Способ упрочнения горных пород цементацией

 

Изобретение относится к горнорудной промышленности и может быть использовано при инъекционном упрочнении горных пород цементными растворами. Сущность изобретения заключается в следующем: в массиве горных пород бурят скважину, устанавливают в одной из них датчики, нагнетают упрочняющий раствор и производят контроль распространения раствора поинтервально, по изменении во времени измеряемого в процессе нагнетания параметра и производят корректирование режима нагнетания по результатам контроля, при этом параметром является напряженность фильтрационного электрического поля в плоскостях, перпендикулярных оси скважины, а корректирование режима нагнетания производят в момент уменьшения до нуля напряженности фильтрационного электрического поля в пределах зоны упрочнения. 2 ил.

Изобретение относится к горно-рудной промышленности и может быть использовано при инъекционом упрочнении горных пород цементными растворами.

Известен способ определения степени заполнения трещин, включающий добавление в упрочняющий раствор металлического порошка, измерение эффективного электросопротивления упрочненной горной породы и определение степени заполнения трещин путем сопоставления полярности пиковых значений параметра до и после нагнетания [1] Недостатком данного способа является его недостаточная оперативность, т.к. о степени заполнения трещин массива цементным раствором можно судить только после окончания нагнетания и затвердевания раствора.

В значительной мере устраняет этот недостаток способ упрочнения горных пород, предусматривающий непрерывный контроль степени насыщения горных пород упрочняющим раствором в процессе нагнетания. По этому способу в нагнетательную скважину и на поверхность выработки устанавливают датчики, контроль насыщения пород раствором производят путем фиксирования изменений во времени электросопротивления горных пород в упрочняемой зоне, а корректирование режима нагнетания и установление времени его окончания осуществляют в момент прекращения изменения контролируемого параметра [2] Недостаток прототипа заключается в его недостаточной точности. Контролируемый параметр по данному способу (электрическое сопротивление упрочняемого участка массива горных пород) реагирует на изменение размеров зоны упрочнения. Однако кольматация устьев трещин на поверхности нагнетательной скважины, а также осаждение твердых частиц раствора в самой скважине из-за недостаточно интенсивной циркуляции может привести к тому, что проникновение раствора в массив будет происходить не по всей длине скважины. При этом фронт фильтрации будет перемещаться, а электрическое сопротивление участка массива будет изменяться, хотя качество упрочнения будет заведомо неудовлетворительным. Следует останавливать нагнетание и корректировать его режим не в момент прекращения перемещения фронта фильтрации раствора в пределах зоны упрочнения в целом, а когда это происходит хотя бы на одном из его участков. В рамках способа-прототипа это принципиально неосуществимо.

Цель изобретения повышение качества упрочнения за счет обеспечения проникновения упрочняющего раствора в массив на всех участках в пределах зоны упрочнения.

Достигается это тем, что в известном способе, включающем бурение скважин, установку датчиков, нагнетание упрочняющего раствора, контроль распространения раствора по изменению во времени измеряемого в процессе нагнетания параметра и корректирование режима нагнетания по результатам контроля, распространение раствора контролируют поинтервально по величине градиента давления раствора в трещинах горной породы путем измерения напряженности фильтрационного поля в плоскостях, перпендикулярных оси скважины, а корректирование режима нагнетания производят в момент уменьшения до нуля контролируемой напряженности электрического поля в пределах зоны упрочнения.

Поставленная цель достигается также тем, что при продолжении нагнетания для устранения кольматации дополнительно производят промывку нагнетательной скважины и усиливают режим циркуляции в ней.

На фиг. 1 схема измерительной установки и схемы движения жидкости в скважине и участках массива на различных стадиях нагнетания; на фиг. 2 графики изменения электросопротивления ρ от времени нагнетания t по способу-прототипу и графики распределения потенциалов фильтрационного электрического поля U в зависимости от расстояния r от точки замера вглубь массива в различные моменты времени.

Способ осуществляют следующим образом.

В массиве горных пород бурят скважину 1, устанавливают в нее нагнетательное устройство инъектор 2, в дополнительном шпуре параллельно скважине 1 устанавливают датчики 5 (неполяризующиеся электроды), которые по очереди подсоединяют к милливольтметру 4, второй зажим милливольтметра 4 соединяют с инъектором 2, который вместе с жидкостью в скважине 1 выполняет функции неполяризующегося электрода.

При нагнетании упрочняющей жидкости 3 происходит ее циркуляция по скважине 1 и фильтрация в массиве через стенки скважины 1. При движении раствора по трещинам массива вследствие адсорбции ионов на поверхности трещин и перемещения избыточных зарядов потоком жидкости возникает фильтрационное электрическое поле, величины напряженностей которого Е пропорциональны градиентам давления в трещинах массива Р (Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. Л. Недра, 1968, с.297-305).

