Способ образования камеры в скважине

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи полезных ископаемых через гидродобычную скважину глубиной до тысячи и более метров. Задачей изобретения является разработка способа образования камеры большого диаметра в глубоких, заполненных водой скважинах в десятки раз превышающего диаметр скважины и высотой большей диметра скважины. Управляемая разработка камеры до заданного диаметра при больших глубинах скважин, заполненных водой, снижение стоимости добычи полезного ископаемого и повышение производительности горнодобычного предприятия стали возможны благодаря тому, что направленный размыв осуществимой с образованием разделенных перемычками наклонных ответвлений не менее чем на двух горизонтальных радиальных уровнях с образованием их сетки по объему создаваемой камеры, при этом наклонные ответвления одного уровня смещены определенным образом относительно граничного уровня, а перемычки между ответвлениями разрушают, начиная с нижнего уровня путем импульсного силового воздействия на массив пород через скважину или ответвление. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи полезных ископаемых через гидродобычную скважину глубиной до тысячи и более метров.

Образование камеры (местного уширения) в скважине производят для различных целей и выполняют их разными размерами, преимущественно небольшими, по сравнению с диаметром скважин. Для этого используют раздвижные буровые инструменты. Образование камеры основано на местном расширении выдвижными породоразрушающими элементами режущего или дробящего типа путем передачи вертикальных осевых нагрузок буровым ставом, гидравликой, за счет центробежных сил раздвижным элементом снаряда.

Этими инструментами создаются камеры посредством вращения става труб и разрушения стенок скважин. Для увеличения камеры в осевом направлении скважины разрушение стенок производят движением расширителя в осевом направлении. Недостатком такого способа образования камеры является сравнительно небольшое (до трехкратного) увеличение диаметра скважины.

[Волков А.В., Сухенко Н.И., Крылов В.И. Буровой инструмент для расширения ствола скважины. М.: ВНИИОЭНГ, 1972, с. 57, 69].

Известен способ создания камеры в скважине путем размыва гидромониторной струей, выходящей из сопла закрепленного радиально на ставе труб (Аренс В.Ж. и др. "Опыт скважинной гидродобычи руд на Шемраевском участке КМА" Горный журнал №1, 1995 г.).

Недостатком этого способа является то, что гидромониторная струя в скважине заполненной водой с увеличением расстояния от сопла до стенки скважины резко теряет давление на преграду (породу). При режиме работы гидродобычного снаряда, указанном в приведенном выше источнике давление струи на породу на расстоянии 0,3-0,4 м не превышало 2 МПа, что означало предельное расстояние для рыхлых руд (δ _сж≤ 3 МПа) (см. отчет о НИР "Разработка основных положений для подъема рудной массы при доразведке" Белгородское региональное отделение Международной академии минеральных ресурсов. Белгород, 2001, с. 68). При таком способе могут разрушаться руды с δ _сж≤ 0,5 МПа на расстоянии от сопла до 0,7 м, т.е. максимальный диаметр камеры не превышает 1,5 м при диаметре скважины 0,3 м.

Увеличение режимных (скорости струи, ее диаметра давления в подачи вод) других параметров не приводит к существенному увеличению эффективного давления струи на породу с увеличением расстояния.

Известен способ образования камеры и добычи полезного ископаемого [Аренс В.Ж. "Скважинная добыча полезных ископаемых" - М.: Недра, 1986, стр. 92], заключающийся в бурении рядом двух скважин. Одна из них гидромониторная, другая пульпоподъемная. Телескопический гидромонитор шарнирно подвешен к ставу труб. Опущенный на забой гидромонитор с вертикального положения в предварительно размытой полости занимает горизонтальное положение. Затем под давлением потока воды телескопические трубки выдвигаются вслед за разрушенным забоем. Затем телескоп собирают при помощи тросовой тяги, став поворачивают на угол 10-15° и вновь размывают. Длина телескопического гидромонитора при разработке Кингисепского месторождения фосфоритов имела 0,5, 1,5 и 2,5 м. Мощность отрабатываемого пласта составляла 2,5-3 м.

