Способ оценки неравномерности распределения поглощающей способности массива горных пород

 

Изобретение относится к горнорудной промышленности и может быть использовано при инъекционном упрочнении горных пород вокруг выработок. Сущность изобретения заключается в том, что в массиве горных пород бурят скважины и устанавливают изолирующие тампоны. Поинтервально по глубине массива устанавливают электрические датчики в различных направлениях и на равных расстояниях от оси скважины. Нагнетание жидкости производят по всей длине скважины, а неравномерность распределения поглощающей способности массива оценивают пропорционально неравномерности распределения величин измеряемых потенциалов фильтрационного электрического поля. 3 ил.

Изобретение относится к горнорудной промышленности и может быть использовано при инъекционном упрочнении горных пород вокруг выработок.

Известен способ изучения трещиноватости горных пород, основанный на нагнетании в скважину сжатого воздуха и определении скорости падения его давления. Данный способ недостаточно точен, поскольку проникающая способность воздуха существенно отличается от проникающей способности жидкости.

Известен также гидравлический способ, включающий нагнетание в скважину воды при различных давлениях и определение удельного водопоглощения пород [1] По данному способу скважину разбивают на участки, которые отделяют друг от друга тампонами, в каждый из них нагнетают воду, и в зависимости от величины отношения расхода воды к давлению и длине участка определяют удельное водопоглощение массива. По величине поглощающей способности породы относят к одной из 7-ми групп, определяющих параметры технологии упрочнения.

Гидравлический способ, принимаемый за прототип, имеет следующие недостатки. Он трудоемок, т.е. требует установки изолирующих тампонов (пакеров ) в различных точках по глубине массива, причем, поскольку нагнетание воды на несколько изолированных участков одновременно технически невозможно, их гидравлическое опробывание производят с разделением во времени. Кроме того, способ имеет низкую точность, т.к. реологические характеристики воды значительно отличаются от характеристик упрочняющего раствора.

Цель изобретения повышение точности и снижение трудоемкости оценки неравномерности распределения поглощающей способности массива горных пород за счет определения радиусов проникновения нагнетаемой жидкости по параметрам возникающего при ее фильтрации нестационарного электрического поля.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем бурение скважины, установку изолирующих тампонов, нагнетание жидкости и поинтервальное определение интенсивности проникновения жидкости в массив, в массиве горных пород устанавливают электрические датчики поинтервально по его глубине и в различных направлениях на равных расстояниях от оси скважины, нагнетание жидкости производят по всей длине скважины, а неравномерность распределения поглощающей способности массива оценивают пропорционально неравномерности распределения величин измеряемых потенциалов фильтрационного электрического поля.

Известен способ, включающий контроль насыщения горных пород упрочняющим раствором путем фиксации изменения во времени электрического сопротивления горных пород в упрочняемой зоне [2] Данный способ связан с искусственным возбуждением в массиве электрического поля с помощью источника тока и измерением параметров этого поля. Предлагаемый способ принципиально отличается от данного тем, что использует естественное электрическое поле, возникающее в массиве при фильтрации раствора в трещинах (порах) массива. Использование фильтрационных электрических полей для локации мест утечки жидкости через плотины, ложе водохранилищ и каналов, направлений притока воды при откачке ее из скважины известно (Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. Л. Недра, 1968). Использование в предлагаемом способе фильтрационного электрического поля имеет следующие существенные отличия: в известных способах исследуют фильтрацию жидкости в одной плоскости, параллельной свободной поверхности массива, путем построения профилей или изолиний потенциалов на земной поверхности. В заявленном способе исследуют фильтрацию в параллельных плоскостях, расположенных на различной глубине относительно свободной поверхности выработки, для чего измерения параметров электрического поля производят в глубине объема массива; в предлагаемом способе измерения параметров поля производят не в произвольном направлении, а вдоль направления движения жидкости, которое заранее известно; в предлагаемом способе исследуют фильтрацию жидкости с заранее заданными свойствами, движущейся в заданном режиме, а по характеру ее движения определяют свойства среды, т.е. имеет место активное воздействие на массив и исследование его реакции на это воздействие. Известный способ является пассивным, он включает исследование естественных аномалий фильтрационного поля и их интерпретацию.

