способ скважинной гидродобычи соли и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ скважинной гидродобычи соли, включающий вскрытие соляного пласта буровыми скважинами, гидроизоляцию пород кровли установкой обсадной колонны, размещение в скважине гидродобычного снаряда, подачу воды под давлением, размыв и растворение соли с одновременной выдачей образующегося рассола на поверхность и формированием очистной камеры и управление формообразованием камеры подачей сжатого воздуха с созданием пневмоподушки и оттеснением гидродинамического уровня рассола в формируемой камере от плоскости ее кровли, при этом до начала формирования очистной камеры в стенках скважины проходят подготовительные щелевые выработки, отличающийся тем, что на период проходки подготовительных выработок гидродинамический уровень рассола в скважине поддерживают ниже гидромониторной секции снаряда, осушают таким образом забой и проходкой щелей в пределах контура усеченного конуса, ось которого совпадает с осью скважины, а высота равна выемочной мощности соляного пласта, формируют щелевой коллектор, после чего давление воздуха в щелевом коллекторе сбрасывают, заливают его водой и приступают к формированию очистной камеры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество щелей в щелевом коллекторе определяют из соотношения

n Q/0,01r_cpcos,

где Q расход воды, м/ч;

r_ср средний радиус конуса, м;

m выемочная мощность соляного пласта, м;

угол наклона щели к вертикали, град.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование щелевого коллектора осуществляют по-интервально с шагом, кратным длине секции става упомянутого снаряда.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что щелевой коллектор формируют в виде винтовой спирали.

5. Устройство для скважинной гидродобычи соли, включающее верхний оголовок, водоподающий став, рассолопровод, коаксиально установленный внутри става, сообщенную со ставом гидромониторную секцию и сальник, размещенный между ставом и гидромониторной секцией, содержащей по крайней мере один гидромонитор, отличающееся тем, что в кольцевом зазоре между стенками става и рассолопровода коаксиально установлено стопорное кольцо с перепускными отверстиями, жестко закрепленное на внутренней поверхности става, выходные торцы гидромониторов жестко установлены на наружной поверхности стопорного кольца, и совмещены с упомянутыми перепускными отверстиями, на сальнике жестко установлена ограничительная гильза, наружная поверхность которой выполнена с возможностью герметизации входа в перепускные отверстия стопорного кольца, ниже ограничительной гильзы в рассолопроводе выполнены отверстия диспергатора, а расстояние между ограничительной гильзой и диспергатором равно половине расстояния между гидромониторной секцией и сальником, при этом коаксиально установленный внутри става рассолопровод выполнен с возможностью перемещения вдоль его продольной оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке растворимых полезных ископаемых, в том числе каменной соли, способом СГД. Изобретение может найти также применение в строительном деле при сооружении через скважины подземных хранилищ для животных и газообразных продуктов.

Известен способ скважинной гидродобычи соли, включающий вскрытие соляного пласта буровыми скважинами, гидроизоляцию пород кровли установкой обсадной колонны, размещение в скважине гидродобычного снаряда, подачу воды под давлением, размыв и растворение соли с одновременной выдачей образующегося рассола на поверхность и формированием очистной камеры и управлением формообразованием камеры подачей сжатого воздуха с созданием пневмоподушки и оттеснением гидродинамического уровня рассола в формируемой камере от плоскости ее кровли (см. П.М. Гофман-Захаров "Проектирование и сооружение подземных резервуаров нефтехранилищ", Будвельник, Киев, 1973, с.120-121).

Сущность способа заключается в том, что нагнетаемый в скважине сжатый воздух используют в качестве нерастворителя, так как с его помощью изолируют верхнюю часть формируемой камеры от воздействия воды и рассола. За счет регулирования местонахождения границы "воздух-рассол" осуществляют управление формообразованием камер, так как приращение объема камеры происходит лишь ниже упомянутой границы.

Недостаток способа заключается в малой производительности гидродобычи (скорости формирования камеры), особенно в начальный период, когда площадь формируемой камеры (поверхность "солесъема") еще мала.

