СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ЦЕМЕНТАЦИЕЙ Российский патент 1995 года по МПК E21D11/10 

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.

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.

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.