Способ формирования тампонажной завесы в обводненных горных породах

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, в частности, для ограничения притока воды из водоносных горизонтов на рабочий горизонт карьера и создания нормальных условий разработки полезного ископаемого. Способ формирования тампонажной завесы в обводненных горных породах предусматривает бурение наклонно-направленных скважин с участками "горизонтальных" стволов в толще водоносного горизонта, нагнетание тампонажного раствора в массив обводненных горных пород через стенки скважин до получения сплошной завесы по всей мощности водоносного горизонта по периметру карьера. В процессе выполнения тампонажных работ ведут контроль за смыканием отдельных затампонированных участков в единую целую тампонажную завесу, позволяющую отвести водоприток за контуры горной выработки. Завесу формируют заходками, при этом образование последующей заходки осуществляют после отверждения предыдущей. 13 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, в частности, для ограничения притока воды из водоносного горизонта на рабочий горизонт карьера и создания нормальных условий разработки полезного ископаемого.

Известен способ изоляции трещиноватых горных пород водоносных горизонтов вокруг строящихся стволов шахт, предусматривающий бурение скважин с поверхности земли и тампонирование проницаемого горизонта и водоносных горизонтов снизу вверх тампонирующим раствором под давлением (1).

Однако данный способ не может быть применен на открытых горных работах как с точки зрения огромных экономических затрат, так и технической неосуществимости из-за непрерывной подвижки бортов карьеров в процессе эксплуатации месторождения.

Известен также способ изоляции притока пластовых вод в эксплуатационных скважинах, включающий задавливание в водоносный пласт питательной среды, а после необходимых изменений питательной среды в водоносном пласте задавливание туда же мочевиноформальдегидной смолы, объем которой рассчитывают исходя из мощности пласта и необходимого радиуса водоизолирующего экрана. При этом контроль за временем отверждения смолы производят по изменению проницаемости скважины (2).

Недостатком данного способа является то, что он применим только тогда, когда воды водоносного пласта неподвижны, в противном случае питательная среда, которая определенное время должна бродить, легко уносится потоками воды, а смола без продуктов разложения питательной среды не переходит в твердое состояние, следовательно, не создает водоизолирующего экрана.

Из уровня техники известен также способ создания изолирующего экрана, основанный на принципе замораживания горных пород. Для осуществления способа бурят вертикальные скважины с поверхности земли, скважины обсаживают соосными требами, по которым циркулирует хладагент. Циркуляция хладагента осуществляется насосами, которые соединены с обсадными трубами (замораживающими колонками) системой труб (3).

Однако данный способ применим только для замораживания сравнительно небольших объемов массива горных пород и сравнительно непродолжительное время, иначе он становится просто экономически невыгоден.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по сущности и достигаемому результату при применении является способ формирования тампонажной завесы в обводненных горных породах, включающий бурение скважин с поверхности земли, обсадку их трубами, нагнетание тампонажного раствора в массив обводненных горных пород через стенки скважины, непрерывную регистрацию давления на устье скважины и расхода тампонажного раствора (4).

Недостатками способа является то, что он предусматривает применение вертикальных скважин и создание тампонажной завесы только вокруг этой скважины. В данном случае не рассматриваются вопросы контроля за качеством формирования тампонажной завесы из отдельных участков путем их смыкания. Кроме того, способ просто неприменим из технико-экономической точки зрения для ограничения притока подземных вод на нижние горизонты глубоких карьеров и разрезов.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка экономически доступного и технически осуществимого способа формирования тампонажной завесы. Техническим результатом такого способа должно быть уменьшение вероятности попадания подземных вод на нижние горизонты карьеров или разрезов, в том числе глубокого заложения.

Поставленная задача решается тем, что в известном (4) техническом решении, принятом в качестве прототипа, в толще водоносного горизонта бурят участки "горизонтальных" стволов наклонно-направленных скважин простого (прямого) или сложного (с периодически изменяющимся углом наклона относительно общего направления бурения) профиля, формируют тампонажную завесу заходками, при этом образование тампонажной завесы последующей заходки осуществляют после отверждения тампонажного раствора предыдущей заходки. Кроме того, тампонажные работы ведут поэтапно: одни участки ствола тампонируют на начальном этапе тампонажных работ, другие на промежуточном, третьи на конечном этапе работ.

