ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНАЯ КОМПОЗИЦИЯ, СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ПУСТОТ С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2002 года по МПК C04B24/04 C04B24/12 C04B24/24 E21B33/13 

Заявленное изобретение относится к получению полимерцементной композиции, а также охватывает способ и устройство для ее использования при проведении инженерно-геофизических и строительных работ в обводненных условиях.

Конкретно изобретение может быть использовано при гидрохимическом мониторинге (исследовании) подземных вод, заполнении и локализации карстовых пустот, регенерации нефтяных и водных скважин, при проведении ремонтных и строительных работ в условиях сильной обводненности (порты, дамбы).

Пустоты (карстовые или другого происхождения) представляют собой разно уплотненные участки пластов горных пород, чаще всего заполненные водой. Полости могут быть в виде пустот или сильно трещиноватой структуры. Наиболее опасны пустоты, расположенные вблизи поверхности на глубине первых десятков метров. Глубина залегания, структура и объем полостей требуют различных модификаций технологии, однако она должна быть, возможно, более универсальной.

Работы по ликвидации карстовых пустот проходят в два этапа: обнаружение и исследование (мониторинг) объекта и заполнение пустот.

Известно промышленное использование для бетонирования в обводненных условиях (плотины, причалы, скважины) смесей цемента и высокомолекулярных полимеров (полимерцементные смеси) (Ю.М. Баженов и др. Бетонополимерные материалы и изделия, Киев, 1978).

Известны тампонажные растворы на основе цемента, содержащие песок, поверхностно-активное вещество и комплексные минеральные добавки (RU 95105147, 1997), в том числе содержащие в качестве полимерной водоудерживающей добавки полиакриламид (SU 353920, 1972), используемые в способе восстановления водонепроницаемости и повышения прочности ограждающих конструкций из бетона, преимущественно заглубленных сооружений, для крепления скважин. Известные тампонажные растворы нагнетают в скважины, пустоты, например, через инъекторы под давлением.

Использование таких тампонажных цементов обеспечивает высокий темп нарастания механической прочности материала, они являются дешевым материалом для крепления скважин, но вместе с тем не являются универсальными средствами при обнаружении и заполнении карстовых пустот.

Известны для этих целей различные устройства для исследования вод в скважинах (RU 2084006, 1994) для нагнетания (закачивания) под землю, например, в буровые скважины смесей в виде растворов (в частности, гелеобразный раствор, содержащий гидролизованный полиакриламид) (US 4730674, 1987). В частности, такой гелеобразный раствор, содержащий полиакриламид, закачивается в кольцевое пространство между колонной обсадной трубы и опущенной в буровую скважину трубой.

Все перечисленные выше средства (составы, способы и устройства для их использования) не обеспечивают проведения всего технологического процесса обнаружения и заполнения (ликвидации) карстовых пустот. Кроме того, заполнение различных полостей при проведении таких работ по известным указанным технологиям приводит к образованию водонепроницаемого бетона, вокруг которого за счет большого градиента гидродинамического сопротивления для грунтовых вод происходит размывание близлежащих слоев грунта.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленному изобретению являются полимерцементная композиция, содержащая цемент и полиакриламид (водорастворимый) в количестве 0,1-3% от массы цемента, и способ заполнения пустот при строительстве и ремонте инженерных сооружений с ее использованием путем подачи в пустоту полимерной композиции, содержащей, по крайней мере, цемент и полиакриламид в присутствии воды, и затвердевания смеси (US 4508572, 1985).

Известная полимерцементная композиция и способ с ее использованием не обеспечивают необходимой степени заполнения всех пор и трещин при проведении ремонтных и строительных работ, ликвидации карстовых пустот, особенно в условиях сильной обводненности, кроме того, для проведения работ требуется большое количество композиции.

Наиболее близким по достигаемому результату и технической сущности к заявленному устройству является устройство для заполнения скважин, содержащее полую бурильную колонну (трубу), в которой размещен источник радиоактивного излучения и которая имеет на нижнем конце буровое долото с отверстием, соединяющим бурильную колонну с внешней областью, а также систему подачи заполняющей полимерцементной смеси. Циркулирующий через него бурильный раствор содержит глину, воду и полимерный материал (в частности, полиакриламид), образующий поперечные связи при использовании в этом устройстве источника радиоактивности. Циркуляцию раствора производят вниз по бурильной колонне и в скважину через отверстие долота. На нижнем конце первой скважины обсадной колонны установлен башмак, и собирают колонну, последовательно вводя ее в скважину.

В обсадную колонну вводят пробку с круговыми скребками и перемещают ее вниз по обсадной колонне до входа в контакт с седлом башмака, закачивая в колонну вытесняющую жидкость. Затем перемещают по обсадной колонне источник радиоактивности для преобразования бурового раствора в затвердевший цемент (US 4768593, 1988).

