Автореферат Шеметова Д.В.


УДК 628.112.24 (043)                                                                 На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

ШЕМЕТОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

 

 

 

 

 

Разработка распределительного  устройства

для сооружения гравийных фильтров

технологических скважин

 

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2008

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева.

 

 

 

Научный руководитель

Федоров Б.В.,

кандидат технических наук, профессор

 

Официальные оппоненты

Музапаров М.Ж.,

доктор технических наук,

профессор

 

Соловьев А.И.,

кандидат технических наук, доцент

 

Ведущая организация

Институт горного дела

им. Д.А. Кунаева

 

 

Защита состоится "02" октября 2008 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 14.61.23 в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева 22, конференц-зал НК, факс +7 (727) 292 77 80.

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева 22, корпус ГМК.

 

 

 

 

Автореферат разослан "20" августа 2008 г.

 

 

 

 

 

 


Ученый секретарь

диссертационного совета                                                И.Н. Столповских

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность работы. В Казахстане в больших объемах сооружаются гидрогеологические и геотехнологические скважины, служащие для поиска и добычи подземных вод и твердых полезных ископаемых. Основным способом сооружения таких скважин является вращательное бурение с промывкой глинистым или малоглинистым раствором.

Основной проблемой при эксплуатации скважин является непродолжительная работа фильтров, вызванная процессами их кольматации. Для увеличения срока эксплуатации скважины, в первую очередь, необходимо создавать качественные и долговременные фильтры. Таким требованиям  удовлетворяют гравийные фильтры.

В настоящее время в Республике Казахстан наблюдается значительное увеличение количества сооружаемых гидрогеологических и, в особенности, геотехнологических скважин. Последние сооружаются для добычи урана, связанного с глубоко залегающими водоносными пластами и требующими оборудования гравийными фильтрами. В свою очередь, основной проблемой качественного сооружения таких фильтров, является способ доставки гравия в фильтровую зону, равномерность его укладки и необходимая плотность (отсутствие пустот) гравийной обсыпки вокруг каркаса фильтра.

Применяемая технология создания гравийной обсыпки фильтров основана на доставке гравия через бурильную колонну, опущенную в кольцевое пространство между эксплуатационной колонной с фильтром и стенками скважины. Такой технологии свойственны следующие недостатки: а) большой диаметр бурения по всей глубине скважины, что вызывает повышение стоимости последней; б) возможность пробкообразования в кольцевом пространстве при контакте гравия с заглинизированными стенками скважины; в) неравномерность укладки гравия вокруг каркаса фильтра, что может вызвать образование пустот в массиве гравийной обсыпки.

Необходимость совершенствования технологии гравийной обсыпки обуславливается большим количеством гидрогеологических и в особенности технологических (откачных) скважин, эксплуатирующих песчаные продуктивные водоносные пласты и требующих создания высококачественных гравийных фильтров.

Поэтому исследования, направленные на решение вышеназванных проблем и поиск средств эффективного сооружения гравийных фильтров скважин, весьма актуальны.

Цель работы. Создание и разработка распределительного устройства, обеспечивающего качественное сооружение гравийных фильтров геотехнологических и гидрогеологических скважин.

Идея работы заключается в транспортировании гравия водным потоком в кольцевое пространство между каркасом фильтра и стенками продуктивного пласта через бурильную колонну и распределительное устройство, расположенные внутри обсадной колонны. Распределительное устройство имеет наклонные каналы, сообщающие упомянутое кольцевое пространство с внутренним каналом бурильных труб.

Научная новизна заключается в следующем:

- впервые разработано распределительное устройство для сооружения гравийной обсыпки фильтров гидрогеологических и геотехнологических скважин, отличающееся тем, что гравийная обсыпка подается через эжекторное устройство, далее в бурильную колонну и распределительный узел, имеющий не менее 2-х наклонных каналов для равномерной доставки гравия в зону фильтра и выполненный с возможностью герметизации фильтровой части скважины после окончания проведения обсыпки; устройство защищено предварительным патентом Республики Казахстан;

 - разработан   программный   комплекс   расчета траектории движения гравия в стесненных условиях водогравийного потока, позволяющий определить координаты частиц в зависимости от производительности насоса, угла наклона выходных каналов распределительного устройства, диаметра гравия и времени проведения обсыпки;

- доказано, что для исключения пробкообразования в каналах распределительного устройства необходимо, чтобы концентрация гравия в поперечном сечении водогравийного потока составляла не более 17% от общей площади упомянутого сечения;

- впервые доказано, что максимальное горизонтальное отклонение перемещения частиц гравия от каркаса фильтра зависит от величины угла между вертикальной осью скважины и наклонными каналами распределительного устройства, а также расхода откачиваемой жидкости.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- для предотвращения залипания частиц гравия на заглинизированных стенках продуктивного горизонта каналы распределительного устройства, по которым водогравийный поток поступает в кольцевое пространство между каркасом фильтра и стенками продуктивного пласта, должны выполняться под расчетным углом к вертикальной бурильной колонне, по которой движется поток гравия, причем рациональная величина этого угла зависит от радиальной скорости движения частиц гравия и дебита откачиваемой жидкости;

