CN115422684B - 一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法
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。
非淹没射流流态化采矿工艺匹配性主要包含射流泵结构尺寸和流态化采煤工艺参数设计两个方面。一方面，射流泵是一种利用湍流扩散作用传递能量和质量的流体机械。但射流泵最大的缺陷为峰值提升效率低，研究表明射流泵的最大提升效率仅为35％。因此保证射流泵提升效率逼近峰值提升效率对提高射流泵应用的经济效益至关重要。由于射流泵内部无运动部件，射流泵结构尺寸是射流泵提升性能的重要影响因素。目前研究人员开展了大量射流泵结构尺寸对射流泵效率的影响研究，提出了适用于工作流体与被吸流体为同种介质的最优射流泵性能方程经验公式。当流体中含有颗粒时，颗粒与流体间的速度滑移对射流泵的性能具有极大影响。现有的射流泵最优性能方程经验公式暂未考虑这一关键因素，难以指导液固***下射流泵结构设计。另一方面，流态化采矿工艺参数的设计应满足高压水射流非淹没破煤(岩)的需求，即射流泵的抽吸能力与矿浆生产能力匹配，以此维持非淹没流态化采矿工艺中钻井环空内矿浆液位的稳定。此外，由于射流泵对矿浆的实际抽吸流量还与流态化采矿工艺参数直接相关，如高压水压力、煤层埋深等，因此在获得射流泵最佳结构尺寸基础上，仍需对流态化采矿工艺参数进行匹配设计。然而，目前对于基于射流泵的钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法尚未有相关的研究记载。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，能够实现在非淹没状态下射流泵的提升性能与流态化采矿速率的匹配，进而实现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、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。
为实现上述目的，本钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法具体包括以下步骤：
Step1、射流泵结构尺寸设计：根据经验值给定射流泵面积比m和流量比q的初值，以与射流泵面积比m对应的射流泵峰值效率ηmax为依据，确定射流泵工作效率η接近ηmax时对应的包括射流泵喷嘴出口直径D1的射流泵结构尺寸和射流泵理论压力比h；
Step2、流态化采矿工艺参数设计：在Step1得到的射流泵结构尺寸基础上，结合矿层赋存条件及钻具条件优选最佳的流态化采矿工艺参数；
Step2-1、根据流量比q和射流泵喷嘴出口直径D1，预设水力切割喷嘴出口直径Djet初值和扰流喷嘴出口直径Dsubjet初值，调整高压水压力Ppumb和背压Pb使得流态化采矿工艺的射流泵实际压力比h’尽可能接近射流泵理论压力比h，且满足h’<h；
Step2-2、调整水力切割喷嘴出口直径Djet和扰流喷嘴出口直径Dsubjet，使得流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’尽可能接近射流泵理论流量比q，且满足q’<q；
Step3、工艺匹配度验证：汽蚀流量比qk是给定射流泵结构尺寸前提下射流泵不发生汽蚀的最大流量比，验证流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’是否小于汽蚀流量比qk，若满足，则Step1得到的射流泵结构尺寸和Step2得到的流态化采矿工艺参数为最佳匹配配套参数；若不满足，则根据经验值修改射流泵面积比m或流量比q的初值，重复步骤Step1～Step3，直至流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’小于汽蚀流量比qk。
进一步的，Step1中，当被吸流体为液固体系时，射流泵的基本方程为：
式中：为喷嘴的流速系数；/>为喉管的流速系数；/>为扩散管的流速系数；/>为吸入室的流速系数，取0.95；/>为喉管进口段的流速系数，取1；
μ1为吸入室出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数；μ2为喉管进口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数；μ3为喉管出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数；
