Методические основы оценки эрлифтного гидроподъема крупнокусковой алмазосодержащей горной массы с больших глубин Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

АЖИННАЯ: ГИДРОДОБЫЧА :

^ В.В. Кротков, 2000 '

■

УДК 532.542.7:622.371

В.В. Кротков

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ЭРЛИФТНОГО ГИДРОПОДЪЕМА КРУПНОКУСКОВОЙ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕЙ ГОРНОЙ МАССЫ С БОЛЬШИХ ГЛУБИН

И

спользование скважин большого диаметра при освоении алмазосодержащих брекчий связано с технологией бурения установкой ВИРТ. Непосредственно технология бурения этой установкой включает работу породоразрушающего инструмента и процесс очистки забоя от выбуренной алмазосодержащей породы и последующей выдачи ее на поверхность эрлифтом. Использование установки ВИРТ только для создания и обустройства скважин-шурфов диаметром более 4-х метров определено паспортом ведения буровых работ. Использование же этой установки для целей крупного скола алмазосодержащей породы и предотвращение его переизмельчения шарошкой возможно только при управлении всасывающими потоками при эрлифтировании. Своевременный вынос разрушенного твердого из-под шарошки является непременным условием сохранности кристаллосырья при последующем эрлифтном подъеме. Увеличение плотности промывочной жидкости повышает эффективность очистки забоя скважины, но предъявляет еще большие требования к расчету эрлифтного подъема для управления транспортирующей способностью всасывающего потока.

Таким образом правильная оценка возможностей эрлифтного подъема крупнокусковой гидросмеси при различной плотности несущей среды (бурового раствора) необходима для соответствующего выбора конструкции породоразрушающего инструмента. Это позволит вести скол породы на забое крупностью, соответствующей транспортирующей способности эр-лифтного подъема, что в конечном итоге определит наиболее эффективный технологический режим всего способа эксплуатационного бурения скважин большого диаметра при условии непереизмельчения ценного сырья.

Расходные характеристики эрлифтного подъема представляют собой перевернутые неравнобочные параболы. Основным показателем мощности работы эрлифта является коэффициент затопления смесителя, т.е. глубина, на которую вводится в пульповод воздух. С одной стороны, излив гидросмеси из эрлиф-

та при больших коэффициентах погружения смесителя происходит почти сразу после подачи воздуха. Вместе с тем, значительные коэффициенты погружения смесителя эрлифта требуют наличия компрессора с большим пусковым давлением.

Небольшие пусковые давления эрлифта обеспечиваются компрессорами низкого давления. Но работа эрлифта с небольшими коэффициентами погружения смесителя характеризуются не только малой производительностью, но и значительными начальными (до излива гидросмеси) и эксплуатационными расходами воздуха.

Диаметр пульповода также в значительной степени влияет на эксплуатационную производительность скважины большого диаметра.

Как указывалось выше освоение алмазных месторождений скважинами большого диаметра требует достаточно точной прогнозной оценки производительности подъема крупнокусковой алмазосодержащей гидросмеси в объеме глинистого монтмориллонитового бурового раствора повышенной плотности в процессе эрлифтирова-ния.

Оценим возможность использования для этих целей основных методик расчета эрлифта в гидрогеологии, нефтедобыче, угледобычи, бурении, гидромеханизации и океаногеотехнологии. В целом предлагаемые исследователями методики позволяют вести расчет расходно-напорных параметров при работе эрлифта на воде.

Так, при подъеме воды из гидрогеологических скважин [1], при бурении эрлифт рассчитывается исходя из предварительно принятой величины его КПД, который зависит от тех же параметров, входящих в искомую формулу

Q0h0

Qг =-

к +10 10

(1)

где Qг - расход воздуха, м /с; Qo - производительность эрлифта по воде, м3/с; 11о- высота подъема над уровнем воды в скважине, м; 11о - величина заглубления смесителя эрлифта, м; ^ - КПД эрлифта.

Значительный объем теоретических и опытных исследований по оценке эффективности эрлифтного гидроподъема проводился в Донецком политехническом институте [2].