- исключение пробкообразования при формировании гравийного фильтра достигается за счет рациональных геометрических размеров распределительного устройства, при которых минимальный диаметр его выходных каналов должен превышать диаметр частиц гравия в пять и более раз;

- полученные уравнения движения частиц отражают закономерность перемещения частиц гравия в вертикальном и горизонтальном направлениях в зависимости от первоначальной скорости водогравийного потока, размера частиц гравия и величины угла выходных каналов распределительного устройства относительно вертикальной оси;

- для эффективной подачи гравия в бурильную колонну и далее в призабойную часть скважины бурильная колонна должна быть оборудована эжектором, имеющим следующие рациональные параметры: расход жидкости (воды) – 1 л/с, диаметр сопла – 6мм, перепад давления – 0,8 МПа.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

- международной конференции "Горное дело и металлургия в Казахстане, состояние и перспективы", Алматы 2006;

- шестой международной конференции "Ресурсовоспроизводящие, малоотходные    и    природоохранные  технологии   освоения    недр", Караганда, 2007;

- III международной конференции "Геотехнология: инновационные методы недропользования в XXI веке", Навоий, 2007.

Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:

- разработано, создано и испытано устройство для создания гравийных фильтров гидрогеологических и геотехнологических скважин, которое показало высокую эффективность работы;

- разработан алгоритм определения зависимости траектории движения частиц гравия от диаметра, угла наклона выходных отверстий распределительного устройства и дебита откачиваемой жидкости;

- разработанное устройство позволяет получить ожидаемый экономический эффект, составляющий 108 315 тенге при бурении одной геотехнологической скважины средней глубиной 500 метров.

Разработанный распределительный узел можно рекомендовать для использования в промышленных условиях при добыче полезных ископаемых (вода пресная, термальная, минеральная, урановое сырье и т.д.) с помощью буровых скважин.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 статьи, 3 доклада на международных конференциях, получен 1 предварительный патент Республики Казахстан.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, 4-х разделов, заключения и списка использованных источников, включающих 59 наименований. Диссертация иллюстрирована 36 рисунками, 11 таблицами и 5 приложениями на 8 страницах.

Основное содержание работы.

В первом разделе представлен обзор современных технических средств и технологий для создания гравийных фильтров технологических и гидрогеологических скважин.

Расширение объемов добычи подземных вод весьма важно для Республики Казахстан, территория которой относительно бедна поверхностными водными источниками. В то же время республика обладает значительными запасами подземных вод, добыча которых поможет решить проблему дефицита воды во многих регионах страны.

Республика занимает одно из первых мест в мире по добыче уранового сырья, которое добывается с помощью геотехнологических скважин. Для вскрытия водоносных пластов, с которыми связаны месторождения урана, применяется вращательный способ бурения с промывкой глинистым раствором. Несмотря на высокую производительность и экономичность способа, последнему присущ крупный недостаток, заключающийся в кольматации пород продуктивного пласта твердой фазой глинистого раствора и шламом выбуренных пород. Водные продуктивные горизонты зачастую представлены песком различной зернистости. При освоении таких пластов проблема их разглинизации и оборудования фильтрами эффективной конструкции стоит наиболее остро. Решение упомянутой проблемы еще более усложняется при оборудовании фильтровой части технологических скважин.

Проблема длительного пескования скважин на некоторых месторождениях Казахстана решена путем установки фильтров с минимальными размерами пропускных отверстий, но при этом уменьшается технологический дебит скважины.

В ходе работы над диссертацией изучены и проанализированы научные труды ученых Казахстана, России, других стран СНГ и дальнего зарубежья.

Большой вклад в развитие технико – технологических средств сооружения гидрогеологических и геотехнологических скважин внесли Д.Н.    Башкатов, А.Д. Башкатов, Г.П.  Квашнин, В.С.  Алексеев, В.М.  Гаврилко,  М.Г. Оноприенко,  А.Х. Мирзаджанзаде, Н.И. Сердюк, В.А Романенко, Э.М. Вольницкая, С.М. Сушко, А.Д. Бегун, А.К. Касенов, Б.В. Федоров, М.Д. Кэмпбел и др.

При выборе конструкции эксплуатационных скважин для подземного выщелачивания полезных ископаемых с использованием кислотных растворителей металла необходимо учитывать следующие особенности применяемой технологии: 1) обеспечение высокой стойкости материала обсадных труб к хими­чески агрессивным средам, а также их достаточную механическую прочность в условиях горного давления и гидродинамических нагру­зок; 2) внутренний диаметр обсадных труб должен допускать          производство ремонтно-восстановительных работ; 3) возможность создания надежной гидроизоляции рудного горизонта, особенно в случае   эксплуатации маломощных рудных тел, находящихся в зоне водонос­ных горизонтов; 4) в процессе  бурения  не  должна  нарушаться  целостность нижнего водоупора, в случае перебуривания  водоупора необходимо предусматривать в  дальнейшем его тампонирование; 5) утяжелитель для спуска в скважину полиэтиленовых обсадных  колонн  необходимо изготовлять из инертных материалов  или  же он

 

должен быть извлекаемым; 6) при оборудовании нижней части   фильтра   отстойником  с  окнами для облегчения освоения скважины необходимо предусматривать возможность перекрытия окон   после   окончания  работ по освоению; 7)  для предохранения затрубного пространства скважин от проникновения с поверхности рабочих растворов           следует использовать специальное оборудование устья; 8) срок службы скважин должен быть не менее срока отработки блока.

