способ скважинной разработки многолетнемерзлых осадочных пород

Формула изобретения

Способ скважинной разработки многолетнемерзлых осадочных пород, включающий вскрытие продуктивного пласта скважиной, установку в ней водоподающей, воздухоподающей и пульпоподъемной колонн труб, подачу воды из водоема и сжатого воздуха, отработку продуктивного пласта с образованием подземной камеры путем водно-теплового разрушения пород и подъема образующейся гидросмеси на поверхность, с поддержанием в подземной камере заданного уровня раздела вода-воздух у кровли продуктивного пласта регулированием расхода подаваемых воды и воздуха, отличающийся тем, что в скважину подают дополнительно подогретую воду с расходом, равным или меньшим объемному расходу твердого материала разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород, содержащегося в поднимаемой гидросмеси, а подачу воды из водоема в подземную камеру производят под нижний уровень пульпоподъемной колонны труб с расходом, равным или превышающим расход воды в поднимаемой гидросмеси.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при разработке полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи и строительстве подземных резервуаров-хранилищ.

Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие скважиной продуктивного пласта полезных ископаемых, монтаж скважинного снаряда, подогрев воды и подачу ее в скважинный снаряд, образование подземной незатопленной камеры путем водно-теплового разрушения породы незатопленной гидромониторной струёй, всасывания и гидроэлеваторного подъема разрушенной породы скважинным снарядом на поверхность [1].

Недостаток данного способа заключается в больших энергозатратах, связанных с использованием подогретой воды не только для водно-теплового разрушения пород, но и для гидроэлеваторного подъема разрушенных пород на поверхность. Кроме того, водно-тепловое разрушение породы в подземной камере незатопленной гидромониторной струёй так же связано с повышенными энергозатратами из-за малой теплоотдачи воды по сравнению с теплообменом в затопленной камере.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей, включающий вскрытие продуктивного пласта скважиной, установку в ней водоподающей, воздухоподающей и пульпоподъемной колонн труб, подачу воды из наземного водоема и сжатого воздуха, отработку продуктивного пласта с образованием подземной камеры путем водно-теплового разрушения пород и подъема образующейся гидросмеси пород на поверхность с поддержанием в подземной камере заданного уровня раздела вода - воздух у кровли продуктивного пласта регулированием расхода подаваемых воды и воздуха [2].

Недостаток данного способа заключается в низкой эффективности водно-теплового разрушения мерзлых пород водой, подаваемой из наземного водоема, что связано с невысокими температурами воды, нагреваемой от солнечной радиации в условиях Севера, и коротким сезоном с положительными температурами.

Решаемая задача заключается в повышении эффективности скважинной разработки многолетнемерзлых осадочных пород за счет обеспечения возможности увеличения продолжительности добычного сезона при сравнительно невысоких энергозатратах.

В результате решения этой задачи обеспечивается:

- низкое потребление энергии благодаря использованию холодной воды как при взвешивании разрушенных пород в зоне всасывания, так и в момент подъема гидросмеси на поверхность;

- максимальное использование тепла подогреваемой воды при оттаивании многолетнемерзлых осадочных пород, так как подаваемая подогретая вода остается в подземной камере в интервале продуктивного пласта и не извлекается вместе с разрушенными многолетнемерзлыми осадочными породами на поверхность.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей, включающем вскрытие продуктивного пласта скважиной, установку в ней водоподающей, воздухоподающей и пульпоподъемной колонн труб, подачу воды из водоема и сжатого воздуха, отработку продуктивного пласта с образованием подземной камеры путем водно-теплового разрушения пород и подъема образующейся гидросмеси на поверхность с поддержанием в подземной камере заданного уровня раздела вода - воздух у кровли продуктивного пласта регулированием расхода подаваемых воды и воздуха, согласно предлагаемому способу в скважину подают дополнительно подогретую воду с расходом, равным или меньшим объемному расходу твердого материала разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород, содержащегося в поднимаемой гидросмеси, а подачу воды из водоема в подземную камеру производят под нижний уровень пульпоподъемной колонны труб с расходом, равным или превышающим расход воды в поднимаемой гидросмеси.

В период подачи дополнительно подогретой воды с расходом, равным или меньшим объемному расходу твердого материала разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород, содержащегося в поднимаемой гидросмеси, происходит замещение объема извлекаемой из подземной камеры породы таким же объемом подаваемой подогретой воды. В результате этого повышается эффективность теплоотдачи между подогретой водой и мерзлой породой, а также не возникают теплопотери, поскольку уровень воды в создаваемой при этом подземной камере не поднимается выше кровли продуктивного пласта, а сама подогретая вода не удаляется эрлифтом из подземной камеры.

Нагнетание воды из водоема в подземную камеру под нижний уровень пульпоподъемной колонны труб с расходом, равным или превышающим расход воды в поднимаемой гидросмеси извлекаемых пород, позволяет взвешивать оседающие разрушенные породы в зоне грунтозабора с извлечением их эрлифтом на поверхность, не удаляя при этом дополнительно подогретую воду из подземной камеры. Поддержание уровня воды в подземной камере у кровли продуктивного пласта способствует повышению эффективности теплообмена без снижения производительности эрлифтного подъема многолетнемерзлых осадочных пород. Отбираемая из водоема холодная вода не участвует в теплообмене с мерзлой породой и расходуется только на создание гидросмеси при эрлифтировании, что позволяет вести добычу и в зимний период, продлевая тем самым добычной сезон.

Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности заявляемого способа без увеличения энергозатрат и с существенным повышением продолжительности добычного сезона.

Предлагаемый способ скважинной разработки многолетнемерзлых осадочных пород поясняется схемой, представленной на чертеже.

На чертеже показан продуктивный пласт 1 разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород, вскрытый скважиной 2, в которой смонтированы водоподающие колонны труб 3 и 4 для подачи подогретой и холодной воды соответственно, воздухоподающая колонна труб 5 для подачи сжатого воздуха в эрлифт и пульпоподъемная колонна труб 6 для подъема гидросмеси разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород на поверхность. Создаваемая в процессе этих пород подземная камера 7 заполнена водой до уровня 8, поддерживаемого у кровли 9 продуктивного пласта 1. На дне подземной камеры 7 образуется осадок 10 разрушенных пород продуктивного пласта 1.

Способ осуществляется следующим образом.

В соответствии с приведенной на чертеже схемой продуктивный пласт 1 разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород вскрывают скважиной 2, в которую монтируют водоподающую колонну труб 3, служащую для подачи подогретой воды, и водоподающую колонну труб 4 для подачи холодной воды из водоема, воздухоподающую колонну труб 5 для подачи сжатого воздуха в эрлифт и пульпоподъемную колонну труб 6 для подъема гидросмеси разрабатываемых пород на поверхность земли.

Для подогрева холодной воды воду от насоса по трубопроводу подают в нагреватель (не показаны), а затем по водоподающей колонне труб 3 через скважину 2 нагнетают в нижнюю часть создаваемой подземной камеры 7. Поднимаясь за счет естественной конвекции, подогретая вода отдает тепло стенкам подземной камеры 7, производя оттаивание пород продуктивного пласта 1, при этом разрушенная дисперсная порода оседает на дне подземной камеры 7, образуя осадок 10. Холодную воду из водоема насосом подают по водоподающей колонне труб 4 в зону всасывания гидросмеси пород под нижний уровень пульпоподъемной колонны труб 6 для взвешивания осадка 10. При нагнетании воздуха по воздухоподающей колонне труб 5 взвешенный осадок 10 пород всасывают в пульпоподъемную колонну труб и в виде гидросмеси поднимают на поверхность. При этом в создаваемой подземной камере 7 осуществляют поддержание заданного положения уровня 8 воды у кровли 9 продуктивного пласта 1, обеспечиваемое регулированием расхода подачи холодной воды по водоподающей колонне труб 4. Подачу подогретой воды по водоподающей колонне труб 3 производят с расходом, равным или меньшим объемному расходу твердого материала разрабатываемых многолетнемерзлых осадочных пород, содержащихся в поднимаемой на поверхность земли гидросмеси, определяемому с помощью плотномера или путем замера массы породы на карте намыва. С повышением уровня 8 воды в создаваемой подземной камере 7 расход холодной воды понижают, а при снижении уровня 8 ее расход соответственно повышают. При снижении концентрации указанного твердого материала в поднимаемой гидросмеси увеличивают расход подогретой воды, что повышает производительность оттаивания многолетнемерзлых осадочных пород продуктивного пласта 1.

Примером конкретного выполнения способа служит скважинная гидродобыча строительного песка при разработке многолетнемерзлых песчаных погребенных отложений.

Продуктивный пласт 1 многолетнемерзлых песков мощностью 30 м залегает под глинистыми отложениями мощностью 20 м. Пласт 1 вскрывают скважиной 2 диаметром 300 мм. В скважину 2 монтируют вышеуказанные колонны труб 3, 4, 5 и 6. Из поверхностного водоема холодную воду насосом подают в водоподающую колонну труб 4 с расходом 150 м³/ч и в нагреватель с расходом 30 м³/ч, из которого при температуре 40°С подогретую воду направляют в водоподающую колонну труб 3. Теплой водой производят оттаивание многолетнемерзлой песчаной породы продуктивного пласта 1 на стенках создаваемой подземной камеры 7, при этом производительность оттаивания пород составляет около 30 м³ песка в час. Оттаявший песок осаждается на дне подземной камеры 7. Осадок 10 разрушенных песчаных пород взвешивают холодной водой, поступающей из водоподающей колонны труб 4, и всасывают в пульпоподъемную колонну труб 6. Для эрлифтного подъема гидросмеси пород по пульпоподъемной колонне труб 6 от компрессора по воздухоподающей колонне труб 5 подают сжатый воздух с расходом 25 м³/мин, при этом производительность эрлифтного подъема по гидросмеси составляет около 180 м ³/ч. Уровень 8 воды в создаваемой подземной камере 7 поддерживают у кровли 9 продуктивного пласта 1 регулированием расхода холодной воды, подаваемой по водоподающей колонне труб 4. При повышении уровня 8 воды в подземной камере 7 выше кровли 9 продуктивного пласта 1 расход холодной воды понижают, а при снижении уровня 8 соответственно повышают.

Источники информации

1. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М., Недра, 1980, с.21.

2. Патент России №2009323, МПК Е 21С 45/00, «Способ скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей», опубл. 1994 г.