Недостатком данного устройства является ограниченная область его использования, не обеспечивающая решения задач заявленного изобретения в комплексе.

Задачей заявленного изобретения является создание такой полимерцементной композиции, которая позволила бы сократить расход цемента при одновременном обеспечении потребительских свойств, а в совокупности со способом и устройством способной обеспечить возможность проведения всего технологического процесса обнаружения и заполнения (ликвидации) карстовых (или другого происхождения) пустот при проведении инженерно-геофизических и строительных работ в обводненных условиях.

Поставленная задача достигается тем, что полимерцементная композиция, включающая цемент и гидролизованный полимер акриламида, в качестве полимера содержит частично гидролизованный водонабухающий редкосшитый полиакриламид в виде порошка, в частности, с размером частиц 0,1-3 мм, взятым в количестве 0,01-15,0 мас.%, и, при необходимости, инертный наполнитель, например песок, при соотношении цемента и наполнителя от 1:1 до 1:3.

Используемый частично гидролизованный водонабухающий редкосшитый полиакриламид может быть получен радикальной полимеризацией акриламида с дивинильным соединением, предпочтительно N,N'-метилен-бис-акриламидом, с последующим частичным гидролизом акриламидных звеньев.

Используемый редкосшитый полиакриламид также может быть получен радиационно-химическим сшиванием водорастворимого полиакриламида. В качестве сшивающего агента могут использовать соединения тяжелых металлов.

Задача заявленного изобретения решается также с помощью способа заполнения пустот при строительстве и ремонте инженерных сооружений путем подачи в пустоту полимерцементной композиции, содержащей, по крайней мере, цемент и гидролизованный полиакриламид, и последующего затвердевания смеси, при котором в качестве полимерцементной композиции используют смесь цемента и частично гидролизованного водонабухаемого редкосшитого полиакриламида в виде порошка, в частности, с размером частиц 0,1-3 мм в количестве 0,01-15,0 мас. % и, при необходимости, инертный наполнитель, например песок, при соотношении цемента и песка от 1:1 до 1:3.

Используемый в способе водонабухающий редкосшитый полиакриламид может быть получен, как описано выше, радикальной полимеризацией акриламида или радикальной сополимеризацией акриламида с дивинильным соединением, преимущественно с N,N'-метилен-бис-акриламидом, или радиационно-химическим сшиванием водорастворимого полиакриламида, причем композиция, полученная последним методом, может содержать соединение тяжелых металлов в качестве реагента.

Способ может быть осуществлен также с использованием такой полимерцементной композиции, когда радиационно-химическое сшивание водорастворимого полиакриламида осуществляется непосредственно в процессе заполнения пустот при протекании через скважинный прибор потока заполняющей смеси, содержащей водорастворимый частично гидролизованный полиакриламид.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для заполнения пустот, содержащем трубу с размещенным в ней источником радиоактивного излучения, последний установлен в зоне протекания полимерцементной заполняющей смеси, система подачи заполняющей смеси соединена с одним концом трубы, а другой конец трубы открыт для выхода потока заполняющей смеси.

Используемое устройство содержит управляемый генератор радиоактивного излучения, например нейтронного или γ-излучения.

В заявленном изобретении используются частично гидролизованный (содержание ионогенных групп 5-30 мол. %) редкосшитый (содержание поперечных сшивок 0,01-1,0 мол.%) водонабухающий (водонерастворимый, сильнонабухающий) полиакриламид, описанный в литературе (см., например, Савицкая М.Н., Холодова Ю. Д. "Полиакриламид", Киев: Техника, 1969, с. 97-113), причем указанные интервалы не полностью охватывают возможные диапазоны содержания ионогенных групп и поперечных сшивок.

Используемый полиакриламид может иметь следующую химическую формулу:

Поперечные связи (сшивки) могут образовываться за счет связей самого полиакриамида либо могут быть использованы специальные реагенты, вступающие в сополимеризацию (см. там же).

Описанный полимер обладает свойством многократного увеличения объема при набухании в воде без растворения в ней. Смесь полимера с цементом, а при необходимости и с наполнителем (песком или гравием) при смешивании ее с водой при затвердевании образует монолит, содержащий набухшие в воде полимерные сферические элементы, скрепленные по своим поверхностям цементом или цементно-песчаной смесью, и имеющий потребительские свойства. По сравнению с наиболее близким аналогом, в котором использован водорастворимый полиакриламид, заявленное изобретение обеспечивает многократный выигрыш в объеме первоначальной смеси.