Если пробурены несколько отстоящих друг от друга скважин, то формирование тампонажной завесы осуществляют в первую очередь через скважины, пропуская смежные, а во вторую очередь через пропущенные скважины.

Из общего ствола наклонно-направленной скважины может быть пробурена одна или несколько ветвей участков "горизонтальных" стволов, причем как в одном азимутальном направлении, так и в противоположном ему, притом это относится к стволам и простого, и сложного профиля. Встречные ветви смежных стволов скважины как бы полностью перекрывают участок водоносного горизонта между этими скважинами и обеспечивают смыкание тампонажной завесы. Формирование тампонажной завесы в данном случае ведут поэтапно. На начальном этапе, если, например, по данному азимуту предусмотрена только одна ветвь участка "горизонтального" ствола, то на этом этапе тампонажные работы производят через какую-нибудь одну ветвь, а на промежуточном этапе через другую. А вот тампонажные работы в толще водоносного горизонта, охваченного общим стволом наклонно-направленной скважины, всегда выполняют на конечном этапе тампонажных работ.

Если водоносный горизонт условно разделен по мощности на несколько подгоризонтов, то каждый подгоризонт снабжают участком "горизонтального" ствола, пробуренного из общего ствола наклонно-направленной скважины. В этом случае тампонажные работы на начальном этапе ведут через скважины четных подгоризонтов, а на промежуточном через скважины нечетных подгоризонтов или наоборот, а толщу водоносного горизонта, охваченную общим стволом наклонно-направленной скважины, опять-таки затампонируют на конечном этапе тампонажных работ. Деление водоносного горизонта на подгоризонты осуществляют, если его мощность не менее 15 м.

Тампонажные работы могут вестись как в прямом направлении, т.е. от участка набора угла наклона скважины к ее забою, так и в обратном направлении, т.е. от забоя к участку набора угла наклона скважины. В обратном направлении формирование тампонажной завесы осуществляют заходками, причем последующая заходка, где ведутся тампонажные работы, контактирует с предыдущей заходкой. А вот при прямом направлении последовательность работ несколько другая. Во-первых, тампонажные работы выполняют по мере продвигания забоя, во-вторых, между предыдущей и последующей заходками составляют незатампонированную заходку. Незатампонированные заходки тампонируют в обратном направлении, после того как скважина пробурена на всю длину.

Если водоносные горизонты залегают близко к поверхности земли, то бурят Х-образные наклонно-направленные скважины с участками "горизонтальных" стволов в толще водоносного горизонта, при этом траекторию осей этих скважин определяют из условий необходимости размещения точки пересечения их проекции на вертикальную плоскость в толще водоносного горизонта.

Данный способ формирования тампонажной завесы в обводненных горных породах предусматривает изменение трещиноватости отдельных зон водоносного горизонта при необходимости путем использования в этих зонах энергии взрыва зарядов взрывчатых веществ.

При выполнении тампонажных работ согласно изобретению контролируют качество формирования тампонажной завесы, для чего определяют поглотительную способность скважин. Смыкание отдельных участков тампонажной завесы контролируют, если контроль за качеством показывает, что значения коэффициентов поглотительной способности участков скважин, затампонированных на начальном и промежуточном этапах тампонажных работ выше значений коэффициентов поглотительной способности участков скважин, затампонированных на конечном этапе тампонажных работ: где k_ij коэффициент поглотительной способности, м³/МПа · с; q_ij расход j-й порции тампонажного раствора, нагнетаемого в i-й участок скважины, м³/с; P_ij давление на устье j-го участка скважины при нагнетании i-й порции тампонажного раствора, МПа; t_ij время нагнетания j-й порции тампонажного раствора в i-й участок скважины, с; m номера скважин, тампонируемых на начальном и промежуточном этапах тампонажных работ; ν_m номера скважин, тампонируемых на конечном этапе формирования тампонажной завесы.

В случае условного деления водоносного горизонта на подгоризонты и снабжения каждого подгоризонта участком "горизонтального" ствола, т.е. собственной скважиной, смыкание тампонажных завес смежных подгоризонтов контролируют, если значения коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на начальном и промежуточном этапах тампонажных работ, выше значения коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на конечном этапе тампонажных работ:
где G_m, η_m и ν_m номера скважин подгоризонтов, затампонированных на начальном, промежуточном и конечном этапах тампонажных работ соответственно.