Наиболее близким заявленному решению является устройство для скважинной гидродобычи соли (А.Д. Молчанов, Л.И. Тимофеев "Интенсификация геотехнологических процессов растворения и выщелачивания". Вища школа, Львов, 1988, с. 122 123), с помощью которого осуществляют способ скважинной гидродобычи соли, принятый за прототип, включающий вскрытие соляного пласта буровыми скважинами, гидроизоляцию пород кровли установкой обсадной колонны, размещение в скважине гидродобычного снаряда, подачу воды подл давлением, размыв и растворение соли с одновременной выдачей образующегося рассола на поверхность и формированием очистной камеры и управление формообразованием камеры подачей сжатого воздуха с созданием пневмоподушки и оттеснением гидродинамического уровня рассола в формуемой камере от плоскости ее кровли. При этом до начала формирования очистной камеры в стенках скважины проходят подготовительные щелевые выработки.

Устройство представляет собой гидромониторную секцию добычного снаряда. Секция выполнена в виде выводного исполнительного органа, шарнирно соединенного с корпусом гидродобычного снаряда. Выводной исполнительный орган имеет множество гидромониторных насадок, направленных в направлении выведения исполнительного органа в рабочее положение.

Способ осуществляют следующим образом. После установки снаряда на требуемой отметке подают под давлением воду. Истекающие из исполнительного органа гидромонитиорные струи воздействуют на стенки скважины и размывают в них вертикальный щелевой канал, позволяющий вывести исполнительный орган из транспортного в рабочее положение, то есть перпендикулярно оси снаряда. После этого снаряд плавно приводят во вращение и тем же способом проходят щелевой канал в горизонтальной плоскости. Таким образом проходят серию подготовительных щелевых выработок, увеличивая поверхность солесъема и активизируя тем самым последующую гидродобычу (растворение) соли и формирование очистной камеры.

Недостаток способа низкая надежность работы добычного снаряда, так как выводной исполнительный орган часто ломается, например, при неосторожном, резком страгивании снаряда при повороте. Кроме того, наличие шарнира, механизмов вывода его в рабочее положение и возвращения в транспортное также снижает надежность работы устройства, также оседающая на них соль снижает их подвижность и выводит их из строя.

Вторым существенным недостатком рассматриваемого технического решения является малый радиус действия гидромониторных струй. Это происходит из-за того, что размыв соли происходит "затопленным забоем", то есть истечение гидродинамических струй происходит в водную среду. В результате из-за одинаковой плотности струй и среды истечения кинематическая энергия струй быстро гаснет, снижается их размывающая способность и радиус действия.

Кроме того, известно, что в процессе гидродобычи соли форма очистной камеры приобретает вид воронки (см. например, Гофман-Захаров "Проектирование.", с. 119).

При этом увеличение поперечных размеров камеры в верхней зоне происходит со значительным опережением. В результате размер пролета кровли достигает критических размеров, в то время как полезный объем камеры остается ниже проектного. Чтобы избежать обрушения кровли, используют способ, обеспечивающий формирование фигурного свода, близкого конфигурации свода естественного равновесия, обладающего большой устойчивостью. Однако процедуры, связанные с осуществлением упомянутого метода, включающего многократные подачу и откачку нерастворителя, связаны с повышенными затратами энергии и времени, что снижает эффективность рассматриваемого технического решения. Таким образом, третьим существенным недостатком прототипа является повышение затрат энергии и времени на формирование очистных камер.

Известно устройство для скважинной гидродобычи соли, включающее верхний оголовок, водопадающий став, рассолопровод, коаксиально установленный внутри става, сообщенные со ставом гидромониторы и сальник, размещенный между ставом и рассолопроводом. (Авт. св. N 1792893, кл. B 65 5/00, 1993).

Недостатком устройства является сложности в управлении при формировании полости заданных параметров.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности способа за счет сокращения энергозатрат на формирование очистной камеры путем оптимизации геометрических параметров подготовительных выработок, а также за счет увеличения радиуса действия гидромониторных струй путем снижения плотности среды истечения.