a为喉管进口函数；c为吸入面积比；q为理论流量比；m为面积比；n为与面积比相关的系数；δ为喉管出口剖面流体动量修正系数；β为喉管进口段收缩半角；
f3为喉管入口面积，单位m2；f1为喷嘴出口面积，单位m2；fs1为被吸流体在吸入室出口剖面的过流面积，单位m2；
k1为喉管进口段工作流体流速分布不均匀系数，取0.95；k'1为喉管进口段工作流体流速分布不均匀综合系数；k2为喉管进口段被吸流体流速分布不均匀系数，取1.10；k'2为喉管进口段工作流体流速分布不均匀综合系数；为被吸流体与工作流体的容重比。
进一步的，吸入室出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ1表示为：
式中：cv为颗粒体积浓度；为固体颗粒在吸入室出口剖面的平均流速，单位m/s；vs1为忽略颗粒影响下被吸流体在吸入室出口剖面的平均流速，单位m/s；Qs为射流泵被吸流体流量，单位m3/s；fs1为被吸流体在吸入室出口剖面的过流面积，单位m2；D1为射流泵喷嘴出口直径，单位m；Lc为喉嘴距，单位m；m为面积比；β为喉管进口段收缩半角；vss为吸浆口处流体流速，单位m/s；Fdrags为吸浆口颗粒所受曳力，单位N；g为重力加速度，单位m/s2；A为颗粒沿水流方向的投影面积，单位m2；a1为喷嘴壁厚修正系数，取1.2；Dp为吸浆口处颗粒的最大粒径，单位m；γp颗粒容重，单位N/m3；γs为吸浆口的流体容重，单位N/m3；Vp为吸浆口处最大粒径颗粒的体积，单位m3；/>吸浆口处最大粒径颗粒的沉降末速，单位m/s；S为吸浆口面积，单位m2；Ls为吸入室长度，单位m；Cd为颗粒曳力系数，取0.44；
喉管进口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ2表示为：
式中：vs2为忽略颗粒影响下被吸流体在喉管进口剖面的平均流速，单位m/s；为固体颗粒在喉管进口剖面的平均流速，单位m/s；Fdrag1为固体颗粒在吸入室出口剖面所受曳力，单位N；f3为喉管入口面积，单位m2；f1为喷嘴出口面积，单位m2；γ1为流体在喉管进口段入口容重，单位N/m3；
喉管出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ3表示为：
式中：q为理论流量比；vs3为忽略颗粒影响下流体在喉管出口剖面的平均流速，单位m/s；为固体颗粒在喉管出口剖面的平均流速，单位m/s；Fdrag2为固体颗粒在喉管进口剖面所受曳力，单位N；γ2为流体在喉管入口容重，单位N/m3；Q0为射流泵工作流体流量，单位m3/s。
进一步的，Step2-1中，射流泵实际压力比h’表示为：
Pjetpumb＝ρliftgH+hlift+hv
式中：Pjetpumb为无背压下矿浆提升至地面所需能量，单位Pa；ρlift为双壁钻杆内流道矿浆密度，单位kg/m3；g为重力加速度，m/s2；hlift为双壁钻杆内流道矿浆沿程阻力，单位Pa；hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；hv为双壁钻杆内流道矿浆动压，单位Pa；H为矿浆提升高度，单位m；Pb为水力开采背压，单位Pa；Ppumb为高压水压力，单位Pa；
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式中的双壁钻杆内流道矿浆密度ρlift表示为：
式中：ρp为矿层密度，单位kg/m3；ρ为高压水密度，单位kg/m3；Qwater为返渣管内被吸流体中液体流量，单位m3/s；Qcoal为返渣管内被吸流体中颗粒流量，单位m3/s；Q’0为流态化采矿工艺中射流泵工作流体流量，单位m3/s；Q’s为流态化采矿工艺中射流泵被吸流体流量，单位m3/s；
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式中的双壁钻杆内流道矿浆动压hv表示为：
式中：Ulift为双壁钻杆内流道矿浆流速，单位m/s；Ainner为双壁钻杆内径，单位m；
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式以及射流泵实际压力比h’公式中的双壁钻杆内流道矿浆沿程阻力hlift、双壁钻杆外流道进水管沿程阻力hint表示为：
