Научная статья на тему 'Влияние забойных условий на производительность гидроагрегата при добыче железной руды'

Влияние забойных условий на производительность гидроагрегата при добыче железной руды Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
85
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИДРОДОБЫЧНОЙ АГРЕГАТ / СНАРЯД ГИДРОМОНИТОРЫ И БУРОВОЕ ДОЛОТО / SHELL HYDRAULIC MONITORS AND DRILLING BIT / ЗАБОЙНЫЕ УСЛОВИЯ / DOWNHOLE CONDITIONS / ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ / HYDROSTATIC PRESSURE / ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ГДА / ИЗВЛЕКАЕМОСТЬ РУДЫ / HYDROMINING PLANT / PRODUCTIVITY OF HMP / RECOVERABILITY OF ORE

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Третьяк Александр Яковлевич, Литкевич Юрий Федорович, Гроссу Анна Николаевна

Рассматривается влияние изменяющейся глубины забоя на производительность гидродобычного агрегата (ГДА), работающего с буровым насосом средней мощности НБТ-600. Рабочим органом гидродобычного агрегата является буровое долото режущего типа с гидромониторным приводом, работающее в затопленном пространстве с изменяющимся гидростатическим давлением, зависящим от глубины залегания добычного забоя. Показано, что с изменением глубины забоя от 560 до 750 м производительность ГДА снижается на 12 %, а объем руды, извлекаемой за полный цикл работы агрегата, уменьшается более чем в 2,5 раза. Представленный в статье материал позволяет поставить задачу дальнейшего совершенствования ГДА.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Третьяк Александр Яковлевич, Литкевич Юрий Федорович, Гроссу Анна Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DOWNHOLE CONDITIONS INFLUENCE THE PERFORMANCE OF THE HYDRAULIC UNIT IN THE EXTRACTION OF IRON ORE

The article discusses the impact of the changing layer depth on productivity of the hydromining plant (HMP), working with the drilling pump of average power of NBT-600. Working body of the hydromining plant is the drilling bit of cutting type with hydraulic monitor drive, working in the flooded area with the changing hydrostatic pressure, depending on a depth of a mining layer. It is shown that with change of depth of a from 560 m to 750 m productivity of HMP decreases by 12 %, and the volume of the ore extracted for a full cycle of operation of the unit lower more than by 2,5 times. The material presented in article allows to set the task of further improvement of HMP.

Текст научной работы на тему «Влияние забойных условий на производительность гидроагрегата при добыче железной руды»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING

УДК 622.234 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-64-68

ВЛИЯНИЕ ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ГИДРОАГРЕГАТА ПРИ ДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ

DOWNHOLE CONDITIONS INFLUENCE THE PERFORMANCE OF THE HYDRAULIC UNIT IN THE EXTRACTION OF IRON ORE

© 2015 г. А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Н. Гроссу

Третьяк Александр Яковлевич - д-р техн. наук, профессор, Tretyak Alexandr Yakovlevich - Doctor of Technical Sciences,

академик РАЕН, зав. кафедрой «Бурение нефтегазовых professor, Akademik RAEN, head of department «Drilling Oil

скважин и геофизика», Южно-Российский государственный and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State

политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.

г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863) 525-50-57. Е-mail: Ph. (863) 525-50-57. Е-mail: [email protected] [email protected]

Литкевич Юрий Федорович - канд. техн. наук, доцент, Litkevich Yurij Fedorovich - Candidate of Technical Sciences,

кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», assistant professor, department «Drilling Oil and Gas Wells

Южно-Российский государственный политехнический уни- and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic

верситет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863) 525-53-57.

Россия. Тел. (863) 525-53-57. Е-mail: [email protected] Е-mail: [email protected]

Гроссу Анна Николаевна - ст. преподаватель, кафедра Grossu Anna Nikolaevna - senior lekturer, department «Drill-

«Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно- ing Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian

Российский государственный политехнический университет State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.

(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. Ph. (863) 525-53-57. Е-mail:[email protected] (863) 525-53-57. Е-mail: [email protected]

Рассматривается влияние изменяющейся глубины забоя на производительность гидродобычного агрегата (ГДА), работающего с буровым насосом средней мощности НБТ-600. Рабочим органом гидродобычного агрегата является буровое долото режущего типа с гидромониторным приводом, работающее в затопленном пространстве с изменяющимся гидростатическим давлением, зависящим от глубины залегания добычного забоя. Показано, что с изменением глубины забоя от 560 до 750 м производительность ГДА снижается на 12 %, а объем руды, извлекаемой за полный цикл работы агрегата, уменьшается более чем в 2,5 раза. Представленный в статье материал позволяет поставить задачу дальнейшего совершенствования ГДА.

