CC BY
12
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 622.234 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-64-68
ВЛИЯНИЕ ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ГИДРОАГРЕГАТА ПРИ ДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ
DOWNHOLE CONDITIONS INFLUENCE THE PERFORMANCE OF THE HYDRAULIC UNIT IN THE EXTRACTION OF IRON ORE
© 2015 г. А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Н. Гроссу
Третьяк Александр Яковлевич - д-р техн. наук, профессор, Tretyak Alexandr Yakovlevich - Doctor of Technical Sciences,
академик РАЕН, зав. кафедрой «Бурение нефтегазовых professor, Akademik RAEN, head of department «Drilling Oil
скважин и геофизика», Южно-Российский государственный and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State
политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863) 525-50-57. Е-mail: Ph. (863) 525-50-57. Е-mail: 13050465@mail.ru 13050465@mail.ru
Литкевич Юрий Федорович - канд. техн. наук, доцент, Litkevich Yurij Fedorovich - Candidate of Technical Sciences,
кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», assistant professor, department «Drilling Oil and Gas Wells
Южно-Российский государственный политехнический уни- and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic
верситет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863) 525-53-57.
Россия. Тел. (863) 525-53-57. Е-mail: 13050465@mail.ru Е-mail: 13050465@mail.ru
Гроссу Анна Николаевна - ст. преподаватель, кафедра Grossu Anna Nikolaevna - senior lekturer, department «Drill-
«Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно- ing Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian
Российский государственный политехнический университет State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. Ph. (863) 525-53-57. Е-mail:A.Grossu@mail.ru (863) 525-53-57. Е-mail: A.Grossu@mail.ru
Рассматривается влияние изменяющейся глубины забоя на производительность гидродобычного агрегата (ГДА), работающего с буровым насосом средней мощности НБТ-600. Рабочим органом гидродобычного агрегата является буровое долото режущего типа с гидромониторным приводом, работающее в затопленном пространстве с изменяющимся гидростатическим давлением, зависящим от глубины залегания добычного забоя. Показано, что с изменением глубины забоя от 560 до 750 м производительность ГДА снижается на 12 %, а объем руды, извлекаемой за полный цикл работы агрегата, уменьшается более чем в 2,5 раза. Представленный в статье материал позволяет поставить задачу дальнейшего совершенствования ГДА.
Ключевые слова: гидродобычной агрегат; снаряд - гидромониторы и буровое долото; забойные условия; гидростатическое давление; производительность ГДА; извлекаемость руды.
The article discusses the impact of the changing layer depth on productivity of the hydromining plant (HMP), working with the drilling pump of average power of NBT-600. Working body of the hydromining plant is the drilling bit of cutting type with hydraulic monitor drive, working in the flooded area with the changing hydrostatic pressure, depending on a depth of a mining layer. It is shown that with change of depth of a from 560 m to 750 m productivity of HMP decreases by 12 %, and the volume of the ore extracted for a full cycle of operation of the unit lower more than by 2,5 times. The material presented in article allows to set the task of further improvement of HMP.
Keywords: hydromining plant; shell - hydraulic monitors and drilling bit; downhole conditions; hydrostatic pressure; productivity of HMP; recoverability of ore.
Скважинный гидродобычной агрегат (ГДА), раз- следующей конструкции: направляющая колонна -
рабатываемый для Гостищевского месторождения 0 920 мм, кондуктор - 0 630 мм, техническая колон-
Курской магнитной аномалии (КМА), предусматрива- на - 0 426 мм, добычная колонна - 0 245 мм [1, 2]. ет необходимость строительства добычной скважины В состав комплекса оборудования входит:
- технологическая насосная станция с насосами НБТ-600, обеспечивающими на максимальной втулке 0180 мм давление Рн = 11,3 МПа при подаче насоса Qн = 43 л/с ~ 155 м3/ч и на минимальной втулке 0 120 мм давление Рн = 25 МПа и подачу насоса Qн = 19 л/с и 68 м3/ч;
- компрессорная станция с компрессорами ПК-70-350 и КП-50-350.
На рисунке представлена схема пульпоподъёмной установки гидродобычного агрегата.
