Способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Научно-производственный центр по геологии(72) Авторы Ильин Виктор Павлович Бабец Михаил Анатольевич(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Научно-производственный центр по геологии(57) 1. Способ скважинной гидродобычи полезного ископаемого, при котором осуществляют бурение наклонно-горизонтальной пилотной скважины с горизонтальным стволом,расположенным над подошвой пласта полезного ископаемого, до выхода забоя пилотной скважины в открытую горную выработку, которую сооружают на противоположном от устья скважины конце добычного поля крепят к бурильной колонне гидродобычной агрегат, содержащий секционированный пульпопровод, и, создавая тяговое усилие и крутящий момент на бурильной колонне, перемещают гидродобычной агрегат вдоль трассы ствола пилотной скважины с разбуриванием, размывом и транспортировкой полезного ископаемого по секционированному пульпопроводу через горную выработку на поверхность. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что секционированный пульпопровод гидродобычного агрегата закрепляют и используют в качестве временной крепи очистного забоя, которую извлекают одновременно с отработкой полезного ископаемого перемещением гидродобычного агрегата с пульпопроводом большего, чем у секционированного пульпопровода, диаметра вслед за извлекаемой крепью. 18535 1 2014.08.30 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что по окончании отработки очистного забоя одновременно с извлечением временной крепи через нее нагнетают в выработанное пространство пульпу вскрышных пород. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют открытую горную выработку в виде приемной траншеи, расположенной вдоль границы добычного поля, и направляют в нее пульпу вскрышной породы. Известны способы скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающие бурение скважин, разрушение полезного ископаемого, слагающего стенки скважины, и извлечение его на поверхность потоком жидкости в виде пульпы 1. Недостаток этих способов - низкий выход полезного ископаемого, что определяется ограниченными радиусом действия гидромониторного добычного устройства и протяженностью ствола скважины по пласту полезного ископаемого при его вскрытии субвертикальными гидродобычными скважинами. Известны способы разработки битумов и высоковязких нефтей горизонтальными скважинами, имеющими два устья, в которых отбор жидкости из эксплуатационной скважины осуществляется посредством насосной установки или сваба, который перемещают в прямом и обратном направлениях при помощи канатов, выходящих на поверхность земли из двух устьев скважины 2, 3. Эти способы не применимы в неустойчивых породах при разработке твердых полезных ископаемых гидродобычей. Известен способ разработки пластов фосфоритовых залежей, включающий вскрытие фосфоритового пласта закачными и добычными скважинами, их крепление обсадными трубами и обвязку устьевой арматурой, сбойку скважин с помощью установки гибкоцельнотянутых труб, последующую добычу полезного ископаемого его растворением рабочим раствором 4. Недостатками способа являются необходимость строительства закачных и добычных скважин металлоемких конструкций, сложность процесса сбойки скважин при использовании гибких труб и винтового забойного двигателя, которые в условиях наличия в неоднородной слабосвязной породе крупных фосфоритовых желваковых включений могут значительно отклоняться от заданной траектории, потребность в большом количестве химреагентов и оборудования в антикоррозийном исполнении при реагентном растворении фосфоритов. Известен способ гидродобычи полезных ископаемых из продуктивных пластов с неустойчивой кровлей путем размещения наземного оборудования на монтажной площадке,установленной на лаги 5. Недостатками этого способа являются значительная металлоемкость оборудования, необходимость работы обслуживающего персонала над зоной просадки пород кровли, которая может превысить расчетную, что приведет к смещению опорных лаг и деформации монтажной площадки. Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий установку бурового станка, бурение под разными углами к горизонту добычных скважин и добычу из них полезного ископаемого с обеспечением плавного опускания перекрывающих пород вне зоны установленного оборудования для выемки полезного ископаемого 6. Недостатком этого способа является большой объем наклонного бурения по перекрывающим породам, приходящийся на единицу объема извлеченного полезного ископаемого. Причем по мере уменьшения угла наклона скважины к горизонту и мощности пласта полезного ископаемого это негативное соотношение становится очевидным. Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому является способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых путем бурения направленных вертикально-горизонтальных скважин, в которых создают зоны дробления добываемой породы гидродобычным агрегатом, перемещаемым в горизонтальной части ствола скважины,2 18535 1 2014.08.30 расположенной над подошвой продуктивного пласта, породу в зонах дробления размывают и в виде гидросмеси извлекают на дневную поверхность. При этом добычной агрегат перемещают до конца горизонтальной части скважины с выдачей на поверхность гидросмеси и формированием горизонтальной очистной камеры, а затем перемещают добычной агрегат обратно к началу горизонтальной камеры с добычей породы в режиме растворения рабочим раствором 7. Недостатки этого способа - его применимость только в устойчивых, относительно твердых породах, сложность процесса направленного горизонтального бурения в полезном ископаемом ограниченной мощности, сложность и опасность дистанционного дробления породы в скважине с применением взрывчатых веществ и потеря управляемости гидродобычного агрегата в зоне добычной камеры с недостаточным дроблением породы. Целью изобретения является добыча твердых полезных ископаемых из пластов ограниченной мощности, залегающих под неустойчивыми обводненными породами на небольшой глубине. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе скважинной гидродобычи полезного ископаемого путем бурения наклонно-горизонтальной скважины, измельчения, размыва и выноса породы в виде пульпы на поверхность путем перемещения в горизонтальном стволе скважины, расположенном над подошвой пласта гидродобычного агрегата, осуществляют бурение наклонно-горизонтальной пилотной скважины до выхода ее забоя в открытую горную выработку, которую сооружают на противоположном от устья скважины конце добычного поля крепление к бурильной колонне гидродобычного агрегата с секционированным пульпопроводом, после чего создают тяговое усилие и крутящий момент на бурильной колонне и гидродобычной агрегат перемещают в обратном направлении к буровой установке вдоль трассы ствола пилотной скважины. При этом полезное ископаемое разбуривают, размывают и транспортируют по пульпопроводу гидродобычного агрегата на поверхность. В неустойчивых породах гидродобычной агрегат перемещают до устья скважины, а после его выхода к устью скважины у буровой установки агрегат демонтируют, а секционированный пульпопровод гидродобычного агрегата закрепляют и используют в качестве временной крепи очистного забоя, которую в дальнейшем извлекают одновременно с отработкой полезного ископаемого в очистном забое повторным перемещением путем создания тягового усилия на бурильных трубах, гидродобычного агрегата с пульпопроводом большего, чем извлекаемая крепь, диаметра вслед за извлекаемой крепью, причем операцию повторяют до отработки пласта в зоне очистного забоя на полную мощность. Дальнейшую отработку пласта выполняют аналогично параллельными продольными очистными забоями на расстоянии от каждого предшествующего забоя, обеспечивающем временную устойчивость кровли пласта до отработки последующего очистного забоя, после чего отрабатывают опорный целик между очистными забоями и осуществляют плавную посадку кровли пласта извлечением временной крепи при ее использовании из отрабатываемого опорного целика. Для отработки всего добычного поля открытую горную выработку выполняют в виде приемной траншеи вдоль границы добычного поля и в нее направляют вскрышную породу. Пример 1 осуществления способа. Выполняются оценочные геотехнологические исследования по гидродобыче полезного ископаемого, например фосфоритов Мстиславльского месторождения, залегающих на глубине 20 м, из пласта глауконито-кварцевых песков с желваками фосфоритов и фосфоритовой плитой в подошве пласта суммарной мощностью полезного ископаемого 5 м. Перекрывающие породы глины, супеси