Комплекс оборудования для струйной цементации

Авторы патента:

E21B33/13 - способы или устройства для цементирования щелей или подбурочных скважин, трещин или т.п.(цементировочные желонки E21B 27/02; материалы, улучшающие состояние почвы или стабилизирующие почву C09K 17/00)

B28C7/00 - Управление устройствами для приготовления смесей глины или цемента с другими материалами; подача или дозирование ингредиентов для смешивания глины или цемента с другими материалами; выгрузка смеси

Владельцы патента RU 2648751:

Гришко Дмитрий Алексеевич (RU)

Изобретение относится к укреплению грунтов и возведению подземных конструкций различного назначения струйной цементацией. Технический результат – обеспечение возможности повышения качества грунтоцементных конструкций за счет струйной цементации. В комплексе оборудования для струйной цементации грунтов на трубопровод цементного раствора и на трубопровод пульпы установлены спектрометр и плотномер. Устройство оснащено арифметическим устройством, в котором по измеренным параметрам цементного раствора и пульпы предусмотрено определение величины объемной концентрации цементного раствора в пульпе. Комплекс оборудования имеет устройства, обеспечивающие возможность задания границы рабочего диапазона величины объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе. При выходе концентрации за пределы диапазона предусмотрена корректировка подачи цементного раствора в скважину за счет изменения скорости подъема колонны буровой установки. 1 ил.

Изобретение относится к укреплению грунтов и возведению подземных конструкций различного назначения струйной цементацией.

Известен комплекс цементирования скважин по RU 2256777 С1, Е21В 33/14, опубл. 20.07.2005. Изобретение относится к нефтегазодобыче, в частности к цементировочной технике для цементирования скважин. Сущность изобретения: комплекс включает датчики, установленные на самостоятельных передвижных агрегатах и содержит смесительный и цементировочные агрегаты, осреднительную емкость, станцию управления и контроля, распределительный коллектор. Согласно изобретению комплекс выполнен как одно целое с системой контроля и управления с обратной связью, содержащей датчики и измерительные устройства, установленные на всех установках и измерительном блоке на выходе из скважины.

Известен комплекс для струйной цементации грунта по RU 103539 U1, E02D 3/12, опубл. 20.04.2011. Комплекс включает в себя смесеприготовительную станцию, насос высокого давления, трубопровод цементной смеси, пневматическую систему, включающую компрессор с ресивером и трубопроводом сжатого воздуха, буровую установку, оснащенную цементным и воздушным вертлюгами, а также бурильную колонну, при этом, пневматическая система снабжена обратным клапаном, установленным на трубопроводе сжатого воздуха на буровой установке, причем этот клапан отрегулирован на давление на 5-10% выше рабочего давления в пневматической системе, а между обратным клапаном и вертлюгом воздушным установлено реле давления, при этом реле давления связано с выключателем привода насоса высокого давления и отрегулировано на срабатывание при давлении на 10-15% выше рабочего давления в пневматической системе.

Известна автоматизированная система управления процессом цементирования скважин, SU 565986, Е21В 33/13, опубл. 25.07.1977. Автоматическое регулирование процессом производится на основе непрерывного сравнивания расхода и давления на входе в колонну с аналогичными параметрами на выходе из заколонного пространства скважины.

Недостатком аналогов для проведения процесса струйной цементации является невозможность проведения корректировки подачи цементного раствора в скважину при изменении типа грунта, что, например, приводит к некачественному созданию подземных конструкций в слоистых (песок, суглинки, глины) грунтах.

По требованиям нормативной документации «Расход инъекционного раствора при струйной цементации грунта должен регулироваться по выносу раствора с грунтовой пульпой из скважины. Нормальный процесс цементации сопровождается незначительным выносом раствора от 30% до 40% от инъектируемого объема раствора. При чрезмерном выносе расход раствора должен быть уменьшен, при отсутствии выноса - должен быть увеличен» ( СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. М.: - Изд. БСТ-2011-п. 6.5.11).