Целью изобретения является также повышение надежности устройства за счет упрощения его конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в способе скважинной гидрободычи соли, включающем вскрытие соляного пласта буровыми скважинами, гидроизоляцию пород кровли установкой обсадной колонны, размещение в скважине гидродобычного снаряда, подачу воды под давлением, размыв и растворение соли с одновременной выдачей образующегося рассола на поверхность и формированием очистной камеры и управление формообразованием камеры подачей сжатого воздуха с созданием пневмоподушки и оттеснением гидродинамического уровня рассола в формируемой камере от плоскости ее кровли, при этом до начала формирования очистной камеры в стенках скважины проходят подготовительные щелевые выработки, на период проходки подготовительных выработок гидродинамический уровень рассола в скважине поддерживают ниже гидромониторной секции снаряда. Осушают таким образом забой, и проходкой щелей в пределах контура усеченного конуса, ось которого совпадает с осью скважины, а высота равна мощности соляного пласта, формируют щелевой коллектор, после чего давление воздуха в щелевом коллекторе сбрасывают, заливают его водой и приступают к формированию очистной камеры.

Поставленная цель достигается также тем, что количество щелей в щелевом коллекторе определяют из соотношения:

nQ/0,01r_cpmcos

где Q расход воды, м³/ч;

r_ср средний радиус конуса, м;

m мощность соляного пласта, м;

угол наклона щели к вертикали, град; 0<90.

Поставленная цель достигается также тем, что формирование щелевого коллектора осуществляют по-интервально с шагом, кратным длине секции става упомянутого снаряда.

Поставленная цель достигается также тем, что щелевой коллектор формируют в виде винтовой спирали.

Осуществление поставленной цели достигается использованием устройства для скважинной гидродобычи соли, включающим верхний оголовок, водоподводящий став, рассолопровод, коаксиально установленный внутри става, сообщенную со ставом гидромониторную секцию и сальник, размещенный между ставом и рассолопроводом под гидромониторной секцией, содержащей, по крайней мере, один гидромонитор, при этом в кольцевом зазоре между стенками става и рассолопровода коаксиально установлено стопорное кольцо с перепускными отверстиями, жестко закрепленное на внутренней поверхности става, входные торцы гидромониторов жестко установлены на наружной поверхности стопорного кольца и совмещены с упомянутымии перепускными отверстиями, на сальнике жестко установлена ограничительная гильза, наружная поверхность которой выполнена с возможностью герметизации входа в перепускные отверстия стопорного кольца, и ниже ограничительной гильзы в рассолопроводе выполнены отверстия диспергатора, а расстояние между ограничительной гильзой и диспергатором равно половине расстояния между гидромониторной секцией и сальником, при этом коаксиально установленный внутри става рассолопровод выполнен с возможностью перемещения вдоль его продольной оси.

Существенность перечисленных выше отличительных признаков заключается в следующем.

Поддержание гидродинамического уровня рассола в скважине ниже гидромониторной секции снаряда обеспечивает "осушение" забоя. Гидромониторные струи из насадок истекают в воздушную среду, имеющую меньшую плотность, чем плотность рассола. В свою очередь уменьшение плотности среды истечения обеспечивает увеличение радиуса действия гидромониторных струй.

Формирование щелевого коллектора в пределах контура усеченного конуса обеспечивает выравнивание скоростей увеличения поперечных размеров (диаметра) камеры в верхней и нижней ее зонах в процессе ее формирования. Известно (см. например, Гофман-Захаров), что в отсутствие специальных мероприятий развитие очистной камеры происходит в форме воронки. Упомянутое выравнивание происходит за счет различия в форме воронки и конуса. В то время как диаметр воронки (в направлении сверху-вниз) уменьшается, диаметр конуса увеличивается. Таким образом, формирование в стенках скважины подготовительных щелей в пределах контура усеченного конуса активизирует растворение соли в нижней зоне формируемой камеры и, в итоге, компенсирует опережающее развитие камеры в верхней зоне, то есть способствует более равномерному приращению диаметра камеры по ее высоте. В свою очередь это позволяет отказаться от мероприятий, связанных со строго лимитированной подачей и отбором нерастворителя, обуславливающими повышенные энергозатраты. Другими словами сокращение энергозатрат параметров подготовительных щелевых выработок.