с гравием и галькой, суглинки, песок-плывун напорный. В кровле пласта мело-мергельные породы мощностью 5 м. Статические уровни воды в разведочных скважинах отслеживаются на участке работ на глубине 16 м. 18535 1 2014.08.30 Работы выполняются в следующей последовательности. Выбирают опытное добычное поле залежи площадью, например, 50200 м. Со стороны 50-метровой границы поля на расстоянии 55-75 м от границы устанавливают самоходный комплекс для горизонтальнонаправленного бурения (1), например 100200 или другой с тяговым усилием 45,4 тонно-силы и более (фиг. 1). Через входную открытую горную выработкуприямок (2) осуществляют бурение нисходящего наклонного участка пилотной скважины(3) под углом 18 и более к горизонту с выполаживанием ствола пилотной скважины начиная с глубины 20 м с его выходом к подошве пласта полезного ископаемого (4), затем бурение горизонтального участка (5) пилотной скважины длиной 200 м по пласту по известной технологии, например согласно технологической карте на бестраншейную прокладку трубопроводов диаметром от 100 до 1220 мм методом горизонатльнонаправленного бурения с применением самоходного комплекса 100200 8. На противоположном конце добычного поля на расстоянии около 40-50 м за его границей в створе с трассой ствола пилотной скважины отрывается выходная открытая горная выработка - приемный котлован (6) с наклонным бортом со стороны противоположной добычному полю и приямком (7) для приема пульпы вскрышных пород. Подошву котлована располагают выше уровня грунтовых вод. После достижения забоем пилотной скважины границы добычного поля осуществляют отклонение траектории ствола пилотной скважины в вертикальной плоскости и бурят восстающий наклонный участок(8) скважины до выхода ее забоя в приемный котлован (6). На этом бурение пилотной скважины завершают. В приемном котловане (6) осуществляют демонтаж бурового наконечника и к первой секции бурильных штанг (9) последовательно присоединяют (фиг. 2) сначала риммер-расширитель (10) с вертлюгом (11), затем гидродобычное устройство (12) с транспортным пульпопроводом (13). По буровым штангам подают глинистую буровую промывочную жидкость на гидромониторные сопла вертлюга и риммер-расширитель. Затем осуществляют протаскивание гидродобычного устройства в обратном направлении в пласт по наклонному участку (8) пилотной скважины с одновременным ее разбуриванием до диаметра, на 25 превышающего диаметр протягиваемого гидродобычного устройства, представляющего собой пульпопровод с приемными отверстиями для забора пульпы полезного ископаемого, расположенными за риммер-расширителем (10) и вертлюгом (11) по известной технологии 8. На участке расширения ствола в перекрывающих породах осуществляют подачу жидкости и создание избыточного давления в полости пульпопровода гидродобычного устройства для обеспечения выноса пустой породы по кольцевому пространству между стенками пульпопровода гидродобычного устройства и стенками скважины в приямок (7) приемного котлована (6). При этом осуществляется глинизация и закрепление стенок подходного к пласту наклонного, разбуренного участка (8) ствола скважины. После достижения гидродобычным агрегатом продуктивного пласта фосфоритов на гидромониторные насадки риммер-расширителя подается рабочая жидкость размыва полезного ископаемого под давлением, необходимым для размыва полезного ископаемого с образованием очистного забоя. Проходной диаметр пульпопровода гидродобычного устройства подбирается исходя из пропускной способности максимальных по размеру желваков фосфоритов. Например, при диаметре риммер-расширителя 700 мм монтируют транспортный трубопровод диаметром 500 мм. Одновременно с обратным перемещением гидродобычного агрегата по продуктивному пласту осуществляют отбор пульпы из пульпопровода гидродобычного устройства вакуумированием, гидроэжектированием и другими известными способами. Полезное ископаемое в виде гидросмеси транспортируют по секционированному пульпопроводу гидродобычного устройства, имеющему суммарную протяженность не менее длины очистного забоя в пласте и наклонного участка ствола скважины (8), а также поверхностной части трубопровода, обеспечивающей отвод пульпы на карту намыва (фиг. 1 и 2, позиция 14), то есть в рассматриваемом случае около 300 м. 4 18535 1 2014.08.30 