Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ПРОВЕТРИВАНИЯ УКЛОННОГО БЛОКА НЕФТЕШАХТЫ

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для экономичного проветривания уклонных блоков на месторождениях высоковязкой нефти и природного битума, подземная добыча которых производится шахтным способом с тепловыми методами воздействия на пласт (термошахтный способ).

В нефтешахтах применяется термошахтный способ добычи высоковязкой нефти, при котором в нефтяной пласт закачивается перегретый пар. В результате этого вязкость нефти снижается, и нефть выдается из добывающих скважин, расположенных в буровой галерее уклонного блока. Проблема заключается в том, что от горных выработок буровой галереи излучается тепло (температура воздуха в буровой галерее может достигать 70°C). Нагретый воздух выдается в исходящие выработки нефтешахты. Вследствие этого в буровой галерее и исходящих горных выработках нарушаются санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих.

В случае, если охлаждать воздух, поступающий в буровую галерею, температура воздуха в ней будет снижаться, что приведет к снижению температуры пласта и соответственно к снижению эффективности нагрева нефти и перерасходу пара, т.е. к увеличению энергопотерь на разогрев продуктивного нефтяного пласта. При этом охлаждение воздуха, исходящего из буровой галереи, будет нецелесообразным с экономической точки зрения.

Для экономичности добычи нефти термошахтным способом необходимо поддерживать высокую температуру разогрева нефтяного пласта, но при этом необходимо осуществлять мероприятия по обеспечению требуемых санитарно-гигиенических условий труда в буровой галерее и исходящих горных выработках.

Известна система проветривания уклонного блока нефтешахты, в которой воздухоподающая выработка разделена на два участка: воздушный тамбур для прохода людей и канал, в котором расположен конденсатор теплового насоса. В воздуховыдающей выработке также расположен воздушный тамбур и канал, в котором установлен испаритель теплового насоса (Николаев А.В., Вавулин А.В. Использование тепловых насосов при проветривании уклонных блоков нефтешахт // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых: тезисы докладов IXBcepoc. заоч. конф., 8-11 ноября 2016 г. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2016. С. 303-306. http://elibrary.ru/download/elibrary_27686184_91562173.pdf). В этом случае поступающий в буровую галерею воздух нагревается, а поступающий в исходящие горные выработки - охлаждается.

Недостатки известной системы следующие:

1. В системе проветривания санитарно-гигиенические условия труда при проветривании будут соблюдаться в воздухоподающих и исходящих выработках, а в буровой галерее, наоборот, воздух будет нагреваться не только от разогретого нефтяного пласта, но и за счет прохождения через конденсатор теплового насоса.

2. Воздух, поступающий в буровую галерею, нагревается в конденсаторе теплового насоса и охлаждается в испарителе теплового насоса. Т.к. по закону сохранения энергии количество отдаваемого тепла в конденсаторе теплового насоса равно количеству холода, отдаваемого воздуху, в испарителе теплового насоса, воздух не будет охлаждаться до температуры, при которой полностью будут обеспечены санитарно-гигиенические условия труда в исходящих горных выработках.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является система проветривания нефтешахты (RU №2582145, опубл. 20.04.2016 г.), включающая главную вентиляторную установку, установленную на вентиляционном стволе нефтешахты, микроконтроллерный блок, связанный с датчиками температуры и давления воздуха либо с плотномерами, а также с датчиками расхода воздуха. В каждой воздухоподающей выработке уклонного блока расположен вентилятор местного проветривания, а в каждой воздуховыдающей выработке уклонного блока размещен воздушный тамбур, состоящий из перемычек с дверями. Устья вентиляционных скважин уклонных блоков снабжены дефлекторами и поверхностными вентиляторами. Датчики расхода воздуха и датчики температуры и давления воздуха или плотномеры расположены в воздухоподающих выработках уклонных блоков, в главных исходящих вентиляционных выработках, в устьях и околоствольных дворах воздухоподающих стволов и в канале главной вентиляционной установки. Дополнительные датчики расхода воздуха установлены в воздуховыдающих выработках уклонного блока за соединительной выработкой по ходу потока исходящего воздуха, при этом дополнительные датчики температуры, давления или плотномеры расположены в буровых галереях уклонных блоков и на поверхности нефтешахты. Микроконтроллерный блок выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, поступающего в уклонные блоки в зависимости от показаний указанных датчиков за счет изменения режима работы вентиляторов местного проветривания и поверхностных вентиляторов, а также с возможностью изменения производительности главной вентиляторной установки. Данная система принята за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - главная вентиляторная установка, установленная с возможностью подачи воздуха в нефтешахту; микроконтроллерный блок, связанный с датчиками температуры и датчиками расхода воздуха, размещенными в воздухоподающей и воздуховыдающей выработках уклонного блока; вентиляционная скважина с расположенной на ней вентиляционной трубой, установленные в воздуховыдающей выработке; микроконтроллерный блок выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, поступающего в уклонный блок в зависимости от показаний указанных датчиков за счет изменения производительности главной вентиляторной установки.