Ключевые слова: гидродобычной агрегат; снаряд - гидромониторы и буровое долото; забойные условия; гидростатическое давление; производительность ГДА; извлекаемость руды.

The article discusses the impact of the changing layer depth on productivity of the hydromining plant (HMP), working with the drilling pump of average power of NBT-600. Working body of the hydromining plant is the drilling bit of cutting type with hydraulic monitor drive, working in the flooded area with the changing hydrostatic pressure, depending on a depth of a mining layer. It is shown that with change of depth of a from 560 m to 750 m productivity of HMP decreases by 12 %, and the volume of the ore extracted for a full cycle of operation of the unit lower more than by 2,5 times. The material presented in article allows to set the task of further improvement of HMP.

Keywords: hydromining plant; shell - hydraulic monitors and drilling bit; downhole conditions; hydrostatic pressure; productivity of HMP; recoverability of ore.

Скважинный гидродобычной агрегат (ГДА), раз- следующей конструкции: направляющая колонна -

рабатываемый для Гостищевского месторождения 0 920 мм, кондуктор - 0 630 мм, техническая колон-

Курской магнитной аномалии (КМА), предусматрива- на - 0 426 мм, добычная колонна - 0 245 мм [1, 2]. ет необходимость строительства добычной скважины В состав комплекса оборудования входит:

- технологическая насосная станция с насосами НБТ-600, обеспечивающими на максимальной втулке 0180 мм давление Рн = 11,3 МПа при подаче насоса Qн = 43 л/с ~ 155 м3/ч и на минимальной втулке 0 120 мм давление Рн = 25 МПа и подачу насоса Qн = 19 л/с и 68 м3/ч;

- компрессорная станция с компрессорами ПК-70-350 и КП-50-350.

На рисунке представлена схема пульпоподъёмной установки гидродобычного агрегата.

В добычной колонне 3 расположены две трубы I и II (сечение АА) для постоянной подачи воды к долоту 7 с гидромониторным приводом и к гидромонитору 6. В обычном режиме отработки рабочего уступа вода от насоса через вертлюг 1 по трубам I и II подается к гидромонитору 6 и долоту 7.

Схема пульпоподъемной установки гидродобычного агрегата: 1 - вертлюг; 2 - ведущая труба; 3 - добычная колонна; 4 - пакер; 5 - трубопроводы I и И; 6 - гидромонитор; 7 - буровое долото с двумя гидромониторами; 8 - эрлифтная установка

Гидромониторные струи долота, направленные в противоположные стороны, вращают долото, размывают грудь забоя и превращают рыхлую руду в пульпу, которая по внутреннему каналу добычной колонны поднимается к окнам эрлифта 8. Гидромонитор 6, при медленном вращении добычной колонны, размывает боковые стенки рабочего уступа, превращая их в поднимающуюся к окнам эрлифта 8 пульпу.

В режиме разрушения пропластков гидромонитор 6 отключается перекрытием задвижкой трубопровода II и весь поток воды от насоса подаётся к буровому долоту с гидромониторным приводом. Созданный напорными струями на долоте крутящий момент, превышающий 350 Н-м, является достаточным для устойчивой работы бурового долота при разрушении пород IV - V категорий по буримости [3, 4].

Забойные условия работы снаряда - гидромониторов и бурового долота на забое следующие:

- открытое затопленное очистное пространство в гидродобычной скважине;

- неуправляемые обрушения рудной и породной массы в очистном пространстве;

- гидростатическое давление в начале отработки пласта начальное - 5,6 МПа, в конце разработки пласта - конечное до 7,5 МПа;

- жесткая связь с напорной колонной ГДА, имеющая возможность принудительного вращения вокруг своей оси и перемещения вдоль оси скважины;

- рабочий агент - вода или ГЖС (вода+воздух). Начальное рабочее давление на манифольде 12,7 МПа при расходе 38 л/с ^ 138 м3/ч. Конечное рабочее давление на манифольде 14,3 МПа при расходе 34 л/с ^ 122 м3/ч.

- снаряд опускается в скважину на трубах напорной колонны через пульпоподъемную колонну с внутренним диаметром не менее 230 мм;

- отбойка руды гидромониторами;

- доставка обрушенной руды в зону всасывания -самотечная;

- пульпоприготовление - на забое;

- всасывание рудной пульпы и эрлифтный подъем.

Основные оценочные параметры снаряда [5, 6]:

- эффективное разрушение железных руд крепостью до 3 МПа;

- эффективное разбуривание прослоев из руд средней крепости IV - V категорий по буримости;

- радиус Rl эффективного действия при подсечке - до 5 м;

- высота подсечных полостей - до 3 м;

- радиус R2 эффективного действия при отбойке рудной массы - до 8 м;

- высота отрабатываемых горизонтов - до 45 м;

- управляемое вращение вокруг оси скважины и перемещение вдоль оси без остановки процесса гидродобычи в интервале 15 м;

- техническая производительность гидродобычи не менее 44 тонн в час (т/ч).

