патент на изобретение №2150613, кл. F04F 1/18 от 23.11.98 г. «Эрлифтная установка», которая является весьма близким аналогом, но несколько далеким от сути заявленного изобретения, которому гораздо ближе патент РФ №2340796, кл. F04F 5/10; F04F 5/24 от 09.07.2007 г. (Прототип) и Ав. Св. СССР №681227, кл. МПК F04F 1/18 от 25.08.79 г.

Однако, несмотря на свои достоинства, эти, а также многие другие аналоги, увы, отличаются чрезмерно большой сложностью изготовления, низкой производительностью, узко ограниченной областью использования и большой материалоемкость. Самый большой из конструктивных недостатков названных прототипов и аналогов - это наличие в жерле конусообразного входного патрубка препятствия на пути извлекаемого продукта, вроде бы незначительного, но играющего, как кость в горле, дурную роль местного гидродинамического сопротивления, каковыми является U-образно изогнутое тело канала подвода рабочего агента к активному и суживающему соплам, генерирующим вихревые турбулентные потоки внутри смесителя.

Целью изобретательской мысли был поиск и нахождение более эффективного технического решения устройства максимально универсального аэрогидродинамического средства извлечения желаемых продуктов, поступающих на забой скважины из порового и/или трещинно-пластового пространства земных недр, вскрытых бурением, а также повышение производительности эрлифта до предела водозахватной способности ствола скважины и/или самоотдачи продуктивного горизонта и радикальное снижение трудозатрат на его изготовление за счет упрощения конструкции и уменьшения ее массы.

Сущность изобретения заключена в уникальных особенностях устройства головного рабочего органа эрлифта, часто незаслуженно именуемого обыкновенным смесителем, в полости которого посредством двух равновеликих тонкостенных воронок из прочного материала в форме усеченных конусов, длина которых в десятки раз больше диаметра их жерла, вложенных с кольцевым щелевым зазором в пределах от 2-х до 8-ми мм одна в другую с углом при своей вершине не более пяти градусов и имеющих достаточно гладкую поверхность своих стен, организованы условия для добровольно-принудительной встречи добываемого продукта и активного рабочего агента, доставленного по нагнетательному трубопроводу внутрь головного рабочего органа для формирования там восходящего и постоянно сужающегося напористого струйного потока, векторно сфокусированного радиально лучистого с синхронным форсажем скорости до своего критического значения в точку, находящуюся в эпицентре подъемного трубопровода, и способного за счет консолидации полученной им энергии от источника упругой силы, компрессора или насоса, создать очаг низкого давления и/или зону вакуума в полости внутренней воронки, предоставляющей беспрепятственный и неограниченный доступ любому жидкому или рыхлому каменному материалу, тем или иным образом очутившемуся там или под ней и по своим гранулометрических характеристикам, консистенции и другим показаниям годному к своему порционному беспрепятственному протаскиванию сквозь ее жерло в противостояние с силами земного тяготения. Воронка, расположенная над засасывающей воронкой и выведенная наружу за пределы головного рабочего органа без ущерба его герметичности, прочности и работоспособности, торцом своей узкой горловины жестко и герметично состыкована с нижним узким торцом сопла, выполняющего своим прочным телом функцию его крышки и также герметично и жестко соединенного широким раструбом с нижним торцом подъемной трубы, в эпицентре которой на высоких скоростях за счет экстремального и строго ориентированного преобразования всей энергии, полученной рабочим агентом от источника упругих сил, в кинетическую все собранные воедино при эксплуатации эрлифта компоненты трехфазной смеси, концентрируются и планомерно перемещаемые по подъемному трубопроводу вверх к устью скважины или горной выработки при абсолютно любом наклоне оси симметрии корпуса головного рабочего органа к горизонту. Примечателен факт, что точка фокуса радиально лучистых векторов силы кольцевого струйного потока функционирует подобно обратному клапану, не позволяющему возврата добываемых продуктов на исходную позицию.

Кроме того, дополнительные полезные качества у изобретенного эрлифта появляются: а) когда функция подъемного трубопровода делегирована установленной в скважине обсадной колонне труб; б) когда посредством дополнительного трубопровода, соединяющего наземный сепаратор-разделитель с входом в компрессор или силовой насос, организована замкнутая циркуляция рабочего агента, изолированная от внешней среды; в) когда трубопроводы эрлифта, или хотя бы один из них, частично или полностью выполнены из прочного газоводонепроницаемого материала и дополнительно усилены тросом; г) когда стык широкой горловины засасывающей воронки с цилиндрическим корпусом головного рабочего органа выполнен без утраты его прочности и герметичности разъемным с винтовой резьбой в их соединение, позволяющей регулировать и устанавливать оптимальную площадь сечения кольцевого канала между воронками и дистанцию между ними до спуска эрлифта в скважину посредством их взаимного вращения и фиксации относительно друг друга.