При возникновении осложнений, связанных с осыпанием или оседанием пород кровли и увеличением сил сопротивления протяжке пульпопровода по скважине, по которым судят о степени устойчивости пород пласта и его кровли, создают противодавление в пульпопроводе и подают с потоком жидкости по бурильным трубам поверхностно-активные вещества и смазывающие добавки в затрубное пространство между стенками скважины и пульпопроводом. Таким образом осуществляют промывку затрубного пространства и смазку наружной поверхности пульпопровода для устранения осложнений. При последующем сохранении устойчивости кровли очистной выработки в процессе выемки полезного ископаемого ее временное крепление секционированным пульпопроводом не осуществляют, а после отработки полезного ископаемого на всю длину очистного забоя (фиг. 3) пульпопровод и гидродобычной агрегат извлекают в приемный котлован (6) натяжением пульпопровода (13) гидродобычного устройства с одной стороны и созданием осевого выталкивающего усилия бурильной колонной - с другой. При устойчивой кровле, состоящей из полезного ископаемого, очистной выработки ниже кровли пласта, после извлечения гидродобычного агрегата, операция отработки полезного ископаемого в очистной выработке повторяется с отработкой пласта полезного ископаемого на полную мощность. Для этого используют последовательно гидродобычные агрегаты, содержащие риммер-расширители и пульпопроводы до максимального, для данного типа буровой установки, диаметра например, для установкис тяговым усилием 45,4 т максимальный диаметр риммер-расширителя составляет 1650 мм, то есть до 30 от мощности отрабатываемого согласно настоящему примеру фосфоритового пласта. По окончании отработки первого очистного забоя и положительных результатах работы сооружают входную открытую горную выработку-приямок (2) и выходную открытую горную выработку (6) с конфигурацией вертикального поперечного сечения, аналогичной ее конфигурации на траектории первого очистного забоя, с приемным котлованом (6) на всю ширину добычного поля - 50 м. Буровую установку перемещают вдоль границы добычного поля на расстояние, превышающее ширину очистного забоя в три раза, после чего операции по бурению пилотной скважины до ее выхода в выработку (6) и отработки очистного забоя протяжкой гидродобычного агрегата повторяют до отработки всего добычного поля (фиг. 4, карта намыва - не показана). Полезное ископаемое из опорных целиков в зависимости от их устойчивости отрабатывают либо после выемки фосфорита каждой пары параллельных очистных забоев, либо по окончании отработки всего добычного поля. Отработка пласта без оставления секционированных пульпопроводов в качестве временной крепи очистных забоев, если это позволяют горно-геологические условия объекта работ, снижает затраты на гидродобычу, связанные с материалоемкостью и энергоемкостью работ по креплению и последующему извлечению временной крепи. В процессе протяжки гидродобычного агрегата по перекрывающим породам их пульпу отводят в приямок (7) котлована (6), а полезное ископаемое при бурении по пласту подают на карту намыва (14). Пример 2 осуществления способа. Западный фланг участка Мстиславльского месторождения фосфоритов. Перекрывающие породы - песок мелкий, слабоглинистый влажный с включением гравия и гальки. Фосфориты в виде желваков находятся в пласте глауконито-кварцевых обводненных песков, в подошве пласта на глубине девять метров имеется фосфоритовая плита мощностью 0,1 м. Общая мощность полезного ископаемого 2,6 м. Последовательность выполнения операций аналогично примеру 1, бурится пилотная скважина и обратной протяжкой гидродобычного агрегата диаметром 700 мм по риммер-расширителю с составным секционированным пульпопроводом диаметром 500 мм отрабатывается первый очистной забой на всем протяжении горизонтального участка ствола пилотной скважины в продуктивном пласте. В процессе отработки фосфорита по выносу полезного 5 18535 1 2014.08.30 ископаемого и изменениям усилия протяжки гидродобычного агрегата с пульпопроводом судят об устойчивости кровли очистной выработки. При наличии ее неустойчивости и признаках просадки породы на поверхности принимают решение на временное крепление очистной выработки, для чего осуществляют разбуривание наклонного, подходного, со стороны