Расчет скважинного оборудования для СГД янтаря из глауконитовых песков

Расчет скважинного гидромониторно-эрлифтного снаряда для добычи янтароносного глауконитового песка выполнен для глубины извлечения 25 м. В технологическом решении принята схема подачи воздуха от компрессора на забой по затрубному пространству с применением герметизации скважины.

Подаваемый сжатый воздух в скважину «отжимает» образовавшуюся в результате размыва полезного слоя пульпу в камере к всасу эрлифта и освобождает напорную струю воздействовать на глауконитовую породу в незатопленном состоянии.

Принимаемые расчетом данные по плотности глауконитового песка, динамическом давлении его размыва немного выше оптимальных значений для уверенности в добычном процессе.

Дано:

1. Плотность глауконитового песка в продуктивном слое, не более ρ_тв = 2600 кг/м³
2. Динамическое давление для размыва янтароносного глауконитового песка, максимальное P_дин = 2.2 МПа = 22 кгс/см²
3. Глубина залегания, максимальная H = 25 м
4. Внутренний диаметр пульпоподъемной трубы имеющейся у Заказчика, D_пп = 152 мм
5. Диаметр водоподающей трубы на гидромонитор имеющейся у Заказчика, D_вт = 78 мм
6. Производительность эрлифта по пульпе, заданная Заказчиком Q_пульпы = 220 м³/час

Найти: 

1. Диаметр гидромониторной насадки, d_н
2. Диаметр воздухоподающей трубы, d_в
3. Количество (расход) воздуха для эрлифта, Q_возд
4. Давление воздуха для эрлифта, P_возд
5. Количество (расход) воды на гидромонитор, Q_воды
6. Напор насоса, H_нас

1. Расчет параметров гидромониторной струи

а) Расход воды на гидромонитор (Q_воды)

Для эффективной работы эрлифта концентрация твердого в пульпе (по массе) обычно находится в пределах S = 10-20%. Примем ориентировочно S = 0.15 (15%).

Объемный расход твердого phase (песка) в пульпе:Q_тв = (S * Q_пульпы * ρ_воды) / (ρ_тв - ρ_воды * (1 - S)) ≈ (0.15 * 220 * 1000) / (2600) ≈ 12.7 м³/часПримечание: упрощенная формула, так как S невелико.

Объемный расход воды в поднимаемой пульпе:Q_воды_в_пульпе = Q_пульпы - Q_тв = 220 - 12.7 ≈ 207.3 м³/час

Это то количество воды, которое поднимается с забоя. Однако, часть воды подается через гидромонитор для размыва (Q_воды_гидромон), а другая часть может подаваться для разжижения пульпы. В первом приближении, особенно если не указано иное, принимаем, что вся вода на размыв и является основой пульпы. Таким образом:Q_воды ≈ Q_воды_в_пульпе = 207.3 м³/часПереведем в м³/с: Q_воды = 207.3 / 3600 ≈ 0.0576 м³/с

б) Скорость истечения воды из насадки (v_н)

Формула динамического давления: P_дин = (ρ_воды * v_н²) / 2Отсюда находим скорость:v_н = √( (2 * P_дин) / ρ_воды ) = √( (2 * 2.2e6) / 1000 ) = √(4400) ≈ 66.33 м/с

в) Диаметр насадки гидромонитора (d_н)

Расход воды связан с площадью отверстия насадки и скоростью:Q_воды = μ * F * v_н, гдеμ - коэффициент расхода насадки (для хорошо спрофилированной насадки μ ≈ 0.95 - 0.98). Примем μ = 0.97.F = π * d_н² / 4 - площадь отверстия.

Находим d_н:F = Q_воды / (μ * v_н) = 0.0576 / (0.97 * 66.33) ≈ 0.000895 м²d_н = √( (4 * F) / π ) = √( (4 * 0.000895) / 3.1416 ) ≈ √0.00114 ≈ 0.0338 м = 33.8 мм

Стандартный диаметр насадки – 34 мм.

г) Проверка скорости воды в водоподающей трубе (D_вт = 78 мм)Площадь трубы: F_вт = π * D_вт² / 4 = 3.1416 * (0.078)² / 4 ≈ 0.00478 м²Скорость воды: v_вт = Q_воды / F_вт = 0.0576 / 0.00478 ≈ 12.05 м/сДанная скорость находится в допустимых для напорных трубопроводов пределах (обычно до 15-20 м/с), значит, диаметр трубы выбран корректно.

1. Расчет параметров эрлифта

а) Давление воздуха для эрлифта (P_возд)

Давление воздуха должно быть достаточным для преодоления гидростатического давления столба пульпы на глубине погружения эрлифта.