Недостатком этого способа создания камеры в скважине является то, что он может быть применен при небольших глубинах в два-три десятка метров, так как рядом пробуренные скважины при больших глубинах разойдутся и положения показанного на рисунке создать будет невозможным. Сборка телескопических трубок тросовой тягой на глубинах в сотни метров невозможна технически.

Кроме того, высота камеры ограничена диаметром размыва вращающейся головки с соплами, а движение по вертикали телескопической сборки в горизонтальном положении невозможно.

Такой способ неприемлем для создания камеры диаметром 15-20 м на отдельных интервалах по стволу, как это предусмотрено в ТЭО на строительство рудника с добычей руды через скважины (способом скважинной гидродобычи) на Гостищевском месторождении КМА и других.

Наиболее близким и выбранным в качестве ближайшего аналога является способ создания камеры, реализуемый устройством, включающим внешнюю и внутреннюю колонны. Внутренняя колонна выполнена гибкой и снабжена гидромониторной посадкой с возможностью ее выхода из внутренней колонны, с помощью которой направленно размывают породы стенки скважины с перемещением насадки по азимуту. Для этого внутренняя колонна снабжена цилиндрическими элементами, в которых проходят две продольные канатные тяги. Внутреннюю колонну визуально с дневной поверхности направляют в одно из четырех окон гильзы, расположенной на конце внешней колонны, откуда она выходит под углом к вертикали α ≤ 90° , после чего размывают сектор до глубины предполагаемой камеры. Затем возвращают гибкую колонну в исходное состояние, поворачивают на угол, при котором между смежными радиальными заходками не остается целиков и повторяют размыв. После радиальной частичной отработки камеры гидромониторную насадку помещают в окно гильзы с другим зенитным углом и производят размыв камеры под углом соответствующего окна. В результате размывают камеру соответствующую выходу внутренней гибкой колонны из внешней в интервале, определяемом углами окон гильзы (АС 1828922, 23.07.93, БН 27).

Недостатком этого способа образования камеры является то, что его можно осуществлять только на небольшой глубине скважины не заполненной водой, так как направление вывода гибкой колонны устанавливается визуально.

Недостатком способа также являются ограниченные размеры радиального выхода гибкого шланга за пределы гильзы вследствие прогиба его на 45-90° при длине 1-1,5 м для армированных высоконапорных шлангов, что ограничит диаметр камеры до 2-3 м.

Кроме того, этим способом не может быть создана камера с большой высотой, так как ее размеры ограничены размерами гильзы.

Задачей изобретения является разработка способа образования камеры большого диаметра в глубоких заполненных водой скважинах в десятки раз больших чем диаметр скважины и высотой более диаметра камеры.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании предлагаемого изобретения, являются: управляемая разработка камеры до заданного диаметра (15-20 м) и заданной высоты (20-30 м) при глубинах скважин в сотни метров (800-1200 м) заполненных жидкостью; снижение стоимости добычи полезного ископаемого за счет создания камер больших объемов; повышение производительности гидродобычного предприятия при снижении количества занятого в производстве горнодобычного оборудования.

Решение вышеуказанной задачи и достижение перечисленных технических результатов стали возможны благодаря тому, что в известном способе образования камеры размывом стенки струей из насадки на конце внутренней колонны, выходящей из внешней, направленно с последующим перемещением насадки по азимуту и откачкой измельченной породы, направленный размыв осуществляют с образованием разделенных перемычками наклонных ответвлений не менее чем на двух горизонтальных радиальных уровнях с возможностью формирования их сетки по объему создаваемой камеры, при этом ответвления располагают по нарастающему азимуту, определяемому, как и расстояние между радиальными горизонтальными рядами, диаметром и длиной ответвлений, а также крепостью пород, причем вертикальные сечения ответвлений по оси не пересекают смежные ответвления граничных уровней, после чего образуют камеру, разрушая перемычки между ответвлениями, начиная с нижнего уровня путем импульсного силового воздействия на массив пород через скважину или ответвления.