Недостатки известной системы, принятой за прототип, следующие:

1. В известной системе проветривания предусмотрено часть воздуха направлять на поверхность, а часть выдавать в исходящие горные выработки, вследствие этого потребуется для проветривания уклонного блока в два раза больше воздуха. В этом случае на проветривание уклонного блока и нефтешахты в целом будет затрачиваться большее количество электроэнергии.

2. В буровую галерею поступает воздух, температура которого равна температуре горных пород на глубине залегания нефтяного пласта, т.е. 11-15°C. Данного значения температуры недостаточно для обеспечения требуемых санитарно-гигиенических условий труда в буровой галерее, т.к. за счет тепла от разогретого массива воздух будет нагреваться до температуры выше установленной санитарными правилами (30-35°C).

3. Контактируя с нагретыми горными выработками нефтяного пласта, поступающий в буровую галерею воздух охлаждает их. В результате этого теряется часть энергии, расходуемой на разогрев пласта для снижения вязкости нефти.

Технический результат заключается в снижении затрат электроэнергии на проветривание и природных ресурсов на разогрев нефтяного пласта при обеспечении санитарно-гигиенических условий труда в буровой галерее и исходящих горных выработках.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известная система проветривания уклонного блока нефтешахты, включающая главную вентиляторную установку, установленную с возможностью подачи воздуха в нефтешахту, микроконтроллерный блок, связанный с датчиками температуры и датчиками расхода воздуха, размещенными в воздухоподающей и воздуховыдающей выработках уклонного блока, вентиляционную скважину с расположенной на ней вентиляционной трубой, установленные в воздуховыдающей выработке, при этом микроконтроллерный блок выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, поступающего в уклонный блок в зависимости от показаний указанных датчиков за счет изменения производительности главной вентиляторной установки, согласно изобретению снабжена системой кондиционирования воздуха, испаритель которой установлен в воздухоподающей выработке, а конденсатор установлен в воздухоподающей выработке вблизи стенок разогретого нефтяного пласта и/или в устье вентиляционной скважины и/или непосредственно в вентиляционной скважине, в выработках уклонного блока установлена теплоизоляционная перегородка, отделяющая разогретые стенки и кровлю воздухоподающей, воздуховыдающей выработок и буровой галереи от охлажденного потока воздуха, поступающего от испарителя системы кондиционирования, образуя участок, примыкающий к вентиляционной скважине, на образованном участке между разогретыми стенками нефтяного пласта и теплоизоляционной перегородкой расположена управляемая перегородка, выполненная с возможностью регулирования объемного расхода воздуха за счет изменения своего положения, а микроконтроллерный блок выполнен с возможностью управления системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров воздуха, поступающего в уклонный блок, и управляемой перегородкой в зависимости от объемного расхода удаляемого воздуха.

Кроме того, система может быть снабжена второй системой кондиционирования воздуха, испаритель которой расположен на входе в буровую галерею, а конденсатор расположен в устье вентиляционной скважины или непосредственно в ней, микроконтроллерный блок выполнен с возможностью управления второй системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров воздуха, поступающего в уклонный блок.

Кроме того, в вентиляционной скважине на выходе из вентиляционной трубы может быть установлен испаритель теплового насоса.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - наличие системы кондиционирования воздуха, испаритель которой установлен в воздухоподающей выработке, а конденсатор установлен в воздухоподающей выработке вблизи стенок разогретого нефтяного пласта и/или в устье вентиляционной скважины и/или непосредственно в вентиляционной скважине; в выработках уклонного блока установлена теплоизоляционная перегородка, отделяющая разогретые стенки и кровлю воздухоподающей, воздуховыдающей выработок и буровой галереи от охлажденного потока воздуха, поступающего от испарителя системы кондиционировании, образуя участок, примыкающий к вентиляционной скважине; на образованном участке между разогретыми стенками нефтяного пласта и теплоизоляционной перегородкой расположена управляемая перегородка, выполненная с возможностью регулирования объемного расхода воздуха за счет изменения своего положения; микроконтроллерный блок выполнен с возможностью управления системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров воздуха, поступающего в уклонный блок, и управляемой перегородкой в зависимости от объемного расхода удаляемого воздуха; наличие второй системы кондиционирования воздуха, испаритель которой расположен на входе в буровую галерею, а конденсатор расположен в устье вентиляционной скважины или непосредственно в ней, микроконтроллерный блок выполнен с возможностью управления второй системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров воздуха, поступающего в уклонный блок; в вентиляционной скважине на выходе из вентиляционной трубы установлен испаритель теплового насоса.