Известен патент RU 2611373 С1, опубл. 21.02.2017, в котором описан способ определения объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при струйной цементации, при котором в цементный раствор, при его приготовлении, вводят химический элемент, содержание которого в грунте не превышает 0,1%, и в количестве, определяемом рентгенофлуоресцентным анализом, затем при помощи рентгенофлуоресцентного спектрометра и плотномера производят определение концентрации химического элемента в пробах и плотность проб цементного раствора и грунтоцементой пульпы и рассчитывают объемную концентрацию цементного раствора в грунтоцементной пульпе по формуле.

В качестве ближайшего аналога - прототипа выбран комплекс для струйной цементации, рекомендованный в СТО НОСТРОЙ 2.3.18 -2011 ''Освоение подземного пространства. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. Приложение Б. Рисунок Б. 7.'' Комплекс содержит склад цемента, шнековый конвейер, смесительный растворный узел, насос высокого давления, буровую установку, грязевой насос, емкость сбора пульпы. Самостоятельные агрегаты комплекса имеют обвязку в виде приемных и нагнетательных трубопроводов.

Целью изобретения является повышение качества подземных строительных конструкций, создаваемых струйной цементацией.

Поставленная цель достигается тем, что комплекс для струйной цементации, содержащий склад цемента, шнековый конвейер, подающий цемент в смесительный растворный узел, трубопровод цементного раствора, осуществляющий подачу цементного раствора к насосу высокого давления, трубопровод высокого давления, соединяющий насос высокого давления и буровую колонну буровой установки с регулятором подъема колонны, в нижней части колонны расположен монитор, грязевой насос, по трубопроводу перекачивающий пульпу, изливающуюся из заколонного пространства в емкость сбора пульпы, при этом на трубопровод цементного раствора и на трубопровод пульпы установлены спектрометр и плотномер. Также комплекс оснащен арифметическим устройством, устройством нижней границы рабочего диапазона и устройством верхней границы рабочего диапазона. Арифметическое устройство содержит умножитель, на входы которого поступают выходы спектрометра и плотномера параметров цементного раствора, умножитель, на входы которого поступают выходы спектрометра и плотномера параметров пульпы, блок деления, вход делимого которого соединен с выходом умножителя параметров пульпы, а вход делителя соединен с выходом умножителя параметров цементного раствора. Устройство нижней границы рабочего диапазона содержит задатчик нижнего уровня, выход которого соединен с входом блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока сравнения соединен с входом управления блока коммутации, вход блока коммутации соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока коммутации поступает на вход вычитаемого блока разности, вход уменьшаемого блока разности подключен к выходу задатчика, выход блока разности через инвертор и усилитель подключен к регулятору подъема колонны буровой установки. Устройство верхней границы рабочего диапазона содержит задатчик верхнего уровня, выход которого соединен с входом блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока сравнения соединен с входом управления блока коммутации, вход блока коммутации соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока коммутации поступает на вход уменьшаемого блока разности, а вход вычитаемого блока разности подключен к выходу задатчика, а выход блока разности через усилитель подключен к регулятору подъема колонны буровой установки.

Сущность изобретения заключается в непрерывном автоматическом регулировании подачи цементного раствора в скважину по результатам измерений и расчета величины объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе и сравнении этой величины с заданными параметрами.

В предлагаемом изобретении определение объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при струйной цементации производится согласно RU 2611373 С1.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображена комбинированная структурная схема комплекса для струйной цементации грунта.

Комплекс для струйной цементации (чертеж) содержит склад 1 цемента, шнековый конвейер 2, смесительный растворный узел 3, трубопровод 4 цементного раствора, насос 5 высокого давления, трубопровод 6 высокого давления, буровую колонну 7 буровой установки 8 с регулятором 9 подъема колонны 7, в нижней части колонны 7 расположен монитор 10, грязевой насос 11, трубопровод 12 перекачки пульпы и емкость 13 сбора пульпы. При этом на трубопровод 4 устанавливают спектрометр 14 и плотномер 15 , а на трубопровод 12 устанавливают спектрометр 16 и плотномер 17.