В добычной колонне 3 расположены две трубы I и II (сечение АА) для постоянной подачи воды к долоту 7 с гидромониторным приводом и к гидромонитору 6. В обычном режиме отработки рабочего уступа вода от насоса через вертлюг 1 по трубам I и II подается к гидромонитору 6 и долоту 7.
Схема пульпоподъемной установки гидродобычного агрегата: 1 - вертлюг; 2 - ведущая труба; 3 - добычная колонна; 4 - пакер; 5 - трубопроводы I и И; 6 - гидромонитор; 7 - буровое долото с двумя гидромониторами; 8 - эрлифтная установка
Гидромониторные струи долота, направленные в противоположные стороны, вращают долото, размывают грудь забоя и превращают рыхлую руду в пульпу, которая по внутреннему каналу добычной колонны поднимается к окнам эрлифта 8. Гидромонитор 6, при медленном вращении добычной колонны, размывает боковые стенки рабочего уступа, превращая их в поднимающуюся к окнам эрлифта 8 пульпу.
В режиме разрушения пропластков гидромонитор 6 отключается перекрытием задвижкой трубопровода II и весь поток воды от насоса подаётся к буровому долоту с гидромониторным приводом. Созданный напорными струями на долоте крутящий момент, превышающий 350 Н-м, является достаточным для устойчивой работы бурового долота при разрушении пород IV - V категорий по буримости [3, 4].
Забойные условия работы снаряда - гидромониторов и бурового долота на забое следующие:
- открытое затопленное очистное пространство в гидродобычной скважине;
- неуправляемые обрушения рудной и породной массы в очистном пространстве;
- гидростатическое давление в начале отработки пласта начальное - 5,6 МПа, в конце разработки пласта - конечное до 7,5 МПа;
- жесткая связь с напорной колонной ГДА, имеющая возможность принудительного вращения вокруг своей оси и перемещения вдоль оси скважины;
- рабочий агент - вода или ГЖС (вода+воздух). Начальное рабочее давление на манифольде 12,7 МПа при расходе 38 л/с ^ 138 м3/ч. Конечное рабочее давление на манифольде 14,3 МПа при расходе 34 л/с ^ 122 м3/ч.
- снаряд опускается в скважину на трубах напорной колонны через пульпоподъемную колонну с внутренним диаметром не менее 230 мм;
- отбойка руды гидромониторами;
- доставка обрушенной руды в зону всасывания -самотечная;
- пульпоприготовление - на забое;
- всасывание рудной пульпы и эрлифтный подъем.
Основные оценочные параметры снаряда [5, 6]:
- эффективное разрушение железных руд крепостью до 3 МПа;
- эффективное разбуривание прослоев из руд средней крепости IV - V категорий по буримости;
- радиус Rl эффективного действия при подсечке - до 5 м;
- высота подсечных полостей - до 3 м;
- радиус R2 эффективного действия при отбойке рудной массы - до 8 м;
- высота отрабатываемых горизонтов - до 45 м;
- управляемое вращение вокруг оси скважины и перемещение вдоль оси без остановки процесса гидродобычи в интервале 15 м;
- техническая производительность гидродобычи не менее 44 тонн в час (т/ч).
При изменении глубины отработки забоя с 560 до 750 м изменяются забойные условия. Определяю-
щим параметром эффективной работы гидромонитора является скорость истечения струи.
Для разрушения рыхлой железной руды и прослоев средней крепости скорость струи должна превышать 70 - 80 метров в секунду, т.е.
V > 70-80 м/с.
Для обеспечения такой скорости истечения струи из сопла гидромонитора необходимо, чтобы разность между давлением на манифольде и гидростатическим давлением пульпы в скважине была не менее 500 МВС (метров водяного столба) [7 - 10]. Скорость истечения струи из сопла гидромонитора определяется по формуле (1):
¥с =Фл/2^ДР , м/с, (1)
где АР - разность между давлением на манифольде и гидростатическим давлением пульпы, МВС; ф - коэффициент скорости (ф = 0,7-0,8).