Наличие системы кондиционирования воздуха, испаритель которой установлен в воздухоподающей выработке, позволяет снизить температуру воздуха в уклонном блоке, обеспечив требуемые санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих в нем.

Установка в выработках уклонного блока теплоизоляционной перегородки, отделяющей разогретые стенки и кровлю воздухоподающей, воздуховыдающей выработок и буровой галереи от охлажденного потока воздуха, поступающего от испарителя системы кондиционирования, позволяет не охлаждать нефтяной пласт, а, наоборот, в случае установки конденсатора системы кондиционирования воздуха в воздухоподающей выработке, дополнительно его нагревать, т.е. снижается расход пара, а следовательно, затраты природных ресурсов на подготовку нефтяного пласта. С другой стороны теплоизоляционной перегородки будет поступать охлажденный воздух из испарителя системы кондиционирования воздуха, в результате чего в буровой галерее и исходящих горных выработках будут соблюдаться санитарно-гигиенические условия труда. При этом большая часть воздуха после поступления в буровую галерею будет уходить в исходящие горные выработки, т.е. на их проветривание не потребуется дополнительного объема воздуха, в результате чего снизятся, по сравнению с прототипом, затраты электроэнергии на проветривание.

Благодаря тому, что участок между разогретыми горными выработками нефтяного пласта и теплоизоляционной перегородкой примыкает к вентиляционной скважине, нагретый в конденсаторе системы кондиционирования и от разогретых стенок и кровли нефтяного пласта воздух удаляется по вентиляционной скважине на поверхность за счет возникновения тепловой депрессии (естественной тяги). В результате снижаются затраты электроэнергии на проветривание.

Наличие на участке между разогретыми стенками нефтяного пласта и теплоизоляционной перегородкой управляемой перегородки позволит регулировать объемный расход воздуха за счет изменения своего положения. При этом естественная тяга h_e будет способствовать поступлению воздуха в уклонный блок, т.е. за счет ее действия в буровую галерею будет поступать большее количество воздуха без применения источников электрической энергии. Благодаря этому снижаются затраты электроэнергии на проветривание и природных ресурсов на разогрев нефтяного пласта.

Выполнение микроконтроллерного блока с возможностью управления системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров поступающего в уклонный блок воздуха и управляемой перегородкой в зависимости от объемного расхода удаляемого воздуха, позволяет контролировать объем воздуха, что обеспечивает санитарно-гигиенические условия труда в буровой галерее и исходящих горных выработках и снижает затраты электроэнергии на проветривание и природных ресурсов на разогрев нефтяного пласта.

Предлагаемая система иллюстрирована чертежами, представленными на фиг 1-4.

На фиг. 1 показана схема уклонного блока нефтешахты с заявляемой системой проветривания, вид сверху.

На фиг. 2 - разрез по сечению воздуховыдающей выработки.

На фиг. 3 - схема уклонного блока нефтешахты с заявляемой системой проветривания, вид сбоку.

На фиг. 4 - принципиальная схема подключения к микроконтроллерному блоку датчиков и устройств управления.

На фиг. 1-4 показаны:

1 - воздухоподающая выработка уклонного блока;

2 - свежий воздух;

3 - испаритель первой системы кондиционирования воздуха;

4 - охлажденный воздух;

5 - буровая галерея;

6 - нагретый воздух;

7 - конденсатор первой системы кондиционирования воздуха;

8 - трубопровод с хладоносителем;

9 - регулирующее устройство в трубопроводе 8;

10 - теплоизоляционная перегородка;

11 - вентиляционная скважина;

12 - воздуховыдающая выработка;

13 - исходящий воздух;

14 - датчик температуры воздуха, установленный в воздухоподающей выработке;

15 - датчик расхода воздуха, установленный в воздухоподающей выработке;

16 - испаритель второй системы кондиционирования воздуха;

17 - конденсатор второй системы кондиционирования воздуха;

18 - охлажденный в испарителе 16 воздух;

19 - регулирующее устройство в трубопроводе с хладоносителем 20;

20 - трубопровод с хладоносителем;

21 - участок между нефтяным пластом и теплоизолирующей перегородкой 10;

22 - управляемая перегородка;

23 - устройство управления перегородкой 22;

24 - микроконтроллерный блок;

25 - испаритель теплового насоса;

26 - вентиляционная труба;

27 - датчик расхода воздуха.

