МОДЕЛЬ ТРЕЩИНОВАТОГО ГОРНОГО МАССИВА, ВСКРЫТОГО СКВАЖИНОЙ Российский патент 1999 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу, а именно к области лабораторных исследований процесса цементации трещиноватых горных пород.

Известна модель трещиноватого горного массива, вскрытого скважиной, включающая скважину и конструктивный элемент, моделирующий вскрытые скважиной горные породы, выполненный в виде фильтрационной камеры (SU 1035216 МКИ E 21 C 39/00, от 15.08.1983). Данная модель позволяет изучить механизм заполнения одиночной трещины цементационным материалом при нагнетании в нее цементных растворов различной концентрации и разными способами (Хямяляйнен В. А., Угляница А.В. Влияние деформаций массива на процесс инъектирования цементными растворами //ФТПРПИ. - 1987. - N 3). Однако она не позволяет изучать процесс нагнетания цементных растворов в трещиноватые горные породы через скважину, которая в реальных условиях вскрывает целую систему трещин, обладающую определенными значениями пустотности и проницаемости (гидродинамического сопротивления).

Технический результат - обеспечение возможности моделирования процесса нагнетания цементных растворов в трещиноватые горные породы через скважину.

Технический результат достигается тем, что модель трещиноватого горного массива, вскрытого скважиной, включает скважину и конструктивный элемент, моделирующий трещиноватые горные породы, выполненный в виде фильтрационных камер, каждая из которых моделирует подлежащие цементации трещиноватые породы вокруг заданного участка скважины. Фильтрационные камеры по длине разделены на полости перегородками, в верхних частях которых расположены дроссели, причем сопротивление дросселей в каждой фильтрационной камере принято равным сопротивлению трещин течению в них цементного раствора на моделируемом участке скважины, объем каждой фильтрационной камеры принят равным объему трещин в моделируемом объеме породы, а распределение объемов полостей в камере принято аналогичным распределению трещинной пустотности в породе с удалением от скважины.

Сущность разработанной модели заключается в том, что в ней вскрытые скважиной трещины на заданном от нее расстоянии заменяются гидродинамически эквивалентным количеством фильтрационных камер, объем полостей которых и гидродинамическое сопротивление течению в них цементного раствора соответствует трещинной пустотности горных пород и гидродинамическому сопротивлению трещин при цементации реального горного массива.

На фиг. 1 представлена экспериментальная установка модели, разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (в момент нагнетания цементного раствора в скважину).

Модель состоит из скважины 1, фильтрационных камер 2, каждая из которых моделирует соответствующий объем породы 3 вокруг скважины. Камеры сообщены со скважиной через отверстия 4 и разделены по длине на полости 5 перегородками 6. В верхних частях перегородок расположены дроссели 7. Каждая фильтрационная камера закрывается сверху прозрачной крышкой 8.

Экспериментальная установка модели работает следующим образом.

Цементный раствор 9 из скважины 1 через отверстия 4 проникает в фильтрационные камеры 2. В каждой камере раствор проходит первый дроссель 10, моделирующий входное сопротивление трещин, и начинает заполнять первую полость 5 фильтрационной камеры. При этом в полости происходит седиментация цементных частиц из раствора, которые оседая на дно камеры, образуют цементный осадок 11, а жидкая фаза раствора (вода) 12, накапливаясь над цементным осадком в полости камеры, достигает входа во второй дроссель 7 и проникает во вторую полость. В процессе поступления раствора в фильтрационную камеру происходит намыв цементного осадка в ее полостях с одновременным отфильтровыванием жидкой фазы раствора вглубь фильтрационной камеры. При этом раствор в полости, заполненной цементным осадком, продвигается вперед по каналам 13, которые образуются в цементном осадке между дросселями. Нагнетание прекращают после заполнения цементным осадком последней полости любой фильтрационной камеры, что эквивалентно достижению заданного радиуса цементации в моделируемых породах на соответствующем участке скважины (при моделировании пород с постоянными значениями параметров трещиноватости вокруг скважины все камеры заполнятся цементным осадком одновременно).

Таким образом, механизм заполнения фильтрационных камер цементным осадком подобен механизму заполнения трещин при их цементации, согласно которому по мере продвижения раствора по трещинам увеличивается их гидродинамическое сопротивление (растет давление нагнетания). При этом в трещинах образуется цементный осадок, над которым цементный раствор продвигается вперед по каналам, а жидкая фаза цементного раствора (вода) отфильтровывается вглубь трещины (Дуда Е.Г. Выбор способа нагнетания при цементации трещиноватых горных пород // Шахтное строительство. - 1979. - N 9).

Количество фильтрационных камер и полостей в них определяется для модели в каждом конкретном случае индивидуально в зависимости от цели проводимых исследований и параметров трещиноватости моделируемых пород.

Переход от объема камер и их гидродинамического сопротивления течению в них цементного раствора к параметрам эквивалентных трещиноватых горных пород вокруг скважины осуществляется расчетным методом на основе теории фильтрации цементных растворов в трещиноватых средах (см. пример реализации модели в приложении к заявке).

Предлагаемая модель разработана для исследования процесса нагнетания цементных растворов через скважину в трещиноватые горные породы и, в частности, для лабораторного испытания и отработки параметров скважинных инъекторов, воздействующих на процесс распространения цементных растворов по скважине (А.с. 1555493 СССР, МКИ E 21 D 1/16, от 07.04.90 и с. 263-264 книги Хямяляйнен В. А. , Бурков Ю.А., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М., Недра, 1994).