Способ формирования тампонажной завесы в обводненных горных породах осуществляют следующим образом.

При глубоком залегании водоносного горизонта с поверхности земли бурят вертикальную часть ствола наклонно-направленной скважины до расчетной глубины, после достижения которой с помощью специальных компоновок низа буровых колонн (известно множество таких компоновок) начинают набирать угол наклона скважины с таким расчетом, чтобы в толще водоносного горизонта пробурить участки "горизонтальных" стволов.

В данном случае слово "горизонтальные" взято в кавычки, т.к. на практике не требуется строгой горизонтальности этих участков скважины. В процессе бурения определяют местонахождение долота в забое скважины в трехмерной системе координат с помощью, например, телеметрической системы.

Вертикальные участки ствола наклонно-направленной скважины обсаживают трубами, а буровую колонну с долотом из скважины извлекают.

На поверхности земли готовят тампонажный раствор и с помощью, например, цементировочного агрегата или насосного (ых) агрегата (ов) подают в скважину, при этом непрерывно регистрируют давление на устье скважины и расход тампонажного раствора.

Формируют тампонажную завесу путем нагнетания тампонажного раствора в массив обводненных горных пород через стенки скважины заходками. Тампонажные завесы последующей заходки формируют после отверждения тампонажного раствора, закачанного в массив через предыдущую заходку. При этом осуществляют контроль за качеством формирования тампонажной завесы с той целью, чтобы получить в конечном счете сплошной противофильтрационный заслон по всей мощности водоносного горизонта расчетной протяженности.

После отверждения тампонажного раствора по всему объему тампонажной завесы раствор из массива не вымывается, т.е. создается долгодействующий изолятор, значительно ограничивающий приток подземных вод на рабочие горизонты карьера или разреза, если он образован под бортами последних.

На практике производства горных работ нередко приходится сталкиваться с таким явлением, когда разрабатываемое месторождение полезного ископаемого примыкает к нескольким водоносным горизонтам, разделенным, например, водоупорными слоями, на отдельных участках которых по различным причинам (возникновение на этих участках естественных или искусственных трещин, изменяющих коэффициент фильтрации, отличие в составе пород и т.д.) существует гидравлическая связь между водоносными горизонтами, т.е. происходит водоприток с одного водоносного горизонта на другой.

Наличие гидравлической связи между водоносными горизонтами может сказаться на эффективности работы тампонажной завесы вследствие изменения напора подземных вод на различных горизонтах после формирования тампонажной завесы. Не исключено даже превращение относительно водоупорного слоя в относительно водоносный слой.

Для того чтобы избежать такого негативного явления при формировании тампонажной завесы, на участках гидравлической связи между водоносными горизонтами необходимо бурить дополнительные скважины и через них формировать тампонажную завесу в виде барражной (заградительной) завесы. Притом барражную завесу следует делать общей для всех водоносных горизонтов и разделяющих их слоев.

После того как такая единая заградительная завеса будет сформирована в виде гидравлической связи между водоносными горизонтами, формирование тампонажной завесы на отдельных водоносных горизонтах можно осуществлять самостоятельно согласно изобретению.

Таким образом, достигается тот технический эффект (результат), для получение которого был разработан заявленный способ.

Формула изобретения

1. Способ формирования тампонажной завесы в обводненных горных породах, включающий бурение скважин с поверхности земли, обсадку их трубами, нагнетание тампонажного раствора в массив обводненных горных пород через стенки скважины, непрерывную регистрацию давления на устье скважины и расхода тампонажного раствора, отличающийся тем, что в толще водоносного горизонта бурят участки горизонтальных стволов наклонно-направленных скважин простого или сложного, например синусоидального, профиля, формируют тампонажную завесу заходками, при этом образование тампонажной завесы последующей заходки осуществляют после отверждения тампонажного раствора предыдущей заходки, а тампонажные работы выполняют поэтапно.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первоначально формируют тампонажные завесы через скважины с четными номерами, а затем через скважины с нечетными номерами или наоборот.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что из общего ствола наклонно-направленной скважины бурят по меньшей мере ее две ветви участков горизонтальных стволов, при этом формирование тампонажной завесы осуществляют через одну из ветвей на начальном этапе тампонажных работ, через другую ветвь на промежуточном этапе этих работ, а тампонажную завесу в толще водоносного горизонта, охваченной общим стволом наклонно-направленной скважины, на конечном этапе тампонажных работ.