28 - датчик температуры воздуха, установленный в воздуховыдающей выработке;

29 - датчик расхода воздуха, установленный в воздуховыдающей выработке.

Система проветривания уклонного блока нефтешахты (фиг. 1) включает главную вентиляторную установку (не показана), установленную с возможностью подачи воздуха 2 в нефтешахту, микроконтроллерный блок 24, связанный с датчиками температуры 14, 28 и датчиками расхода воздуха 15, 29, систему кондиционирования воздуха, испаритель 3 которой расположен в воздухоподающей выработке 1, а конденсатор 7 расположен в воздухоподающей выработке 1 вблизи стенок разогретого нефтяного пласта и/или в устье вентиляционной скважины 11 и/или непосредственно в вентиляционной скважине 11. Вентиляционная скважина 11 установлена в воздуховыдающей выработке 12. На вентиляционной скважине 11 расположена вентиляционная труба 26 (фиг. 2). На выходе из вентиляционной трубы 26 установлен датчик расхода воздуха 27 и может быть установлен испаритель теплового насоса 25 (фиг. 3). Датчики температуры 14, 28 и датчики расхода воздуха 15, 29 размещены, соответственно, в воздухоподающей 1 и воздуховыдающей 12 выработках уклонного блока.

В выработках 1, 12 уклонного блока установлена теплоизоляционная перегородка 10, отделяющая разогретые стенки и кровлю воздухоподающей 1, воздуховыдающей 12 выработок и буровой галереи 5 от охлажденного потока воздуха 4, поступающего от испарителя 3 системы кондиционирования, образуя участок 21, примыкающий к вентиляционной скважине 11. На образованном участке 21 между разогретыми стенками нефтяного пласта и теплоизоляционной перегородкой 10 расположена управляемая перегородка 22 с устройством управления 23, выполненная с возможностью регулирования объемного расхода воздуха за счет изменения своего положения.

Микроконтроллерный блок 24 (фиг. 4) выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, поступающего в уклонный блок в зависимости от показаний датчиков 14, 28, 15, 29 за счет изменения производительности главной вентиляторной установки.

Микроконтроллерный блок 24 выполнен с возможностью управления системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров воздуха 2, поступающего в уклонный блок, и управляемой перегородкой 22 в зависимости от объемного расхода удаляемого воздуха.

Система проветривания может быть снабжена второй системой кондиционирования воздуха, испаритель 16 которой расположен на входе в буровую галерею 5, а конденсатор 17 расположен в устье вентиляционной скважины 11 или непосредственно в ней. Микроконтроллерный блок 24 выполнен с возможностью управления второй системой кондиционирования воздуха в зависимости от параметров поступающего в уклонный блок воздуха 2.

Процесс проветривания уклонного блока нефтешахты с помощью заявляемой системы осуществляется следующим образом.

В уклонный блок за счет работы главной вентиляторной установки (не показана) по воздухоподающей выработке 1 поступает свежий воздух 2. По ходу движения воздуха 2 расположен испаритель 3 системы кондиционирования воздуха (СКВ), в котором часть свежего воздуха 4 охлаждается и поступает в буровую галерею 5. Другая часть воздуха 6 поступает в конденсатор 7 СКВ, в котором он нагревается. Хладоноситель, используемый в СКВ для охлаждения воздуха 4 в испарителе 3, передается в конденсатор 7 СКВ по трубопроводу 8. При нагреве воздуха 6 в конденсаторе 7 СКВ хладоноситель охлаждается и вновь поступает в испаритель 3 СКВ. Температура воздуха на выходе испарителя 3 СКВ и конденсатора 7 СКВ регулируется изменением давления и расхода хладоносителя в трубопроводе 8 за счет регулирующего устройства 9, управляющего компрессором и/или регулируемым дросселем (не показаны). По ходу движения нагретого 6 и охлажденного 4 потоков воздуха выработки уклонного блока разделены теплоизоляционной перегородкой 10. Нагретый воздух 6 поступает в буровую галерею 5, где он от разогретых почвы, стен и кровли нагревается до еще большей температуры и направляется в вентиляционную скважину 11, расположенную в воздуховыдающей выработке 12. С другой стороны теплоизоляционной перегородки 10 охлажденный воздух 4 поступает в буровую галерею 5, в результате чего в ней поддерживаются санитарно-гигиенические условия труда. При этом наличие теплоизоляционной перегородки 10 обеспечивает меньшие затраты электроэнергии при работе СКВ на охлаждение, т.к. практически отсутствует тепловой поток от разогретого пласта. Также повышается эффективность разогрева нефтяного пласта за счет того, что тепловая энергия не теряется при теплообмене с поступающим в буровую галерею 5 охлажденным воздухом 4, а, наоборот, поступление нагретого воздуха 6 способствует поддержанию температурного режима.

