Процесс добычи полезного ископаемого геотехнологическими способами

Добычное оборудование включает в себя два типа оборудования:

§ для отделения от массива и доставки полезного ископаемого к забою скважины;

§ для подъёма полезного ископаемого на поверхность.

К первому типу относятся, колонны перфорированных труб; скважинные гидромониторы; скважинные нагреватели (горелки, электронагреватели), вибраторы, скважинные излучатели и др.

Ко второму типу относятся: подъёмники, эрлифты, гидроэлеваторы, погружные насосы, колонны эксплуатационных труб.

Тип применяемого добычного оборудования полностью определяется самим способом разработки. Забойное оборудование включает колонну эксплуатационных труб, всевозможные перфорированные фильтры, пакеры и, в отдельных случаях (как при скважинной гидродобыче), исполнительные органы, предназначенные для отделения полезного ископаемого от массива.

Конкретный набор добычного оборудования может быть самым различным, не только при использовании различных методов, но и при отработке разнотипных месторождений одним и тем же методом.

Так, при подземной выплавке серы эксплуатационная колонна включает три концентрических става труб; диаметром 6-8" — для подачи воды; диаметром 3-4" — для выдачи полезного ископаемого; диаметром 1" — для подачи сжатого воздуха, используемого для выдачи полезного ископаемого. В забойной части ставов установлен пакер, отделяющий перфорацию для подвода теплоносителя в пласт, от перфорации для поступления в став расплавленной серы. Конструкции пакеров серодобычных скважин приведены на рис. 3.

Аналогично выглядит и забойное оборудование при подземном растворении солей.

Выбор оборудования для скважинной гидродобычи зависит от прочностных характеристик полезного ископаемого, глубины залегания и гидростатических условий. Гидродобычной агрегат — гидромонитор — может иметь самую разнообразную конструкцию: телескопический, поворотный, на гибком трубопроводе и т.п. Само забойное оборудование может опускаться в одну или две скважины.

Оборудование скважины для подземного выщелачивания включает нагнетательное и откачное. Эксплуатационные трубы изготавливаются из кислотоустойчивых материалов. В скважинах располагаются трубчатые фильтры с круглой или щелевой перфорацией

.

Процесс подъёма полезного ископаемого может происходить:

1) энергией нагнетательного рабочего агента;

2) вводимой в скважину энергией сжатого воздуха или газа;

3) погружными насосами;

4) гидроэлеваторами.

Наиболее простым и эффективным средством подъёма является нагнетательный эрлифт. Воздух подаётся по воздухопроводу, а продукт поднимается по кольцевому пространству между воздухоподающей и обсадной трубами. Нижняя часть воздухопровода перфорирована.

Достоинствами эрлифтного подъёма являются: простота, надёжность в работе, отсутствие движущихся частей, возможность свободного выноса частиц пород, сопутствующих продуктивным растворам. Недостатками эрлифтного подъёма являются: относительно низкий к.п.д. (не более 10 %); необходимость наличия специального компрессорного оборудования

Наиболее простым и эффективным средством подъема при геотехнологических методах является нагнетательный эрлифт. Как правило, воздух подается по воздухопроводу, а продукт поднимается по кольцевому пространству. Нижняя часть воздухопровода - форсунка перфорированная. От компрессора по воздухопроводу к форсунке подводится сжатый воздух, который, смешиваясь с продуктивным агентом, поднимает его на поверхность. Главные достоинства эрлифта - простота, надежность в работе, отсутствие движущихся частей, возможность свободного выноса частиц пород, сопутствующих продуктивным растворам. К недостаткам эрлифта относятся низкий к.п.д. и необходимость специального компрессорного хозяйства.

Параметры процесса откачки зависят от многих специфических факторов, из которых наиболее важные - величина пластового давления, приток продукта к забою скважины, физические свойства откачиваемого флюида и др. Специфические особенности процесса откачки различных продуктов обусловливают необходимость проведения специальных исследований. Однако приближенные значения параметров этого процесса могут быть получены на базе исследований и опыта откачки эрлифтом воды и нефти.

Изучению закономерностей движения откачиваемой жидкости посвящен ряд работ. Однако, несмотря на многочисленные исследования, в настоящее время не существует единого взгляда на физическую сущность процесса откачки жидкости эрлифтом и общей методики его расчета. Это объясняется значительными теоретическими трудностями, так как закономерности, справедливые для движения одного типа жидкости, оказываются неприемлемыми для других жидкостей из-за того, что откачиваемая жидкость не сохраняет структуры потока даже в небольших интервалах подъемного трубопровода по высоте.

Основной исходной величиной для расчета эрлифта является приток жидкости к скважине. Оптимальный дебит скважины зависит в основном от интенсивности геотехнологического процесса. Опыт показывает, что количество откачиваемой жидкости может резко изменяться.

Для расчета параметров компрессорного оборудования необходимо определить давление на забой Р_з, глубину погружения форсунки эрлифта, пусковое давление, удельный расход воздуха, производительность эрлифта.

Давление на забой Р_з определяется по формуле

где р-плотность нагнетаемой жидкости, т/м³. На основании расчетного значения давления на забой (с учетом потерь) подбирается эрлифт.

