Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи рыхлых, несвязанных или слабосвязанных пород через скважины. Сущность изобретения: в вертикально пробуренных скважинах устанавливают инфатор упругих колебаний. Интенсификацию процесса добычи осуществляют путем возбуждения в скважине упругих импульсных волн давления, энергетические спектры которых содержат частоты разжижения пород. Кроме того, импульсные волны давления возбуждают одновременно в двух скважинах, удаленных друг от друга на расстоянии, определяемом из математического выражения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи рыхлых, несвязанных или слабосвязанных пород через скважины.

Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых при неустойчивой кровле продуктивного пласта, включающий размыв и выдачу полезного ископаемого из скважины, выполняемый до провала покрывающих пород в выработанное пространство ниже кровли пласта и обнажения горизонта полезного ископаемого, после чего выполняется дополнительный размыв полезного ископаемого на обнаженном горизонте.

Другим способом, наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и решаемой задаче, является способ добычи рыхлых и раздельнозернистых пород через скважины, включающий рыхление и доставку полезного ископаемого по трубам на поверхность и интенсификацию процесса добычи путем взрывания зарядов взрывчатого вещества, размещенных над разрабатываемой частью продуктивного пласта.

Недостатками способа являются низкая эффективность и сложность технологии интенсификации процесса добычи, а также отрицательное экологическое воздействие этой технологии на окружающую среду.

Низкая эффективность технологии обусловлена малой глубиной проникновения и быстрым затуханием в слагающих породах высокочастотных упругих колебаний (f ≥ 10³ кГц), возбуждаемых при взрыве, поскольку, коэффициент затухания α с ростом частоты f растет α ≈f².

Кроме того, размещение зарядов в приповерхностном слое приводит к потере большей части (до 65%) излучаемой энергии и преобразовании ее в поверхностную волну, сосредоточенную в верхнем 10-20 м слое. Сложность технологии связана с необходимостью организации и проведения взрывных работ, осуществление которых помимо сложных организационных мероприятий создает отрицательные экологические последствия для поверхностного культурного слоя почвы. Указанные недостатки устранены предлагаемым способом.

Целью изобретения является увеличение объема добычи и уменьшение потерь полезного ископаемого, а также упрощение технологии и снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду.

Поставленная цель достигается тем, что, как и в известном способе, скважинная гидродобыча включает бурение скважин, монтаж добычного оборудования, подачу на добычное оборудование энергетического компонента, разрыхление и доставку полезного ископаемого по трубам на поверхность. При этом в заполненной жидкостью скважине в интервале продуктивного пласта устанавливают генератор упругих колебаний и воздействуют на пласт возбуждаемыми в скважине упругими импульсными волнами давления, энергетические спектры которых содержат частоты разжижения пород, а избыточное давление превышает значение, необходимое для их тиксотропного разупрочнения. Кроме того, импульсные волны давления возбуждают одновременно в двух удаленных друг от друга на расстояние L скважинах, при этом расстояние и частота разжижения пород f_o удовлетворяют соотношению L = (2n+1) , где v - скорость распространения упругих волн в пласте, n = 0,1,2...

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного следующими новыми существенными признаками: 1. Размещением в заполненной жидкостью скважине в интервале продуктивного пласта генератора упругих колебаний.

2. Воздействием на пласт возбуждаемыми в скважине импульсными упругими волнами давления, энергетические спектры которых содержат частоты разжижения пород, а избыточное давление на фронте волны превышает значение, необходимое для их тиксотропного разуплотнения.

3. Возбуждением импульсных волн давления одновременно в двух удаленных друг от друга на расстояние L скважинах при условии, что расстояние L и частота разжижения пород f_р удовлетворяют соотношению L = (2n+1) , где v - скорость распространения упругих волн в пласте.

Совокупность новых существенных признаков с остальными существенными признаками позволяет решить новую техническую задачу - интенсифицировать процесс скважинной гидродобычи, упростив при этом технологию интенсификации и устранив отрицательные экологические последствия для поверхностного культурного слоя почвы. Авторам не известно использование указанных признаков в других областях техники.

Вышеуказанное позволяет утверждать о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "новизна" и "существенные отличия".

Реализация способа поясняется следующим примером. Пусть разработка месторождения обводненных песков осуществляется методом скважинной гидродобычи. Общая схема добычи показана на фиг.1. Скважина 1 пробурена до продуктивного пласта 2 и в ней установлено добычное оборудование 3, например, гидроэлеватор, на который подают под давлением энергетический компонент, например, воду, разрыхляют полезное ископаемое и поднимают его на поверхность в виде гидросмеси.

