[发明专利]一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法

说明书

本发明公开了一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，包括射流泵结构尺寸设计、流态化采矿工艺参数设计和工艺匹配度验证等步骤。本发明考虑射流泵提升矿浆中颗粒对射流泵效率的影响、完善液固射流泵性能基本方程，基于改善的液固射流泵性能基本方程对射流泵结构尺寸进行设计、确定射流泵工作效率接近峰值效率时对应的射流泵结构尺寸，在此基础上匹配设计流态化采矿工艺参数、并通过射流泵实际流量比与汽蚀流量比进行比较，获得最佳匹配配套参数，设计结果能够满足流态化采矿过程中高压水射流在非淹没状态完成破碎矿体作业，进而提高流态化采矿的效率，可以为非淹没射流流态化采矿方法的推广应用提供理论指导及数据支持。

技术领域

本发明涉及一种参数优化方法，具体是一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，属于流态化采矿技术领域。

背景技术

流态化采矿是指通过钻井利用高压水射流将矿石切割、破碎并在工作面形成矿浆经钻井提升到地表，送选矿厂加工处理的开采方法。流态化采矿可用于开采埋藏浅，厚度小的有色金属和稀有金属砂矿，疏松多孔、胶结性弱的矿床，如泥炭、煤、磷灰石、疏松锰矿、软铝土矿、沥青砂岩、金铁砂矿和沉积油矿床等，还可用于开采埋藏很深的用作建筑材料的矿床，对永久性冻土层下部的砂、砾石和砂石矿也是一种有效的开采方法。

通常流态化采矿是以双壁钻杆为载体、采用高压水射流实现矿物破碎，并通过射流泵完成矿浆的提升。如图1所示，双壁钻杆外流道为高压水通道，流态化采矿过程中高压水同时是破碎矿物和提升矿浆的动力源，一方面，高压水经过水力切割喷嘴形成高压水射流对矿体进行破碎，另一方面，高压水从射流泵喷嘴喷出后在喷嘴出口与钻井环空内形成压力差，在压力差作用下矿浆被抽吸进入双壁钻杆内流道，进而实现矿浆提升。除此之外，在双壁钻杆底部可布置多个扰流喷嘴，扰流喷嘴射流对落入钻井井底的矿浆进行扰动，降低射流泵对钻井底部矿物颗粒的抽吸阻力。

垂直钻井中矿浆提升是流态化采矿工艺需要解决的核心难题。垂直钻井矿浆提升需要克服的阻力主要包括矿浆从钻井井底至地面的静压能、双壁钻杆内流道内矿浆沿程损失和矿浆动压。在已有的流态化采矿工艺中，双壁钻杆与钻井环空内矿浆液位需要控制至钻井井口附近。钻井环空内矿浆液柱产生的自重与矿浆提升所需的静压能相平衡，以此降低矿浆提升总阻力。尽管控制钻井环空内矿浆液位处钻井井口附近是实现垂直钻井矿浆提升的有效途径，但是这样的技术方案会使高压水从射流喷嘴喷出后先经过矿浆环境，再次冲击矿体，这将意味着流态化采矿为淹没射流破碎矿体。对于淹没射流，高压水射流从喷嘴喷出后，与矿浆相互掺混，射流轴线速度将呈负指数衰减规律，极大了削弱了高压水射流的冲击力。因此淹没射流流态化采矿工艺的单井破碎半径和生产效率低，限制了流态化采矿工艺的推广应用。

考虑到地面钻井成井成本和流态化采矿工艺的经济效益，流态化采矿时，可通过向钻井环空内注入高压气体，迫使钻井环空内液面下降至射流破煤(岩)喷嘴以下，使得高压水射流被在非淹没状态下对矿体实施破碎。值得注意的是，可靠的非淹没射流破煤(岩)工艺应满足流态化采矿过程中高压水射流始终在非淹没状态下完成破碎作业。因此钻井环空内矿浆液位的稳定是非淹没射流流态化采矿工艺的重要目标。由于高压水射流破煤(岩)工艺和射流泵提升矿浆工艺在时间上是同步的，这就要求二者之间应具有较高的工艺匹配性。即射流泵提升性能应确保新增矿浆能被及时输运至地面，避免高压水射流破煤的作业环境由非淹没状态转向淹没状态。因此，研究流态化采矿工艺匹配性对非淹没射流流态化采矿方法的推广运用具有重要的现实意义。