Для пульпы плотностью рп =1,25 т/м3 количество железной руды, подаваемое в отстойник, определяется по формуле (2), будет равно 0,32 т/м3:
Р =
жр
р(рп-Рв )
Р"Рв
(2)
где р - плотность гематито-мартитовой железной руды на Гостищевском месторождении (р = 4,5 т/м3); рп -плотность пульпы (рп = 1,25 т/м3); рв - плотность воды (рв = 1,0 т/м3).
Гидростатическое давление столба пульпы в начале отработки, определяемое по формуле (3), равно 7 МПа ^ 700 МВС:
РГп =РпН1;
(3)
где Н1 - начальная глубина отработки забоя (Н1 = 560 м).
Разность АР, определяемая по формуле (4), будет равна 5,7 МПа ^ 570 МВС:
АР = Рмф - Ргп,
(4)
где Рмф - давление на манифольде НБТ-600 на втулке 0170 мм (Рмф = 12,7 МПа).
При подаче насоса Q = 38 л/с, или 137 м3/ч, производительность ГДА по руде, определяемая по формуле (5), будет равна 44 т/ч:
П0 = QРж
(5)
где Q - подача насоса на втулке 0 170 мм ^ = = 137 м3/ч); Ржр - количество железной руды в 1 м3 пульпы (Ржр= 0,32 т/м3).
При увеличении глубины отработки забоя до глубины 750 м гидростатическое давление столба пульпы, определяемое по формуле (3), будет равно 930 МВС ^ 9,3 МПа:
Ргп =РпН2 ,
где Н2 - конечная глубина отработки забоя (Н2 = 750 м).
Забойные условия
№ п/п Параметры забойных условий Начало отработки пласта Конец отработки пласта
1 Глубина залегания Н, м 560 750
2 Гидростатическое давление столба пульпы Ргп, (МВС) МПа (700) 7,0 (930) 9,3
3 Давление на манифольде насоса НБТ-600 Рмф, МПа 12,7 14,3
4 Подача насоса НБТ-600 Q, л/с (м3/ч) 38 (137) 33,9 (122)
5 Разность давлений на манифольде и на забое в скважине АР = Рмф-Ргп, (МВС) МПа (570) 5,7 (500) 5,0
6 Производительность ГДА Пд, т/ч 44 39
7 Объём руды, извлекаемый за полный цикл работы ГДА, Wп, м3 3014 1177
Для обеспечения необходимой скорости истечения струи на гидромониторах насос НБТ-600 должен работать на втулке 0 160 мм, обеспечивая подачу Q =33,9 л/с—* 122 м3/ч при давлении Рмф = 14,3 МПа.
Тогда ДР = Рмф - Ргп будет равно 5 МПа или
500 МВС.
При таких условиях производительность ГДА, определяемая по формуле (5), будет равна 39 т/ч, т.е. снизится на 12 % при значительном уменьшении объема руды, извлекаемой ГДА за цикл работы.
Объем руды, извлекаемый за полный цикл работы ГДА, определяется зависимостью (6), в начальный период будет равен 3014 м3:
Wn = %R2rh , м3,
(6)
где Rr - радиус эффективного действия гидромонитора при отбойке рудной массы ^г = 8 м); h - высота полного цикла, равная перемещению снаряда вдоль оси без остановки процесса гидродобычи ^ = 15 м).
Объем руды, извлекаемый за полный цикл на глубине 750 м, когда радиус эффективного действия гидромонитора уменьшается до 5 м, будет равен 1177 м3.
Видим, что объем руды, извлекаемой за полный цикл работы агрегата, с изменением забойных условий уменьшается более чем в 2,5 раза.
Выполненные расчеты производительности ГДА в тоннах в час (т/ч) и объемов руды в кубометрах, извлекаемой из пласта за полный цикл работы гидродобычного агрегата в начале - на глубине 560 м и в конце отработки пласта - на глубине 750 м представлены в таблице.
Расчеты показывают, что гидродобычной агрегат ГДА в комплекте с насосами НБТ-600 в условиях Гостищевского месторождения КМА обеспечивает добычу более 40 т руды в час, что более чем в 3 раза превышают результаты, достигнутые на Шемраевском месторождении железных руд.
Представленный материал позволяет оценить достигнутый результат и поставить задачу дальнейшего совершенствования ГДА.