Приближенная теория эрлифта, разработанная Гейером В.Г. и его сотрудниками основывается на уравнении баланса сил в эрлифте у плоскости всасывания

Р0 • g • к = Рсм • g(к + к0 )+ аэРсмОсм (2)

где Ро, Рсм - соответственно плотность воды и двухфазной смеси (вода-воздух), кг/м3; Qсм - расход двух-

фазной смеси, м3/с; аэ - коэффициент сопротивления проточной части.

Предложенное уравнение баланса во-первых составлено при работе эрлифта на воде и учитывает только потери на трение. Поэтому авторы ограничивают использование полученной расчетной формулы (2) коэффициентом погружения не более 0,45 и графическим уточнением коэффициента сопротивления для каждого конкретного случая

(

q =

1+

V

Р см gh

2 Р..

\

60е

-9а

(3)

У

где q - удельный расход воздуха, м3/м3; Ра - атмосферное давление, Па; а - коэффициент погружения смесителя.

Смолдырев А.Е. и Белов Б.А. предложили методику расчета эрлифта в результате обобщения многочисленных экспериментальных данных [3] на основе критерия приближенного подобия Фруда. При этом производительность эрлифта и необходимый расход воздуха предлагается определять по достаточно простым формулам:

- расход воздуха

Qs = 5,0 •D 2У15 (4)

/ а '

где D - диаметр трубопровода эрлифта, м.

- производительность по воде

Qo = 5,3 • D25 •а (5)

Следует заметить, что в этой методике расчета отсутствует абсолютная длина эрлифта, что не соответствует практике его работы. Эрлифты небольшой длины не должны рассчитываться по тем же формулам, что и длинные эрлифты. Кроме того, удельный расход воздуха (отношение выражений (4) и (5)) зависит только от коэффициента погружения смесителя, что также практикой эрлифтного подъема не подтверждается.

Расчет эрлифта для подъема гомогенной нефти по Крылову А.П. [4] также не может быть основой для проектирования гидроподъема твердого при бурении скважин большого диаметра.

Кроме того, предлагаемые методики расчета эр-лифтного гидроподъема не учитывают различие в скоростях движения пульпы и воздуха, потери при входе гидросмеси в эрлифт (которые при бурении скважин большого диаметра могут быть значительными), потери на поддержание гидросмеси во взвешенном состоянии, потери на трение 3-х фазной смеси (вода-твердое-воздух).

Базовая концепция предлагаемой методики расчета эрлифтного подъема алмазосодержащей пульпы сводится к следующим основным положениям.

1. Средняя скорость 3-х фазной смеси в подъемной трубе эрлифта равна

Qcp + Q0 + Qt

U„. = ■

с

(6)

С учетом этих дополнений, выражение (6) примет

вид

Ucm =

Qcp + Qn

(7)

где Qп - расход пульпы, м /с.

2. Принимая скорость движения пульпы, то скорость подъема воздуха относительно стенок трубы равно

исм = ип + ив (8)

где ив - скорость всплывания воздушных пузырей в воде в трубе, м/с.

Согласно исследованиям Р. Гриффитса [5], скорость всплывания воздуха равна

Ue = 0,35

(9)

3. С другой стороны, скорость 3-х фазной смеси в эрлифте равно среднеарифметическому между скоростями пульпы и воздуха относительно стенок трубы

U = Us + Un

/-’?W

2

с учетом выражений (8) и (9)

UCM Un + "

(10)

(11)

где D - диаметр трубы эрлифта, м.

4. Совмещая выражения (7) и (11), получим:

- скорость движения пульпы относительно стенок трубы эрлифта

Оср + 0п

= U„ + Ub

п 2

или

Un =

Qcp + Qn Ue

(12)

(13)

ю 2

скорость движения воздуха относительно стенок

трубы

U = QCP + Qn + Uв

г с 2

(14)

5. Время всплывания (движения) воздуха со скоростью иг в трубе эрлифта длиной

Т = (к + к) )2ю

2(Qcp + Qn)+ Uв

ю

(15)

где Ю - площадь поперечного сечения трубы эрлиф-

та, м

6. Объем воздуха, находящийся в подъемной трубе эрлифта в процессе подъема

N = T • QcP =

(h + ho )2«^Qcp

CP 2(Qcp + Qn )+ Ue

(16)

7. Объем алмазосодержащей пульпы, находящейся в подъемной трубе эрлифта при его работе

где исм - средняя скорость 3-х фазной смеси, м/с; Qср м = (к + к )ю - N

- средний расход воздуха в эрлифтной трубе, м3/с; Qт

- расход алмазосодержащей породы при подъеме, м3/с.