Пример реализации модели трещиноватого горного массива, вскрытого скважиной.

1. Принимаем длину цементационной скважины L = 2 м, радиус цементации скважины R_ск = 0,0215 м, радиус распространения цементного раствора от скважины R = 1,5 м, водоцементное массовое отношение раствора Ц : В = 1 : 2, коэффициент трещиноватости горных пород m = 0,005.

2. В экспериментальной установке модели используем дроссели диаметром ⊘ 2 мм и длиной 5 мм, которые при расходе раствора Q_d = 80 • 10^-6 м³/с и концентрации раствора Ц : В = 1 : 2, обеспечивают перепад давления (гидродинамическое сопротивление) ΔP_∂ = 0,05 МПа (зависимость перепада давления ΔP_∂ от расхода раствора Q_d, заданной концентрации Ц : В, через дроссель заданного диаметра и длины определяется предварительно на экспериментальной установке аналогичной установке, приведенной в /1/ на стр. 41 - 42).

3. Принимаем количество фильтрационных камер по длине скважины K = 4, а количество дросселей в одной фильтрационной камере N = 5. Дроссели разделяют фильтрационную камеру на 5 полостей (N_n = 5).

4. Объем камер V принимает равным объему трещин V_m, вскрытых скважиной
V = V_m = πR²Lm = 3,14 • 1,5² • 2 • 0,005 = 0,07 м³.

5. Объемы одной камеры V_к и одной полости в камере V_п соответственно составят:
V_к = V/K = 0,07/4 = 0,175 м³,
V_п = V_к/N_п = 0,175/5 = 0,035 м³.

6. Расход раствора в скважину составит:
Q_ск = Q_d • K = 80 • 10^-6 • 4 = 3,2 • 10^-4 м³/с.

7. Конечное давление нагнетания раствора в скважину составит:
P_к = ΔP_∂ KN = 0,05 • 4 • 5 = 1,0 МПа.

8. Нагнетание производим способом с постоянным расходом (Q_ск ---> const, P_н ---> var) из условия седиментации цементных частиц от устьев трещин, вскрытых скважиной (для полного заполнения трещин цементным осадком по их длине), т.е. из соблюдения условия R_ск = R_кр, где R_кр - радиус распространения раствора от скважины, начиная с которого в трещинах происходит седиментация цементных частиц.

9. Среднее раскрытие трещин в моделируемых трещиноватых породах δ для известных значений m, L, Q_ск, R_ск при соблюдении условия R_ск = R_кр определится следующим образом. Согласно /1/ (стр. 129 и стр.111)
R_кр = Q_ск/2πLmV_кр;
V_кр = b/δ,
где V_кр - критическая минимальная безосадочная скорость течения раствора;
b - коэффициент, зависящий от концентрации раствора (для Ц : B = 1 : 2, b = 6,8 м^0,5/с), откуда

10. Коэффициент проницаемости моделируемых трещиноватых горных пород определится из выражения /2/

откуда К₀ = 0,005 • (1,21 • 10^-3)/12100 = 0,6 • 10^-12 м² = 0,6 дарси.

Таким образом, если в скважину модели с вышезаданными характеристиками (L, R_ск, R, K, N, N_п, V_K, V_П) нагнетать раствор состава Ц : В = 1 : 2 с расходом Q_ск = 320 см³/с, то нагнетание будет соответствовать цементации трещиноватых горных пород вокруг скважины со следующими параметрами трещиноватости: m = 0,005; δ = 1,21 мм; K₀ = 0,6 дарси.

1. Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.А., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М., Недра, 1994. - 400 с.

2. Логачев Н.Т. Определение параметров трещиноватости горных пород при проектировании тампонажных завес // Шахтное строительство. - 1982. - N 11, С. 17-19.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в области лабораторных исследований процесса цементации трещиноватых горных пород. Модель трещиноватого горного массива содержит скважину и конструктивный элемент, моделирующий трещиноватые породы, выполненный в виде фильтрационной камеры, которая по длине разделена на полости перегородками, в верхних частях которых расположены дроссели, причем сопротивление дросселей принято равным сопротивлению трещин течению в них цементного раствора на моделируемом участке скважины, объем фильтрационной камеры принят равным объему трещин в моделируемом объеме породы, а распределение объемов полостей в камере принято аналогичным распределению трещинной пустотности в породе с удалением от скважины. Данная модель обеспечивает возможность моделирования процесса нагнетания цементных растворов в трещиноватые горные породы через скважину. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Модель трещиноватого горного массива, вскрытого скважиной, включающая скважину и конструктивный элемент, моделирующий трещиноватые породы, выполненный в виде фильтрационной камеры, отличающаяся тем, что фильтрационная камера по длине разделена на полости перегородками, в верхних частях которых расположены дроссели, причем сопротивление дросселей в фильтрационной камере принято равным сопротивлению трещин течению в них цементного раствора на моделируемом участке скважины, объем фильтрационной камеры принят равным объему трещин в моделируемом объеме породы, а распределение объемов полостей в камере принято аналогичным распределению трещинной пустотности в породе с удалением от скважины. 2. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена несколькими фильтрационными камерами, которые сообщены через отверстия со скважиной.