Исходящий из уклонного блока воздух 13 за счет теплоизоляционной перегородки 10 также имеет температуру, соответствующую санитарно-гигиеническим условиям труда. Параметры воздуха, поступающего в буровую галерею 5, определяются датчиками температуры 14 и расхода 15 воздуха. Параметры воздуха, исходящего из буровой галереи 5 и/или непосредственно в ней, определяются датчиками температуры 28 и расхода 29 воздуха.

В системе проветривания может быть использована вторая СКВ, испаритель 16 которой расположен на входе в буровую галерею 5, а конденсатор 17 расположен в устье вентиляционной скважины 11 или непосредственно в ней. Регулирование температуры исходящего 18 из испарителя 16 воздуха осуществляется регулирующим устройством 19, управляющим компрессором и/или регулируемым дросселем (не показаны), за счет изменения параметров хладоносителя в трубопроводе 20. За счет того, что в участок 21 между теплоизоляционной перегородкой 10 и нефтяным пластом поступает нагретый в конденсаторе 7 СКВ воздух 6, а также за счет тепла от разогретого пласта и, в случае применения второй СКВ, выдачи нагретого в устье (или внутри) вентиляционной скважины 11 конденсатором 17 воздуха 6, возникает тепловая депрессия (естественная тяга) h_e. Возникающая тепловая депрессия h_e способствует выдаче воздуха 6 по вентиляционной скважине 11. С целью снижения объемного расхода воздуха 6, не участвующего в проветривании буровой галереи 5, на участке 21 расположена управляемая перегородка 22 с устройством управления 23. При изменении положения перегородки 22 регулируется объемный расход воздуха 6, проходящего по участку 21 и выдаваемого по вентиляционной скважине 11. При этом естественная тяга h_e будет способствовать поступлению в уклонный блок, т.е. за счет ее действия в буровую галерею будет поступать большее количество воздуха без применения источников электрической энергии.

С целью использования тепловой энергии исходящего по вентиляционной скважине 11 нагретого воздуха 6, на выходе из нее может быть установлен испаритель теплового насоса 25, для утилизации тепловой энергии воздуха 6, подаваемого по вентиляционной трубе 26, установленной на вентиляционной скважине 11. Объемный расход воздуха 6, исходящего по вентиляционной скважине 11 и далее по вентиляционной трубе 26, контролируется датчиком расхода воздуха 27.

Процесс воздухоподготовки и проветривания управляется за счет работы микроконтроллерного блока (МКБ) 24, на который приходит информация с датчиков 14, 15, 27, 28, 29. В зависимости от расхода воздуха и его температуры с МКБ 24 выдаются управляющие сигналы на устройства управления 9 первой СКВ, устройство 23 и при наличии второй СКВ на устройства управления 19, а также в случае необходимости, на устройство управления главной вентиляторной установкой (не показано).

При применении в уклонном блоке одной СКВ может быть вариант размещения испарителя 3 в воздухоподающей выработке 1, а конденсатора 7 в устье вентиляционной скважины 11 или непосредственно в ней самой. В этом случае в участок 21 поступает не нагретый воздух, поэтому с точки зрения разогрева нефтяного пласта такая схема будет менее действенной, но позволит охлаждать воздух в буровой галерее 5 более эффективно. Подобный вариант подходит при высоких температурах разогрева нефтяного пласта.

Отсутствие необходимости подавать в исходящие горные выработки дополнительного объема воздуха позволит снизить затраты электроэнергии на проветривание. Также для экономии электроэнергии, расходуемой на проветривание, используется устройство управления режимом работы главной вентиляторной установки в зависимости от объема воздуха, поступающего в уклонный блок. Кроме того, снижение затрат электроэнергии связано с отсутствием, по сравнению с прототипом, поверхностного вентилятора, предназначенного для выдачи воздуха по вентиляционной скважине через вентиляционную трубу на поверхность.

Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет одновременно снизить затраты электроэнергии на проветривание и природных ресурсов на разогрев нефтяного пласта и обеспечить санитарно-гигиенические условия труда в буровой галерее и исходящих горных выработках.