式中：λlift为双壁钻杆内流道摩擦系数，取0.04；dlift为双壁钻杆内流道水力直径，单位m；λint为双壁钻杆外流道摩擦系数，取0.04；dint为双壁钻杆外流道水力直径，单位m；Uint为双壁钻杆外流道速度，单位m/s。
进一步的，Step2-2中，射流泵实际流量比q’表示为：
式中：Q’0为射流泵工作流体流量；Q’s为射流泵被吸流体流量；
射流泵工作流体流量Q’0和射流泵被吸流体流量Q’s表示为：
Qs'＝Qwater+Qcoal
式中：U为高压水速度，单位m/s；D1为喷嘴出口直径，单位m；Qwater为返渣管内被吸流体中液体流量，单位m3/s；Qcoal为返渣管内被吸流体中颗粒流量，单位m3/s；λjet为喷嘴流速系数，取0.975；Djet为水力切割喷嘴出口直径，单位m；Dsubjet为扰流喷嘴出口直径，单位m；Ppumb为高压水压力，单位Pa；ρ为高压水密度，单位kg/m3；H为矿浆提升高度，单位m；Pb为水力开采背压，单位Pa；hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa。
进一步的，Step3中，汽蚀流量比qk表示为：
式中：m为射流泵面积比；hk为汽蚀压力比；ε为汽蚀流量比系数；
汽蚀压力比hk表示为：
式中：Pa为大气压，单位Pa；Pb为水力开采背压，单位Pa；Ppumb为高压水压力，单位Pa；ρlift为双壁钻杆内流道矿浆密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2；H为矿浆提升高度，单位m；hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；Pk为水的饱和蒸汽压，单位Pa。
与现有技术相比，采用本钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法提出的设计方法设计的射流泵结构尺寸和钻井流态化开采工艺参数能够满足钻井非淹没射流流态化开采的技术要求，即流态化开采过程中射流泵对矿浆的提升能力与高压水射流的矿浆生产能力相匹配，配合钻井环空内压入一定压力的高压气体，能够保证钻井环空内矿浆液位低于射流破煤嘴的高度，并在流态化开采过程中维持钻井环空内矿浆液位的稳定，实现钻井非淹没射流流态化开采；此外，与淹没射流相比，同等高压水流量下非淹没射流的轴线速度衰减速率将显著降低，高压水射流能量更加集中，因此采用本专利设计方法形成的钻井非淹没射流环境不仅能够大幅度提高钻井流态化开采的单井开采半径，还能在保证开采半径的同时显著降低流态化开采工艺的用水量，具有显著的流态化采矿效率和经济效益，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。
附图说明
图1是流态化采矿示意图；
图2是射流泵的结构示意图，其中Ⅰ为喷嘴、Ⅱ为喉管进口段、Ⅲ为喉管、Ⅳ为扩散管、Ⅴ为吸入室、Ⅵ为双壁钻杆外流道、s-s截面为吸浆口剖面、c-c截面为扩散管出口剖面、0-0截面为喷嘴入口剖面、1-1截面为吸入室出口剖面、2-2截面为喉管进口剖面、3-3截面为喉管出口剖面、β为喉管进口段收缩半角；
图3是本发明的流程图；
图4是射流泵喉管进口段的局部放大视图；
图5是射流泵提升数值计算物理模型图，图中(a)是边界条件图、(b)是整体模型图、(c)是局部模型图；
图6是射流泵轴线压力分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图2所示，流态化采矿工艺的射流泵的关键部件包含喷嘴、喉管进口段、喉管、扩散管和吸入室，由于吸入室通常是直径一致的通道结构、其对射流泵性能的影响微小，因此忽略吸入室的对射流泵性能的影响，其余部件需要设计的结构名称见表1。
表1射流泵的关键部件结构
则射流泵提升性能可以用以下无量纲量表示：
①理论流量比q：
式中：Qs为被吸流体流量，单位m3/s；Q0为工作流体流量，单位m3/s。
②理论压力比h：
式中：Pc为扩散管出口的流体静压，单位Pa；
Ps为吸浆口的流体静压，单位Pa；
P0为射流泵工作流体入口的流体静压，单位Pa；
vc为扩散管出口的流体流速，单位m/s；
vs为吸浆口的流体流速，单位m/s；
v0为射流泵工作流体入口的流体流速，单位m/s；
zc为扩散管出口的高度，单位m；