К тому же, выполнив в теле цилиндрического корпуса головного рабочего органа эрлифта систему сквозных отверстий, центры которых равномерно и равноудаленно размещены по всему его периметру и снаружи обтянуто закрыты эластичной трубой из газоводонепроницаемого материала, торцы которой неподвижно и герметично закреплены внизу и вверху на корпусе для обеспечения при ее раздувание от напора рабочего агента разделение внутреннего пространства обсадной колонны на две изолированные друг от друга зоны, изолированная полость между наружной стенкой трубопровода подачи рабочего агента, оголовком скважины и внутренней стенкой обсадной колонны сможет добросовестно исполнять роль реактора-синтезатора и/или гомогенизатора, радикально изменяющего характеристики, качества и свойства извлекаемого продукта посредством моделирования различных комбинаций из огромной массы химических реакций и физических процессов между принудительно сдавленными компонентами поднимаемой смеси, востребованной для целей своей полезности.

Высокую универсальность изобретенного эрлифта доказывает также достоверный факт, что с его помощью можно поднимать и перемещать даже сухие сыпучие материалы типа песка, гравия или зерна в открытых горных выработках и/или в зернохранилищах, причем даже без присутствия влаги, а не только со дна скважин или водоемов. Кроме того, современные прочные, армированные, гофрированные и газоводонепроницаемые материалы допускают безаварийную и успешную эксплуатацию предложенного эрлифта в глубоких и значительно искривленных стволах скважин, в лабиринтах шахт, штолен, квершлагов и бремсбергов на пределе диаметра их живого поперечного сечения. Режимы и технологии эксплуатации эрлифта не являются предметом изобретения и потому оставлены на уровне ноу-хау за пределами настоящего описания.

На фиг. 1 схематично показан поперечный разрез эрлифта с параллельным расположением подъемного трубопровода и трубопровода подачи рабочего агента в головной рабочий орган.

На фиг. 2 показан схематически эрлифт с трубопроводом подачи рабочего агента, размещенным внутри ствола скважины, и система замкнутой циркуляции обособленного объема рабочего агента.

На фиг. 3 изображен схематично поперечный разрез ствола скважины и головного рабочего органа эрлифта по линии А-А

Осуществление изобретения

Эрлифт (см. фиг. 1 и фиг. 2), состоит их головного рабочего органа (1), наделенного способностью синхронно выполнять одновременно роль ресивера и смесителя, цилиндрический корпус (2) которого выполнен из куска трубы, например, стальной, сверху герметично закрытой прочной крышкой (3), выполненной в виде сопла (4), ориентированного узкой горловиной вниз, а широким раструбом вверх для жесткой и герметичной стыковки с нижним торцом подъемного трубопровода (5). К нижней горловине сопла (4) торец в торец тоже жестко и герметично пристыкован верх воронки (6), коаксиально расположенной поверх другой воронки (7), равновеликой ей, причем без их взаимного касания и с кольцевым щелевым зазором (8) толщиной в пределах от 2-х до 8-ми мм. Широкий раструб вложенной нижней воронки (7) герметично крепко присоединен к нижней части внутренней поверхности корпуса (2), образуя вместе с ним и крышкой (3) полость ресивера (9), накапливающего поступающий в головной рабочий орган (1) рабочий агент и аккумулирующий его энергию на предстоящее выполнение работы по кумулятивному формированию мощной восходящей струи в щелевом кольцевом зазоре (8). Нижний торец трубопровода подачи рабочего агента (10) сквозь отверстие (11) в крышке (3) без ущерба целостности и работоспособности ресивера (9) герметично подключен к его полости. Всего в конструкции и работе эрлифта помимо двух трубопроводов (10 и 5) и источника упругих сил, каковым является компрессор или насос (12), целенаправленно задействовано для выполнения большого комплекса разнообразных функции, характерных исключительно лишь для сопел, диффузоров, отражателей, коллектора, смесителя, клапанов, диафрагм и ресивера, всего лишь пять (!) структурных элементов ничтожно малой массы, причем самой примитивной геометрической формы, без криволинейных фасонных изгибов, и преимущественно из низкосортной листовой стали, которые прочностью своих газоводонепроницаемых стен и стыков с обоих сторон своих поверхностей, каждым фрагментом и каждой своей частичкой, дружно обеспечивают достижение полезного результата - подъем и доставку на цели потребления желаемых природных ресурсов из земных недр. Для справки: большая часть тел конструктивных элементов известных аналогов и прототипов участвует в работе эрлифта лишь только какой-то одной стороной, т.е. однобоко, как внутренняя стенка трубопровода, и редко когда и где тело сопла используется в качестве крышки емкости ресивера.