Комплекс оснащают арифметическим устройством А, включающим в себя два умножителями - умножитель 18 параметров цементного раствора, на входы которого поступают выходы спектрометра 14 и плотномера 15, и умножитель 19 параметров пульпы, на входы которого поступают выходы спектрометра 16 и плотномера 17. Выход умножителя 19 соединяют с входом делимого блока 20 деления, а выход умножителя 18 соединен с входом делителя блока 20.

Комплекс также оснащен устройством В нижней границы рабочего диапазона, включающей в себя задатчик 21 нижнего уровня, выход которого соединен с входом блока 22 сравнения, другой вход блока 22 сравнения соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 22 соединен с входом управления блока 23 коммутации , вход блока 23 соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 23 поступает на вход вычитаемого блока 24 разности, а вход уменьшаемого блока 24 разности подключен к выходу задатчика 21, выход блока 24 разности через инвертор 25 и усилитель 26 подключен к регулятору 9 подъема колонны 7 буровой установки 8.

Комплекс также снабжен устройством С верхней границы рабочего диапазона включающей в себя задатчик 27 верхнего уровня, выход которого соединен с входом блока 28 сравнения, другой вход блока 28 соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 28 соединен с входом управления блока 29 коммутации, вход блока 29 соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 29 поступает на вход уменьшаемого блока 30 разности, а вход вычитаемого блока 30 разности подключен к выходу задатчика 27, выход блока 30 разности через усилитель 31 подключен к регулятору 9 подъема колонны 7 буровой установки 8.

На чертеже введены следующие обозначения:

Cv — объемная концентрация цементного раствора в грунтоцементной пульпе;

Сп - весовая концентрация химического элемента в грунтоцементной пульпе;

Сс - весовая концентрация химического элемента в цементном растворе;

ρ_п - плотность грунтоцементной пульпы;

ρ_с - плотность цементного раствора;

Cv_мин - минимальное значение объемной концентрации цементного раствора в пульпе;

Cv_мax - максимальное значение объемной концентрации цементного раствора в пульпе;

+ Δ Cv - положительное значение величины рассогласования;

- Δ Cv - отрицательное значение величины рассогласования.

Комплекс работает следующим образом.

Состав работ по струйной цементации грунтов включает бурение лидерной скважины бурильной установкой 8, при котором осуществляется спуск колонны 7 с монитором 10 в скважину до проектной глубины. Из склада 1 цемент шнековым конвейером 2 подается в смесительный растворный узел 3. В растворном узле 3, с добавлением воды и вещества для определения объемной концентрации цементного раствора в пульпе по RU , приготавливается цементный раствор, который по трубопроводу 4, в котором установлен спектрометр 14 и плотномер 15, подается на вход насоса 5 высокого давления. Цементный раствор под высоким давлении по трубопроводу 6 подается в колонну 7 буровой установки 8 и попадает в монитор 10. Включается вращение и подъем колонны 7. Высоконапорные струи инъекционного цементного раствора, истекая из сопел монитора 10, производят размыв и перемешивание грунта с образованием грунтоцементной конструкции. При процессе цементации из заколоконного пространства выделяется пульпа, которая грязевым насосом 11 по трубопроводу 12, в котором устанавливается спектрометр 16 и плотномер 17, перекачивается в емкость 13 сбора пульпы.

Перед началом цементации задатчиком 21 устанавливают значение нижней границы рабочего диапазона объемной концентрации цементного раствора в пульпе Cv_мин , а задатчиком 27 значение верхней границы Cv_мax. При проведении процесса цементации значения концентраций химического элемента, добавляемого в цементный раствор, и значения плотности раствора и пульпы с приборов 14, 15 и 16, 17 поступают на арифметическое устройство А , где производится вычисление значения объемной концентрации цементного раствора в пульпе по формуле:

(см. RU 2611373 C1).