При изменении глубины отработки забоя с 560 до 750 м изменяются забойные условия. Определяю-

щим параметром эффективной работы гидромонитора является скорость истечения струи.

Для разрушения рыхлой железной руды и прослоев средней крепости скорость струи должна превышать 70 - 80 метров в секунду, т.е.

V > 70-80 м/с.

Для обеспечения такой скорости истечения струи из сопла гидромонитора необходимо, чтобы разность между давлением на манифольде и гидростатическим давлением пульпы в скважине была не менее 500 МВС (метров водяного столба) [7 - 10]. Скорость истечения струи из сопла гидромонитора определяется по формуле (1):

¥с =Фл/2^ДР , м/с, (1)

где АР - разность между давлением на манифольде и гидростатическим давлением пульпы, МВС; ф - коэффициент скорости (ф = 0,7-0,8).

Для пульпы плотностью рп =1,25 т/м3 количество железной руды, подаваемое в отстойник, определяется по формуле (2), будет равно 0,32 т/м3:

Р =

жр

р(рп-Рв )

Р"Рв

(2)

где р - плотность гематито-мартитовой железной руды на Гостищевском месторождении (р = 4,5 т/м3); рп -плотность пульпы (рп = 1,25 т/м3); рв - плотность воды (рв = 1,0 т/м3).

Гидростатическое давление столба пульпы в начале отработки, определяемое по формуле (3), равно 7 МПа ^ 700 МВС:

РГп =РпН1;

(3)

где Н1 - начальная глубина отработки забоя (Н1 = 560 м).

Разность АР, определяемая по формуле (4), будет равна 5,7 МПа ^ 570 МВС:

АР = Рмф - Ргп,

(4)

где Рмф - давление на манифольде НБТ-600 на втулке 0170 мм (Рмф = 12,7 МПа).

При подаче насоса Q = 38 л/с, или 137 м3/ч, производительность ГДА по руде, определяемая по формуле (5), будет равна 44 т/ч:

П0 = QРж

(5)

где Q - подача насоса на втулке 0 170 мм ^ = = 137 м3/ч); Ржр - количество железной руды в 1 м3 пульпы (Ржр= 0,32 т/м3).

При увеличении глубины отработки забоя до глубины 750 м гидростатическое давление столба пульпы, определяемое по формуле (3), будет равно 930 МВС ^ 9,3 МПа:

Ргп =РпН2 ,

где Н2 - конечная глубина отработки забоя (Н2 = 750 м).

Забойные условия

№ п/п Параметры забойных условий Начало отработки пласта Конец отработки пласта

1 Глубина залегания Н, м 560 750

2 Гидростатическое давление столба пульпы Ргп, (МВС) МПа (700) 7,0 (930) 9,3

3 Давление на манифольде насоса НБТ-600 Рмф, МПа 12,7 14,3

4 Подача насоса НБТ-600 Q, л/с (м3/ч) 38 (137) 33,9 (122)

5 Разность давлений на манифольде и на забое в скважине АР = Рмф-Ргп, (МВС) МПа (570) 5,7 (500) 5,0

6 Производительность ГДА Пд, т/ч 44 39

7 Объём руды, извлекаемый за полный цикл работы ГДА, Wп, м3 3014 1177

Для обеспечения необходимой скорости истечения струи на гидромониторах насос НБТ-600 должен работать на втулке 0 160 мм, обеспечивая подачу Q =33,9 л/с—* 122 м3/ч при давлении Рмф = 14,3 МПа.

Тогда ДР = Рмф - Ргп будет равно 5 МПа или

500 МВС.

При таких условиях производительность ГДА, определяемая по формуле (5), будет равна 39 т/ч, т.е. снизится на 12 % при значительном уменьшении объема руды, извлекаемой ГДА за цикл работы.

Объем руды, извлекаемый за полный цикл работы ГДА, определяется зависимостью (6), в начальный период будет равен 3014 м3:

Wn = %R2rh , м3,

(6)

где Rr - радиус эффективного действия гидромонитора при отбойке рудной массы ^г = 8 м); h - высота полного цикла, равная перемещению снаряда вдоль оси без остановки процесса гидродобычи ^ = 15 м).

Объем руды, извлекаемый за полный цикл на глубине 750 м, когда радиус эффективного действия гидромонитора уменьшается до 5 м, будет равен 1177 м3.

