Скважинный эрлифтный снаряд для гидродобычи полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Снаряд состоит из снабженных стыковочными узлами секций внешней пульпоподъемной трубы 1 и внутренних водо- и воздухоподающей труб 2 и 4, верхние концы которых выведены из пульпоподъемной трубы, нижний конец водоподающей трубы снабжен насадкой 3, а нижний конец воздухоподающей трубы - форсункой 5. Внутри пульпоподъемной или воздухоподающей труб установлена дополнительная секционная труба 6 для подачи подогретой воды или пара для оттаивания пород, концы которой выведены за пределы пульпоподъемной трубы. Обеспечивает повышение эффективности добычи и разработки мерзлых осадочных пород. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и, в частности, к устройствам для скважинной гидродобычи полезных ископаемых.

Известен скважинный эрлифтный снаряд для гидродобычи полезных ископаемых, состоящий из параллельно расположенных пульпоподъемной, воздухо- и водоподающей труб [1].

Однако при параллельном расположении труб используется менее 50% площади сечения эксплуатационной скважины, что снижает эффективность работы эрлифтного снаряда.

Известен также скважинный эрлифтный снаряд для гидродобычи полезных ископаемых из мерзлых погребенных россыпей, состоящий из снабженных стыковочными узлами секций внешней пульпоподъемной трубы и внутренних водо- и воздухоподающей труб, верхние концы которых выведены за пределы пульпоподъемной трубы, нижний конец водоподающей трубы снабжен насадкой, а нижний конец воздухоподающей трубы - форсункой [2].

Недостаток этого устройства состоит в том, что процессе оттаивания мерзлых пород подача подогретой воды осуществляется по внутренней водоподающей трубе, при этом часть воды на выходе из гидромониторной насадки всасывается во внешнюю пульпоподъемную трубу и затем, поднимаясь на поверхность, уже не расходуется на оттаивание пород, что снижает эффективность работы эрлифтного снаряда.

Техническая задача при разработке заявляемого скважинного эрлифтного снаряда для гидродобычи полезных ископаемых заключается в повышении эффективности добычи и разработки мерзлых осадочных пород за счет обеспечения раздельной подачи подогретой воды или пара для оттаивания пород и холодной воды - для взвешивания осевших оттаявших пород в зоне всасывания.

При этом снижаются теплопотери, и сокращается время стыковки его секций в процессе монтажа в скважине, а также повышается надежность работы устройства в целом.

Решение указанной задачи достигается с применением скважинного эрлифтного снаряда для гидродобычи полезных ископаемых, состоящего из снабженных стыковочными узлами секций внешней пульпоподъемной трубы и внутренних водо- и воздухоподающей труб, верхние концы которых выведены за пределы внешней пульпоподъемной трубы. Нижний конец водоподающей трубы снабжен насадкой, а нижний конец воздухоподающей трубы - форсункой. Согласно предлагаемому техническому решению внутри пульпоподъемной трубы установлена дополнительная секционная труба, концы которой выведены за пределы пульпоподъемной трубы.

Отличие заявляемого устройства заключается также в том, что дополнительная секционная труба снабжена теплоизоляцией.

Другое отличие устройства выражается в том, что дополнительная секционная труба установлена внутри воздухоподающей трубы.

Отличительным признаком устройства является также то, что в стыковочных узлах трубы верхних секций жестко связаны между собой.

Кроме этого в стыковочных узлах каждой секции, по крайней мере, одна из внутренних труб устройства снабжена резьбовым соединением.

Отличием устройства является также то, что снабженная резьбовым соединением труба связана с остальными внутренними трубами с возможностью ее осевого вращения.

Установка внутри пульпоподъемной трубы дополнительной секционной трубы, верхний и нижний концы которой выведены за пределы пульпоподъемной трубы, позволяет вести раздельную подачу подогретой воды или пара, расходуемых для оттаивания пород, и холодной воды, необходимой для взвешивания полезного ископаемого в зоне всасывания.