zs为吸浆口的高度，单位m；
z0为射流泵工作流体入口的高度，单位m；
γc为扩散管出口的流体容重，单位N/m3；
γs为吸浆口的流体容重，单位N/m3；
γ0为射流泵工作流体入口的流体容重，单位N/m3。
③面积比m：
式中：f3为喉管入口面积，单位m2；f1为喷嘴出口面积，单位m2。
④效率η：
射流泵性能方程是确保射流泵能将被吸流体提升至于目标位置时射流泵的压力比、流量比、面积比和关键部件结构尺寸四者之间必须满足的函数关系。此外，流态化采矿时，受限于钻井空间，射流泵结构设计除了满足射流泵基本方程外，还需确保射流泵对矿浆的提升效率应与高压水射流对矿层的破碎效率相匹配，以保证流态化采矿效率。
如图3所示，本钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法包括以下步骤：
Step1、射流泵结构尺寸设计：根据经验值给定射流泵面积比m和流量比q的初值，然后通过改变射流泵的可变参数确定射流泵工作效率最高时对应的射流泵结构尺寸和射流泵理论压力比h。
射流泵压力比、流量比和关键部件的结构尺寸三者之间满足射流泵基本方程是射流泵能将被吸流体提升至于目标位置的必要非充分条件。当被吸流体为液固体系时，射流泵的基本方程为：
式中：为喷嘴的流速系数；
为喉管的流速系数；
为扩散管的流速系数；
为吸入室的流速系数，取0.95；
为喉管进口段的流速系数，其与喉管进口段的摩阻系数有关，由于喉管进口段较短，喉管进口段的摩阻损失可以被忽略，故/>
μ1为吸入室出口剖面(图2中1-1剖面)颗粒与液体速度滑移的修正系数；
μ2为喉管进口剖面(图2中2-2剖面)颗粒与液体速度滑移的修正系数；
μ3为喉管出口剖面(图2中3-3剖面)颗粒与液体速度滑移的修正系数；
a为喉管进口函数；
c为吸入面积比；
q为流量比；
m为面积比；
n为与面积比相关的系数；
δ为喉管出口剖面(图2中3-3剖面)流体动量修正系数；
β为喉管进口段收缩半角(如图2所示)；
f3为喉管入口面积，单位m2；
f1为喷嘴出口面积，单位m2；
fs1为被吸流体在吸入室出口剖面的过流面积，单位m2；
k1为喉管进口段工作流体流速分布不均匀系数，取0.95；
k'1为喉管进口段工作流体流速分布不均匀综合系数；
k2为喉管进口段被吸流体流速分布不均匀系数，取1.10；
k'2为喉管进口段工作流体流速分布不均匀综合系数；
为被吸流体与工作流体的容重比。
为计算射流泵内颗粒与流体的滑移速度，将曳力模型引入到射流泵内颗粒速度的计算中，则如图4所示，吸入室出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ1可表示为：
式中：cv为颗粒体积浓度；
为固体颗粒在吸入室出口剖面(图2中1-1剖面)的平均流速，单位m/s；
vs1为忽略颗粒影响下被吸流体在吸入室出口剖面(图2中1-1剖面)的平均流速，单位m/s；
Qs为射流泵被吸流体流量，单位m3/s；
fs1为被吸流体在吸入室出口剖面(图2中1-1剖面)的过流面积，单位m2；
D1为射流泵喷嘴出口直径，单位m；
Lc为喉嘴距，单位m；
m为面积比；
β为喉管进口段收缩半角；
vss为吸浆口处流体流速，单位m/s；
Fdrags为吸浆口颗粒所受曳力，单位N；
g为重力加速度，单位m/s2；
A为颗粒沿水流方向的投影面积，单位m2；
a1为喷嘴壁厚修正系数，取1.2；
Dp为吸浆口处颗粒的最大粒径，单位m；
γp颗粒容重，单位N/m3；
γs为吸浆口的流体容重，单位N/m3；
Vp为吸浆口处最大粒径颗粒的体积，单位m3；
吸浆口处最大粒径颗粒的沉降末速，单位m/s；
S为吸浆口面积，单位m2；
Ls为吸入室长度，单位m；
Cd为颗粒曳力系数，取0.44。
喉管进口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ2可表示为：
式中：vs2为忽略颗粒影响下被吸流体在喉管进口剖面(图2中2-2剖面)的平均流速，单位m/s；
为固体颗粒在喉管进口剖面(图2中2-2剖面)的平均流速，单位m/s；
Fdrag1为固体颗粒在吸入室出口剖面(图2中1-1剖面)所受曳力，单位N；
f3为喉管入口面积，单位m2；
f1为喷嘴出口面积，单位m2；
γ1为流体在喉管进口段入口容重，N/m3。
喉管出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ3可表示为：