Примем, что воздух-водораспределитель (башмак) эрлифта установлен на 2-3 метра выше забоя. Пусть глубина погружения под динамический уровень (h) равна 23 м.

Предварительно рассчитаем плотность пульпы (ρ_пульпы). При концентрации S=0.15:ρ_пульпы = ρ_воды * (1 - S) + ρ_тв * S = 1000 * 0.85 + 2600 * 0.15 = 850 + 390 = 1240 кг/м³

Давление воздуха должно быть примерно на 10-15% больше гидростатического давления столба пульпы для компенсации потерь.P_гидр = ρ_пульпы * g * h = 1240 * 9.81 * 23 ≈ 279 000 Па = 0.279 МПа

Абсолютное давление на входе в эрлифт:P_абс = P_гидр + P_атм = 0.279 + 0.1013 ≈ 0.380 МПа

Избыточное давление, которое должен развивать компрессор:P_возд = P_абс - P_атм = P_гидр = 0.279 МПа (или ~2.8 атм изб.)С учетом потерь (10-15%): P_возд ≈ 0.31 МПа (3.1 атм изб.)

б) Расход воздуха для эрлифта (Q_возд)

Расчет расхода воздуха сложен и основан на эмпирических зависимостях. Один из методов – использование удельного расхода воздуха (м³ воздуха на 1 м³ пульпы).

Для глубин 20-40 м и концентраций пульпы 10-20% удельный расход воздуха (q_уд) составляет примерно 3-8 м³/м³. Примем q_уд = 5 м³ воздуха на 1 м³ пульпы.

Тогда требуемый расход воздуха при атмосферном давлении:Q_возд = q_уд * Q_пульпы = 5 * 220 = 1100 м³/час

в) Диаметр воздухоподающей трубы (d_в)

Скорость воздуха в трубе при рабочем давлении должна быть в разумных пределах (10-20 м/с).

*Объемный расход воздуха на глубине (при давлении P_абс = 0.38 МПа):*Q_возд_раб = Q_возд * (P_атм / P_абс) = 1100 * (0.1013 / 0.38) ≈ 293 м³/час = 0.0814 м³/с

Примем скорость воздуха v_возд = 15 м/с.Находим площадь сечения трубы:F_в = Q_возд_раб / v_возд = 0.0814 / 15 ≈ 0.00543 м²Находим диаметр:d_в = √( (4 * F_в) / π ) = √( (4 * 0.00543) / 3.1416 ) ≈ √0.00692 ≈ 0.0832 м = 83.2 мм

Стандартный диаметр трубы – 80 мм или 90 мм. Выбираем d_в = 80 мм.

Расчет напора насоса

Насос должен обеспечить:

1. Преодоление перепада высот (H = 25 м).
2. Создание динамического давления на выходе из насадки (P_дин = 2.2 МПа, что эквивалентно напору 2.2e6 / (1000 * 9.81) ≈ 224 м).
3. Компенсацию потерь напора в водоподающей трубе.

Суммарный требуемый напор (H_нас):H_нас = H_ст + H_дин + H_пот, гдеH_ст = 25 м (статический напор)H_дин = 224 м (напор, требуемый для создания динамического давления)H_пот - потери напора в трубе.

*Рассчитаем потери в трубе диаметром 78 мм и длиной L = 25 м.*Скорость воды в трубе мы уже считали: v_вт = 12.05 м/с.Примем коэффициент гидравлического сопротивления λ = 0.03.H_пот = λ * (L / D_вт) * (v_вт² / (2g)) = 0.03 * (25 / 0.078) * (12.05² / (2 * 9.81)) ≈ 0.03 * 320.5 * 7.4 ≈ 71.2 м

Итого напор насоса:H_нас = 25 + 224 + 71.2 ≈ 320.2 м вод. ст.

СВОДКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Диаметр гидромониторной насадки:
2. Диаметр воздухоподводящей трубы:
3. Количество воздуха для эрлифта:
4. Давление воздуха для эрлифта:
5. Количество воды на гидромонитор:
6. Напор насоса:

Примечание: Расчеты, особенно для эрлифта, носят оценочный характер и должны быть уточнены по детальным методикам или паспортам на оборудование с учетом горно-геологических условий конкретного месторождения.

Технологическое и проектное решение, оборудование и материалы для участка СГД поставляются в сжатые сроки группой специалистов под управлением к.т.н. горного инженера, геотехнолога Николая Дмитриевича Бычека. Апробирование способа и оборудования осуществлялось в 2004-2005 г.г. на Клесовском месторождении янтаря (Украина). Из опытно-промышленной скважины намыто более 30 кг янтаря.