Состав для снижения водопроницаемости горных пород (варианты) и способ тампонирования водопроницаемости участков горных пород
Владельцы патента RU 2743977:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет" (RU)
Группа изобретений относится к горнодобывающей промышленности, а именно к составам для снижения водопроницаемости участков или зон соляных горных пород. Предлагаются два состава для снижения водопроницаемости горных пород, включающие структурообразователь - водный раствор хлорида кальция и осадитель - водный раствор сульфата натрия и добавки. Способ тампонирования водопроницаемых участков или зон в соляных горных породах включает вскрытие зон повышенной водопроницаемости тампонажными скважинами, подготовку на поверхности соляных растворов, при необходимости их подогрев и закачку в зону тампонирования. В качестве тампонажного состава используют композицию по 1-му варианту, при этом закачку в водопроницаемые участки или зоны пород ведут в два этапа, на первом закачивают осадитель, а на втором - структурообразователь, тампонирующие необходимый объем горных пород, или композицию по 2-му варианту состава, причем равные объемы растворов структурообразователя и осадителя смешивают перед закачкой в водопроницаемые участки или зоны пород, при этом закачку ведут в один этап. Техническим результатом является расширение арсенала средств составов для тампонирования в зоне повышенной водопроницаемости горных пород, а также повышение надежности и качества тампонирования водопроницаемых участков горных пород. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к составам для снижения водопроницаемости участков или зон соляных горных пород.
Известен способ изоляции зоны осложнения в скважине, включающий последовательное закачивание в изолируемый интервал порций водного раствора гипана и хлористого кальция, разделенных оторочками воды (патент RU №2228427, Е21В 33/13, опубл. 10.05.2004 г.). До порций водного раствора гипана и хлористого кальция в изолируемый интервал закачивают жидкость с добавкой гидрофобизатора. Для создания нестационарного режима закачивания, обеспечивающего увеличение глубины тампонирования пласта, закачивание жидкости с добавкой гидрофобизатора осуществляют с периодическими остановками.
Недостатком известного способа является то, что образование тампонирующей массы происходит только на границе контакта растворов гипана и хлористого кальция. Основная часть объема гипана остается непрореагировавшей, что нецелесообразно, так как полученный объем тампонирующей массы может быть недостаточен для качественного проведения изоляционных работ. Кроме того, создание нестационарного режима закачивания, который мог бы повысить выход тампонирующей массы за счет улучшения перемешивания и увеличения объема контактирующих растворов гипана и хлористого кальция, производится только при закачивании жидкости с добавкой гидрофобизатора.
В известном способе изоляции зоны осложнения в скважине с карбонатными коллекторами, предусматривается последовательное закачивание в скважину порций водного раствора структурообразующего реагента и структурообразователя, разделенных оторочкой пресной воды, и последующее продавливание водного раствора структурообразующего реагента и структурообразователя в изолируемый интервал закачиванием продавочной жидкости (пат. РФ №2494224, МПК Е21В 33/13, опубл. 27.09.13 г.).
При реализации способа вместо водного раствора хлористого кальция может быть использована пластовая минерализованная вода хлоркальциевого типа или алюмохлорид.
Данный способ может быть применен при проведении ремонтно-изоляционных работ с использованием большинства известных водоизоляционных тампонажных композиций, состоящих из структурообразующего реагента и структурообразователя.
Например, в качестве структурообразующего реагента применяют гипан, синтетическую смолу, полиакриламид, жидкое стекло.
Например, в качестве структурообразователя применяют хлористый кальций, пластовую минерализованную воду, хромкалиевые квасцы, кислоту.
Например, используют водоизоляционные композиции на основе синтетических смол с кислотой в качестве структурообразователя или используют водоизоляционную композицию на основе жидкого стекла с хлористым кальцием в качестве структурообразователя, при использовании водоизоляционных композиций на основе растворов полиакриламида и хромкалиевых квасцов в качестве структурообразователя.
