Устройство для добычи полезных ископаемых через скважины

Изобретение относится к области гидравлической добычи полезных ископаемых, а именно к конструкциям снарядов для скважинной гидродобычи (СГД) твердых полезных ископаемых. Техническая задача - повышение эффективности СГД за счет отработки продуктивных пластов, сложенных связанными горными породами. Устройство включает концентрически установленные внешнюю водоподающую и центральную пульповыдачную колонны труб, между которыми размещена воздухоподающая колонна. Между внешней водоподающей и центральной пульповыдачной колоннами труб, в хвостовой части устройства имеется вспомогательная труба, выполненная подвижно относительно внешней колонны. Между внешней водоподающей колонной и вспомогательной трубой размещено уплотнительное устройство. На вспомогательной трубе установлено гидромониторное устройство, а в нижней части - породоразрушающий инструмент. Центральная пульповыдачная колонна труб смонтирована подвижно относительно внешней водоподающей колонны. При этом в нижней части центральной пульповыдачной колонны труб выполнены отверстия для подачи в них сжатого воздуха. Воздухоподающая колонна труб в нижней части жестко связана с вспомогательной трубой. Нижний конец внешней водоподающей колонны снабжен упорным кольцом. Уплотнительное устройство, выполненное в виде сальников, установлено между внешней водоподающей колонной и верхней частью вспомогательной трубы, на нижнем конце которой закреплено буровое долото. Во вспомогательной трубе выполнены пульпоприемные окна, каналы для подачи рабочей жидкости, камера и промывочное отверстие для сообщения с призабойным участком скважины. 7 ил.

 

Изобретение относится к области гидравлической добычи полезных ископаемых, а именно к конструкциям снарядов для скважинной гидродобычи (СГД) твердых полезных ископаемых, и может найти применение для извлечения твердых материалов из подземных формаций через скважины.

К настоящему времени разработано значительное количество различных конструкций снарядов для СГД твердых полезных ископаемых как с гидроэлеваторным, так и с эрлифтным способом подъема гидросмеси на поверхность (см., например, А.С. СССР №№374453, 602685, 662717, 739240, 762339, 819345, 825966, 899967, 964150, 1002585,1054545, 1065601, 1093814, 1101553, 1113549, 1149017, 1229346, 1262038, 1265340, 1265341, 1427071, 1461947, 1489139, 1550142, 1550146, 1553686, 1608346, 1620631, 1700249, 1737124 и др.).

Несмотря на существенные отличия в конструкциях снарядов по вышеуказанным А.С., все они включают следующие основные узлы: для снарядов с гидроэлеваторным способом подъема гидросмеси - колонну водоподающих труб, гидромониторное устройство, пульповыдачной гидроэлеватор и пульповыдачную колонну; для снарядов с эрлифтным способом подъема гидросмеси - воздухоподающую и пульповыдачную колонну труб, смеситель, колонну водоподающих труб и гидромониторное устройство (последние 2 узла не обязательны). Многообразие конструкций снарядов объясняется различиями в конструктивном выполнении вышеупомянутых основных узлов, а также включением в состав снарядов новых узлов и конструктивных элементов. Эти технические усовершенствования направлены на ускорение процесса размыва пласта полезного ископаемого, повышение эффективности выноса пульпы из выемочной камеры, увеличение глубины разработки залежи полезного ископаемого, образование выемочной камеры с требуемыми размерами и формой и т.д., и т.п. В конечном итоге все это приводит к повышению технико-экономических показателей СГД полезных ископаемых.

В то же время многие конструкции снарядов для СГД имеют существенные недостатки, что и является причиной их постоянного совершенствования. При этом следует принимать во внимание и горно-геологические условия залегания пласта полезного ископаемого, а также физико-механические свойства полезного ископаемого и вмещающих горных пород, что также существенно влияет на конструкцию снарядов для СГД.

Известно «Устройство для извлечения материала из подземных формаций через скважины» по А.С. №1113549 (МПК Е21С 45/00, Б.И. №34 - 1984 г.).

Это устройство включает сообщенную с источником напорной воды внешнюю колонну труб с пульпоприемными окнами, гидромонитор с насадкой, пульповыдачной гидроэлеватор и центральную пульповыдачную колонну труб. Внешняя колонна труб выполнена с продольными щелевидными отверстиями и снабжена телескопическим хвостовиком, который установлен с возможностью вращения относительно внешней колонны и жестко соединен с центральной пульповыдачной колонной, смонтированной подвижно относительно внешней колонны. При этом продольные щелевидные отверстия расположены в интервале вертикального хода гидромонитора.