На фиг. 1 представлена схема расположения нагнетательного и измерительного оборудования, результаты измерений и оценки неравномерности распределения поглощающей способности массива горных пород; на фиг.2 распределение параметров фильтрационного электрического поля при движении жидкости по одиночной трещине (капилляру); на фиг.3 результаты измерений в массиве по его глубине и в различных направлениях от скважины.

На чертежах обозначено: 1 нагнетательная скважина; 2 измерительная скважина; 3 нагнетательный трубопровод; 4 циркуляционный трубопровод; 5 трещина (капилляр); 6 заземляющий электрод; 7 измерительный электрод; 8 измерительный прибор (милливольтметр); V скорость движения жидкости в трещинах; напряженность фильтрационного электрического поля; U потенциал фильтрационного электрического поля; Q расход жидкости; l расстояние от контура выработки в глубь массива; r координата от стенки скважины в плоскости, перпендикулярной ее оси; R радиус зоны фильтрации; L расстояние между скважинами 1 и 2.

Способ осуществляют следующим образом.

В массиве горной породы бурят скважину 1, в ее устье устанавливают изолирующий тампон 4 с нагнетательным трубопроводом инъектором 3 (фиг.1). Параллельно нагнетательной скважине 1 бурят измерительную скважину 2, в которую поинтервально помещают измерительные неполяризующиеся электроды 7 на расстояниях от борта l₁-l₄. Возможно использование одного измерительного электрода 7, который по очереди помещают на один из интервалов. Заземляющий электрод 6 устанавливают в точке массива, где потенциал фильтрационного электрического поля близок к нулю. Местом установки электрода 6 служит нагнетательная скважина 1 (в качестве заземляющего электрода 6 используют инъектор, который вместе с жидкостью в скважине 1 выполняет функции неполяризующегося электрода, при условии стабильности его собственного потенциала) или любое место на расстоянии не менее 10 м от оси нагнетательной скважины 1. Электроды 6 и 7 подсоединяют к измерительному прибору милливольтметру 8.

При нагнетании жидкость по всей длине скважины 1 начнет движение по трещинам 5 со средними скоростями ; в зависимости от поглощающих способностей интервалов l_i массива. При фильтрации жидкости по трещинам 5 вследствие адсорбции ионов на поверхностях трещин и перемещения избыточных зарядов противоположного знака потоком жидкости возникает фильтрационное нестационарное электрическое поле напряженностью E_i, пропорциональное V_i (Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. Л. Недра, 1968. С. 297-305).

Величина E_i определяет распределение фильтрационного потенциала в пределах зоны распространения жидкости (фиг.2). На границе зоны распределения (фильтрации) жидкости согласно электрогидравлической аналогии величина потенциала U_ф фильтрационного поля зависит от перепада давления по длине канала фильтрации, который одинаков на всех участках по длине скважины. По этой причине зона фильтрации будет представлять собой поляризованное тело, потенциал поверхности которого равен U_ф.

Фильтрационный потенциал перераспределяется во внешней среде, в которой расположены измерительные электроды 7. Аппроксимируя зону фильтрации цилиндром на i-м участке, для потенциала во внешней среде можно получить следующее выражение (Свешников Г.Б. Электрохимические процессы на сульфидных месторождениях Л. Из-во Ленингр. ун-та, 1967): U_i= U_ф (1) где U_i потенциал измерительного электрода 7 i-го участка; R_i радиус распространения жидкости на i-м участке; L расстояние от измерительного электрода 7 до оси зоны фильтрации (оси нагнетательной скважины 1); ρ_п- удельное электрическое сопротивление породы.