В момент начала нагнетания (фиг. 2) распределение по глубине массива r потенциалов фильтрационного электрического поля U, фиксируемых электродами 5, происходит пропорционально поглощающим способностям участков массива. В этот момент по способу-прототипу величина ρ начнет уменьшаться. В момент t₁ в скважине 1 вследствие недостаточной циркуляции раствора 3 начинается образование зоны седиментации, при этом фильтрация раствора в забойной части скважины ослабляется (см. график U (r) при t₁) вследствие частичной кольматации устьев трещин и уменьшения градиента давления Р. При этом величина напряженности Е и как следствие этого потенциала U на данном интервале снизится. В момент t₂ значительная часть объема скважины 1 заполняется осажденными и уплотненными частицами твердой фазы (песок, цемент), и фильтрация раствора в массив на этом участке полностью прекращается. В этот момент давление Р и величина контролируемого параметра Е на данном участке уменьшается до нуля, и нагнетание останавливают. Если бы контpоль вели по способу-прототипу, то величина ρ продолжала бы убывать до момента t_н насыщения массива, т. е. на интервале от t₂ до t_н нагнетание велось бы в неэффективном режиме, что привело бы к низкому качеству упрочнения.

После остановки нагнетания производят промывку скважины 1 чистой водой для удаления осажденной фазы и усиливают режим циркуляции (переходят от зажимной схемы на полуциркуляционную или циркуляционную, увеличивают сброс раствора из скважины при циркуляционной схеме и т.п.). После этого не меняя состава смеси и режима нагнетания продолжают нагнетание жидкости при усиленном режиме циркуляции, возобновив контроль. Если возможности усиления циркуляции исчерпаны, то после остановки нагнетания в момент уменьшения Е до нуля на одном из интервалов изменяют состав смеси, переходя на более жидкие растворы, увеличивают давление нагнетания или применяют неравномерную изоляцию стенок скважины (авт. св. N 1460290). Если возможности изменения режима нагнетания исчерпаны, то нагнетание прекращают.

Таким образом обеспечивается повышение качества упрочнения горных пород.

Поскольку наименьшее раскрытие трещин имеет место в глубине массива, а наихудшие условия для циркуляции в скважине в районе ее забоя, то в упрощенном варианте контроля устанавливают меньшее количество датчиков 5 (от 1 до 3) в наиболее удаленных от контура выработки точках массива в пределах контролируемой зоны.

П р и м е р. В выработке для упрочнения горных пород пробурены шпуры с шагом 1,0 м глубиной 2,5 м. Схема нагнетания раствора циркуляционная, обеспечивающая циркуляцию в скважине за счет сброса раствора в расходную емкость. Контроль нагнетания проводили путем измерения электросопротивления ρ массива по 2 электродной схеме, причем один электрод заземлялся в соседнем с нагнетательным шпуре, в качестве второго электрода использовали инъектор. Для контроля напряженности фильтрационного поля в контрольный шпур (соседний в сетке, параллельный нагнетательному) поместили неполяризующиеся электроды на расстояниях от контура выработки 1,5; 2,0 и 2,5 м. Заземляющий электрод поместили в забой нагнетательного шпура. Напряженность поля оценивали по разности потенциалов контрольного и заземляющего электродов.

Нагнетание качали цементной смесью состава Ц B 1 1 при постоянном давлении 0,5 МПа.

Величины контролируемых параметров во время нагнетания представлены в табл. 1.

Ввиду снижения интенсивности заполнения трещин раствором в районе электродов 2 и 3 (на интервале 2,0-2,5 м) нагнетание было остановлено.

После промывки скважины была увеличена производительность насоса и за счет увеличения сброса в расходную емкость был усилен режим циркуляции. Нагнетание продолжили при том же составе смеси при давлении 0,5 МПа. В дальнейшем давление равномерно увеличивали до 1,0 МПа. Контролируемые параметры изменялись следующим образом и представлены в табл. 2.

В момент t 50 мин напряженности фильтрационного поля приблизились к нулю на всех участках, а величина ρ стабилизировалась. Поскольку возможности усиления циркуляции и повышения давления были исчерпаны, нагнетание прекратили.

На интервале выработки 10 м нагнетание проводили по отработанной методике без контроля нагнетания, затем повторили контролируемое нагнетание. Таким образом, проведено упрочнение всей выработки.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ЦЕМЕНТАЦИЕЙ, включающий бурение нагнетательной скважины, установку электрических датчиков, нагнетание упрочняющего раствора, контроль распространения упрочняющего раствора по изменению во времени измеряемого в процессе нагнетания параметра и корректирование режима нагнетания по результатам контроля, отличающийся тем, что в массиве горных пород бурят параллельно нагнетательной контрольную скважину, в которую устанавливают электрические датчики, в процессе нагнетания измеряют напряженность фильтрационного поля в проскостях, перпендикулярных оси скважин, а корректирование режима нагнетания производят в момент уменьшения до нуля напряженности фильтрационного электрического поля в пределах зоны упрочнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3