Расчет комбинированной скважинной гидродобычи янтароносных песчано-глауконитовых песков

1.

к.т.н. горный инженер, геотехнолог, гидрогеолог
Николай Дмитриевич Бычек (Россия. Астрахань)
Астрахань. тел. +7 927 586 3826 e-mail: sapropex@mail.ru
Расчет комбинированной скважинной гидродобычи янтароносных
песчано-глауконитовых песков
В процессе использования разработанного скважинного гидромониторногидроэлеваторного снаряда (СГГС), рассчитанного на концентрацию пульпы в
выдаваемой на поверхность смеси 20% (нормальный режим работы гидроэлеватора),
плотность размываемых песчано-глауконитовых пород 2400-2600 кг/м³, оптимальной
подачей насосной группы 180 м3/ч при напоре 4,5 МПа оказалось, что: 1) консистенция
пульпы превышает оптимальную и даже максимально допустимую (30%) при которой
работает гидроэлеватор, 2) насосная группа не подает на СГГС требуемый объем воды
(180 м3/ч).
Заказчиком и проектировщиком совместно принято решение обеспечить нормальную
работы СГГС на добыче необводненных янтароносных песчано-глауконитовых пород с
учетом появившихся обстоятельств, при этом не уменьшая производительность системы в
целом.
Проектировщик за основу принимает имеющийся у Заказчика насос CAPRARI PMXHT
100/9 с характеристиками нормального режима эксплуатации (напор 7,1 МПа,
производительность 120 м3/ч).
Для облегчения системы при гидроэлеваторной откачке пульпы с повышенной
концентрацией (со слов Заказчика она превышает 30%) предложен вариант работы
системы совместно с эрлифтом.
Расчетные параметры эрлифта для обеспечения нормальной работы СГГС с
повышенными концентрациями пульпы: объем подаваемого компрессором воздуха на
эрлифт – 130-150 м3/ч, диаметр воздухоподающей трубы – 55-60 мм, заглубление
воздухоподающей трубы под динамический уровень пульпы в затрубном пространстве
технологической скважины – 9 м, концевик воздухоподающей трубы (около 1 м)
выполнен с перфорацией минимум 60-85%, исходя из условий, чем меньше пузырьки
воздуха, тем большей подьемной силой они обладают в отношении к пульпе.
Из-за изменений напора и объема воды (согласно изменившихся характеристик
выбранного насоса) на СГГС потребуется заменить пульповыдачную трубу на муфтах
цельным высоконапорным пульповыдачным шлангом внутренним диаметром 150 мм и
давлением на выходе из диффузора максимум 0,52 МПа.
1. Исходные параметры:
Глубина разработки: 25 м
Параметры насоса:
o Напор: 7,1 МПа (71 бар)

2.

Производительность: 120 м³/ч
Диаметры трубопроводов:
o Пульпопровод: 150 мм
o Водопровод: 110 мм
o Камера смешения: 140 мм
o Воздухопровод: 60 мм
Эрлифт:
o Глубина аэрации: 21 м
o Расход воздуха: 130 м³/ч
Характеристики породы:
o Тип: песчано-глауконитовые
o Плотность: 2600 кг/м³
o Оптимальная концентрация пульпы: 20-25%
o
2. Оптимальное распределение расходов:
Гидромонитор: 75 м³/ч (62,5%)
Гидроэлеватор: 45 м³/ч (37,5%)
3. Расчет рабочих органов:
Гидромонитор:
Давление на срезе: 6,8 МПа (с учетом потерь)
Скорость струи: 110 м/с
Диаметр насадки: 16 мм
Дальность эффективного размыва: 0,7-1,0 м
Гидроэлеватор:
Диаметр сопла: 13 мм
Скорость рабочей струи: 105 м/с
Параметры камеры смешения:
o Диаметр: 140 мм
o Длина: 700 мм (5 диаметров)
Диффузор:
o Длина: 300 мм
o Угол раскрытия: 8°
4. Производительность системы:
Размыв породы: 18,75 м³/ч
Объем пульпы: 63,75 м³/ч
Концентрация пульпы: 22,7%
5. Проверочные расчеты:
Водоподающая труба (110 мм):
Скорость потока: 3,5 м/с (допустимо до 4 м/с)
Потери напора: 0,12 МПа

3.