Формирование щелевого коллектора с количеством щелей, определяемым из соотношения nQ/0,01r_cpmcos способствует достижению максимальной производительности гидродобычи с начального момента формирования очистной камеры за счет создания оптимального соотношения расхода воды и площади солесъема.

Осуществление поинтервального формирования щелевого коллектора с шагом, кратным длине секции става обеспечивает сокращение затрат времени на операции по свинчиванию развинчиванию упомянутых секций. Действительно, если для поочередной проходки, например коллектора из шести щелей высотой 100 м каждая с использованием 10-ти метровых, требуется произвести 6 100/10 60 операций по развинчиванию, то проходка всех 6-ти щелей в пределах длины каждого 10-ти метрового интервала требует всего одной операции по развинчиванию. Следовательно, на проходку всего коллектора их потребуется 100:10 10.

Формирование коллектора в виде винтовой спирали приводит к созданию щелевых выработок оптимальной формы, так как отработанная (отразившаяся от забоя) вода, стекая по винтовой линии, производит активное попутное растворение соли вплоть до предельного насыщения (310 315 г/л). В случае проходки вертикальных щелей часть отработанной воды в виде брызг опускается вниз, пополняя объемы накапливающегося рассола. При этом концентрация соли в отработанной воде невысока из-за весьма кратковременного контакта с забоем (доли секунды). В случае же горизонтального расположения щелей (в виде отдельных линз) будут образовываться застойные зоны, сдвижение рассола в которых будет отсутствовать, что приведет к торможению процесса растворения соли.

Размещение коаксиально стопорного кольца в кольцевой зазоре между стенками става и рассолопровода обеспечивает фиксирование крайнего положения рассолопровода при перемещении его вверх, так как выступ на наружной поверхности ограничительной гильзы имеет диаметр, превышающий диаметр стопорного кольца.

Жесткая установка входных торцов гидромониторов на наружной поверхности стопорного кольца и совмещение их с перепускными отверстиями, выполненными в этом кольце, обеспечивает гидравлическую связь полости, находящейся внутри ограничительного кольца с затрубным пространством.

Установка сальника, охватывающего рассолопровод, обеспечивает подвижность рассолопровода относительно става при одновременной гидроизоляции полости става от затрубного пространства.

Жесткая установка на рассолопроводе ограничительной гильзы обеспечивает ограничение перемещения рассолопровода в продольном направлении, так как вверху гильза упирается в стопорное кольцо, а внизу в сальник.

Выполнение наружной поверхности ограничительной гильзы с возможностью герметизации входа в перепускные отверстия стопорного кольца обеспечивает гидроизоляцию полости высоконапорного водоподводящего става от затрубного пространства в момент, когда рассолопровод находится в крайнем верхнем положении.

Выполнение ниже ограничительной гильзы в стенках рассолопровода отверстий диспергатора и выполнение расстояния между ограничительной гильзой и диспергатором вдвое меньшим расстояния между гидромониторной секцией и сальником обеспечивает гидравлическую связь полости водоподводящего става с полостью рассолопровода, когда последний находится в крайнем верхнем положении, и связь полости рассолопровода с затрубным пространством, когда упомянутый рассолопровод находится в крайнем нижнем положении.

На фиг. 1 4 представлены щелевые коллекторы, сформированные, соответственно, вертикальными, горизонтальными, вертикальными и горизонтальными щелями и щелями в виде винтовой спирали.

На фиг. 5 7 представлено устройство (скважинный гидродобычный снаряд) для осуществления предложенного способа. На фиг. 5 ограничительная гильза вместе с рассолопроводом находятся в крайнем нижнем положении, на фиг. 6 в промежуточном и на фиг. 7 в крайнем верхнем положении. На фиг. 8 общий вид эксплуатационной скважины, гидродобычного снаряда и очистной камеры.

Способ осуществляют следующим образом. Соляной пласт 1 вскрывают буровыми скважинами 2. Обсадными колоннами 3 осуществляют гидроизоляцию пород кровли 4. В скважинах 2 устанавливают гидродобычной снаряд 5, включающий верхний оголовок, высоконапорный водоподводящий став 7, рассолопровод 8, расположенный внутри става 7 коаксиально, и нижний оголовок 9 с гидромониторной секцией, включающий, по крайней мере, один гидромонитор 10. Причем рассолопровод 8 выполнен с возможностью перемещения вдоль своей продольной оси.

