СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТАМПОНАЖА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ТАМПОНАЖНЫХ ЗАВЕС Российский патент 1998 года по МПК E21D11/38 E02D31/02 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при защите карьеров от грунтовых вод.

Известны способы контроля качества тампонажа, используемые в комплексном методе тампонажа (1). Он заключается в том, что нагнетание тампонажного раствора в каждый проницаемый интервал осуществлется до достижения расчетных давления во время нагнетания или остановки и объема тампонажного раствора, которые определяются по следующим соотношениям:
,
где P_з - давление раствора на забое скважины,
τ_o - динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора,
r - радиус распространения раствора вокруг одиночной скважины (для простоты влияние анизотропии фильтрационных свойств исключаем),
δ - среднее раскрытие тампонируемых трещин,
P_пл - пластовое давление,
V - объем тампонажного раствора,
h - мощность проницаемого интервала,
m_т - трещинная пустотность.

Недостатком данного способа является невысокая эффективность и недостаточная точность за счет использования формулы (1), так как она справедлива лишь для расчета давления в единичной трещине и неприменима для трещиноватой среды, содержащей несколько систем трещин, и использования соотношения (2) для расчета объема тампонажного раствора, так как оно справедливо не при всех режимах фильтрации, поскольку в нем не учитывается деформация горного массива при нагнетании в него раствора, а также предполагается заполнение всех трещин. При таком описании процесса не учитывается возможность ухода раствора по крупным трещинам.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ контроля тампонажа [2], где делается попытка оценить динамику формирования тампонажной завесы по характеру изменения давления нагнетания. Процесс считается оптимальным, если давление нагнетания во время закачки неизменно повышается. В расчете радиуса распространения учитывается лишь объем раствора, закачанного при росте давления нагнетания.

Недостатком этого способа является малая эффективность тампонажа, обусловленная выбором неверного критерия оптимального режима тампонажа, так как в нем не учитывается возможность гидрорасчленения уже протампонированной зоны, которое сопровождается развитием новых трещин, частичным закрытием старых и, как следствие, изменением первичной проницаемости, что приводит к немонотонному поведению давления нагнетания.

Цель изобретения - повышение эффективности и качества тампонажа за счет использования уточненных зависимостей (формул) для расчета параметров и нового количественного критерия оптимальности тампонажа при осуществлении контроля за ним.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля тампонажа при строительстве противофильтрационных тампонажных завес, включающем измерение параметров тампонажа, сравнение текущих параметров с проектными и оценку тампонажа по результатам сравнения текущего радиуса с проектным, дополнительно определяют остаточное давление (P_оп) на поверхности земли и остаточное давление (P_оз) на забое скважины, определяют расчетное давление (P_ор), моделируя напряженно-деформированное состояние горного массива, сравнивают остаточное давление на забое скважины (P_оз) с расчетным давлением (P_ор), выбирают оптимальный режим тампонажа и определяют для него текущий радиус распространения тампонажного раствора по формуле:

где V_о - объем тампонажного раствора, закачанного в оптимальном режиме тампонажа, м³;
h - мощность тампонируемого интервала, м;
β - коэффициент упругоемкости трещиноватых пород, МПа^-1;
P_оз - остаточное давление на забое скважины, МПа;
P_пл - пластовое давление, МПа.

Известно, что при тампонаже обводненных трещиноватых горных пород, находящихся на большой глубине в сложно-напряженном деформированном состоянии, высокое качество тампонажа достигается при выполнении двух условий:
все трещины, расположенные внутри зоны тампонирования, должны быть заполнены тампонажным раствором;
после твердения раствора между ним и стенками тампонируемых трещин должно быть хорошее сцепление.

Выполнение этих условий гарантирует отсутствие водопроводящих каналов в протампонированной зоне. Так как тампонаж ведется глиноцементным раствором, который подчиняется закону фильтрации с предельным градиентом давления, в обводненном трещиноватом горном массиве, находящемся в сложно-напряженном состоянии, то после полной остановки раствора давление на забое скважины падает не до пластового давления (P_пл), а до предельно-равновесного давления /5/, называемого остаточным (P_оз), которое определяется по формуле:
P_оз=Gr+P_пл,
где G - предельный градиент давления, МПа/м;
r - текущий радиус, м;
P_пл - пластовое давление, МПа.