Совместная работа с эрлифтом:
Дополнительная производительность: +40 м³/ч
Суммарный подъем пульпы: до 90 м³/ч
Таким образом, СГГС работает с объемом воды
6. Итоговые технические характеристики:
Параметр
Значение
Распределение расходов:
- Гидромонитор
75 м³/ч (62,5%)
- Гидроэлеватор
45 м³/ч (37,5%)
Диаметры насадок:
- Гидромонитор
16 мм
- Гидроэлеватор
13 мм
Дальность размыва
0,7-1,0 м
Производительность:
- Размыв породы
18,75 м³/ч
- Пульпа
63,75 м³/ч
Концентрация пульпы
22,7%
Конструктивные параметры:
- Камера смешения
Ø140×700 мм
- Диффузор
300 мм, 8°
7. Рекомендации по эксплуатации:
1. Контроль скорости в водоподающей трубе (не более 4 м/с)
2. Регулярная проверка износа насадок (рекомендуемый материал - карбид
вольфрама)
3. Поддержание концентрации пульпы в диапазоне 20-25%
4. Мониторинг давления в системе эрлифта
5. Оптимальное расстояние до забоя: 0,8-0,9 м
6. Обязательно проверить расчетные данные при апробации работы СГГС в шурфе.

4.

*Примечание: Расчеты выполнены для необводненных песчано-глауконитовых пород с
плотностью 2600 кг/м³. Для других условий требуется корректировка параметров*.
Если при грубой настройке СГГС и ее апробировании в экспериментальном шурфе
не достигаются расчетные показатели, значит в изготовлении изделия или в его
настройке допущены ошибки. Следует все перепроверить!
Расчет давления в пульповыдачной трубе на выходе из диффузора
Данный расчёт необходим для правильного выбора гибкой сплошной (без соединений)
пульповыдачной трубы
1. Исходные данные:
Глубина скважины: 25 м
Напор насоса: 7,1 МПа (на входе в систему)
Расход пульпы: 63,75 м³/ч (из предыдущих расчетов)
Концентрация пульпы: 22,7% (плотность ≈ 1350 кг/м³)
Диаметр пульповыдачной трубы: 150 мм
Диффузор:
o Длина: 300 мм
o Угол раскрытия: 8°
o Входной диаметр: 140 мм (камера смешения)
o Выходной диаметр: 150 мм
2. Формулы для расчета:
Давление на выходе из диффузора определяется по уравнению Бернулли для реальной
жидкости с учетом потерь:
где:
Pвх — давление на входе в диффузор (после камеры смешения),
ρ — плотность пульпы (1350 кг/м³),
v — скорость потока на выходе из диффузора,
ΔPтр — потери на трение в трубе,
ΔPдифф — потери в диффузоре.
3. Расчет параметров потока:
Скорость пульпы в трубе (150 мм):
Скорость в камере смешения (140 мм):

5.

4. Потери давления:
А. Потери на трение в трубе (25 м):
Используем формулу Дарси-Вейсбаха:
Коэффициент трения λ ≈ 0,03 (для стальной трубы),
Длина L=25 м, диаметр D = 0,15м.
Подставляем:
Б. Потери в диффузоре:
Для угла 8° и отношения площадей (A2/A1) = (150/140) 2 ≈ 1,15:
Коэффициент потерь ζ≈0,2 (для плавного диффузора).
Подставляем:
5. Давление на выходе из диффузора:
Принимаем:
Давление на входе в диффузор Pвх ≈ 0,2МПа (после камеры смешения),
Гидростатический напор ρgh = 1350×9,81×25 ≈ 0,33МПа.
Подставляем в уравнение Бернулли:
Итог:
Давление на выходе из диффузора в пульповыдачной трубе составит ~0,52 МПа (5,2 бар).
6. Проверка работоспособности:

6.

Давление 0,52 МПа достаточно для подъема пульпы на 25 м (требуется минимум
0,33 МПа).
Запас давления 0,19 МПа компенсирует:
o Дополнительные потери в арматуре,
o Возможное увеличение концентрации пульпы до 25%.
7. Рекомендации:
1. Установить манометр на выходе диффузора для контроля.
2. При росте концентрации >25% увеличить расход воды в гидроэлеваторе.
3. Для уменьшения потерь:
o Использовать гладкие трубы (нержавеющая сталь или HDPE),
Примечание: Расчет справедлив для установившегося режима работы и пульпы без
крупных фракций (>5 мм). При подъеме янтаря система немного будет
разбалансироваться, Так как явление не постоянное, янтарь не идет сплошным потоком,
его удельный вес близок к удельному весу воды, то этим можно принебречь.
Расчет коэффициента эжекции гидроэлеватора
Этот расчет необходим для понимания условий работы СГГС в скважине в оптимальном
режиме и критических условиях.
При нарушениях технологии размыва породы и последовательности выполнения
технологических операций концентрация пульпы, идущей из добычной камеры к всасу
гидроэлеватора, может увеличиваться и превышать допустимое значение нормальной
работы СГГС (плотность пульпы 1350 кг/м³), что приведет к разбалансированности
системы и прекращении ее нормальной работы.
В этом случае важно оптимальное значение коэффициента эжекции! Рассчитываем его:
1. Исходные данные (из предыдущих расчетов):
Расход рабочей жидкости (вода): Qр = 45 м3/ч = 0.0125 м3/с
Расход эжектируемой жидкости (пульпа): Qэ = 63.75 м3/ч = 0.0177 м3/с
Концентрация пульпы: 22.7%
Давление на входе в сопло: 7.1 МПа
Диаметры:
o Сопло гидроэлеватора: 13 мм
o Камера смешения: 140 мм
2. Формула коэффициента эжекции:
Подставляем значения:

7.