Конструкции откачных и закачных технологических скважин отличаются только по диаметру применяемых эксплуатацион­ных колонн. Откачные скважины обычно оборудуются колоннами большего диаметра и, как правило, фильтрами с гравийной обсыпкой. Последняя доставляется в зону продуктивного пласта по вспомогательной колонне 5, опущенной в кольцевое пространство между скважиной и фильтровой колонной 3 (рисунок 1). Вместе  с   тем,  существующая технология доставки гравия в фильтровую часть скважины обладает рядом серьезных недостатков:

 

1 – обсадная колонна;

2 – скважина;  3 – фильтровая колонна; 4 – отстойник;

5 – вспомогательная колонна;

6 – освобожденная от гравия

промывочная  жидкость.

Рисунок 1 - Конструкция технологической скважины с гравийной обсыпкой каркаса фильтра

- большой диаметр бурения скважины для спуска вспомогательной колонны в кольцевой зазор между обсадной колонной и стенкой скважины для подачи гравия;

- неравномерное  осаждение  частиц  гравия  вокруг  поверхности фильтра – каркаса; часть отверстий фильтра остается не перекрытой гравием и контактирует непосредственно с   песком   коллектора, что приводит к длительному пескованию скважины.

Для ликвидации указанных недостатков существующей технологии сооружения гравийных фильтров предлагается создать распределительное устройство, которое соединяется с одной стороны каркасом фильтра, а с другой – с бурильной колонной, и осуществлять доставку гравия в зону фильтра посредством распределителя при одновременном использовании эрлифта.

Для реализации предлагаемой технологии необходимо было решить следующие задачи:

-  провести теоретические исследования траектории движения частиц гравия в кольцевом пространстве фильтровой зоны скважины;

- установить  условия  исключения контакта частиц гравия с заглинизированными стенками водоносного пласта при формировании обсыпки;

- подтвердить и уточнить правильность полученных теоретических зависимостей моделированием технологического процесса на разработанной экспериментальной установке;

- определить параметры распределительного устройства для сооружения гравийной обсыпки через внутренней пространство обсадной колонны;

- провести промышленные испытания распределительного устройства и обосновать эффективность его применения.

Второй раздел посвящен теоретическому исследованию влияния внешних факторов на формирование гравийного фильтра и определению оптимальных геометрических параметров распределительного узла.

Учитывая недостатки известных технико-технологических средств создания гравийных фильтров, изложенные в первом разделе работы, предлагается использовать следующую технологическую схему формирования гравийной обсыпки (рисунок  2).

Перед вскрытием продуктивного пласта в скважину опускается эксплуатационная колонна 1, затрубное пространство которой изолируется тампонажным материалом 8. Затем продуктивный пласт вскрывается, и скважина расширяется в интервале наибольшей проницаемости продуктивности пласта.

Внутрь эксплуатационной колонны опускается колонна бурильных труб 2 с распределительным узлом 4, который в свою очередь соединяется с  фильтром – каркасом 5, оканчивающимся отстойником 7. Кольцевое пространство между бурильной и эксплуатационной колоннами герметизируется сальником 3.

Гравий 6 подается в зону фильтровой части скважины в водном потоке, по  колонне  бурильных  труб 2 и наклонные каналы распределительного узла в кольцевое пространство между каркасом фильтра и стенками продуктивного интервала вскрытого скважиной.

Частицы гравия равномерно укладываются вокруг фильтра – каркаса благодаря нескольким каналам подачи водогравийного потока и эрлифтной откачке воды из скважины (на рисунке 2 показана воздухоподающая колонна 9 со смесителем), в результате которой формируется радиальный водный поток из продуктивного пласта. Освобожденная от гравия жидкость – носитель проходит через отверстия фильтра – каркаса и специальные отверстия "а" распределительного узла в надсальниковое кольцевое пространство скважины и откачивается водоподъемником (эрлифтом). При этом в первоначальный момент времени проведения обсыпки фильтровую колонну, находящуюся в подвешенном состоянии можно вращать, создавая равномерную укладку гравия вокруг каркаса фильтра.

 

продуктивный

интервал

 

продуктивный

интервал

 

Рисунок 2 - Предлагаемая  технологическая схема

сооружения гравийного фильтра

 

Таким образом, при указанной схеме создания гравийной обсыпки постановка задачи формулируется следующим образом: в бурильную колонну под давлением через сопло эжектора 10 подается водогравийный поток; скорость падения частиц гравия достигает некоторой критической величины Vкр. Одновременно из скважины проводится откачка с дебитом Q. Требуется определить следующие параметры процесса:

- допустимую концентрацию гравия в водогравийной смеси;

- допустимую скорость водогравийного потока;

- оптимальный  угол наклона выходных  отверстий распределительного узла;

- производительность гравийной обсыпки при найденных оптимальных параметрах процесса создания фильтра.