Это устройство является аналогом заявляемого изобретения.

Недостаток устройства по А.С. №1113549 состоит в наличии гидроэлеваторного способа подъема гидросмеси на поверхность, и как следствие высокие энергетические затраты на подъем гидросмеси, снижение эффективности работы при увеличении высоты подъема гидросмеси, наличие диффузора обуславливает ограниченные размеры приемных отверстий всаса, что приводит к существенному ограничению по крупности поднимаемых кусков породы.

Известно также «Устройство для добычи полезных ископаемых через скважины» по А.С. №1700249 (МПК Е21С 45/00, Б.И. №47 - 1991 г.). Это устройство и принято за прототип заявляемого изобретения.

Устройство по А.С. №1700249 включает внешнюю водоподающую колонну труб, сообщенную с источником напорной воды, центральную пульповыдачную колонну, смонтированную подвижно относительно внешней водоподающей колонны и жестко соединенную в хвостовой части с вспомогательной трубой, в которой встроены гидромонитор и размывные насадки. Между внешней водоподающей колонной и центральной пульповыдачной колонной размещена воздухоподающая колонна труб, сообщенная с источником сжатого воздуха. При этом на наружной поверхности пульповыдачной колонны установлены неподвижно две разделительные самоуплотняющиеся перегородки, между которыми в стенке пульповыдачной колонны имеется отверстие с обратным клапаном, причем пульповыдачная колонна имеет отверстия над указанными перегородками для подачи в них воздуха, а между внешней водоподающей колонной и центральной пульповыдачной колонной в нижней части установлено уплотнительное устройство в виде самоуплотняющей перегородки.

Недостаток прототипа состоит в малой эффективности СГД при отработке продуктивных пластов, сложенных связанными горными породами, например плотными глинами, суглинками и др.

Поставлена задача: повысить эффективность СГД за счет отработки продуктивных пластов, сложенных связанными горными породами.

Поставленная задача решена следующим образом. В соответствие с прототипом устройство для добычи полезных ископаемых через скважины включает концентрически установленные внешнюю водоподающую и центральную пульповыдачную колонны труб, между которыми размещена воздухоподающая колонна. Между внешней водоподающей и центральной пульповыдачной колоннами труб, в хвостовой части устройства имеется вспомогательная труба, выполненная подвижно относительно внешней колонны. Между внешней водоподающей колонной и вспомогательной трубой размещено уплотнительное устройство. На вспомогательной трубе установлено гидромониторное устройство, а в нижней части - породоразрушающий инструмент. Центральная пульповыдачная колонна труб смонтирована подвижно относительно внешней водоподающей колонны. При этом в нижней части центральной пульповыдачной колонны труб выполнены отверстия для подачи в них сжатого воздуха.

Согласно изобретению, воздухоподающая колонна труб в нижней части жестко связана с вспомогательной трубой. Нижний конец внешней водоподающей колонны снабжен упорным кольцом. Уплотнительное устройство, выполненное в виде сальников, установлено между внешней водоподающей колонной и верхней частью вспомогательной трубы, на нижнем конце которой закреплено буровое долото. Причем во вспомогательной трубе выполнены пульпоприемные окна, каналы для подачи рабочей жидкости, камера и промывочное отверстие для сообщения с призабойным участком скважины.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены конструкция и схемы работы устройства для выполнения различных технологических операций при СГД:

- на фиг.1 - конструкция устройства;

- на фиг.2 - схема работы устройства при бурении скважины;

- на фиг.3 - схема работы устройства при отработке продуктивного пласта без бокового размыва горной породы;

- на фиг.4 - схема работы устройства при посадке внешней водоподающей колонны труб;

- на фиг.5 - схема работы устройства при бурении скважины с одновременной обсадкой;

- на фиг.6 - схема работы устройства при отработке продуктивного пласта с боковым размывом горной породы;

- на фиг.7 - схема работы устройства при боковом размыве горной породы.

Предлагаемое устройство состоит из следующих основных элементов (фиг.1):

1) внешняя водоподающая колонна труб 7, нижний конец которой снабжен упорным кольцом 2;

2) центральная пульповыдачная колонна труб 3, в нижней части которой выполнены отверстия 4 для подачи в них сжатого воздуха;

3) воздухоподающая колонна труб 5, нижний конец которой жестко закреплен с вспомогательной трубой;

4) вспомогательная труба содержит:

- уплотнительное устройство в виде сальников 6;

- гидромониторное устройство с насадками 7;

- пульпоприемные окна 8;

- каналы 9 для подачи рабочей жидкости;

- камеру 10 и промывочное отверстие 11 для сообщения с призабойным участком скважины;

5) буровое долото 12, жестко соединенное с вспомогательной трубой.