Вследствие образования отработанной камеры и сохранения на месте залегания в пласте упрочненных природной средой пород производительность добычи и степень извлечения полезного компонента снижаются в процессе отработки месторождения. Поэтому с целью интенсификации процесса добычи, в соответствии с предлагаемым способом, в скважине 1, в интервале пласта 2 устанавливают генератор упругих колебаний 4, например, скважинный пневматический источник КП-1, соединенный с модулем пневмоимпульсного оборудования 5 пневмомагистралью 6. Причем модуль 5 включает в себя компрессор высокого давления КР-2 и баллоны для сжатого воздуха. Подают к генератору 4 сжатый до высокого давления воздух и путем многократных, циклически повторяющихся выхлопов этого воздуха в заполненной жидкостью скважине в интервале продуктивного пласта возбуждают упругие импульсные волны давления, которые в случае источника КП-1 имеют следующие параметры: избыточное давление на фронте волны P_ш = 5 МПа, энергия одиночного воздействия К = 3 ˙ 10³ Дж, энергетический спектр в полосе частот 0≅f≅200 Гц, максимальная спектральная плотность энергии на частоте f_ш = 10 Гц, период повторения импульсов Т = 2-3 с. Энергетический спектр сигнала пневматического источника КП-1 изображен на фиг.2.

Водонасыщенные грунты, в частности пески, обладают способностью переходить в тиксотропное состояние при динамических воздействиях. При этом грунт приобретает свойства, аналогичные свойствам вязкой жидкости. Кроме того, экспериментально установлено, что грунты естественного залегания при динамических воздействиях обладают определенными доминантными частотами или частотами разжижения, связанными с внутренней структурой системы частиц. В случае песка частота основного структурного резонанса равна 25 Гц, а его ширина - 10 Гц. Как видно из фиг.2, энергетический спектр сигнала источника КП-1 включает в себя частоту основного структурного резонанса песка, спектральная плотность энергии сигнала в полосе частот основного структурного резонанса 25 ± 10 Гц велика.

Под действием упругих волн давления жидкости частицы грунта и их агрегаты совершают вынужденные колебания, что приводит к смешению структурных элементов относительно равновесного положения, ослаблению их структурного сцепления и резкому снижению прочности грунта. Грунт переходит в разжиженное состояние, что обеспечивает равномерное поступление его к добычному оборудованию. Это позволяет интенсифицировать процесс добычи и уменьшает потери полезного ископаемого.

Согласно экспериментальным данным, при исследованиях на вибрационном стенде тиксотропное разуплотнение образцов пород наблюдалось при следующих значениях параметров вибрационных воздействий: частота колебаний 20 Гц, амплитуда смешения ζ = 0,6 мм, виброускорение ζ'' = =10 м/с². Для водонасыщенных песков с плотностью ρ = 2,6 ˙ 10³кг/м³ при скорости распространения упругих волн С = 2-18 ˙ 10² м/с и частоте f = 26 Гц величины ζ и ζ'' на расстоянии L = 50 см от источника составляют ζ = 6,8-61 мм и ζ'' = 4,2-15 ˙ 10² м/с² и соответственно ζ = 0,7-6 мм и ζ'' = 4,2-15 ˙ 10 м/с² на расстоянии L = = 5 см с учетом убывания амплитуды волны с расстоянием по закону P_ш = 1/L. Таким образом, избыточное давление на фронте волны, возбуждаемой пневматическим источником, обеспечивает смешение частиц и виброускорение, необходимое для тиксотропного разуплотнения пород.

Если разработка месторождения осуществляется с использованием системы скважин, то при одновременном возбуждении колебаний в двух скважинах эффективность волнового воздействия на пласт можно увеличить за счет интерференции и соответственно усиления волновых полей. Однако для этого разность хода (L) между колебаниями не должна превышать половины длины волны в среде (λ/2). Поэтому если расстояние между скважинами L, скорость распространения v и частота разжижения пород f_рбудут удовлетворять соотношению L = , то в пространстве между скважинами произойдет усиление колебаний, что повысит эффективность волнового воздействия на пласт.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает по сравнению с существующими способами увеличение производительности и уменьшение потерь полезного ископаемого, а также упрощение технологии и снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду.

Увеличение производительности добычи и уменьшение потерь полезного ископаемого по сравнению с прототипом обеспечивается за счет возбуждения низкочастотных (f = 200 Гц) упругих колебаний, включающих частоты основного структурного резонанса тиксотропного разупрочнения песков, и обладающих существенно большими зонами распространения и эффективного влияния. Упрощение технологии и снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду связано с устранением необходимости организации и проведения взрывных работ и сохранением поверхности его культурного слоя почвы.

Формула изобретения

1. СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, включающий бурение скважин, монтаж добычного оборудования в обводненной скважине, подачу энергетического компонента, разрыхление и доставку полезного ископаемого по трубам на поверхность и интенсификацию процесса добычи, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности при одновременном упрощении технологии и снижении отрицательного экологического воздействия на окружающую среду, устанавливают в скважине в интервале продуктивного пласта генератор упругих колебаний и осуществляют интенсификацию процесса добычи путем возбуждения в скважине упругих импульсных волн давления, энергетические спектры которых содержат частоты разжижения пород, а избыточное давление на фронте волны превышает значение, необходимое для их тиксотропного разупрочнения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсные волны давления возбуждают одновременно в двух скважинах, удаленных друг от друга на расстояние L, определяемое из соотношения L = (2n + 1) v/2f_р, где v - скорость распространения упругой волны в пласте; f_р - частота разжижения пород; n - натуральное число.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2