При этом Cv может принимать следующие значения:

Cv_мин<Cv<Cv_мax, то есть значение объемной концентрации цементного раствора лежит в заданном рабочем диапазоне концентраций. Корректировка процесса цементации не требуется;

- при Cv<Cv_мин, то есть значение объемной концентрации цементного раствора лежит ниже заданной нижней границы рабочего диапазона. При этом блок 22 сравнения включает блок 23 коммутации и значение Cv попадает на блок 24 разности, где происходит вычитание Cv_мин-Cv и на выходе блока 24 появляется положительное значение величины рассогласования + Δ Cv. Инвертор 25 меняет знак рассогласования и через усилитель 26, согласующий сигнал рассогласования - Δ Cv и входной сигнал регулятора 9, сигнал рассогласования поступает на вход регулятора 9 подъема бурильной колонны 7. Сигнал рассогласования уменьшает скорость подъема колонны 7, за счет чего увеличивается подача цементного раствора в скважину.

- при Cv>Cv_мax, , то есть значение объемной концентрации цементного раствора лежит выше заданной верхней границы рабочего диапазона. При этом блок 28 сравнения включает блок 29 коммутации и значение Cv попадает на блок 30 разности, где происходит вычитание Cv-Cv_мax и на выходе блока 30 появляется положительное значение величины рассогласования + Δ Cv. Значение величины рассогласования через усилитель 31 поступает на вход регулятора 9 подъема бурильной колонны 7 и увеличивает скорость подъема колонны 7, за счет чего уменьшается подача цементного раствора в скважину.

Таким образом, регулирование подачи цементного раствора в скважину проводится по значению объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе. При этом возможно уменьшить рабочий диапазон, что увеличит точность подачи цементного раствора в скважину, а также сдвигать рабочий диапазон при цементации различных типов грунтов.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить качество грунтоцементных конструкций за счет равномерного распределения цемента по объему конструкции, что повышает прочность, деформативность и водонепроницаемость конструкции.

Комплекс оборудования для струйной цементации, содержащий склад цемента, шнековый конвейер для подачи цемента в смесительный растворный узел, трубопровод цементного раствора для подачи цементного раствора к насосу высокого давления, трубопровод высокого давления, соединяющий насос высокого давления и буровую колонну буровой установки с регулятором подъема колонны, в нижней части колонны расположен монитор, грязевый насос для перекачки пульпы по трубопроводу, изливающейся из заколонного пространства в емкость сбора пульпы, отличающийся тем, что на трубопровод цементного раствора и на трубопровод пульпы установлены спектрометр и плотномер, а также комплекс оборудования оснащен арифметическим устройством, устройством нижней границы рабочего диапазона и устройством верхней границы рабочего диапазона, причем арифметическое устройство содержит умножитель, на входы которого предусмотрено поступление выходных данных спектрометра и плотномера по параметрам цементного раствора, умножитель, на входы которого предусмотрено поступление выходных данных спектрометра и плотномера по параметрам пульпы, блок деления, вход делимого которого соединен с выходом умножителя параметров пульпы, а вход делителя соединен с выходом умножителя параметров цементного раствора, устройство нижней границы рабочего диапазона содержит задатчик нижнего уровня, выход которого соединен с входом блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока сравнения соединен с входом управления блока коммутации, вход блока коммутации соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока коммутации поступает на вход вычитаемого блока разности, вход уменьшаемого блока разности подключен к выходу задатчика, выход блока разности через инвертор и усилитель подключен к регулятору подъема колонны буровой установки, устройство верхней границы рабочего диапазона содержит задатчик верхнего уровня, выход которого соединен с входом блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока сравнения соединен с входом управления блока коммутации, вход блока коммутации соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока коммутации поступает на вход уменьшаемого блока разности, а вход вычитаемого блока разности подключен к выходу задатчика, а выход блока разности через усилитель подключен к регулятору подъема колонны буровой установки.

Изобретение может найти применение в газовой и нефтяной промышленности при цементировании обсадных колонн эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, при наличии в разрезе горных пород, склонных к гидроразрыву.

Активная целлюлозная мука для изоляции водопритоков в добывающих скважинах и блокады обводненных пластов в нагнетательных скважинах // 2647550

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к реагентам для изоляции водопритоков в добывающих скважинах и блокады обводненных пластов в нагнетательных скважинах с целью повышения нефтеотдачи.