Многие из водоизоляционных тампонажных композиций, состоящих из структурообразующего реагента и структурообразователя, в том числе и перечисленные выше, применяют для увеличения нефтеотдачи пластов, например, в потокоотклоняющих технологиях. Эти же водоизоляционные композиции применяют для изменения профиля приемистости нагнетательных скважин. При проведении указанных видов работ выше описанный способ также может быть использован. Таким образом, в данном предложении достигается результат - увеличение эффективности изоляции зон водопритока в скважине за счет улучшения перемешивания компонентов водоизоляционной композиции за счет их закачки и продавки в импульсном режиме.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ техногенного эпигенеза тампонирования водопроницаемых участков или зон в соляных горных породах, который включает вскрытие зон повышенной водопроницаемости тампонажными скважинами, подготовку на поверхности соляных растворов, при необходимости - их подогрев и закачку в зону тампонирования. В качестве тампонажного состава используют насыщенные истинные растворы солей или естественные рассолы, которые в условиях снижения температуры выделяют в осадок избыток соли, тампонирующий водопроводящие трещины. Изобретение позволяет обеспечить безопасность подземных горных работ, сохранить благоприятную экологическую обстановку и качество полезного ископаемого на солерудниках.
Однако способ прототип имеет ряд недостатков:
Недостатки по способу:
Способ предполагает кристаллизацию солей в результате охлаждения исходного раствора. Скорость охлаждения в данном случае контролировать невозможно, поэтому кристаллизация солей может произойти в скважине, а не в зоне повышенной водопроницаемости. В нашем случае предусмотрена закачка двух разных по составу растворов, а кристаллизация соли начнется только после их смешения.
Недостатки по составу:
Существенным недостатком тампонирования пород водорастворимыми солями является то, что при изменении состава или разбавлении раствора, контактирующего с солями, может произойти их растворение аналогично природным минералам. Минимизировать процесс вторичного растворения позволит осаждение солей кальция (сульфат, карбонат, силикат), которые практически не растворяются в воде и малорастворимы в растворах хлорида натрия. Так растворимость гипса в 1н растворе хлорида натрия составляет 7 г/л, карбоната кальция - 0,05 г/л.
Задачей создания изобретения является разработка составов для снижения водопроницаемости горных пород и способа тампонирования водопроницаемости участков горных пород свободного от недостатков изобретения - прототипа.
Поставленная задача по 1-му варианту решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как состав для снижения водопроницаемости горных пород включающий структурообразователь - водный раствор хлоридов натрия и калия, и отличительных существенных признаков, таких как структурообразователь дополнительно содержит хлорид кальция и дополнительно осадитель - водный раствор серной кислоты или насыщенный раствор сульфата натрия или карбоната натрия при следующей концентрации компонентов, мас. %:
при соотношении объемов структурообразователя и осадителя от 1:1 до 1:2.4, соответственно.
Согласно п. 2 формулы изобретения в качестве источника хлорида кальция используют отход производства АО «Березниковский содовый завод».
Поставленная задача по 2-му варианту решается с помощью признаков указанных в 3-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как состав для снижения водопроницаемости горных пород, включающий структурообразователь - водный раствор хлорида кальция и осадитель - водный раствор сульфата натрия и отличительных существенных признаков, таких как раствор структурообразователя или осадителя дополнительно содержит ингибитор кристаллизации, выбранный из группы соединений: натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы со степенью полимеризации 600 или 800 или 1000, при следующей концентрации компонентов, мас. %:
| Структурообразователь: | |
| хлорид кальция | 20.0 |
| вода | 80,0 |
| Осадитель: | |
| сульфат натрия | 20,0 |
| вода | 80,0 |
| Ингибитор кристаллизации | 0,1-2,0 г/л. |
Согласно п. 4 формулы изобретения в качестве источника хлорида кальция используют отход производства АО «Березниковский содовый завод».
Поставленная задача решается с помощью признаков указанных в 5-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ тампонирования водопроницаемых участков или зон в соляных горных породах, включающий вскрытие зон повышенной водопроницаемости тампонажными скважинами, подготовку на поверхности соляных растворов, при необходимости их подогрев и закачку в зону тампонирования, отличающийся тем, что в качестве тампонажного состава используют композицию по п. 1 формулы изобретения, при этом закачку в водопроницаемые участки или зоны пород ведут в два этапа, на первом закачивают осадитель, а на втором - структурообразователь, тампонирующие необходимый объем горных пород, или композицию по п. 3 формулы изобретения, причем равные объемы растворов структурообразователя и осадителя смешивают перед закачкой в водопроницаемые участки или зоны пород, при этом закачку ведут в один этап.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат: как по составам, так и по способу, а именно, расширение арсенала средств - составов для тампонирования в зоне повышенной водопроницаемости горных пород, а также повышение надежности и качества тампонирования водопроницаемых участков горных пород.