式中：q为理论流量比；
vs3为忽略颗粒影响下流体在喉管出口剖面(图2中3-3剖面)的平均流速，单位m/s；
为固体颗粒在喉管出口剖面(图2中3-3剖面)的平均流速，单位m/s；
Fdrag2为固体颗粒在喉管进口剖面(图2中2-2剖面)所受曳力，单位N；
γ2为流体在喉管入口容重，单位N/m3；
Q0为射流泵工作流体流量，单位m3/s。
Step2、流态化采矿工艺参数设计：在步骤Step1得到的射流泵结构尺寸基础上，结合矿层赋存条件及钻具条件优选最佳的流态化采矿工艺参数。
一般而言，流态化采矿使用的双壁钻杆内外径是固定的，因此实施流态化采矿时应该根据矿层埋深和钻具条件设计匹配的流态化采矿工艺参数。流态化采矿工艺参数主要包括高压水压力Ppumb、水力开采背压Pb、水力切割喷嘴出口直径Djet和扰流喷嘴出口直径Dsubjet，具体设计步骤如下：
Step2-1、根据流量比q和射流泵喷嘴出口直径D1，预设水力切割喷嘴出口直径Djet初值和扰流喷嘴出口直径Dsubjet初值，调整高压水压力Ppumb和背压Pb使得流态化采矿的射流泵实际压力比h’尽可能接近射流泵理论压力比h，且满足h’<h。
流态化采矿工艺中压力比的物理意义是钻井井底矿浆提升至地面所需能量与射流泵入口处高压水总能量比值。因此流态化采矿中射流泵实际压力比h’可表示为：
Pjetpumb＝ρliftgH+hlift+hv
式中：Pjetpumb为无背压下矿浆提升至地面所需能量，单位Pa；
ρlift为双壁钻杆内流道矿浆密度，单位kg/m3；
g为重力加速度，m/s2；
hlift为双壁钻杆内流道矿浆沿程阻力，单位Pa；
hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；
hv为双壁钻杆内流道矿浆动压，单位Pa；
H为矿浆提升高度，单位m；
Pb为水力开采背压，单位Pa；
Ppumb为高压水压力，单位Pa。
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式中的双壁钻杆内流道矿浆密度ρlift可表示为：
式中：ρp为矿层密度，单位kg/m3；
ρ为高压水密度，单位kg/m3；
Qwater为返渣管内被吸流体中液体流量，单位m3/s；
Qcoal为返渣管内被吸流体中颗粒流量，单位m3/s；
Q’0为流态化采矿工艺中射流泵工作流体流量，单位m3/s；
Q’s为流态化采矿工艺中射流泵被吸流体流量，单位m3/s。
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式中的双壁钻杆内流道矿浆动压hv可表示为：
式中：Ulift为双壁钻杆内流道矿浆流速，单位m/s；
Ainner为双壁钻杆内径，单位m。
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式以及射流泵实际压力比h’公式中的双壁钻杆内流道矿浆沿程阻力hlift、双壁钻杆外流道进水管沿程阻力hint可表示为：
式中：λlift为双壁钻杆内流道摩擦系数，取0.04；
dlift为双壁钻杆内流道水力直径，单位m；
λint为双壁钻杆外流道摩擦系数，取0.04；
dint为双壁钻杆外流道水力直径，单位m；
Uint为双壁钻杆外流道速度，单位m/s。
Step2-2、调整水力切割喷嘴出口直径Djet和扰流喷嘴出口直径Dsubjet，使得流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’尽可能接近射流泵理论流量比q，且满足q’<q。
当射流泵对矿浆提升效率与高压水射流破煤效率匹配时，水力开采工艺中射流泵实际流量比的物理意义是用于射流破煤的高压水流量和落煤流量之和与射流泵工作流体流量的比值。即，流态化采矿工艺中射流泵实际流量比q’可表示为：
式中：Q’0为射流泵工作流体流量；Q’s为射流泵被吸流体流量。
流态化采矿过程中单位时间内落煤流量约为高压水射流流量的10％，则流态化采矿工艺中射流泵工作流体流量Q’0和射流泵被吸流体流量Q’s可表示为：
Qs'＝Qwater+Qcoal
式中：U为高压水速度，单位m/s；
D1为喷嘴出口直径，单位m；
Qwater为返渣管内被吸流体中液体流量，单位m3/s；
Qcoal为返渣管内被吸流体中颗粒流量，单位m3/s；
λjet为喷嘴流速系数，取0.975；
Djet为水力切割喷嘴出口直径，单位m；