Если стенки ствола скважины закреплены от осыпания колонной обсадных труб (13), то, при размещение трубопровода подачи рабочего агента (10) внутри ее, герметизации стыков сквозных транзитных каналов в оголовке (15) устья скважины (16) и разделения полости ствола скважины посредством эластичной трубы (19), неподвижно жестко и герметично закрепленной своими торцами на корпусе (2) головного рабочего органа (1) и выполненной из газоводонепроницаемого материала, обтягивающего корпус (2) и размещенную в нем систему сквозных отверстий (20), центры которых равноудаленно дислоцированы по всему периметру корпуса (2), на две изолированных друг от друга зоны (17 и 18), обсадную колонну (13), изолированную от влияния внешней среды, можно использовать не только в качестве подъемного трубопровода (5) (см. фиг. 2), но еще в качестве реактора-синтезатора и/или гомогенизатора, радикально и целенаправленно изменяющего свойства и качества поднимаемой под давлением трехфазной смеси.

Для оперативного управления режимами работы эрлифта предусмотрена талевая система подвески головного рабочего органа на тросу (23), фиксирующая его местонахождение относительно методично снижающегося динамического уровня подземных вод в процессе их добычи (оставлено за кадром, т.е. на чертежах не показано)

Дополнительные возможности у заявленного эрлифта появляются при оборудование его изолированной системой замкнутой циркуляции рабочего агента посредством дополнительного трубопровода (21), соединяющего сепаратор-разделитель (22) с входом в компрессор или насос (12).

Работает эрлифт следующим образом.

Опущенный на трубопроводе подачи рабочего агента (10) на ту или иную глубину внутрь ствола скважины, на дно водоема или на забой горной выработки, головной рабочий орган (1) эрлифта для выполнения поставленных ему задач посредством планомерного нагнетания в него энергоресурсов сжатого рабочего агента выводится на тот или иной скоростной режим своей эксплуатации. Сперва рабочий агент под давлением от компрессора или насоса (12) заходит в полость ресивера (9), где, продолжая движение вниз, планомерно заполняя его объем и обтекая тыльную сторону сопла (3), внутренние поверхности цилиндрического корпуса (2), головного рабочего органа (1) и тела воронки (6) достигает кольцевого торца ее широкой горловины и лоб в лоб упирается в герметичный стык внутренней стенки корпуса (2) с широкой горловиной всасывающей воронки (7), от которого зарождающийся струйный кольцевой поток энергонасыщенного рабочего агента зеркально отражается, выворачиваясь на изнанку, и забегает в кольцевой щелевой зазор (8) между воронками (6 и 7), непрерывно увеличивая скорость, наращивая и концентрируя все векторы своей силы, всю их мощь, в эпицентр (24) подъемного трубопровода (5). В результате этой операции внутри полости засасывающей воронки (7) образуется зона вакуума или область пониженного давления, настежь открытая для свободного и безграничного доступа жидких или рыхлых, несвязных и сыпучих, материалов природного или техногенного происхождения, находящихся в состоянии покоя или в стволе скважины, или на забое горной выработки, или на дне водоема. Однако одного этого, безусловно необходимого, условия еще не всегда бывает достаточно для извлечения и успешной добычи сокровищ земных недр, если к работе эрлифта не будут подключены законы гидродинамики подземных вод, сообщающихся сосудов и средства деформации пластов и залежей литосферы земной коры, вынуждающие перемещаться воду, нефть или несвязный грунт под воздействием сил гравитации из области высокого давления в зону низкого. Например, предложенный эрлифт позволяет вместе с водой удалить из недр частично или полностью скелет водоносного горизонта, представленный песком или гравием с примесью мелкой гальки.

При наличии возможности использования колонны обсадных труб в качестве подъемного трубопровода (5) в цилиндрическом корпусе (2) головного рабочего органа (1) сквозь выполненные сквозные отверстия (20) поступает из ресивера (9) энергонасыщенный рабочий агент, который растягивает эластичную трубу (19) и вынуждает ее работать в качестве тампонажного средства изоляции полости ствола скважины на две зоны, при этом сам рабочий агент без потерь всегда уходит только в кольцевой щелевой зазор (8) для выполнения основной своей активной миссии.