Количественное соотношение компонентов в составах выбрано опытным путем и оптимально соответствует решаемой технической задаче предлагаемого технического решения. Выход за пределы указанных интервалов компонентов при практическом использовании составов не позволит получить желаемый технический результат.
Изобретения иллюстрируются графическими материалами, где на Фиг. 1 приведен подготовленный полигон для проведения полевых испытаний.
На Фиг. 2 - Результаты замеров коэффициента фильтрации грунтов.
В Таблице 1 приведены Физические свойства грунтов. В Таблице 2 приведен Состав используемых растворов 1 и 2 в секции Б 2.
Осуществимость изобретений иллюстрируется нижеследующими примерами, подтверждающими возможность получения технического результата и возможность реализации назначения предлагаемых решений.
Пример 1.
Эффективность тампонирования пород оценивалась по скорости фильтрации воды через породу до и после кристаллизации соли кальция. Определение коэффициента фильтрации проводилось с помощью полевого инфильтрометра производства фирмы «Eijkelkamp Soil & Water» (Нидерланды). При проведении работ использовались кольца диаметра: внутреннее - 28 мм, наружное - 53 см.
Для проведения полевых испытаний на полигоне подготовлены 4 секции размером 1 м (фиг. 1). Физические свойства грунтов приведены в табл. 1. Перед внесением растворов с поверхности каждой секции снимался почвенно-растительный слой и верхний слой четвертичных отложений с целью получения ровной площадки, общая мощность снимаемых отложений составила 0,15-0,2 м. Секции, расположенные в непосредственной близости друг от друга, включали опытные и контрольные площадки (фиг. 1М-1, М-2 - контрольные площадки, Б-1, Б-2 - опытные площадки). Обработка грунта в секции Б-1 проведена согласно п. 1 формулы изобретения. Состав используемых растворов приведен в табл. 2. Растворы осадителя (10 л) и структурообразователя (5 л) готовили путем растворения солей в воде. На первом этапе раствор осадителя с помощью лейки равномерно распределили по поверхности грунта площадки Б-1. Через 15 минут площадку полили раствором структурообразователя. Обработка площадки проведена однократно.
Обработка грунта в секции Б-2 проведена согласно п. 3 формулы изобретения. Состав используемых растворов 1 и 2 приведен в табл. 2. Растворы по 10 л готовились по отдельности и смешивались непосредственно перед внесением в грунт. Обработка площадки проведена двукратно с интервалом 2 недели.
После внесения растворов все секции накрывались полиэтиленовой пленкой для минимизации взаимодействия обработанных грунтов с атмосферными осадками. Контрольные замеры коэффициентов фильтрации грунтов на обработанных и контрольных площадках произведены через 2 месяца (см. фиг. 2 - Результаты замеров коэффициента фильтрации грунтов).
Исходя из полученных результатов, коэффициент фильтрации обработанных грунтов снизился по сравнению с контрольными участками. Максимальное снижение Кф отмечено для секции Б-1, где грунты обрабатывались составом по п. 1 формулы изобретения, полученный Кф - 2,11 м/сут обычно характерен для песков мелких с содержанием частиц размером 0,10-0,25 мм более 75% от общей массы. Зафиксированное изменение Кф подтверждает эффективность состава для снижения водопроницаемости горных пород путем осаждения соли кальция.
Как видно из фиг. 3, на поверхности секции Б-2 сформировались трещины, что, вероятно, повлияло на скорость фильтрации воды во время контрольного замера. Коэффициент фильтрации грунтов секции Б-2 - 7,20 м/сут выше, чем для секции Б-1, однако ниже, чем для контрольных секций М-1 и М-2 - 8,89 м/сут и 10,45 м/сут соответственно.
Пример 2. Использование состава по 1-му варианту.
Способ тампонирования водопроницаемых участков или зон в соляных горных породах, включает вскрытие зон повышенной водопроницаемости тампонажными скважинами, подготовку на поверхности соляных растворов, при необходимости их подогрев и закачку в зону тампонирования. В качестве тампонажного состава используют композицию, мас. %:
Структурообразователь: хлорид кальция 49.5; хлорид калия 3.5; хлорид натрия 0.6; Вода 53,6.
Осадитель: сульфат натрия 26,9; вода 73,1.