Dsubjet为扰流喷嘴出口直径，单位m；
Ppumb为高压水压力，单位Pa；
ρ为高压水密度，单位kg/m3；
H为矿浆提升高度，单位m；
Pb为水力开采背压，单位Pa；
hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa。
Step3、工艺匹配度验证：汽蚀流量比qk是给定射流泵结构尺寸前提下射流泵不发生汽蚀的最大流量比，验证流态化采矿的射流泵实际流量比q’是否小于汽蚀流量比qk，若满足，则Step1得到的射流泵结构尺寸和Step2得到的流态化采矿工艺参数为最佳匹配配套参数；若不满足，则根据经验值修改射流泵面积比m或流量比q的初值，重复步骤Step1～Step3，直至流态化采矿的射流泵实际流量比q’小于汽蚀流量比qk。
汽蚀流量比qk可表示为：
式中：m为射流泵面积比；hk为汽蚀压力比；
ε为汽蚀流量比系数。
上述汽蚀流量比qk公式中汽蚀压力比hk可表示为：
式中：Pa为大气压，单位Pa；
Pb为水力开采背压，单位Pa；
Ppumb为高压水压力，单位Pa；
ρlift为双壁钻杆内流道矿浆密度，单位kg/m3；
g为重力加速度，单位m/s2；
H为矿浆提升高度，单位m；
hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；
Pk为水的饱和蒸汽压，单位Pa。
以下结合实施例对本发明做进一步说明。
以某煤矿埋深425m的煤层采用流态化采矿为例，已知双壁钻杆内径为120mm，双壁钻杆环空间隙为18mm，根据前述步骤，该煤层流态化采矿工艺中最佳的射流泵结构尺寸和现场工艺参数分别见下表2和表3。
表2射流泵结构参数
参数名称 数值 参数名称 数值
面积比m 8 喷嘴出口直径D1 9.5mm
流量比q 2.18 喷嘴长度 39mm
吸浆口面积S 0.0018m2 喉管长度Lt 188mm
吸浆口数量 4 喉管直径D3 27mm
喉嘴距Lc 14.25mm 扩散管长度 750mm
喉管进口段收缩半角β 30° 扩散管出口直径Dc 120mm
喷嘴入口直径D0 50mm 理论压力比h 0.1117
表3现场工艺参数
参数名称 数值 参数名称 数值
高压水压力Ppumb 17MPa 双壁钻杆内流道直径Dc 120mm
背压Pb 3.05MPa 双壁钻杆外流道间隙 18mm
提升高度H 425m 扩散管出口压力Pk 4.75MPa
射流破煤喷嘴直径Djet 13.2mm 实际压力比h’ 0.114
扰流喷嘴直径Dsubjet 1.5mm 实际流量比q’ 2.17
扰流喷嘴个数 2 射流泵设计提升总流量 34.11kg/s
为验证本钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法的合理性，采用数值计算模型对射流泵提升性能进行验证。为了减少计算量，数值计算模型仅包含双壁钻杆内流道。扩散管与喉管尺寸如上表2，提升管总长400mm。数值计算物理模型如图5所示。数值计算边界条件见下表4。
表4数值计算边界条件
边界名称 数值(MPa)
压力入口Pint 18.30
压力入口Pb 3.05
压力出口Pout 4.75
经计算，射流泵的提升总流量为33.16kg/s，与射流泵设计提升总质量34.11kg/s相比，相对误差仅为2.79％，符合钻井非淹没射流流态化采矿工艺的设计要求。
此外，射流泵的工作效率峰值与面积比m相关，当面积比m＝8时，射流泵工作效率峰值约为30％。经计算，当射流泵面积比为8m时，采用本专利提出的设计方法设计的射流泵提升效率为31.1％，与同面积比下射流泵峰值效率相当。同时，射流泵轴向压力监测线如图5(a)所示。沿压力监测线射流泵压力分布如图6所示。由图6可以看出，高压水从射流泵喷嘴喷出后压力骤降，并在喉管入口处降低至最小值(2.05MPa)。射流泵内部最小压力远大于常温常压下水的饱和蒸气压，表明上述实施例的射流泵在提升矿浆时不会发生汽蚀。
利用本钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法能够获得在已知矿层埋深、双壁钻杆尺寸和矿层物理性质等条件下最佳的射流泵结构尺寸和与之匹配的现场流态化采矿工艺参数，优化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，可以为非淹没流态化采矿方法推广应用提供理论指导及数据支持。

Claims (4)