В предпочтительном примере исполнения размыв ответвлений осуществляют параллельно с механическим разрушением забоя ответвления, а образование ответвлений ведут или одновременно с откачкой измельченной породы или попеременно.

В предшествующем уровне способов образования камеры, предусматривающих выемку породы камеры как полезного ископаемого, не известна заявленная совокупность существенных признаков, обеспечивающая достижение ожидаемых технических результатов.

Размыв наклонных ответвлений, разделенных перемычками по всему объему создаваемой камеры и их расположение таким образом, чтобы вертикальные сечения наклонных ответвлений по оси не пересекали смежные наклонные ответвления граничных уровней, обеспечивает равномерное ослабление массива пород на равных расстояниях от центральной скважины, что позволяет при приложении импульсного силового воздействия на массив пород разрушить перемычки между ответвлениями и обрушить массив в ослабленной части, т.е. в отличие от ближайшего аналога обеспечивается возможность создания камеры с расчетными размерами по диаметру и по высоте в скважинах больших глубин (до 1000 и более метров), заполненных жидкостью, что значительно повышает производительность и экономичность скважинной гидродобычи полезных ископаемых.

Изобретение иллюстрируют следующие фигуры.

Фиг.1. Вертикальный разрез скважины, ответвлений, добычной камеры.

Фиг.2. Горизонтальное сечение камеры по АА.

Фиг.3. Развертка половины поверхности камеры по конечным забоям ответвлений.

Способ образования камеры 1 высотой Н и диаметром Д_к в скважине 2 (фиг.1) осуществляют размывом стенки скважины 2 струей гидромониторной насадки (на фиг. не показана) с последующим ее перемещением на расчетные величины азимута.

При этом диаметр нижней части внутренней колонны (на фиг. не показана), обеспечивающий кривизну радиусом R, при котором наименьшей глубиной по вертикали h получают отклонение забоя от оси скважины 2 на , рассчитывают известными методами по заданному диаметру камеры Д_к и высоте Н. А также рассчитывают высоту h, на которой размывают наклонные ответвления 3 первого горизонтального ряда забоев Б-Б, и для последующих ответвлений 4 высоту Δ h. Ответвления уровня О-О выполняют только при образовании первой камеры по глубине скважины.

Количество наклонных ответвлений рассчитывают в зависимости от прочности горного массива. На фигуре 2 условно на одном радиальном горизонтальном сечении А-А двенадцать наклонных ответвлений 5.

После размыва наклонных ответвлений 3 радиального горизонтального уровня С-С переходят к размыву наклонных ответвлений 4 горизонтального радиального уровня О ₁-О₁. Расстояние Δ h между уровнями С-С и О₁-O₁ рассчитывают в зависимости от прочности пород, диаметра d_о вертикальной скважины по известным методикам. При этом если угол между наклонными ответвлениями 3 составляет , где n - число наклонных ответвлений 3 в радиальном горизонтальном уровне С-С, то в каждой граничной плоскости вертикального сечения наклонные ответвления сдвигаются - на азимутальный угол , в результате чего забои наклонных ответвлений 4 расположатся на условной развернутой поверхности камеры так, как это показано на фигуре 3, т.е. вертикальные сечения наклонных ответвлений по оси не пересекают смежные наклонные ответвления граничных радиальных горизонтальных уровней (например 3-4).

Такое расположение наклонных ответвлений дает возможность равномерно ослабить массив пород, что улучшает разрушения перемычек l ₁ (или l ₂) между ними. Размер перемычек l ₁, l ₂, определяют исходя из диаметра d ₁ и d₂ наклонных ответвлений и механических свойств пород массива.