Снабжение дополнительной секционной трубы теплоизоляцией снижает теплопотери при движении подогретой воды или пара по скважинному эрлифтному снаряду.

При установке дополнительной секционной трубы внутри воздухоподающей трубы снижение теплопотерь во время продвижения подогретой воды или пара по скважинному эрлифтному снаряду может достигаться без использования теплоизолирующего материала. Кроме того, с уменьшением поверхности труб внутри пульпоподъемной трубы снижается гидравлическое сопротивление и тем самым повышается эффективность эрлифтного подъема полезного ископаемого.

Обеспечение жесткой связи между трубами в стыковочных узлах верхних секций устройства позволяет сократить время их стыковки и одновременно достичь фиксированного положения труб в стыковочном узле с обеспечением более надежной герметизации труб.

Создание резьбового соединения в стыковочных узлах, по крайней мере, на одной из внутренних труб каждой секции повышает надежность стыковки труб секций, обеспечивает необходимую герметичность и жесткость соединения труб, кроме того, позволяет использовать при создании конструкции скважинного эрлифтного снаряда серийно выпускаемые трубы с резьбовыми соединениями.

Обеспечение возможности осевого вращения секционной трубы, снабженной резьбовым соединением, позволяет применять комбинированную стыковку секций, при которой часть внутренних труб стыкуется посредством резиновых уплотнительных колец, а одна из внутренних труб - за счет резьбового соединения с созданием жесткой связи между всеми внутренними трубами. В результате сокращается время и обеспечивается надежность стыковки секций труб скважинного эрлифтного снаряда.

На фиг.1, 2 и 3 схематично показаны варианты выполнения эрлифтного снаряда для скважинной гидродобычи полезных ископаемых.

На фиг.1 - вариант выполнения эрлифтного снаряда, предусматривающий установку дополнительной секционной трубой внутри пульпоподъемной трубы.

На фиг.2 - вариант выполнения эрлифтного снаряда, в соответствии с которым дополнительная секционная труба установлена внутри воздухоподающей трубы.

На фиг.3 изображена секция внутренних труб со стыковочным узлом.

Эрлифтный снаряд для скважинной гидродобычи полезных ископаемых согласно изображениям на фиг.1, 2 и 3 включает внешнюю пульпоподъемную трубу 1, внутреннюю водоподающую трубу 2 с гидромониторной насадкой 3 на нижнем конце этой трубы и воздухоподающую трубу 4 с воздушной форсункой 5 на нижнем конце трубы 4. Верхние концы водоподающей 2 и воздухоподающей 4 труб выведены за пределы пульпоподъемной трубы 1 через ее стенки. Внутри пульпоподъемной трубы 1 установлена дополнительная секционная труба 6, верхний и нижний концы которой выведены за пределы стенок пульпоподъемной трубы 1.

В соответствии с вариантом выполнения скважинного эрлифтного снаряда, изображенного на фиг.1, внутренняя полость дополнительной секционной трубы 6 снабжена теплоизоляцией 7. Секции пульпоподъемной трубы 1 жестко соединены между собой посредством фиксирующего элемента 8, показанного на фиг.1, 2. Фиксирующий элемент 8 выполнен в виде быстроразъемного замкового соединения или резьбового соединения (муфты). Воздухоподающая 4, дополнительная секционная 6 и водоподающая 2 трубы верхних секций в стыковочных узлах жестко связаны между собой вставкой 9 и кольцом 10 (фиг.2, 3), обеспечивающими возможность осевого вращения водоподающей трубы 2. Секции водоподающей трубы 2 жестко состыкованы посредством резьбового соединения 11, которым снабжена водоподающая труба 2 (фиг.3), а в стыковочных узлах секций воздухоподающей 4 и дополнительной секционной 6 труб для обеспечения герметизации стыковки труб установлены резиновые кольца 12.

В соответствии с изображением скважинного эрлифтного снаряда на фиг.2 дополнительная секционная труба 6 может также устанавливаться внутри воздухоподающей трубы 4 с выводом концов трубы 6 за пределы стенок трубы 4. При указанном расположении внутренних труб устройства теплоизоляция трубы 6 не требуется.