3. Проверка на допустимость:
Для песчано-глауконитовых пород с концентрацией 20–25%:
Оптимальный диапазон K: 1.0–2.0
Расчетное значение K = 1.42 находится в допустимых пределах.
4. Уточнение с учетом плотности пульпы:
Плотность пульпы (ρп):
Массовый коэффициент эжекции:
5. Влияние параметров системы на K:
Увеличение K возможно при:
o Снижении концентрации пульпы (<20%), что для Заказчика не желательно)
o Увеличении диаметра сопла (но уменьшится скорость струи).
Уменьшение K требуется при:
o Засорении трубы (рост давления),
o Повышении концентрации (>25%).
6. Итоговые значения:
Параметр
Значение
Объемный коэффициент эжекции (K)
1.42
Массовый коэффициент (Kм)
1.92
Рекомендуемый диапазон K
1.0–2.0
7. Рекомендации:
1. Для повышения K до 1.5–1.8:
o Увеличить диаметр сопла до 14 мм (снизит скорость струи до 90 м/с),
o Уменьшить концентрацию пульпы до 20%.
2. Контролировать:
o Давление в камере смешения (норма: 0.2–0.3 МПа),
o Износ сопла (при абразивном износе K падает).
Вывод

8.

Рекомендации по п.7.1 выполнить довольно сложно без спуско-подъемных операций и
аварийного режима работы, то требуется идеальное соблюдение технологии
ведения работ, что вполне реально!
Рекомендации по п.7.2 вполне выполнимые при правильном ведении технологии работ
и периодической замене насадки гидроэлеватора и гидромонитора.
Что понимается под соблюдением технологии ведения работ:
1. Обеспечивать требуемый напор (7,1 МПа) и подачу воды (120 м3/ч) для СГГС,
2. Своевременно менять насадки гидромонитора и гидроэлеватора, труб при износе,
3. Не стремиться извлечь из технологической скважины больше породы, чем это
обусловлено расчетом
4. При изменение горно-геологических параметров янтароносного песчаноглауконитового слоя производить перерасчет системы с учетом изменений.
5. Придерживаться технологии вскрытия и добычи янтароносных пород
согласно расчетных параметров:
- первоначально между насадкой гидромонитора и всасом гидроэлеватора в
подстилающих продуктивный слой породах формируется расширенное пространство
(зазор) 3-4 диаметра максимальных обрушаемых под струей воды кусков породы
(теоретически для необводненных глауконитовых пород 120-150 мм) – минимум 360
мм,
- которое к нижней границе продуктивного слоя расширяется и формирует уклон
днища будущей добычной камеры.
- градус уклона днища определяется гидравлической крупностью размываемых пород
и углом естественного откоса.
Размыв пород продуктивного слоя после выполнения вышеперечисленного
производят в последовательности:
- первоначально на нижней границе продуктивного слоя выполняют вруб струей
гидромонитора и в горизонтальной плоскости от него с поворотом гидромониторной
струи (180-360*) формируют подрезную щель, на которую в последующем будет
идти обрушение размытых пород продуктивного слоя.
- продлевают вруб на всю мощность янтароносного слоя, формируя тем самим
разгрузочное пространство в случае закупоривания всаса гидроэлеватора размытой
породой.
- опускают гидромонитор в нижнюю часть формируемой добычной камеры и подняв
его над подрезной щелью, поворачивая по горизонтали, осуществляют размыв
кругового сегмента янтароносного слоя, повторяя ее геометрию и т.д до полной
отработки слоя по всей мощности.
- если происходит затопление добычной камеры (забился зазор между
гидромонитором и всасом гидроэлеватора) - падает производительность разрушения
пород и концентрация пульпы, насадку гидромонитора возвращают в положение
первоначального вруба и делают несколько поступательных движений вверх-вниз с
медленным опусканием насадки гидромонитора на уровень нижней границы
продуктивного слоя, тем самим очищая скважину и требуемый зазор от
обвалившейся породы. После процесс продолжается в требуемом режиме.
- если произошло обрушение размываемых янтароносных пород в добычной
камере и закрыло вход пульпе к всасу гидроэлеватора. Идет осветленная пульпа,
а потом и чистая вода. Процесс, описанный выше повторяют!
- если в процессе добычных работ пошла осветленная пульпа, а потом и чистая
вода. Изменились горно-геологические условия размываемого слоя, увеличилась
концентрация пульпы, гидроэлеватор не в состоянии поднять ее на поверхность,
начинается засорениее (заиление) зазора, поднимается пульпа по затрубному

9.

пространству. Процесс устранения аварийной ситуации повторить как описано
выше!