Если остаточное давление (P_оз) сохраняет свое постоянное значение до момента твердения раствора, значит, выполнено первое необходимое условие достижения высокого качества тампонажа - все трещины залечены, внутри протампонированной зоны нет пустот, приводящих к сбросу давления. Таким образом, дополнительное определение остаточного давления на забое скважины (P_оз) позволяет оперативно оценить эффективность и качество тампонажа.

Для выполнения второго - осуществления хорошего сцепления раствора с породой при твердении - необходимо, чтобы во время нагнетания раствора происходило упругое деформирование стенок трещин. Тогда после прекращения нагнетания раствор окажется зажат стенками трещин за счет их "обратных" деформаций. Для этого давление раствора должно превосходить нормальное сжимающее напряжение, действующее со стороны горного массива на трещины. А это значит, что должно выполняться следующее условие:
P_оз≥P_ор
где P_ор - расчетное давление.

Значение P_ор - определяется для каждой тампонируемой скважины и интервала из результатов моделирования напряженно-деформированного состояния горного массива, где создается водоизоляционная завеса. Это и будет оптимальным режимом тампонажа. А показателем оптимальности режима служит величина остаточного давления на забое скважины. Значит, этот интервал затампонирован качественно и по нему может быть подсчитан радиус.

Так как текущий радиус распространения раствора вокруг тампонируемой скважины в упругом режиме фильтрации может быть определен по формуле:

где V_о - объем раствора, который распространился радиально вокруг одиночной скважины в оптимальном режиме тампонажа; β - коэффициент упругоемкости тампонируемого горного массива, который определяется, например, по результатам гидроисследований, а значение предельного градиента давления (G) при известном радиусе (r) определяется из соотношения (4), то после определения остаточного давления на забое (P_оз) с помощью измеренного на поверхности остаточного давления (P_оп) по формуле:
P_оз=P_оп+P_г-P_т,
где - плотность раствора, g - ускорение свободного падения, l и d - длина и диаметр скважины, соответственно, то можно рассчитать значение текущего радиуса по следующей формуле:

где V_о - объем тампонажного раствора, закачанного в оптимальном режиме тампонажа, м³;
h - мощность тампонируемого интервала, м;
β - коэффициент упругоемкости трещиноватых пород, МПа^-1;
P_оз - остаточное давление на забое скважины, МПа;
P_пл - пластовое давление, МПа.

Способ осуществляется следующим образом. С помощью математического моделирования, учитывающего геомеханические свойства горных пород, геологическое строение и гидрологическую обстановку, рассчитывается напряженно-деформированное состояние горного массива в области создаваемой противофильтрационной завесы. Из результатов моделирования определяют значение P_ор.

Определяют остаточное давление на поверхности земли (P_оп); с учетом потерь напора на трубопроводе и в скважине (P_т) и давления гидростатического столба тампонажного раствора (P_г) определяют остаточное давление на забое скважины (P_оз) по известной формуле:
P_оз=P_оп+P_г-P_т,
где - плотность раствора, g - ускорение свободного падения, l и d - длина и диаметр скважины, соответственно.

Сравнивают P_оз с P_ор. Если выполняется условие P_оз≥P_ор, то, считая, что предшествующий остановке тампонаж проходил в оптимальном режиме, определяют радиус распространения раствора по формуле:
.

Сравнивают полученный радиус r с проектным r_п. Если выполняется условие r>r_п, то тампонаж прекращают.

Пример.

Тампонируют проницаемый интервал мощностью (h) на глубине (l), диаметр нагнетательной скважины (d), коэффициент упругоемкости пород ( β ), пластовое давление (P_пл).

Промоделировав напряженно-деформированное состояние горного массива, например, вокруг карьера "Мир" в Якутии, определили расчетное значение (P_ор).