Работа эрлифтного снаряда, изображенного на фиг.1 (первый вариант выполнения устройства), осуществляется следующим образом. Вначале при разработке мерзлых пород полезных ископаемых, например песчаных отложений, с поверхности земли бурится скважина (на фиг.1 не показана), в которую посекционно монтируется скважинный эрлифтный снаряд. С этой целью в скважину опускается самая нижняя секция эрлифтного снаряда (фиг.3). Эта секция предварительно подвешивается на оголовке обсадной колонны труб скважины (на фиг.1 не показаны). Вторая секция устройства стыкуется в скважине с установленной нижней секцией. В верхней части второй секции посредством вставок 9 жестко соединяются между собой пульпоподъемная 1, водоподающая 2, воздухоподающая 4 и дополнительная водоподающая 6 трубы. Герметизация труб 2, 4 и 6 при их стыковке осуществляется с помощью резиновых колец 12. Герметизация пульпоподъемной трубы 1 производится также посредством резиновых колец 12 и фиксирующего элемента 8, выполненного в виде быстроразъемного замкового соединения. После стыковки первых двух секций скважинного эрлифтного снаряда обе они опускаются в скважину на глубину, соответствующую длине второй секции. Аналогичным образом стыкуются остальные секции скважинного эрлифтного снаряда. По завершении монтажа устройства верхний конец водоподающей трубы 2 соединяется с трубопроводом, проложенным от перекачивающего жидкость насоса (на фиг.1-3 не показаны), верхний конец воздухоподающей трубы 4 соединяется с трубопроводом, проложенным от компрессора (на фиг.1-3 не показаны). Верхний конец дополнительной секционной трубы 6 соединяется с трубопроводом, ведущим к нагревательной установке (не показаны).

Подача подогретой воды от нагревательной установки в скважину (на фиг.1 не показаны) осуществляется по дополнительной секционной трубе 6 скважинного эрлифтного снаряда, в котором подогретая вода или пар выходят из пульпоподъемной трубы 1 через нижний конец дополнительной секционной трубы 6. В результате теплообмена теплой воды и мерзлых песчаных пород происходит размораживание последних с оседанием талого песка в нижней части скважинного эрлифтного снаряда. При этом сжатый воздух, нагнетаемый от компрессора по воздухоподающей трубе 4 через воздушную форсунку 5, подается внутрь пульпоподъемной трубы 1, где в результате образуется водовоздушная гидросмесь, поднимаемая по трубе 1 на дневную поверхность путем всасывания песка и воды через нижний конец этой трубы. Холодная вода, поступающая от насоса по водоподающей трубе 2, при прохождении через гидромониторную насадку 3, образует струю, взвешивающую осевший песок ниже пульпоподъемной трубы 1, облегчая его всасывание. При сравнительно большой длине дополнительной секционной трубы 6 она снабжается теплоизоляцией 7, например, в виде внутренней полиэтиленовой трубы. Теплоизоляция 7 снижает теплообмен между подогретой водой и холодной гидросмесью, движущейся по пульпоподъемной трубе 1, что экономит расход тепловой энергии скважинным эрлифтным снарядом.

В целях повышения производительности заявляемого устройства путем увеличения полезного сечения пульпоподъемной трубы 1, снижения гидравлического сопротивления при подъеме гидросмеси и уменьшения затрат при монтаже устройства без применения теплоизоляции 7, может быть использован второй вариант выполнения скважинного эрлифтного снаряда, изображенный на фиг.2, в соответствии с которым дополнительная секционная труба 6, устанавливается внутри воздухоподающей трубы 4. При этом пульпоподъемная труба 1 снабжена фиксирующим элементом 8, содержащим муфту с резьбовым соединением. Нижние концы верхних секций воздухоподающей 4 и дополнительной водоподающей 6 труб снабжены резиновыми уплотнительными кольцами 12, а верхние концы этих труб жестко соединены между собой вставкой 9. На воздухоподающей трубе 4 закреплено кольцо 10, обеспечивающее возможность осевого вращения водоподающей трубы 2. Секции водоподающей трубы 2 снабжены резьбовым соединением 11.