В работе описана новая технология сооружения гравийных фильтров глубоких скважин с математическим моделированием траектории движения частицы гравия в жидкостно – гравийной смеси.

При падении частиц в неподвижной водной среде их скорость достигает некоторой критической скорости . Поскольку при падении в водной среде участвует множество частиц гравия, то их критическая скорость снижается (стесненное падение). Критическая скорость стесненного падения вычисляется по формуле Р.Т. Ханкока:

 

,                                                                   (1)

 

где     - коэффициент сужения площади;

          F – площадь сечения трубы;

  f  – суммарная   площадь   лобового   поперечного   сечения   частиц гравия, участвующих в водогравийном потоке.

Критическая скорость свободного падения частицы гравия в неподвижной водной среде V0кр рассчитывается по формуле Лященко:

 

 ,                                        (2)

 

где   La – коэффициент, зависящий от диаметра частиц и его формы;

 dr – диаметр частиц гравия;

 gr  – удельный вес частицы;

 gср  – удельный вес воды.

Так как водный поток имеет скорость , то выражение для критической скорости частиц имеет вид:

 

.                                                                 (3)

 

На выходе из наклонных каналов распределительного устройства, начиная с точки В (рисунок 2) частица будет падать в водной среде с начальной скоростью  под углом a  к оси у. При падении частицы на нее действует радиальный поток воды со скоростью , направленный против горизонтального движения частицы по оси х вследствие циркуляции воды подаваемой в качестве жидкости-носителя и образуемой при откачке, сила тяжести G, направленная вертикально вниз, и сила гидравлического сопротивления FГС направленная против движения.

Скорость  связана с расходом Q откачиваемой жидкости по формуле:

 

,                                                                     (4)

 

где   - коэффициент скважности;

        D – диаметр скважины;

 H – мощность рудного интервала.

Сила FГС зависит от квадрата скорости движения частицы в воде и определяется по следующей формуле:

 

,                                                                                                (5)

 

где  с – коэффициент обтекания, зависящий от формы частицы гравия;

А – площадь  наибольшего   сечения  тела   в   плоскости, перпендикулярной направлению потока (миделево сечение);

ρв – плотность воды, кг/м2;

g – ускорение свободного падения.

Составим дифференциальное уравнение движения частицы гравия при ее падении в воде начиная с т. В в проекциях на оси х, у:

 

                                                           (6)

 

где       m - масса частицы гравия;

              - ускорение частицы по оси х;

              - ускорение частицы по оси y.

Зная начальные условия (в начальный момент проведения обсыпки ; ;  и ; ) и интегрируя уравнения (6),  получим  выражения  для  определения перемещения частицы гравия по оси х  и y:

 

;                               (7)

,                                (8)

 

где         .

 

Таким образом, вычислив траекторию движения частиц гравия при обсыпке фильтров, можно определить необходимые внешние условия, при которых частицы гравия в процессе обсыпки не будут соприкасаться со стенками скважины, тем самым сведя к минимуму вероятность образования пробок.

На основании полученных выше математических зависимостей были построены траектории перемещения частиц гравия в фильтровой зоне скважины (рисунок 3).

 

6

 

5

 

4

 

3

 

2

 

1

 

 

1 – угол наклона 50;     2 – угол наклона 100; 3 – угол наклона 150;

4 – угол наклона 200; 5 – угол наклона 250; 6 – угол наклона 300.

Рисунок 3 - Зависимость движения частиц гравия диаметром 3мм от угла наклона выходных отверстий распределительного узла, при производительности насоса 1л/с

Анализ полученных графиков позволил определить рациональные геометрические размеры распределительного устройства при сооружении геотехнологических скважин на участках АО НАК «Казатомпром»:

- наиболее рациональным углом наклона выходных отверстий распределительного узла является угол равный 200, при котором максимальное отклонение частицы гравия, выходящей из последнего, находится на таком расстоянии от боковой поверхности каркаса фильтра, при котором исключается ее контакт с заглинизированной стенкой скважины (0,13м по оси Х); при углах, меньше 200, значительно возрастают габаритные размеры (длина) распределительного устройства, материалом для изготовления которого служит нержавеющая сталь;

- существенное влияние на траекторию движения частицы оказывает и ее диаметр. При формировании качественного гравийного фильтра во избежание образования гравийных пробок, частицы гравия, выходя из выходных отверстий распределительного узла, не должны соприкасаться с заглинизированными стенками скважины. Для исключения залипания гравия это условие выполняется при проведении работ с использованием гравия с максимальной фракцией 3мм.

Из полученных уравнений (7, 8) и рисунка 3 следует, что исключение контакта с заглинизированными стенками скважины достигается при следующем условии:

 

,                                                                    (9)

 

где    Хmax – максимальное расстояние от боковой поверхности каркаса фильтра;

          Dскв – диаметр скважины после расширения;

          dф – диаметр каркаса фильтра.