1.一种钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
Step1、射流泵结构尺寸设计：根据经验值给定射流泵面积比m和流量比q的初值，以与射流泵面积比m对应的射流泵峰值效率ηmax为依据，确定射流泵工作效率η接近ηmax时对应的包括射流泵喷嘴出口直径D1的射流泵结构尺寸和射流泵理论压力比h；
Step2、流态化采矿工艺参数设计：在Step1得到的射流泵结构尺寸基础上，结合矿层赋存条件及钻具条件优选最佳的流态化采矿工艺参数；
Step2-1、根据流量比q和射流泵喷嘴出口直径D1，预设水力切割喷嘴出口直径Djet初值和扰流喷嘴出口直径Dsubjet初值，调整高压水压力Ppumb和背压Pb使得流态化采矿工艺的射流泵实际压力比h’尽可能接近射流泵理论压力比h，且满足h’<h；
射流泵实际压力比h’表示为：
Pjetpumb＝ρliftgH+hlift+hv
式中：Pjetpumb为无背压下矿浆提升至地面所需能量，单位Pa；ρlift为双壁钻杆内流道矿浆密度，单位kg/m3；g为重力加速度，m/s2；hlift为双壁钻杆内流道矿浆沿程阻力，单位Pa；hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；hv为双壁钻杆内流道矿浆动压，单位Pa；H为矿浆提升高度，单位m；Pb为水力开采背压，单位Pa；Ppumb为高压水压力，单位Pa；
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式中的双壁钻杆内流道矿浆密度ρlift表示为：
式中：ρp为矿层密度，单位kg/m3；ρ为高压水密度，单位kg/m3；Qwater为返渣管内被吸流体中液体流量，单位m3/s；Qcoal为返渣管内被吸流体中颗粒流量，单位m3/s；Q’0为流态化采矿工艺中射流泵工作流体流量，单位m3/s；Q’s为流态化采矿工艺中射流泵被吸流体流量，单位m3/s；
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式中的双壁钻杆内流道矿浆动压hv表示为：
式中：Ulift为双壁钻杆内流道矿浆流速，单位m/s；Ainner为双壁钻杆内径，单位m；
上述无背压下矿浆提升至地面所需能量Pjetpumb公式以及射流泵实际压力比h’公式中的双壁钻杆内流道矿浆沿程阻力hlift、双壁钻杆外流道进水管沿程阻力hint表示为：
式中：λlift为双壁钻杆内流道摩擦系数，取0.04；dlift为双壁钻杆内流道水力直径，单位m；λint为双壁钻杆外流道摩擦系数，取0.04；dint为双壁钻杆外流道水力直径，单位m；Uint为双壁钻杆外流道速度，单位m/s；
Step2-2、调整水力切割喷嘴出口直径Djet和扰流喷嘴出口直径Dsubjet，使得流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’尽可能接近射流泵理论流量比q，且满足q’<q；
射流泵实际流量比q’表示为：
式中：Q’0为射流泵工作流体流量；Q’s为射流泵被吸流体流量；
射流泵工作流体流量Q’0和射流泵被吸流体流量Q’s表示为：
Q's＝Qwater+Qcoal
式中：U为高压水速度，单位m/s；D1为喷嘴出口直径，单位m；Qwater为返渣管内被吸流体中液体流量，单位m3/s；Qcoal为返渣管内被吸流体中颗粒流量，单位m3/s；λjet为喷嘴流速系数，取0.975；Djet为水力切割喷嘴出口直径，单位m；Dsubjet为扰流喷嘴出口直径，单位m；Ppumb为高压水压力，单位Pa；ρ为高压水密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2；H为矿浆提升高度，单位m；Pb为水力开采背压，单位Pa；hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；
Step3、工艺匹配度验证：汽蚀流量比qk是给定射流泵结构尺寸前提下射流泵不发生汽蚀的最大流量比，验证流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’是否小于汽蚀流量比qk，若满足，则Step1得到的射流泵结构尺寸和Step2得到的流态化采矿工艺参数为最佳匹配配套参数；若不满足，则根据经验值修改射流泵面积比m或流量比q的初值，重复步骤Step1～Step3，直至流态化采矿工艺的射流泵实际流量比q’小于汽蚀流量比qk。