Тампонаж велся, например, в три этапа с тремя технологическими остановками. После каждой остановки определяли остаточное давление на поверхности земли (P_оп) и объем закачанного раствора (V). Тампонаж велся глиноцементным раствором с плотностью ( ρ ), динамическим напряжением сдвига (τ_o) .

Предварительно на стадии проектирования был определен проектный радиус тампонируемой области (r_пр). Все вышеперечисленные исходные данные занесены в табл. (строка 1).

Осуществлялся контроль тампонажа на первом этапе. Измерялись остаточное давление на поверхности земли (P_оп) и объем закачанного раствора (V); остаточное давление на забое скважины (P_оз) рассчитывалось по формуле (9), сравнивалось P_оз с P_ор. По результатам сравнения установлено, что тампонаж велся в неоптимальном режиме, поэтому оптимальный объем V_о и текущий радиус качественно протампонированной области равен нулю. Дано заключение: продолжать тампонаж. Результаты контроля тампонажа на первом этапе занесены в табл. (строка 2).

Осуществлялся контроль тампонажа на втором этапе. Измерялись P_оп и V; рассчитывалось P_оз по формуле (9); сравнивалось P_оз с P_ор. По результатам сравнения установлено, что тампонаж велся в оптимальном режиме, поэтому рассчитывались оптимальный объем V_о и текущий радиус качественно протампонированной области по формуле (10). Сравнивались r и r_пр. По результатам сравнения выдано заключение: проектный радиус не достигнут, продолжать тампонаж. Результаты контроля тампонажа на втором этапе занесены в табл. (строка 3).

Осуществлялся контроль тампонажа на третьем этапе. Измерялись P_оп и V; рассчитывалось P_оз по формуле (9); сравнивалось P_оз с P_ор. По результатам сравнения установлено, что тампонаж велся в оптимальном режиме, поэтому рассчитывались оптимальный объем V_о и текущий радиус качественно протампонированной области по формуле (10). Сравнивались r и r_пр. По результатам сравнения выдано заключение: проектный радиус превышен, тампонаж закончить. Результаты контроля тампонажа на третьем этапе занесены в табл. (строка 4).

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при защите карьеров от грунтовых вод. Способ контроля тампонажа при строительстве противофильтрационных тампонажных завес включает определение параметров тампонажа, сравнение текущих параметров тампонажа с проектными, выбор оптимального режима по сравнению параметров, расчет радиусов распространения тампонажного раствора и оценку тампонажа по результатам сравнения текущего радиуса с проектным. Новым является то, что определяют остаточное давление на поверхности земли и с его учетом определяют остаточное давление на забое скважины. Моделированием напряженно-деформированного состояния горного массива определяют расчетное давление на забое скважины. Осуществляют сравнение давления на забое скважины и его расчетное давление. Оптимальным режимом считают режим при условии равенства или превышения остаточного давления на забое скважины над ее расчетным давлением. Дана также расчетная формула для определения радиуса распространения тампонажного раствора. 1 табл.

Способ контроля тампонажа при строительстве противофильтрационных тампонажных завес, включающий определение параметров тампонажа, сравнение текущих параметров тампонажа с проектными, выбор оптимального режима тампонажа по сравнению параметров, расчет радиусов распространения тампонажного раствора и оценку тампонажа по результатам сравнения текущего радиуса с проектным, отличающийся тем, что определяют остаточное давление по поверхности земли и с его учетом определяют остаточное давление на забое скважины, моделированием напряженно-деформированного состояния горного массива определяют расчетное давление на забое скважины, осуществляют сравнение давления на забое скважины и его расчетного давления и оптимальным режимом считают режим при условии
Р_о з ≥ Р_о р,
где Р_о з остаточное давление на забое скважины;
Р_о р расчетное давление скважины,
а радиус распространения тампонажного раствора рассчитывают по формуле

где V_о объем тампонажного раствора, закачанного в оптимальном режиме тампонажа, м³;
h мощность тампонируемого интервала, м;
β - коэффициент упругоемкости трещиноватых пород, МПа^- 1;
Р_о з остаточное давление на забое скважины, МПа;
Р_п л пластовое давление, МПа.