В работе определена также производительность гравийной обсыпки предлагаемым способом, которая в несколько раз превосходит производительность существующей технологии. Так как в конструкцию разработанного распределительного устройства входит эжектор для придания первоначальной скорости водогравийного потока по колонне бурильных труб, то в работе приводятся расчеты конструктивных параметров эжектора.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям, целью которых является проверка полученных теоретических зависимостей, их уточнение и разработка технологии сооружения гравийных фильтров.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- создание   лабораторной   установки   для   проведения  экспериментальных работ;

- разработка методики проведения экспериментальных работ;

- осуществление планирования  эксперимента  с  целью  определения максимума отклонения частиц гравия от каркаса фильтра при минимальном количестве проведенных опытов;

- получение  зависимости  траектории  движения частиц гравия от дебита скважины при откачке.

Для решения указанных задач был разработан стенд, представленный на рисунке 4, имитирующий прифильтровую часть откачной технологической скважины, сооружаемой на объектах АО НАК "Казатомпром".

Стенд представляет собой корпус 1, выполненный из оргстекла в виде трубы диаметром 500 мм. В нижней, придонной части корпуса 1, имеется штуцер  с  вентилем  2, к которому присоединен шланг 3 большого диаметра (dвн = 35 ÷ 40 мм). Второй конец шланга 3 через вентиль 4 соединен с емкостью 5 объемом 2 м3. Превышение дна емкости над дном корпуса 1 составляет 2,5 м. Внутри корпуса 1 коаксиально расположена внутренняя труба 6 диаметром 350мм с мелкими отверстиями на боковой поверхности. Труба выполнена из оргстекла и является имитатором расширенного участка скважины в пределах водоносного пласта, куда поступает гравийная обсыпка фильтра 7. Последний представляет собой полихлорвиниловую трубу ПВХ 90/8, с наружным диаметром 90 мм и толщиной стенки 8 мм (внутренний диаметр 74 мм). На боковой поверхности фильтра  в  шахматном  порядке выполнены щелевые отверстия размером (0,8 ÷ 1,2) х 40 мм. Общая скважность фильтра составляет 18%.

 Рисунок 4 - Принципиальная схема экспериментального стенда для измерения параметров процесса гравийной обсыпки

 

Фильтр 7 в верхней части сопрягается на резьбе с устройством для гравийной обсыпки 8 (УГО), которое в свою очередь навинчено на  две  коаксиально  расположенные   трубки - внутреннюю  9  и наружную 10. Труба 9 представляет отрезок бурильной трубы СБТ-50, имеющей внутренний диаметр 38 мм. Верхний конец упомянутой трубы соединен с эжекторным устройством, куда первоначально подается гравий. Наружная 10 и внутренняя 9 трубы образуют кольцевое пространство, которое через систему мелких отверстий в УГО сообщается с внутренним пространством фильтра 7.

Пространство, имитирующее фильтровую часть скважины, закрыто крышкой 13. Нагнетание воды в сопловый аппарат эжектора осуществляется насосом 14. Для исключения переполнения корпуса 1 водой  служит сливная магистраль 15 с вентилем и емкостью 16. Для замера уровня воды в корпусе и вычисления ее расхода служит линейка 17, а для измерения отклонения траектории частицы гравия от вертикальной оси скважины – линейка 18.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем.

После заполнения емкости 5 водой открывают вентили 2 и 4. Вода под напором устремляется в корпус 1 и через мелкие отверстия трубы 6, щелевые отверстия фильтра 8 попадает внутрь последнего.

Далее жидкость через систему отверстий УГО, расположенных между наклонными каналами для доставки гравия, попадает в кольцевое пространство между трубами 9 и 10 и изливается в верхней части корпуса (над крышкой 13).

После заполнения верхней части корпуса (до отметки сливной магистрали 15) вентиль 2 закрывается, и включается в работу насос 14. Так как всасывающая магистраль насоса опущена в жидкость, находящуюся в верхней части корпуса, то уровень воды в последней остается неизменным. Расход насоса настраивается на величину, предварительно полученную из зависимостей (7 и 8) при теоретическом построении траектории движения частиц. Тарировка расхода насоса при работе осуществляется объемным методом.

Установив расход насоса, соединяют нагнетательную линию с соплом 11 эжекторного устройства. Включают насос и через воронку подают гравий по трубе 9 и наклонные каналы УГО в пространство между трубой 6 и фильтром 7. Визуальное наблюдение за водогравийным потоком позволяет с помощью линейки 18 определять радиальную координату частиц гравия. Продольное перемещение линейки 18 позволяет также, получить вертикальную координату частиц.

Изменяя расход поступающей из емкости 5 жидкости с помощью вентиля 2 можно получить зависимость радиального перемещения частиц гравия от дебита скважины.

В третьем разделе работы было проведено планирование эксперимента с целью определения минимального количества практических опытов для получения необходимых результатов при определении максимального отклонения частицы гравия в потоке воды при выходе из наклонных каналов распределительного устройства.

При разработанной технологии сооружения гравийного фильтра необходимо создать максимальную скорость радиального потока, направленного к каркасу фильтра, которая будет способствовать прижатию частиц гравия при выходе из наклонных каналов распределительного устройства к последнему. В связи с этим в работе был проведен расчет эрлифта, который откачивает воду из скважины, а, следовательно, способствует притоку жидкости из пласта.