4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что участки горизонтальных стволов наклонно-направленных скважин простого профиля бурят при мощности водоносного горизонта не более 15 м, а при превышении указанной величины мощности бурят из общего ствола наклонно-направленной скважины по меньшей мере ее две ветви участков горизонтальных стволов по одному и тому же азимуту.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что водоносный горизонт делят условно на подгоризонты, на каждом из которых бурят участок горизонтального ствола наклонно-направленной скважины, при этом тампонажные завесы формируют вначале на четных подгоризонтах, а затем на нечетных или наоборот.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование тампонажной завесы выполняют заходками либо от участка набора угла наклона пробуренной на всю длину скважины к ее забою, либо от забоя к участку набора угла наклона пробуренной на всю длину скважины.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что формирование тампонажной завесы заходками от участка набора угла наклона скважины к забою осуществляют по мере продвигания забоя скважины, при этом между заходками оставляют промежутки, тампонаж которых производят от забоя к участку набора угла наклона скважины после бурения ее на всю длину.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в толще водоносного горизонта мощностью более 15 м бурят участки горизонтальных стволов наклонно-направленных скважин сложного профиля.

9. Способ по пп. 3 и 8, отличающийся тем, что в толще водоносного горизонта мощностью более 15 м бурят из общего ствола наклонно-направленной скважины по меньшей мере две ветви участков горизонтальных стволов сложного профиля по одному и тому же азимуту со сдвигом фаз по амплитуде вплоть до 90^o.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе тампонажных работ определяют поглотительную способность скважин, контроль за качеством формирования тампонажной завесы осуществляют по величине коэффициентов поглотительной способности отдельных затомпонированных участков скважин, а смыкание отдельных участков тампонажной завесы устанавливают по условию превышения значений коэффициентов поглотительной способности участков скважин, затампонированных на начальном и промежуточном этапах тампонажных работ под значением коэффициентов поглотительной способности участков скважин, затампонированных на конечном этапе тампонажных работ
k^m_ij> k^νm_ij;

где K_ij коэффициент поглотительной способности, м³/МПа·с;
q_ij расход j-й порции тампонажного раствора, нагнетаемого в i-й участок скважины, м³/с;
P_ij давление на устье i-го участка скважины при нагнетании j-й порции тампонажного раствора, МПа;
t_ij время нагнетания j-й порции тампонажного раствора в i-й участок скважины, с;
m номера скважин, тампонируемых на начальном и промежуточном этапах тампонажных работ;
ν_m номера скважин, тампонируемых на конечном этапе формирования тампонажной завесы.

11. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в процессе тампонажных работ определяют поглотительную способность скважины каждого подгоризонта, контроль за качеством формирования тампонажной завесы осуществляют по величине коэффициентов поглотительной способности скважин отдельных подгоризонтов, а смыкание тампонажных завес смежных подгоризонтов устанавливают по условию превышения значений коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на начальном и промежуточном этапах тампонажных работ под значением коэффициентов поглотительной способности скважин, затампонированных на конечном этапе тампонажных работ

где G_m, η_m и ν_m номера скважин подгоризонтов, затампонированных на начальном, промежуточном и конечном этапах тампонажных работ соответственно.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения коэффициентов поглотительной способности различных участков стволов скважин и надежности смыкания отдельных участков тампонажной завесы вблизи этих участков раскрывают имеющиеся или создают новые трещины в горных породах, например, с использованием энергии взрыва зарядов взрывчатых веществ.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при близком залегании водоносного горизонта к поверхности земли бурят Х-образные наклонно-направленные скважины, при этом проекцию всех этих скважин определяют из условий необходимости размещения точки пересечения их проекций на вертикальную плоскость в толще водоносного горизонта.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на участке гидравлической связи между водоносными горизонтами, разделенными слоями, бурят дополнительные скважины и через них осуществляют формирование тампонажной завесы в виде единой общей барражной завесы для всех водоносных горизонтов.