Под действием давления на забой продуктивный раствор поднимается в трубопроводе на высоту h_c, (без учета потерь на трение)

Продуктивный раствор должен иметь на устье скважины запас энергии, необходимой для транспортирования его к хранилищу.

Разработка месторождений полезных ископаемых ФХМГ связана с подъемом извлекаемых флюидов на поверхность через скважины. Процесс подъема может происходить за счет энергии нагнетаемого рабочего агента (например, подземное растворение солей) или за счет вводимой в скважину энергии сжатого воздуха или газа (например, подземная выплавка серы и др.), или погружными насосами и гидроэлеваторами.

Баланс энергии добычной скважины выражается в виде равенства

где: Э_пл - пластовая энергия; Э_н - вводимая в скважину; Э₁ - затрачиваемая на подъем; Э₂ - расходуемая на трение; Э₃ - уносимая из скважины.

За счет пластовой энергии уровень откачиваемой жидкости в скважине будет равен гидростатическому напору

где h_п - высота подъема жидкости от забоя до динамического уровня; Р_з, Р_у - соответственно давление на забой и устье скважины.

Если давление на устье скважины больше атмосферного, скважина может фонтанировать только за счет гидростатического напора. При этом давление на забой будет уравновешиваться давлением столба жидкости в скважине, гидравлическими потерями на трение при движении Р_тр и противодавлением на устье, т. е.

где λ - коэффициент гидравлических сопротивлений; h_с - глубина скважины, d_к - диаметр трубопровода, м; υ - скорость движения жидкости в трубопроводе м/с.

Практически нет скважин, которые бы фонтанировали только за счет гидростатического давления пласта, зато часто подъем полезного ископаемого осуществляется за счет нагнетания в разрабатываемую залежь рабочих агентов в данную или соседние скважины. В этом случае энергия на забое скважины складывается из пластовой энергии до разработки плюс энергии, вводимой в скважину нагнетаемым рабочим агентом.

В пластовых водах, а также в откачиваемых рабочих агентах содержится некоторое количество свободного газа, образующегося в результате взаимодействия с горными породами. Этот газ при движении к поверхности изотермически расширяется с выделением энергии Э_с.г:

где G - объем газа, выделяющийся с 1 т поступившего к забою продукта, м.

Кроме того, в продукте всегда содержится некоторое количество растворенного газа, который будет выделяться по мере падения давления от забоя к устью.

Физика процесса эрлифтного подъёма связана с подъёмом гидросмеси за счёт энергии расширения газа, разности скоростей жидкой и газообразной фаз, работы пузырька газа как негерметичного поршня, снижения удельного веса смеси, поднятия жидкости по закону сообщающихся сосудов. Принципиальная схема гидроэлеваторного подъёма показана на рис. 4. Здесь в центральном гидроэлеваторе напорная вода в камеру смешения 1 поступает из насадки 2. При этом в приёмной камере создаётся вакуум, за счет которого засасывается поток гидросмеси, который смешивается с потоком воды в смесительной камере 3. Смесь через диффузор 4 поступает в нагнетательный трубопровод 5, и по нему выдаётся на поверхность. Поток гидросмеси засасывается в приёмную камеру и поступает в конфузор 6 через всасывающий патрубок 7, опущенный в гидросмесь.

Эффективность работы гидроэлеватора определяется соотношением расхода перекачиваемой и рабочей жидкостей, а также площадей поперечного сечения камеры смешения и всасывающей трубы. Кроме того, на к.п.д. гидроэлеватора оказывает влияние подпор перекачиваемой жидкости при работе в затопленной добычной камере, а также крупность транспортируемой руды. Экспериментально установлено, что область наибольших к.п.д не превышает 0,4.

Подъём руды по скважине часто осуществляется комбинацией гидроэлеватора и эрлифта.

Были проведены большие работы по созданию и изготовлению погружных скважинных насосов в коррозионно-стойком исполнении. Были разработаны конструкции, изготовлены, испытаны в производственных условиях и приняты к серийному производству несколько типоразмеров погружных скважинных электрических насосов: УЭЦНК4-100-80, УЭЦНК-160-80, УЭЦНК6-360-150, ЭЦВ6-25-140ХГ и др.

Эти насосы имеют к.п.д. 36-37 % и могут откачивать из скважин продуктивные растворы, содержащие до 10 % серной кислоты и 0,1 г/л механических примесей.

Принципиальная схема установки УЭЦНК4-100-80 для откачки продуктивных растворов при подземном выщелачивании урана приведена на рис. 5.

Испытания и опытная эксплуатация показали, что дебит добычных скважин при применении погружных насосов по сравнению с эрлифтами возрастает в 1,5-2 раза, расход электроэнергии снижается в 4-6 раз. Насосы облегчают автоматизацию процесса подъема растворов и устраняют их распыление на устьях откачных скважин. Особенно эффективна работа погружных насосов в зимнее время, т.к. устраняется возможность промерзания трубопроводов со сжатым воздухом.

Контрольные вопросы

1. Объяснить баланс энергии добычной скважины.

2. Какие типы оборудования для обслуживания скважин используются, чем они различаются?

3. Чем определяется эффективность работы гидроэлеватора?

4. Какие параметры компрессорного оборудования определяются для обеспечения подъема эрлифтом?

5. В чем состоят достоинства и недостатки эрлифта?

6. Что включает оборудование скважины для подземного выщелачивания?