Литература
1. Аренс В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д. [и др.]. Сква-жинная гидродобыча полезных ископаемых : учеб. пособие. М.: МГТУ, 2007. 295 с.
2. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учебник для вузов / под общ. ред. В.Ж. Аренса. М.: Изд-во Моск. гос. горного ун-та, изд-во «Горная книга», 2010. 575 с.
3. Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Сапожников И.К., Гроссу А.Н. Буровое долото режущего типа с гидромониторным приводом для скважинной гидродобычи железных руд // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2015. № 1.
4. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990. 256 с.
5. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Режущий буровой инструмент: Расчет и проектирование. М.: Машиностроение, 1976. 168 с.
6. Букреев П.И. Бурение скважин гидромониторными пико-бурами. М.: Недра, 1986. 190 с.
7. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. [и др.]. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для втузов; 5-е изд., стер. М.: Альянс, 2011. 423 с.
8. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е., Щеголевс-кий М.М. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Акад. гор. наук, 2000. 343 с.
9. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород: учеб. пособие. М.: МГТУ, 2004. 222 с.
10. Зорин А.Н., Халимендик Ю.М., Колесников В.Г. Механика разрушения горного массива и использование его энергии при добыче полезных ископаемых. М.: Недра, 2001. 413 с.
References
1. Arens V.Zh., Babichev N.I., Bashkatov A.D. i dr. Skvazhinnaya gidrodobycha poleznyh iskopaemyh : ucheb. posobie [Downhole hydraulic output of minerals: studies. manual]. Moscow, MGGU Publ., 2007, 295 p.
2. Arens V.Zh. Fiziko-himicheskaya geotehnologiya: Uchebnik dlya vuzov. Pod obschej redakciej V.Zh. Arensa [Physikal and chemikal geotechnology: Textbook for Universities. Edited V.J. Arensa]. Moscow, Izd-vo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, izd-vo «Gornaya kniga», 2010, 575 p.
3. Tret'yak A.Ya., Litkevich Yu.F., Sapozhnikov I.K., Grossu A.N. Burovoe doloto rezhuschego tipa s gidromonitornym privodom dlya skvazhinnoj gidrodobychi zheleznyh rud [Drilling bit of cutting type with hydraulic monitor drive for hydraulic borehole mining of iron ores]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki , 2015, no. 1.
4. Krapivin M.G., Rakov I.Ya., Sysoev N. I. Gornye instrument . 3-e izd., pererab. i dop. [Mountain Tools. 3rd ed., rev. and additional]. Moscow, Nedra Publ., 1990, 256 p.
5. Katanov B.A., Safohin M.S. Rezhuschij burovoj instrument: (Raschet iproektirova-nie) [Cutting drilling tools (Calculation and Design)]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976, 168 p.
6. Bukreev P. I. Burenie skvazhin gidromonitornymi pikoburami [Well Drilling hydromonitor pikoburami]. Moscow, Nedra Publ., 1986, 190 p.
7. Bashta T.M., Rudnev S.S., Nekrasov B.B. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody: uchebnik dlya vtuzov. 5-e izd., ster. [Hydraulics, hydromashines and gidroprivody : textbook for university]. Moscow, Al'yans Publ., 2011, 423 p.
8. Brenner V.A., Zhabin A.B., Pushkarev A.E., Schegolevskij M.M. Gidromehanicheskoe razrushenie gornyh porod [The hydromechanical destruction of rocks]. Moscow, Akad.gor.nauk Publ., 2000, 343p.
9. Karkashadze G.G. Mehanicheskoe razrushenie gornyh porod. Ucheb. poso-bie [Mechanical destruction of rocks. Proc. Manual]. Moscow, MGGU Publ., 2004, 222 p.
10. Zorin A. N., Halimendik Yu.M., Kolesnikov V.G. Mehanika razrusheniya gornogo massiva i ispol'zovanie ego 'energii pri dobyche poleznyh iskopaemyh [Mechanics of destruction of mountain range and use of his energy at mining]. Moscow, Nedra Publ., 2001, 413 p.
Поступила в редакцию 2 февраля 2015 г.