Для геотехнологических скважин, сооружаемых на рудниках АО НАК "Казатомпром", расход воздуха при работе эрлифта, необходимый для создания оптимальных условий, уменьшающих возможность пробкообразования,  составляет 1,06м3/мин; минимальный внутренний диаметр водоподъемной колонны равен 70мм, что вполне соответствует диаметрам эксплуатационных колонн откачных скважин.

Анализ результатов экспериментальных работ показал большую сходимость полученных ранее теоретических зависимостей с результатами экспериментов. В работе была получена параболическая зависимость, описывающая траекторию движения частицы гравия в фильтровой зоне скважины в интервале 0,4м <L< 1,8м (кривая 4 на рисунке 3).

 

.                                       (10)

 

Сравнение кривых рассчитанных по (7, 8 и 10), показали их близкую сходимость в указанном интервале при следующих условиях:

-  угол наклона выходных отверстий распределительного узла от вертикальной оси скважины - 200;

-  диаметр частиц гравия округлой формы – 3мм;

-  дебит откачиваемой жидкости – 20м3.

Максимальная ошибка измерений на концах интервала 0,4м <L< 1,8м, составляет 12%.

На основе результатов экспериментальных работ было разработано распределительное устройство и описан принцип его работы.

Четвертый раздел работы посвящен результатам производственных испытаний разработанного распределительного устройства, которые были проведены при сооружении откачных скважин на полигонах подземного выщелачивания АО НАК "Казатомпром".

На заключительном этапе сооружения скважины осуществляется вскрытие продуктивного пласта с промывкой малоглинистым раствором. Затем происходит расширение скважины в интервале 485 – 495 м для размещения гравия. Далее устанавливается щелевой фильтр, выполненный их трубы ПВХ 90 / 8. Обсыпка гравием происходит через распределительное устройство при производительности  насоса  60 л/мин   и   расходе   откачиваемой   жидкости 20 м3/час.

Время, затраченное на создание гравийного фильтра, составило 1 час 15 мин, что на 4 часа меньше времени по ранее применяемой технологии. Время ожидания оседания гравия сократилось на 4 часа, что подтверждено проведенным геофизическим исследованием – гамма-каротажом, определяющим плотность гравийной обсыпки. 

Расчет ожидаемого экономического эффекта произведен с учетом уменьшения диаметра бурения скважины и экономии временных затрат на ее сооружение.

Ожидаемый экономический эффект при бурении одной скважины средней глубиной 500 м  составляет 108 315 тенге.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по созданию устройства для эффективного формирования фильтров с гравийной обсыпкой позволяют сделать следующие выводы:

1.  Получены аналитические зависимости, определяющие траекторию движения частиц в водогравийном потоке в интервале водоносного пласта.

2. Установлены условия соприкосновения движущихся частиц гравия   с заглинизированными стенками скважины в околофильтровой зоне, с изменением которых исключается контакт гравия со стенками скважины, что позволяет избежать образования пробок в процессе обсыпки.

3. В   результате    опытно   –   конструкторских   работ    и экспериментальных исследований разработан экспериментальный образец распределительного устройства для сооружения гравийной обсыпки (УГО) с эжекторным узлом. Определены рациональные параметры, обеспечивающие непрерывную качественную обсыпку фильтров. Оригинальность  конструкции распределительного устройства защищена патентом РК. 

4. Разработанный распределительный узел для сооружения гравийной обсыпки был испытан в производственных условиях при проходке геотехнологических скважин на нескольких месторождениях республики.

Основные результаты испытаний:

- внедрение  УГО  позволило значительно сократить время на проведение гравийной обсыпки фильтров геотехнологических скважин, а также устранить такую технологическую операцию, как ожидание оседания гравийной обсыпки;

-  использование   УГО    позволяет    сократить     диаметр     бурения скважины, а значит, и затраты времени на ее сооружение.

5.  Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного распределительного устройства при сооружении одной скважины средней глубиной 500 м  составляет 108 315 тенге.

Капитальные затраты на создание комплекса составляют всего 15 000 тенге, а срок окупаемости затрат – менее года.

Таким образом, цель исследований – создание комплекса технико-технологических средств сооружения гравийной обсыпки УГО, которое в сложных геологических условиях обеспечивает повышение технико-экономических показателей буровых работ и повышение качества гравийных фильтров – достигнута. Разработанный комплекс по большинству показателей  превосходит существующие аналоги.

Задачей дальнейших работ является широкое внедрение разработанного технико-технологического средства для создания гравийных фильтров в практику буровых организаций республики.