После создания сетки наклонных ответвлений по всему объему создаваемой камеры Д_к-Н производят импульсное силовое воздействие на массив пород через скважину 2 или наклонные ответвления, начиная с нижнего уровня Б-Б. Затем откачивают измельченную породу гидродобычным снарядом на поверхность (на фигурах не показано).

Импульсное воздействие на массив пород и откачку измельченной породы приводят попеременно или одновременно в зависимости от того имеется ниже образуемой камеры пространство для обрушаемой породы, а для оптимизации способа размыв ответвлений осуществляют параллельно с механическим разрушением забоя ответвления.

Практическую применимость заявленного способа образования камеры в скважине подтверждает пример модельного исполнения.

Пример.

В настоящее время ведутся работы по строительству опытно-промышленного рудника на Гостищевском месторождении КМА по добыче руды через скважины.

Выполнено компьютерное моделирование предлагаемого способа.

Исходя из прочности на сжатие рыхлых железных руд от 0 до 3 МПа нами принята усредненная прочность 2 МПа. Схема модели представляет центральную скважину глубиной 800 м, диаметром 400 мм, из которой на глубине с 760 м в зоне мощного пласта рыхлых железных руд выполнены ответвления.

Для разрушения перемычек между ответвлениями при прочности массива 2 МПа, диаметром камеры 15 м и высотой ≈ 20 м необходима следующая сеть наклонных ответвлений.

Размыв (зарезки) наклонных ответвлений выполняются на интервале 19,5 м центральной скважины с глубины 760 м и ниже через 3,9 м по глубине, 7 уровней. Число ответвлений по кругу на каждом уровне - 12. Диаметр ответвлений 300 мм, длина 17,2 м. Отход забоя отклонений от центральной скважины составляет 7,5 м при углублении по вертикали 14,6 м. Угол наклона линии соединяющей начало ответвления и забой с осью центральной скважины составляет 33°. На конечной глубине ответвлений расстояние между забоями скважин составляет: расположенных по окружности 3,6 м, расстояние между забоями смежных ответвлений 2,55 м.

Образованная камера после разрушения перемычек между ответвлениями представляет собой цилиндр диаметром 15 м, высотой ≈ 20 м и конусообразным купол над цилиндром диаметром ≈ 4 м на высоте 8 м.

Масса руды разрушенного объеме камеры составляет более 12 тыс. тонн. Масса руды, полученная при образовании камеры известными методами диаметром 3 м составляет около 500 т.

Как видно из модельного примера заявленный способ позволяет создать камеры заданного диаметра, который может быть ограничен только устойчивостью массива пород. Способ также обеспечивает управляемость размыва, снижает стоимость добычи руды за счет увеличения диаметра камер добычной скважины, что вместе позволит повысить производительность гидродобычного оборудования при прежней стоимости основной скважины, т.е. позволит решить поставленную задачу изобретения и получить ожидаемые результаты.

Формула изобретения

1. Способ образования камеры в скважине размывом стенки струей из насадки на конце внутренней колонны, выходящей из внешней, направленно с последующим перемещением насадки по азимуту и откачкой измельченной породы, отличающийся тем, что направленный размыв осуществляют с образованием разделенных перемычками наклонных ответвлений не менее чем на двух горизонтальных радиальных уровнях с возможностью формирования их сетки по объему создаваемой камеры, при этом ответвления располагают по нарастающему азимуту, определяемому, как и расстояние между радиальными горизонтальными рядами, диаметром и длиной ответвлений, а также крепостью пород, причем вертикальные сечения ответвлений по оси не пересекают смежные ответвления граничных уровней, после чего образуют камеру, разрушая перемычки между ответвлениями, начиная с нижнего уровня путем импульсного силового воздействия на массив пород через скважину или ответвления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размыв ответвлений осуществляют параллельно с механическим разрушением забоя ответвления.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образование ответвлений ведут или одновременно с откачкой измельченной породы или попеременно.

РИСУНКИ