2.根据权利要求1所述的钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，其特征在于，Step1中，当被吸流体为液固体系时，射流泵的基本方程为：
式中：为喷嘴的流速系数；/>为喉管的流速系数；/>为扩散管的流速系数；/>为吸入室的流速系数，取0.95；/>为喉管进口段的流速系数，取1；
μ1为吸入室出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数；μ2为喉管进口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数；μ3为喉管出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数；
a为喉管进口函数；c为吸入面积比；q为理论流量比；m为面积比；n为与面积比相关的系数；δ为喉管出口剖面流体动量修正系数；β为喉管进口段收缩半角；
f3为喉管入口面积，单位m2；f1为喷嘴出口面积，单位m2；fs1为被吸流体在吸入室出口剖面的过流面积，单位m2；
k1为喉管进口段工作流体流速分布不均匀系数，取0.95；k'1为喉管进口段工作流体流速分布不均匀综合系数；k2为喉管进口段被吸流体流速分布不均匀系数，取1.10；k'2为喉管进口段工作流体流速分布不均匀综合系数；为被吸流体与工作流体的容重比。
3.根据权利要求2所述的钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，其特征在于，吸入室出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ1表示为：
式中：cv为颗粒体积浓度；为固体颗粒在吸入室出口剖面的平均流速，单位m/s；vs1为忽略颗粒影响下被吸流体在吸入室出口剖面的平均流速，单位m/s；Qs为射流泵被吸流体流量，单位m3/s；fs1为被吸流体在吸入室出口剖面的过流面积，单位m2；D1为射流泵喷嘴出口直径，单位m；Lc为喉嘴距，单位m；m为面积比；β为喉管进口段收缩半角；vss为吸浆口处流体流速，单位m/s；Fdrags为吸浆口颗粒所受曳力，单位N；g为重力加速度，单位m/s2；A为颗粒沿水流方向的投影面积，单位m2；a1为喷嘴壁厚修正系数，取1.2；Dp为吸浆口处颗粒的最大粒径，单位m；γp颗粒容重，单位N/m3；γs为吸浆口的流体容重，单位N/m3；Vp为吸浆口处最大粒径颗粒的体积，单位m3；/>吸浆口处最大粒径颗粒的沉降末速，单位m/s；S为吸浆口面积，单位m2；Ls为吸入室长度，单位m；Cd为颗粒曳力系数，取0.44；
喉管进口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ2表示为：
式中：vs2为忽略颗粒影响下被吸流体在喉管进口剖面的平均流速，单位m/s；为固体颗粒在喉管进口剖面的平均流速，单位m/s；Fdrag1为固体颗粒在吸入室出口剖面所受曳力，单位N；f3为喉管入口面积，单位m2；f1为喷嘴出口面积，单位m2；γ1为流体在喉管进口段入口容重，单位N/m3；
喉管出口剖面颗粒与液体速度滑移的修正系数μ3表示为：
式中：q为理论流量比；vs3为忽略颗粒影响下流体在喉管出口剖面的平均流速，单位m/s；为固体颗粒在喉管出口剖面的平均流速，单位m/s；Fdrag2为固体颗粒在喉管进口剖面所受曳力，单位N；γ2为流体在喉管入口容重，单位N/m3；Q0为射流泵工作流体流量，单位m3/s；Lt为喉管长度。
4.根据权利要求1所述的钻井非淹没射流流态化采矿工艺参数设计方法，其特征在于，Step3中，汽蚀流量比qk表示为：
式中：m为射流泵面积比；hk为汽蚀压力比；ε为汽蚀流量比系数；
汽蚀压力比hk表示为：
式中：Pa为大气压，单位Pa；Pb为水力开采背压，单位Pa；Ppumb为高压水压力，单位Pa；ρlift为双壁钻杆内流道矿浆密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2；H为矿浆提升高度，单位m；hint为双壁钻杆外流道进水管沿程阻力，单位Pa；Pk为水的饱和蒸汽压，单位Pa。
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