 

 

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

1. Шеметов Д.В. Создание гравийной обсыпки в скважине // Вестник КазНТУ. – Алматы, 2005. – № 4 (48). – С. 28 - 32

2. Шеметов Д.В., Федоров Б.В. Устройство для создания гравийной обсыпки   в   скважине  //  Предварительный    патент   Республики  Казахстан № 17267. Бюллетень промышленная собственность №4, 2006

3. Шеметов Д.В.Создание гравийной обсыпки в скважине // Сборник докладов второй Международной научно – практической конференции "Горное дело и металлургия в Казахстане: Состояние и перспективы". – Алматы: Изд. КазНТУ, 2006. – С. 198 – 201

4. Шеметов Д.В. Новая технология сооружения гравийного фильтра в скважине // Вестник Национальной инженерной академии Р.К.. – Алматы, 2007. - № 2(24). – С. 84 – 88

5. Шеметов Д.В. Новая технология сооружения гравийного фильтра в скважине // Материалы шестой международной конференции "Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр". – Москва-Караганда, 2007

6. Шеметов Д.В., Федоров Б.В. Траектория движения частицы гравия в фильтровой зоне с использованием новой технологии обсыпки //  Материалы республиканской научно – технической конференции "ISTIQLOL" (с международным участием) "Геотехнология: инновационные методы недропользования в XXI веке". – Москва – Навоий, 2007

7. Шеметов Д.В. Математическое моделирование создания гравийной обсыпки  фильтров  скважин  // Горный журнал Казахстана. – Алматы, 2007. - № 7 (35). – С. 21 – 23.

 

 

 

 

 

 

 

ТҰЖЫРЫM

 

Шеметов Дмитрий Валерьевич

 

диссертациялық жұмыс такырыбы:

"Өндіруге таратушы қондырғы гравийлық филтірлердің

технологиялық ұңғыма құрылысына арналған"

 

05.05.06. - Таулы машиналар

 

 Зерттеу нысаны болып, технологилық ұңғымалардың гравийлік сүзгілерін жасауға арналған техникалық-технологиялық құралдарды әзірлеуді және жасауды ғылыми дәйектеу табылады.

Жұмыстың мақсаты терең гидрогеологиялық және геотехнологиялық ұңғымалардың сапалы гравийлік сүзгілерін жасауға мүмкіндік беретін тарату құрылғысын әзірлеу, жасау және енгізу.

Жұмысты орындау әдісі. Жұмыс жүргізу барысында келесі зерттеу әдістері қолданылды: әдеби дерек, сараптамалар мен патенттік зерттеу, ЭЕМ арқылы өңдеп алынған аналитикалық және тәжірибелік зерттеу.

Тәжірибелі – конструкторлық жұмыстар таратылу жабдықтарын құру бойынша,  сүзге гравийлік тастарды орналастыру ұшін, оның өндірістік жағдайдайдағы сынағы мен алынған нәтижелік анализі нәтижелері.

Жұмыстың нәтижелері. Сараптаушылық зерттеулердің барысында ұңғыманың сүзгілік аймағындағы (өнімдік қабат арақашықтығындағы сүзгі қаңқасы мен ұңғыманың кеңейтілген диаметрі арасындағы) гравий бөлшектерінің қозғалыс траекториясын анықтау жөніндегі есептер шешілді. Гравий бөлшектерінің қозғалыс процестерін ЕЭМ-де үлгілеудің нәтижесінде, ұңғыманың тіке өзегінің және гравийдің ұңғыма қабырғаларына тимей сүзгілік аймаққа келіп түсетін тарату құрылғысының шығушы арналарының арасындағы есептік рационалдық бұрыш алынды. Бұрғылау бағанының ішіндегі су-гравий ағынының шығындары және тығынның түзілу және бөлшектердің жабысып қалу мүмкіндігін болдырмайтын ұңғымадан сорып алынатын сұйықтықтың дебиті анықталды және эжектордың және эрлифттің сәйкес сипаттамалары есептелді.

Жерастылық ұңғымалық сілтісіздендіру әдісімен уран шикізатын өндіруге арналған геотехнологиялық ұңғымалардың қазіргі кезде бар құрастырмаларына қатысты сүзгі қаңқасын гравиймен жабуға арналған тарату құрылғысының параметрлері анықталды. Геотехнологиялық ұңғымалардың сүзгілік бөлігіне ұқсастырылған тәжірибелік стенд жасалды. Стендте жүргізілген жұмыстар теориялық зерттеулердің нәтижелерінің дұрыстығын көрсетті және ұңғыма қабырғаларына ең жақын жерде орналасқан арақашықтықтағы гравий бөлшектерінің траекториясын сипаттайтын қарапайым параболалық тәуелділікті алуға мүмкіндік берді. 

 

Сүзгілерді гравиймен жабуға арналған құрылғының негізгі құрастырмалық сипаттамалары:

- "Казатомпром" ҰАК АҚ нысандарында қолданылатын жағалатылған бағандардың қазіргі кезде бар геометриялық өлшемдерімен  ұңғыманың және сүзгі қаңқасының арасындағы сақиналық кеңістікке гравийді тікелей беруге арналған таратушы торап;

-         эжекторлық түйін, ұңғыма конструкциясының уран өнімін шығару ерекшеліктерін ескерді;

-         бұрғылау тізбегі – бұл су ағынында, гравийді тасымалдау жүйсі болып табылады.

Енгіздіру дәрежесі. «Казатомпром ҰАК» АҚ объектілерінде өткізілген өнеркәсіптік сынақ тәжірибе технологиямен ұсынылған гравийлік тастарды енгізуге арналған.

Енгізу жөніндегі ұсыныстар. Ұсынылатын технология және сәйкес техникалық құралдар, сорып алушы, және де суы бар құмдақ қабаттарды пайдаланатын гидрогеологиялық ұңғымаларды жабдықтау кезінде енгізуге ұсынылады.