Предлагаемое устройство может работать в трех режимах. В первом режиме обеспечивается эрлифтный подъем гидросмеси. При этом по воздухоподающей колонне труб 7 подается сжатый воздух в отверстия 4 (фиг.2, 3).

В данном режиме возможно осуществлять две технологические операции:

1. Бурение скважины 13 на длину свободного хода вспомогательной трубы, ограниченного нижним сальником 6 (фиг.2). При этом вращается воздухоподающая колонна труб 7, которая передает вращение жестко связанной с ней вспомогательной трубе. Вспомогательная труба, в свою очередь, передает вращение буровому долоту 12, которое производит разрушение горной породы на забое скважины. Разрушенная порода за счет разрежения, создаваемого сжатым воздухом, выходящим из отверстий 4, транспортируется к пульпоприемным окнам 8 и поступает по центральной пульповыдачной колонне труб 3 на поверхность.

2. Отработка продуктивного пласта 14 без бокового размыва горной породы (фиг.3). Это возможно осуществлять, например, при добыче полезного ископаемого, склонного к плывунообразованию; при двухскважинной схеме добычи, когда одна скважина работает для размыва горных пород, а другая - для подъема на поверхность пульпы (при такой схеме добычи в данном режиме предлагаемое устройство может работать для подъема пульпы). При этом разрушенная порода в виде пульпы поступает на поверхность так же, как и при бурении скважины (движение гидросмеси от размытого целика до пульпоприемных окон показано стрелкой А на фиг.3).

Во втором режиме обеспечивается эрлифтный подъем гидросмеси и работа гидромониторного устройства. При этом по воздухоподающей колонне труб 7 подается сжатый воздух в отверстия 4, а рабочая жидкость по внешней водоподающей колонне труб 1 - на гидромониторное устройство 7 и забой скважины через каналы 9, камеру 10 и промывочное отверстие 11 (фиг.4, 5, 6).

В данном режиме возможно осуществлять три технологические операции:

1. Посадка внешней водоподающей колонны труб 1 (выполняет функцию обсадной колонны) посредством расширения стенки скважины 13 после бурения на длину свободного хода вспомогательной трубы, ограниченного нижним сальником 6 (фиг.4).

2. Бурение скважины 13 с одновременной обсадкой при проходке в неустойчивых породах (фиг.5).

3. Отработка продуктивного пласта 14 с образованием выемочной камеры 15 (фиг.6).

Во втором режиме разрушенная порода в виде пульпы поступает на поверхность так же, как и в первом режиме.

В третьем режиме обеспечивается автономная работа гидромонитрного устройства. При этом рабочая жидкость поступает по внешней водоподающей колонне труб 1 на насадки 7 (фиг.7). Следовательно, происходит боковой размыв горной породы гидромониторными струями жидкости (гидромониторные струи показаны стрелкой Б на фиг.7).

Данный режим, возможно, использовать при двухскважинной схеме добычи, когда одна скважина работает для размыва горных пород, а другая - для подъема на поверхность пульпы (при такой схеме добычи в данном режиме предлагаемое устройство может работать для бокового размыва горных пород).

Технический результат: повышение эффективности СГД за счет отработки продуктивных пластов, сложенных связанными горными породами.

Устройство для добычи полезных ископаемых через скважины включает концентрически установленные внешнюю водоподающую и центральную пульповыдачную колонны труб, между которыми размещена воздухоподающая колонна, при этом между внешней водоподающей и центральной пульповыдачной колоннами труб, в хвостовой части устройства, имеется вспомогательная труба, выполненная подвижно относительно внешней колонны, а между внешней водоподающей колонной и вспомогательной трубой размещено уплотнительное устройство, на вспомогательной трубе установлены гидромониторное устройство и в нижней части - породоразрушающий инструмент, центральная пульповыдачная колонна труб смонтирована подвижно относительно внешней водоподающей колонны, при этом в нижней части центральной пульповыдачной колонны труб выполнены отверстия для подачи в них сжатого воздуха, отличающееся тем, что воздухоподающая колонна труб в нижней части жестко связана с вспомогательной трубой, нижний конец внешней водоподающей колонны снабжен упорным кольцом, уплотнительное устройство, выполненное в виде сальников, установлено между внешней водоподающей колонной и верхней частью вспомогательной трубы, на нижнем конце которой закреплено буровое долото, причем в вспомогательной трубе выполнены пульпоприемные окна, каналы для подачи рабочей жидкости, камера и промывочное отверстие для сообщения с призабойным участком скважины.