Способ обработки призабойной зоны пласта // 2647136

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при заканчивании скважин для повышения продуктивности пласта, сложенного карбонатными коллекторами с трудноизвлекаемыми запасами нефти.

Способ ограничения водопритока в нефтедобывающую скважину, оборудованную глубинным вставным штанговым насосом // 2646153

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для снижения интенсивности притока воды в скважину. Технический результат - упрощение способа и повышение его экономической эффективности.

Способ получения тампонажного раствора // 2645691

Изобретение относится к подземному строительству и может быть использовано для тампонажа трещиноватых горных пород при сооружении и ремонте шахтных стволов и щитовой проходке тоннелей различного назначения.

Способ крепления продуктивного пласта-коллектора газовой скважины // 2645233

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к способам повышения продуктивности эксплуатационных скважин подземных хранилищ газа и снижения водонасыщенности призабойной зоны пласта с использованием физико-химических методов воздействия на пласт-коллектор.

Способ создания малопроницаемого криволинейного экрана в пористой среде при подземном хранении газа // 2645053

Изобретение относится к способу создания малопроницаемого экрана в пористой среде при подземном хранении газа в пористых пластах-коллекторах и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности.

Сухая смесь для приготовления состава для селективной водоизоляции в газовом пласте // 2644447

Изобретение относится к газодобывающей промышленности, в частности к сухим смесям для приготовления состава для селективной водоизоляции в газовом пласте. Сухая смесь для приготовления состава для селективной водоизоляции в газовом пласте содержит, мас.

Состав для ограничения водопритока в добывающей скважине // 2644363

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к составам для ограничения водопритока в добывающей скважине, и может найти применение для выравнивания профиля приемистости нагнетательной скважины.

Способ установки цементного моста в скважине // 2644360

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к установке цементных мостов в эксплуатационных колоннах скважин при временном отключении продуктивной части отдельных пластов или части пласта и ликвидации скважин.

Устройство для регулирования влажности глиняного бруса // 2641048

Изобретение относится к промышленности строительных материалов. Устройство для регулирования влажности глиняного бруса содержит прибор для определения плотности бруса, связанный с регистратором, соединенным с системой управления подачи воды в смеситель.

Смесительная установка // 2186679

Изобретение относится к смесительной технике и может быть использовано для непрерывного смешивания при высокой производительности жидкости с жидкостью или жидкости с твердыми частицами.

Устройство для улавливания цементной пыли // 1779606

Цементосмесительная установка // 1749051

Способ автоматической регулировки активности извести // 1736715

Способ управления процессом приготовления ячеистобетонной смеси // 1731645

Загрузочное устройство бетоносмесителя // 1728037

Изобретение относится к загрузочным устройствам бетоносмесителя и позволяет расширить технологические возможности путем улавливания цемента пористым заполнителем .

Устройство для управления процессом изготовления бетонных и железобетонных изделий // 1728029

Изобретение относится к области автоматизации технологических процессов производства бетонных и железобетонных изделий, может быть использовано в промышленности строительных материалов и позволяет повысить качество управления.

Смеситель // 1701558

Изобретение относится к устройствам для приготовления строительных смесей и позволит повысить качество смеси. .

Устройство для управления процессом изготовления бетонных и железобетонных изделий // 1516364

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов производства бетонных и железобетонных изделий. .

Расширяющая добавка для тампонажного материала // 2649181

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к составам комплексных добавок, используемых в производстве бетонов, строительных растворов, бетонных и железобетонных изделий, включая процессы цементирования нефтяных и газовых скважин. Расширяющая добавка для тампонажного материала содержит 70-83 мас.% сланцевой золы, 14-24,5 мас.% метакаолина и 2,2-6,3 мас.% гиперпластификатора на основе поликарбоксилатов Melflux 1641 F. При этом сланцевая зола имеет массовую долю свободного оксида кальция не менее 14%, а остаток на сите №008 не более 35%. Техническим результатом является обеспечение возможности регулирования с помощью добавки расширения тампонажного материала во времени с целью уменьшения усадочных деформаций цемента и повышения плотности тампонажного материала.