Работа устройства по второму варианту его выполнения осуществляется следующим образом.

При стыковке секций скважинного эрлифтного снаряда вначале соединяются внутренние трубы, устанавливаемые в пульпоподъемной трубе 1. Посредством резьбового соединения 11 водоподающей трубы 2 обеспечивается жесткое соединение внутренних воздухоподающей 4 и дополнительной водоподающей 6 труб. После стыковки внутренних труб 2, 4 и 6 секция пульпоподъемной трубы 1 соединяется с фиксирующим элементом 8.

Оттаивание мерзлых пород осуществляется при подаче подогретой воды или пара по дополнительной секционной трубе 6, находящейся внутри воздухоподающей трубы 4. Сжатый воздух, подаваемый от компрессора, имеет обычно высокую температуру, порядка 50-70°С, и низкую теплопроводность. Поэтому при движении воздуха по воздухоподающей трубе 4 сокращаются теплопотери воды, поступающей по дополнительной водоподающей трубе 6. Посредством резьбовых соединений пульпоподъемной 1 и водоподающей 2 труб обеспечивается жесткость конструкции скважинного эрлифтного снаряда, что позволяет также использовать при его изготовлении серийно выпускаемые трубы.

Примером практической реализации заявляемого устройства является скважинный эрлифтный снаряд для гидродобычи песка из мерзлых песчаных отложений (фиг.2). Он содержит пульпоподъемную трубу 1 диаметром 273 мм, внутри которой установлена водоподающая труба 2 диаметром 108 мм с гидромониторной насадкой 3 на нижнем конце, и воздухоподающую трубу 4 диаметром 108 мм с воздушной форсункой 5. Внутри воздухоподающей трубы 4 устанавливается дополнительная водоподающая труба 6 диаметром 64 мм.

Подогретая до температуры 50° вода с расходом 40 м³/час подается по дополнительной водоподающей трубе 6, а холодная вода с расходом 150 м³/ч подается по водоподающей трубе 2. Сжатый воздух от компрессора с расходом 20 м³/мин нагнетается по воздухоподающей трубе 4. Подъм гидросмеси на дневную поверхность осуществляется с производительностью 150 м³/ч и выдачей песка с производительностью около 40 м³/ч.

Источники информации

1. Шпак Д.Н. Гидродобыча раздельно-зернистых полезных ископаемых через скважины при неустойчивой кровле. «1-ый Советско-югославский симпозиум по проблеме скважинной гидравлической технологии. МГРИ, апрель, 1991, с.29

2. Арене В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. М., 1995, с.85.

1. Скважинный эрлифтный снаряд для гидродобычи полезных ископаемых, состоящий из снабженных стыковочными узлами секций внешней пульпоподъемной трубы и внутренних водо- и воздухоподающей труб, верхние концы которых выведены из пульпоподъемной трубы, нижний конец водоподающей трубы снабжен насадкой, а нижний конец воздухоподающей трубы - форсункой, отличающийся тем, что внутри пульпоподъемной или воздухоподающей труб установлена дополнительная секционная труба для подачи подогретой воды или пара для оттаивания пород, концы которой выведены за пределы пульпоподъемной трубы.

2. Скважинный эрлифтный снаряд по п.1, отличающийся тем, что дополнительная секционная труба снабжена теплоизоляцией.

3. Скважинный эрлифтный снаряд по п.1, отличающийся тем, что в стыковочных узлах трубы верхних секций жестко связаны между собой.

4. Скважинный эрлифтный снаряд по п.1, отличающийся тем, что в стыковочных узлах каждой секции, по крайней мере, одна из внутренних труб снабжена резьбовым соединением.

5. Скважинный эрлифтный снаряд по п.4, отличающийся тем, что труба, снабженная резьбовым соединением, связана с остальными внутренними трубами с возможностью ее осевого вращения.