При использовании дорогостоящих, уникальных или дефицитных, жидких или газообразных материалов в качестве активных рабочих агентов они дозированно и по мере необходимости вводятся в замкнутую систему их циркуляции и/или в дополнительный трубопровод (24), если сепаратор-разделитель (22) не достаточно качественно выполняет свою работу.

Изобретение относится к технике строительства, ремонта и эксплуатации стволов скважин и иных горных выработок для добычи продуктов из земных недр. Эрлифт содержит подъемный трубопровод и трубопровод подачи рабочего агента внутрь головного рабочего органа с парой воронок внутри. Воронки выполнены равновеликими в форме усеченных конусов из тонколистового металла и коаксиально вложены без касания одна в другую с кольцевым щелевым зазором толщиной от 2 до 8 мм. Все прямолинейные образующие боковой поверхности тела конусов по обе стороны щелевого зазора радиально лучисто сфокусированы виртуальным продолжением в точку пересечений на общей для них вершине конуса с углом не более 5^о. Точка расположена в эпицентре подъемного трубопровода вблизи узкой горловины жерла сопла, выполняющего одновременно роль крышки камеры ресивера, образованного цилиндрическим корпусом головного рабочего органа, его конусообразной крышкой и всасывающей внутренней воронкой, жестко и герметично состыкованными друг с другом торцами в местах касания. Раструб широкой горловины всасывающей воронки герметично пристыкован к нижней части цилиндрического корпуса, а узкая горловина воронки, находящейся внутри ресивера, выведена наружу за его пределы и герметично состыкована торец в торец с жерлом сопла. Широкое основание сопла герметично и жестко состыковано с нижним торцом подъемного трубопровода. Изобретение направлено на создание максимально универсального аэрогидродинамического средства извлечения желаемых продуктов из земных недр, вскрытых бурением, а также повышение производительности и снижение трудозатрат на его изготовление за счет упрощения конструкции и уменьшения массы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Эрлифт, содержащий подъемный трубопровод и трубопровод подачи рабочего агента внутрь своего головного рабочего органа с парой воронок внутри, захватывающих извлекаемый продукт для его доставки к устью геотехнической скважины или горной выработки, отличающийся тем, что воронки выполнены равновеликими в форме усеченных конусов из тонколистового металла и коаксиально вложены без возможности какого-либо своего касания друг с другом одна в другую с кольцевым щелевым зазором толщиной от 2-х до 8-ми мм, при этом все прямолинейные образующие боковую поверхность тела конусов по обе стороны щелевого зазора радиально лучисто сфокусированы своим виртуальным продолжением в точку своих пересечений на общей для них вершине конуса с углом не более 5-ти градусов, расположенной в эпицентре подъемного трубопровода вблизи узкой горловины жерла сопла, выполняющего одновременно с этой основной своей функцией еще роль крышки камеры ресивера, образованного из стен цилиндрического корпуса головного рабочего органа, его конусообразной крышки и всасывающей внутренней воронки, жестко и герметично состыкованных друг с другом своими торцами в местах касания, раструб широкой горловины всасывающей воронки герметично пристыкован к нижней части цилиндрического корпуса головного рабочего органа, а узкая горловина воронки, находящейся внутри ресивера, выведена наружу без ущерба его целостности и работоспособности за его пределы и герметично состыкована торец в торец с жерлом сопла, широкое основание которого, в свою очередь, также герметично и жестко состыковано с нижним торцом подъемного трубопровода.

2. Эрлифт по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен тросом и талевой системой подвески своего головного органа для фиксации его местонахождения на той или иной глубине ствола скважины, водоема или горной выработке, а стенки трубопроводов или хотя бы какой-либо части одного из них выполнены из эластичного газоводонепроницаемого прочного материала.

3. Эрлифт по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод подачи рабочего агента помещен внутрь полости подъемного трубопровода, функция которого делегирована обсадной колонне скважины, в цилиндрической стенке корпуса смесителя выполнена система сквозных отверстий, центры которых равномерно и равноудаленно размещены по всему ее периметру и снаружи обтянуто закрыты эластичной трубой из газоводонепроницаемого материала, торцы трубы неподвижно и герметично закреплены внизу и вверху на корпусе смесителя для обеспечения при ее раздувание от напора рабочего агента разделение внутреннего пространства обсадной колонны на две изолированные друг от друга зоны.

4. Эрлифт по п. 3 или 1, отличающийся тем, что при использование в качестве рабочего агента каких-либо иных газообразных и/или жидких веществ, отличных от бесплатного атмосферного воздуха, он снабжен сепаратором-разделителем и дополнительным трубопроводом, соединяющим купол сепаратора с входом компрессора или насоса, нагнетающего рабочий агент в трубопровод подачи его на активное участие в системе замкнутой круговой циркуляции.