В кольцевом зазоре между стенками става 7 и рассолопровода 8 жестко установлено стопорное кольцо 11 с перепускными отверстиями 12. Кольцо 11 посредством стабилизатора 13 закреплено на внутренней поверхности става 7.

Входные торцы гидромониторов 10 жестко установлены на наружной поверхности стопорного кольца 11 и совмещены с отверстиями 12. Ниже гидромониторной секции установлен сальник 14, охватывающий рассолопровод 8. На рассолопроводе 8 жестко установлена ограничительная гильза 15, наружная поверхность которой выполнена с возможностью герметизации входа в перепускные отверстия 12 стопорного кольца 11.

Ниже ограничительной гильзы 15 в рассолопроводе 8 выполнены отверстия 16 дисперагатора.

К гидромониторам 10 с поверхности через став 7 подают под давлением воду, которая в виде гидромониторных струй 17 вылетает из мониторов 10 и осуществляет размыв (фиг. 5) и растворение (фиг. 6) соли 1 с образованием рассола 18 и выдачей его на поверхность.

Одновременно с подачей воды по затрубному пространству подают сжатый воздух 19, которым опускают гидродинамический уровень 20 рассола 18 ниже гидромониторной секции снаряда 5.

При этом рассолопровод 8 устанавливают в крайнее нижнее положение так, что ограничительная гильза 15 опирается на сальник 14. В этом положении отверстия 16 диспергатора вместе с рассолопроводом 8 выдвигаются из става 7. Сжатый воздух 19 проникает внутрь рассолопровода 8 и, аэрируя рассол, включает в работу эрлифт, который активирует выдачу рассола 18 на поверхность.

Оттеснение гидродинамического уровня 20 рассола 18 ниже гидромониторной секции обеспечивает осушение забоя 21 и гидромониторных струй 17, что способствует сохранению их работоспособности на больших радиусах размыва. Кроме того, подача сжатого воздуха 19 обеспечивает создание пневмоподушки 23 с оттеснением гидродинамического уровня 20 рассола 18 от плоскости 24 кровли формируемой камеры 25, что позволяет использовать воздух в качестве нерастворителя.

Перемещая снаряд 5 вдоль оси скважины 2, вращая его вокруг собственной оси, проходят подготовительные щелевые выработки (щели) 26. При этом проходку щелей 26 осуществляют в пределах контура 27 усеченного конуса, ось которого совпадает с осью скважины 2, а высота равна выемочной мощности соляного пласта (то есть равна проектной высоте очистной камеры 25) и формируют щелевой коллектор 28.

Перед формированием щелевого коллектора 28 определяют количество щелей в нем по формуле nQ/0,01r_cpmcos, выход которой основан на следующих рассуждениях.

Известно, (Гофман-Захаров. Проектирование и сооружение подземных резервуаров нефтегазохранилищ, Будвельник, Киев, 1973, с. 195), что по достижении определенного соотношения между внутренней контактной поверхностью соли S и расходом воды Q величина концентрации рассола устанавливается постоянной. Этот порог соответствует величине Q/S 0,005 м/час. Следовательно, при достижении этого соотношения последующее растворение соли можно вести с нарастающей производительностью, так как возрастающая площадь способна отдавать все больше и больше соль.

Для этого нужно, правда, увеличивать расход воды. То есть существует реальная возможность интенсифицирования производительности СГД, причем в геометрической прогрессии.

Однако соотношение Q/S 0,005 достигается после продолжительного размыва камеры по традиционной технологии, на что уходят долгие месяцы. Например, для цилиндрической камеры высотой h 150 м это соотношение выполнено (при Q 200 м³/час),

то есть до достижения диаметра камеры 85-ти метров, на что потребуется 2 3 года.

В то же время формирование щелевого коллектора позволяет уже в начальной стадии строительства хранилища получить требуемое соотношение Q/S.