Видим, что объем руды, извлекаемой за полный цикл работы агрегата, с изменением забойных условий уменьшается более чем в 2,5 раза.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Выполненные расчеты производительности ГДА в тоннах в час (т/ч) и объемов руды в кубометрах, извлекаемой из пласта за полный цикл работы гидродобычного агрегата в начале - на глубине 560 м и в конце отработки пласта - на глубине 750 м представлены в таблице.

Расчеты показывают, что гидродобычной агрегат ГДА в комплекте с насосами НБТ-600 в условиях Гостищевского месторождения КМА обеспечивает добычу более 40 т руды в час, что более чем в 3 раза превышают результаты, достигнутые на Шемраевском месторождении железных руд.

Представленный материал позволяет оценить достигнутый результат и поставить задачу дальнейшего совершенствования ГДА.

Литература

1. Аренс В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д. [и др.]. Сква-жинная гидродобыча полезных ископаемых : учеб. пособие. М.: МГТУ, 2007. 295 с.

2. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: учебник для вузов / под общ. ред. В.Ж. Аренса. М.: Изд-во Моск. гос. горного ун-та, изд-во «Горная книга», 2010. 575 с.

3. Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Сапожников И.К., Гроссу А.Н. Буровое долото режущего типа с гидромониторным приводом для скважинной гидродобычи железных руд // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2015. № 1.

4. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990. 256 с.

5. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Режущий буровой инструмент: Расчет и проектирование. М.: Машиностроение, 1976. 168 с.

6. Букреев П.И. Бурение скважин гидромониторными пико-бурами. М.: Недра, 1986. 190 с.

7. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. [и др.]. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для втузов; 5-е изд., стер. М.: Альянс, 2011. 423 с.

8. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е., Щеголевс-кий М.М. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Акад. гор. наук, 2000. 343 с.

9. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород: учеб. пособие. М.: МГТУ, 2004. 222 с.

10. Зорин А.Н., Халимендик Ю.М., Колесников В.Г. Механика разрушения горного массива и использование его энергии при добыче полезных ископаемых. М.: Недра, 2001. 413 с.

References

1. Arens V.Zh., Babichev N.I., Bashkatov A.D. i dr. Skvazhinnaya gidrodobycha poleznyh iskopaemyh : ucheb. posobie [Downhole hydraulic output of minerals: studies. manual]. Moscow, MGGU Publ., 2007, 295 p.

2. Arens V.Zh. Fiziko-himicheskaya geotehnologiya: Uchebnik dlya vuzov. Pod obschej redakciej V.Zh. Arensa [Physikal and chemikal geotechnology: Textbook for Universities. Edited V.J. Arensa]. Moscow, Izd-vo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, izd-vo «Gornaya kniga», 2010, 575 p.

3. Tret'yak A.Ya., Litkevich Yu.F., Sapozhnikov I.K., Grossu A.N. Burovoe doloto rezhuschego tipa s gidromonitornym privodom dlya skvazhinnoj gidrodobychi zheleznyh rud [Drilling bit of cutting type with hydraulic monitor drive for hydraulic borehole mining of iron ores]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki , 2015, no. 1.

4. Krapivin M.G., Rakov I.Ya., Sysoev N. I. Gornye instrument . 3-e izd., pererab. i dop. [Mountain Tools. 3rd ed., rev. and additional]. Moscow, Nedra Publ., 1990, 256 p.

5. Katanov B.A., Safohin M.S. Rezhuschij burovoj instrument: (Raschet iproektirova-nie) [Cutting drilling tools (Calculation and Design)]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976, 168 p.

6. Bukreev P. I. Burenie skvazhin gidromonitornymi pikoburami [Well Drilling hydromonitor pikoburami]. Moscow, Nedra Publ., 1986, 190 p.

7. Bashta T.M., Rudnev S.S., Nekrasov B.B. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody: uchebnik dlya vtuzov. 5-e izd., ster. [Hydraulics, hydromashines and gidroprivody : textbook for university]. Moscow, Al'yans Publ., 2011, 423 p.

8. Brenner V.A., Zhabin A.B., Pushkarev A.E., Schegolevskij M.M. Gidromehanicheskoe razrushenie gornyh porod [The hydromechanical destruction of rocks]. Moscow, Akad.gor.nauk Publ., 2000, 343p.

9. Karkashadze G.G. Mehanicheskoe razrushenie gornyh porod. Ucheb. poso-bie [Mechanical destruction of rocks. Proc. Manual]. Moscow, MGGU Publ., 2004, 222 p.

10. Zorin A. N., Halimendik Yu.M., Kolesnikov V.G. Mehanika razrusheniya gornogo massiva i ispol'zovanie ego 'energii pri dobyche poleznyh iskopaemyh [Mechanics of destruction of mountain range and use of his energy at mining]. Moscow, Nedra Publ., 2001, 413 p.

Поступила в редакцию 2 февраля 2015 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.