Қолданылу саласы. Суы бар өнімдік құмдақ қабаттарды пайдаланатын гидрогеологиялық және геотехнологиялық ұңғымалардың сүзгілік бөлігін жасау кезінде гравийлік жабындысы бар сүзгілерді жасау.

Экономикалық есептеу тиімділілгі «Казатомпром ҰАК» АҚ обектілерінде бір геотехнологиялық ұңғыма бұрғылауға, орташа алғанда 500м, 108 315 тенгені құрайды.

Даму туралы болжалдық жорамалдар. Қазақстан Республикасында жерасты суларын пайдалунға арналған гидрогеологиялық ұңғымалар және суы бар құмдақ қабаттармен байланысқан уран шикізатын және басқа да пайдалы қазбаларды өндіру үшін жұмыс істейтін геотехнологиялық ұңғымалардың көп мөлшері жасалуда.

Алдағы жылдарда уран шикізатын өндіру күрт жоғарылайды, оның экспорты бойынша Қазақстан әлемде алдыңғы қатарлардың бірінде, ал 2010 жылға қарай бірінші орынға шығуды жоспарлауда. Суы бар құмдақ қабаттармен байланысқан уран шикізатын өндіру өнімдік қабаттардың сенімді әрі ұзақ уақыт бойы пайдаланылуын қамтамасыз ететін гравийлік сүзгілердің сапасына көбінесе байланысты. Осыған байланысты жасалып шығарылған сүзгінің гравийлік жабындысын қалыптастыруға арналған тарату құрылғысы кең таралуға ие болады және кейіннен сорып алу үшін пайдалану бағанының ішіне келіп түсетін өнімдік ерітінділердің сенімді тазартылуын қамтамасыз етеді.

RESUME

 

Dmitriy Shemetov

 

of dissertation thesis:

"The designing of distribution device

for construction of the gravel packed filters"

 

05.05.06. – Mining machinery

 

The subject of research is scientific substantiation of designing and making of a technical-technological device aimed for construction of the gravel packed filters of the technological holes.

 

The object of research is designing, making and introduction of the distribution device, which enables to construct the qualitative gravel packed filters of the deep hydro-geological and geotechnological holes.

 

The method of research. At carrying out the research the following methods of research where applied: literary sources analysis and patent research; analytical and experimental studies with data processing; engineering works for designing of the distribution device for construction of gravel package of the filters, its testing in the production conditions and analysis of the data received.

 

Results of research. During analytical researches the task by definition of a trajectory of movement of particles of gravel in filter zone of a well (between a skeleton of the filter and extended diameter of a hole in an interval of a productive layer) is decided. As a result of modeling process of moving of particles of gravel on the COMPUTER, the settlement rational corner between a vertically axis of a well and target channels of the distribution device is received, on which the gravel gets in filter zone, not concerning walls of a hole. The charges water-gravel flow inside a boring column and production of a liquid, pumped out from a well are determined which exclude an opportunity bridging in annulus and hydraulic lock of particles and the appropriate characteristics ejector and air lift are designed.

Parameters of the distribution device for gravel pack around the filter, with reference to existing designs of geotechnological wells for extraction of uranium raw material by a method underground leaching are determined. The experimental stand simulating a filter part of geotechnological wells is created. The jobs which have been carried out at the stand, have shown reliability of results of theoretical researches and have allowed to receive the simple parabolic dependence describing a trajectory of movement of particles of gravel in an interval, taking place in the greatest affinity to walls of a hole. 

 

 

 

The main structural characteristics of the distribution device:

-         distribution device designed for construction of the gravel packed filters with existing geometrical parameters of the casing strings used at the facilities of JSC NAС KazAtomProm;

-         Ejector block heeding the special features of structure of the holes for uranium product output;

-         Drilling string, which is a channel for transportation of gravel in the water stream.

 

Introduction grade. Experimental-industrial testing with respect to construction of the gravel package on basis of the proposed technology carried at the facilities of JSC NAC KazAtomProm of the production wells filters.  

 

Recommendations for introduction. The proposed technology and respective technical means are recommended for introduction when completing the production holes and also hydro-geological holes operating in water bearing sand.

 

Area of application. Creation of the gravel pack filters of a part of hydro-geological and geotechnological wells maintaining sandy and water  productive layers.

 

Economic benefit will come to an average of 108 315 KZT at drilling of one geotechnological well 500m deep, at the facilities of JSC NAC KazAtomProm. Economic benefit has been achieved by reduction of diameter of the drilled holes and possibility to change the failing frame of the filter.

 

Prognostic assumption of development. In Republic of Kazakhstan in the large volumes the hydro-geological wells intended for operation of underground waters, and geotechnological wells serving for production of uranium raw material and other minerals, connected with sandy by water layers are constructed.

The coming years production of uranium raw material sharply will increase, on which export of Kazakhstan occupies one of conducting places in the world, and by 2010 plans to leave on the first place. The production of uranium raw material connected with sandy water by layers, in many respects depends on quality of a structure of gravel packs, which provide reliable and long-term operation of productive layers. In this connection developed switching centre for formation gravel pack around the filter will find more and more wide circulation and will supply reliable clearing of productive solutions acting inside of an operational column for production.