Действительно, если учесть, что каждая щель имеет две контактные поверхности, а их количество n получим , где l длина щели (она же радиус с размыва r), h высота щели. Заменив l на r, а h на высоту выемочной мощности (проектную высоту камеры) получим

n Q/0,001 r m

С учетом того, что щелевой коллектор формируют в пределах контура усеченного конуса, принимаем r равный значению радиуса в среднем сечении конуса r_ср (r₁ + r₂) 2, где r₁, r₂ - радиусы верхнего и нижнего оснований конуса.

Для наклонных (0<<90) щелей вводим тригонометрическую функцию cos, где угол наклона щели к вертикали, град. Окончательно получаем соотношение

n = Q/0,01r_cpmcos (1)

Для щелевого коллектора, сформированного горизонтальными щелями, соотношение (1) имеет другой вид.

Исходная формула:

,

подставив числовые значения получим:

Для приведенных в качестве примера условий (h 150 м, Q 200 м³/ч), получим (r_ср 20 м) по формуле (1):

щелей (вертикальных), по формуле (2)

щелей, т. е. по высоте скважины каждые 9 метров одна щель.

По завершении формирования щелевого коллектора 28 сжатый воздух, находящийся в нем, сбрасывают, рассолопровод 8 перемещают вверх относительно става 7 и устанавливают ограничительную гильзу 15 в среднем положении между сальником 14 и стопорным кольцом 11. При этом отверстия 16 диспергатора оказываются внутри сальника 14 и герметизируются им. Через став 7 подают воду, которой заполняют сформированный щелевой коллектор 28, после чего, продолжая подавать воду под давлением, приступают к растворению соли 1 и формированию очистной камеры 25.

Проходку вертикальных (фиг. 1, 3 и наклонных (фиг. 4) щелей осуществляют, перемещая снаряд 5 в скважине 2 снизу-вверх. При этом высота подъема снаряда 5 ограничена высотой подскважинной вышки или другими техническими характеристиками подъемного устройства 29, то есть имеет некоторый ход в вертикальном направлении. Величину этого хода приравнивают длине одной или нескольких секций става 7 снаряда 5, и в пределах этого хода формируют весь веер щелей 26, то есть формируют щелевой коллектор 28 по-интервально с шагом, кратным длине секции става 7. По завершении формирования щелевого коллектора 28 в данном интервале снаряд 5 поднимают на высоту этого интервала, секции става 7, извлеченные из скважины 2 отвинчивают, вновь присоединяют верхний оголовок 6 к снаряду 5 и приступают к формированию следующего интервала щелевого коллектора 28.

Отложения каменной соли часто содержат твердые нерастворимые пропластки и включения, которые по мере отмыва опускаются на днище формируемой камеры и накапливаются в зумпфовой ее зоне 30. С целью зачистки этой зоны и подъема накопившегося материала на поверхность, снаряд 5 опускают вниз до входа торцевой (всасывающей) части рассолопровода в накопившиеся отложения. Сдвигают став 7 вниз относительно рассолопровода 8 до упора ограничительной гильзы 15 в стопорное кольцо 11. При этом наружная поверхность гильзы 15 герметизирует вход в гидромониторы 10, а отверстия 16 диспергатора попадают внутрь става 7 фиг. 7.

После этого через став 7 подают сжатый воздух, который через отверстия 16 попадает внутрь рассолопровода, аэрируют столб находящегося там рассола 18. С этого момента начинает работать эрлифт, с помощью которого на поверхность выдают накопившиеся нерастворимые включения 31. В отличии от эрлифта, изображенного на фиг. 5 и работающего лишь на разделе рассол-воздух, данный эрлифт работает на любой глубине. То есть для его работы, например в эумпфовой зоне камеры, не требуется понижения уровня рассола в камере, что позволяет сэкономить энергию и время.

В сравнении с прототипом предложенное техническое решение обладает следующими достоинствами:

высокой степенью надежности работы устройства, так как в нем количество подвижных деталей сведено к минимуму;

увеличенным радиусом действия гидромониторных струй за счет снижения плотности среды истечения;

сокращением энергозатрат на формирование очистной камеры.

Кроме того, проходка целевого коллектора активизирует начальную стадию формирования очистной камеры, что сокращает общее время строительства хранилища.