Закачку в водопроницаемые участки или зоны пород ведут в два этапа, на первом закачивают осадитель, а на втором - структурообразователь, тампонирующие необходимый объем горных пород. В качестве источника хлорида кальция используют отход производства АО «Березниковский содовый завод». Далее проводят гидрогеологические наблюдения за изменением интенсивности водопроявлений в горных выработках и формировании защитного слоя рассолов в контактной зоне (в верхней части соляной толщи). Затем осуществляют ликвидационный тампонаж инъекционных скважин после завершения тампонажных работ.
Пример 3. Использование состава по 2-му варианту.
Способ тампонирования водопроницаемых участков или зон в соляных горных породах, включает вскрытие зон повышенной водопроницаемости тампонажными скважинами, подготовку на поверхности соляных растворов, при необходимости их подогрев и закачку в зону тампонирования. В качестве тампонажного состава используют композицию, мас. %: Структурообразователь: хлорид кальция 20,0; вода 80,0. Осадитель: сульфат натрия 20,0; вода 80,0.
Ингибитор кристаллизации: Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы со степенью полимеризации 800 (КМЦ) 1.0 г/л
Равные объемы растворов структурообразователя и осадителя смешивают перед закачкой в водопроницаемые участки или зоны пород, при этом закачку ведут в один этап. В качестве источника хлорида кальция используют отход производства АО «Березниковский содовый завод». Далее проводят гидрогеологические наблюдения за изменением интенсивности водопроявлений в горных выработках и формировании защитного слоя рассолов в контактной зоне (в верхней части соляной толщи). Затем осуществляют ликвидационный тампонаж инъекционных скважин после завершения тампонажных работ.
Преимуществами предлагаемой группы изобретений при их использовании являются:
- возможность использования для тампонажа солей, добываемых на месторождении, то есть кольматантов, не требующих доставки;
- исключение засорения полезного ископаемого и снижения качества продукции соледобывающего предприятия;
- сохранение сложившегося на месторождении экологического равновесия;
- отсутствие необходимости проведения последующего тампонажа, поскольку выпадающие в трещинах соли не отличаются по составу и свойствам от тампонируемых пород и не отслаиваются;
- применяемые соли (кольматанты) не подвержены агрессивному воздействию тампонируемых пород и рассолов;
- увеличение радиуса тампонажа за счет низкой вязкости применяемых растворов солей;
- сокращение числа инъекционных скважин по сравнению с технологиями, использующими малоподвижные суспензии (цементные растворы и др.);
- возможность создания противофильтрационных завес при значительной протяженности участков с повышенной водопроницаемостью;
- простота выполнения тампонажных работ по предлагаемому способу.
1. Состав для снижения водопроницаемости горных пород, включающий структурообразователь - водный раствор хлоридов натрия и калия, отличающийся тем, что структурообразователь дополнительно содержит хлорид кальция и дополнительно осадитель - водный раствор серной кислоты или насыщенный раствор сульфата натрия или карбоната натрия при следующей концентрации компонентов, мас.%:
при соотношении объемов структурообразователя и осадителя от 1:1 до 1:2.4, соответственно.
2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника хлорида кальция используют отход производства АО «Березниковский содовый завод».
3. Состав для снижения водопроницаемости горных пород, включающий структурообразователь - водный раствор хлорида кальция и осадитель - водный раствор сульфат натрия, отличающийся тем, что раствор структурообразователя или осадителя дополнительно содержит ингибитор кристаллизации, выбранный из группы соединений: натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы со степенью полимеризации 600 или 800 или 1000, при следующей концентрации компонентов, мас.%:
| Структурообразователь | |
| Хлорид кальция | 20.0 |
| Вода | 80,0 |
| Осадитель | |
| Сульфат натрия | 20,0 |
| Вода | 80,0 |
| Ингибитор кристаллизации КМЦ | 0,1-2,0 г/л |
4. Состав по п. 3, отличающийся тем, что в качестве источника хлорида кальция используют отход производства АО «Березниковский содовый завод».
5. Способ тампонирования водопроницаемых участков или зон в соляных горных породах, включающий вскрытие зон повышенной водопроницаемости тампонажными скважинами, подготовку на поверхности соляных растворов, при необходимости их подогрев и закачку в зону тампонирования, отличающийся тем, что в качестве тампонажного состава используют композицию по п. 1, при этом закачку в водопроницаемые участки или зоны пород ведут в два этапа, на первом закачивают осадитель, а на втором - структурообразователь, тампонирующие необходимый объем горных пород, или композицию по п. 3, причем равные объемы растворов структурообразователя и осадителя смешивают перед закачкой в водопроницаемые участки или зоны пород, при этом закачку ведут в один этап.