буровой установки (1), участка (3) пилотной скважины с протяжкой гидродобычного агрегата до его выхода на поверхность в приямок (2) у буровой установки (фиг. 5). Промывку скважины при разбуривании наклонного участка (3) пилотной скважины в перекрывающих пустых породах осуществляют глинистым раствором с вводом смазывающих добавок для снижения сил сопротивления перемещению пульпопровода гидродобычного устройства. Созданием избыточного давления в пульпопроводе и герметизацией затрубных пространств с установкой уплотняющих устройств (например, сальников и др.), на устье пилотной скважины и на ее окончании, через которое, по мере разбуривания пилотной скважины, вводится,вслед за гидродобычным агрегатом, секционированный пульпопровод, добиваются поступления смазывающих добавок как к стенкам наклонного участка(З) ствола пилотной скважины, так и на внешние стенки секционированного пульпопровода, в зазор между пульпопроводом и стенками скважины. После выхода на поверхность гидродобычной агрегат демонтируют, из пульпопровода гидродобычного агрегата извлекают гидроэлеватор (в случае его использования) и напорные трубы гидроэлеватора, а сам секционированный пульпопровод оставляют в качестве временной крепи очистного забоя. Затем осуществляют монтаж и подачу в закрепленный неподвижно секционированный трубопровод, выполняющий функции временной крепи очистного забоя,бурильных труб до их выхода в приемный котлован (6). После выхода бурильных труб в приемный котлован (6) к ним крепят риммер-расширитель (10) с вертлюгом (11) и невращающейся упорной плитой (15) со стороны секционированного пульпопровода, являющегося временной крепью - обсадной колонной. После чего к вертлюгу (11) крепят гидродобычной агрегат (12), содержащий пульпопровод (16) увеличенного диаметра, по сравнению с предшествующим пульпопроводом (13), являющимся временной крепью. Например, из стандартного ряда диаметров риммер-расширителей выбирают, в зависимости от физико-механических свойств полезного ископаемого и вмещающих пород, расширители диаметров 950, 1275, 1425, 1650 мм и транспортные трубопроводы, соответственно диаметров от 700 до 1220мм 8. Кольцевые пространства на устье скважины между временной обсадной колонной труб и бурильными трубами герметизируют сальниковыми уплотнениями оголовка (17),между временной обсадной колонной и стенками скважины кольцевой зазор также герметизируют, задавливая в горную породу дополнительную обсадную трубу-кондуктор (18) с сальниковыми уплотнителями (на фиг. 5 не показаны), тоже выполняют на другом конце скважины втором устье, через которое вводится пульпопровод гидродобычного агрегата и вспомогательный трубопровод гидроэлеватора внутрь пульпопровода (на фиг. 4 не показан). Тем самым создают возможность подачи в очистной забой необходимых объемов рабочих жидкостей по колонне бурильных труб и по напорным трубам гидроэлеватора, а по пульпопроводам, один из которых является временной извлекаемой крепью очистного забоя - регулируемый отбор жидкостей и пульпы в объемах определяемых горногеологическими условиями и технологическими режимами добычи полезного ископаемого. После монтажа названного оборудования создают тяговое усилие и приводят во вращение колонну бурильных труб. Крутящий момент передается на риммер-расширитель,которым осуществляется разбуривание сначала наклонного участка (8) скважины, а затем очистного забоя. Одновременно извлекают и демонтируют секциями временную опережающую крепь очистного забоя, на которую тяговое усилие колонны бурильных труб действует как выталкивающее посредством упорной плиты (15) с одной стороны, а с другой - на устье скважины устанавливают (при необходимости) дополнительные гидравлические или механические домкраты (на фиг. 4 не показаны), и создают тяговое усилие,6 18535 1 2014.08.30 приложенное непосредственно к обсадной колонне. Одновременно, сразу за риммеррасширителем, вслед за извлекаемой временной крепью очистного забоя перемещают гидродобычное устройство с секционированным пульпопроводом увеличенного диаметра(16), из которого отбирают пульпу полезного ископаемого. Регулируя противодавление,на устьях скважины осуществляют, при необходимости, подачу рабочих жидкостей и смазывающих добавок в затрубье работающего пульпопровода и временной, извлекаемой,секционированной