(17)

при этом вес 3-х фазной алмазосодержащей смеси составит величину

со

со

Оп = мРп =[(к + к0 )ю- N]рп + ^г (18)

где Рп, Рг - соответственно плотность алмазосодержащей пульпы и воздуха, кг/м3.

Поскольку плотность воздуха значительно меньше плотности пульпы (Рг<<Рп ), то можно принять Рг =0 и выражение (18) примет вид

Gn =[(h + h0 )®- N]Pn

(19)

8. Средняя плотность 3-х фазной смеси в эрлифт-ной трубе с учетом выражений (17) и (19)

pcp

G„

или

pcp

(h + ho )ra

[(h + ho )ю- N (h + ho )ra

(20)

pcp pn

подставляя значения объема воздуха N (по выражению (16)) получим окончательное выражение средней плотности 3-х фазной смеси в эрлифтной трубе при подъеме

Г 2Qcp 1

1---1--------^P------ (21)

v 2(Qcp + Qn )+ Ueю J

9. Давление внешнего гидростатического столба жидкости в плоскости всасывания

Pen =(h + Kc )png (22)

где Рп - плотность воды (или монтмориллонитового бурового раствора при его использовании), кг/м ; heo - длина всасывающей линии эрлифта (расстоя-ние от плоскости всасывания до смесителя), м.

10. Давление внутреннего гидростатического столба жидкости в плоскости всасывания

Ре =

(, ec , е V (Qcp + Qn f

ymp + hmp Png® + pcMg-

2gro

(2З)

где Іівс тр- потери напора на трение в линии всасывания эрлифта, м

J„ec _ ^ pn hec f Qn ] 1

Po D l У 2g

lmp

(24)

где ^ - коэффициент гидравлического сопротивления 2-х фазной смеси (вода-алмазосодержащая горная масса); ип - скорость пульпы во всасывающей линии

(ип = Оп ), м/с ю

где 11втр - потери напора на трение 3-х фазной смеси выше смесителя эрлифта, м.

he = X

nmp c

(

Po

D

Qcp + Qt

2

2g

(25)

где А™ - коэффициент гидравлического сопротивления 3-х фазной смеси.

11. При установившейся работе эрлифта давление в плоскости всасывания одинаково как внутри, так и вне трубы эрлифта. Совмещая выражения (22) и (23), получим квадратное уравнение процесса эрлифтиро-вания алмазосодержащей пульпы. После решения искомого уравнения, получим основную расчетную формулу эрлифтного гидроподъема с учетом основных расходно-напорных ^ср, Qп, Qт) и геометрических (11вс, |1о, II, D) параметров эрлифта

(

V0 =

1 +

Pogh

2Po

A

Pcm/ 2g

- Qn

(2б)

где A = (Qcp + Qn )2

Pc

h + ho

D

+1

+ <

g ra2

при отсутствии линии всасывания

h + ho

(Qcp + Qn j2

Pc

D

+1

- + (h + ho )Pcm = hPo

g Ю

Анализ полученного расчетного выражения и сравнительная оценка расчетных (по формуле (26)) и опытных данных различных исследователей эрлифтного подъема показала удовлетворительный результат (максимальное отклонение расчетных и опытных данных не превышало 8 %).

Таким образом используя расчетное выражение эрлифтирования можно с достаточной степенью точностью прогнозировать эффективный гидроподъем кусков алмазосодержащих брекчий, образующихся при бурении скважины диаметром 4 и более метров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Суреньянц Я.С. Водоотливные установки. М. Водный транспорт, 1957, с. 217.

2. Гейер В.Г. Эрлифтные установки. Донецк, 1982, с. 42.

3. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М., Недра, 1980, с. 223.

4. Муравьев И.М., Ямпольский В.И. Основы газлифтной эксплуатации скважин. М., Недра, 1973, с. 185.

5. Гриффитс Р. Двухфазное снарядное течение. Теплопередача, т. 83, серия С, N3, 1961, с. 99-114.

со

Кротков В.В. - академик Академии горных наук, ОАО «Атомредметзолото».