Учитывая, что ρ_п>>ρ получим R_i= L (2) Неравномерность распределения поглощающей способности массива следует оценивать из соотношения:
(3) где R_cp и U_cp средние арифметические значения R_i и U_i на контролируемом участке.

Согласно заявленному способу, для поинтервальной оценки неравномерности распределения поглощающей способности пород не требуется поинтервальная изоляция участков скважины. Поэтому в качестве нагнетательной жидкости используют упрочняющий раствор (например, цементный), а режим нагнетания (давление, расход, режим циркуляции, состав смеси) максимально приближен к рабочему режиму при упрочнении породы согласно проекту. Описанные выше измерения совмещают с пробным нагнетанием на участке выработки с мало изменяющимися горно-геологическими условиями, где в качестве измерительных скважин 2 используют соседние нагнетательные скважины подготовленной сетки. На основании результатов измерений проектный режим нагнетания корректируют в нужном направлении. Указанное обстоятельство дополнительно повышает точность и снижает трудоемкость заявленного способа.

По результатам измерений строят график зависимости U(l), по которому в соответствии с (3) график R(l), который характеризует неравномерность распределения поглощающей способности массива горных пород.

Описанный способ позволяет повысить точность оценки неравномерности распределения поглощающей способности массива, т.к. фильтрационное электрическое поле связано с расположением фронта фильтрации относительно измерительных электродов, расположенных на равных расстояниях от оси скважины. Контролируемый параметр U_i реагирует только на перемещение фронта фильтрации в радиальном направлении от скважины 1. Кроме того, заявленный способ позволяет оценить неравномерность распределения поглощающей способности пород в пространстве по глубине массива в различных направлениях от нагнетательной скважины 1 с помощью измерений в кусте измерительных скважин 2, параллельных нагнетательной (на фиг.3 система из 6-ти измерительных скважин).

П р и м е р. Для упрочнения массива пробурена сетка скважин с шагом 1 м. Нагнетательную скважину оборудовали инъектором для нагнетания в циркуляционном режиме. В качестве заземляющего электрода использовали сам инъектор. В измерительной скважине установили 4 электрода на расстояниях l₁ 0,5 м, l₂ 1 м, l₃ 1,5 м и l₄ 2,0 м, которые по очереди подключали к милливольтметру МК-2. Режим нагнетания: смесь состава Ц:B 1:1, при постоянном давлении Р 1 МПа (100 м вод.ст.). Через 2 мин после начала нагнетания величина расхода Q стабилизировалась на уровне 20 л/мин. В этот момент сняли замеры потенциалов измерительных электродов относительно заземляющего. Они составили: U₁ 38,8 мВ, U₂ 12,5 мВ, U₃ 5,5 мВ, U₄ 3,8 мВ.

После вычислений по формуле (3) получили следующее относительное распределение радиусов зоны фильтрации в массиве: 3,2:1,8:1,2:1,0.

На основании измерений установлено, что породы имеют среднюю поглощающую способность (4-я категория из 7 q_cp 0,4 л/мин), по длине скважины поглощающая способность распределена неравномерно: у контура выработки она выше, чем в глубине массива. Принято решение сохранить состав смеси и режим нагнетания, но применить неравномерную изоляцию поверхности скважины, позволяющую изменить гидродинамическое сопротивление массива, пропорционально его поглощающей способности (авт.св. N 1460290).

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение нагнетательной скважины, установку в ней изолирующих тампонов, установку электрических датчиков, нагнетание жидкости в нагнетательную скважину, измерение электрических параметров горных пород и определение по ним интенсивности проникновения жидкости в массив, отличающийся тем, что в массиве горных пород бурят параллельно нагнетательной измерительную скважину, в которой устанавливают электрические датчики поинтервально в глубь массива, нагнетание жидкости производят по всей длине нагнетательной скважины, измеряют величины потенциалов фильтрационного электрического поля, а неравномерность распределения поглощающей способности массива оценивают пропорционально неравномерности распределения величин потенциалов фильтрационного электрического поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3