крепи. Операцию протяжки гидродобычного агрегата увеличенного диаметра по пласту с одновременным извлечением и демонтажем временной крепи очистного забоя, в качестве которой используют секционированный пульпопровод гидродобычного агрегата предыдущего меньшего диаметра (13), повторяют до полной отработки участка пласта, охватываемого одним очистным забоем. На завершающей стадии отработки очистного забоя извлечение временной крепи максимального диаметра осуществляют без протяжки пульпопровода гидродобычного устройства за риммеррасширителем. По мере извлечения временной крепи очистной выработки будет происходить оседание перекрывающих пород за извлекаемым риммер-расширителем, расположенным на конце колонны бурильных труб, создающих осевое выталкивающее усилие на временную обсадную колонну труб через невращающуюся упорную плиту (15). В процессе извлечения временной крепи при необходимости осуществляют одновременную закладку выработанного пространства, нагнетая пульпу вскрышных пород по извлекаемому секционированному пульпопроводу - временной обсадной колонне. Аналогично примеру 1 осуществляют отработку всего добычного поля параллельными очистными забоями с управляемой посадкой кровли очистных выработок путем извлечения их временной крепи. Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять гидродобычу неустойчивых, неглубоко залегающих обводненных, преимущественно пластовых, полезных ископаемых с размещением оборудования вне зоны просадки горных пород и с минимальным объемом вскрышных работ и бурения наклонных стволов скважин по перекрывающим породам. Для условий Мстиславльского месторождения фосфоритов в Беларуси, где рыхлый пласт фосфоритов небольшой мощности местами залегает на глубине от 5 до 40 м и сильно обводнен, но в то же время в подошве имеет прочный фосфоритовый пропласток - плиту, что обеспечивает стабильность заданной траектории горизонтального очистного забоя большой протяженности и диаметра, в этих условиях, применение оборудования для горизонтального бурения и протяжки трубопроводов с тяговым усилием свыше 100 тонн-силы, например, фирмы 220240, позволяет увеличить длину горизонтального очистного забоя, с учетом возможности его временного крепления по предлагаемому способу, до 1400-1500 м. Это может обеспечить высокие показатели гидродобычной отработки, согласно изобретению, месторождения, разработка которого известными способами, включая гидродобычные, до настоящего времени не осуществляется 9. Горногидрогеологические условия залегания бурых углей Житковичской группы месторождений Беларуси также являются благоприятными для реализации этой технологии, что позволит вовлечь в разработку до 46 миллионов тонн подготовленного к освоению, но, до настоящего времени, из-за отсутствия эффективной технологии добычи, не разрабатываемого энергетического и горно-химического сырья. Сущность изобретения поямняется фигурами. Фиг. 1 - бурение наклонно-горизонтальной пилотной скважины. Фиг. 2 - протаскивание гидродобычного устройства вдоль трассы ствола пилотной скважины в обратном направлении с его расширением. Фиг. 3 - отработка полезного ископаемого протяжкой гидродобычного устройства над подошвой пласта полезного ископаемого на всю длину очистного забоя. Фиг. 4 - схема отработки пласта полезного ископаемого горизонтальными очистными забоями с оставлением временных опорных целиков. 7 18535 1 2014.08.30 Фиг. 5 - отработка пласта полезного ископаемого протяжкой гидродобычного агрегата по пласту с одновременным извлечением временной крепи направляющего ствола скважины (очистного забоя). Источники информации 1. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). - М. Недра, 1986. - 278 с. 2.2287677 1, МПК 21 43/24, 2006. 3.2305762 1, МПК 21 43/24, 2007. 4. Евразийский патент 013446 1, МПК 21 43/28, 2010. 5.2111360 1, МПК 21 45/00, 1998. 6.2272141 , МПК 21 45/00, Е 21 В 7/04, 2006. 7.2186208 2, МПК 7 МПК 21 43/28, 2002. 8. ТК-67.15.05.-2009, ОАО Стройкомплект. - Минск, 2009. 9. Разработать технологию скважинной гидродобычи фосфоритов с учетом геологического строения месторождения и дать заключение о целесообразности ее промышленного использования. Отчет по договору 61/08. Этап 2008. ГП БелГЕО. - Минск, 2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9