При внесении полимера в цемент последний приобретает способность твердения в водной среде благодаря тому, что полимер связывает большое количество воды с последующей отдачей избыточной влаги затвердевающему цементу, который требует (при отсутствии добавки) смачивания в процессе твердения. В результате исключено наличие локальных дефектов (в виде трещин и разуплотнений) в образовавшемся в результате химической реакции гидратации бетоне за счет более равномерного распределения в исходном объеме цемента молекул воды, аккумулируемых частицами порошка полиакриламида. Количество полимера выбрано в диапазоне от 0,01 до 15% от массы цемента, поскольку введение его в меньшем количестве уже не обеспечивает заметного увеличения объема смеси, а введение его в количестве больше 15% приводит к потере прочности материала.

В таблице приведены три рецептуры композиции по заявленному изобретению.

Заявленная полимерная композиция может быть получена с использованием полиакриламида, уже подвергнутого предварительной химической сшивке путем радикальной полимеризации акриламида или сополимеризации его с дивинильным соединением, например N,N'-метилен-бис-акриламидом, как это описано в указанной выше книге. В этом случае проводится закачка в скважину или иную пустоту смеси редкосшитого полиакриламида с цементом, при необходимости с песком и с водой. При этом расширение начинается с момента смешивания с водой, и если это делать на поверхности, то до момента поступления смеси в пустоту часть эффекта от расширения будет потеряна. Поэтому область применения такой композиции - неглубокие пустоты небольшого объема. Поэтому радикальная химическая сшивка полиакриламида является более предпочтительной. Ее преимущество заключается в том, что процесс сшивки полиакриамида и расширение композиции начинается в непосредственной близости от объекта заполнения и максимальное увеличение объема заполнителя происходит в самой пустоте. При этом способе использования порошка требуется разработка и изготовление скважинного прибора на трубах или каротажном кабеле, содержащего в себе импульсный генератор нейтронов.

При любом методе сшивания заявленная композиция при затвердевании образует цементный камень, содержащий в себе вкрапления разбухших частиц полимера. При разбухании с поглощением избыточной воды происходит увеличение объема массы заполнителя, что приводит к заполнению всех пор и трещин с некоторым избыточным давлением. Изменяя пропорции порошок - цемент и режимы работы генератора, возможно регулировать такие свойства заполнителя, как плотность, прочность, пористость и проницаемость, режимы затвердевания.

Технический результат изобретения заключается в максимальном заполнении пор и трещин, а также возможности работы в обводненных условиях, т.к. происходит поглощение полимером избыточной воды и, конечно, экономия цемента.

Пример использования полимерной композиции, полученной путем химической сшивки
Композиция используется для работы на небольшой (до 5 м) глубине: заполнение промоин в теле морских и речных портов, фундаментов сооружений, горных выработок, установка бетонных свай и опор в обводненных условиях.

Проведение таких работ не требует дополнительных устройств. Технологический цикл представляет собой следующие операции.

Приготовление сухой смеси, состоящей из песчано-цементной смеси и полимера. Для этого можно использовать "миксеры" на автомобиле (для больших объемов), различного объема бетономешалки.

Засыпка порции смеси в бункер.

Добавка расчетною количества воды в бункер.

Закачка раствора в полость насосом в течение определенного времени (не более 10 минут).

Для полостей, заполненных водой, производится закачка сухой смеси.

Как видно из технологического цикла, требуется минимум технических средств:
- стандартные сепараторы различного объема для смешивания смеси;
- бункер для подготовки к закачке определенной порции заполнителя;
- компрессор(ы) для закачки смеси в жидком и сухом видах;
- трубопровод (шланг) для подачи смеси от компрессоров в полость.

Сущность заявленного способа и устройства поясняется с помощью чертежа, на котором изображено устройство для заполнения подземных трещин и пустот.

Устройство содержит систему подачи заполняющей полимерной смеси, включающую смеситель 1, соединенные с ним шнек 2, трубопровод 3.

Подземная часть устройства включает трубу 4, в качестве которой может использоваться бурильная колонна, на верхней части которой навинчена муфта 5 с отводом для каротажного кабеля 6, который герметизирован сальником, а нижний конец трубу 4 открыт. В трубе 4, в верхней ее части, на каротажном кабеле 6 подвешен скважинный прибор (СП) 7, содержащий управляемый генератор 8 излучения - нейтронного или γ-излучения, и приемник 9 излучения. СП 7 фиксирован в трубе 4 с помощью пакера 10.

В состав наземной части входит также система 11 автоматизированного управления (SCADA), включающая мобильный компьютер 12 и управляемый коммутатор 13, связанный с приемником 9 излучения, дозиметром 14, контролирующим радиационную обстановку, манометром 15 и с расходомером 16, установленным на трубопроводе 3 для подачи смеси, и с расположенными в нижней части трубы электрохимическими зондами контроля качества заполнения подземных пустот (на чертеже не показаны).

Способ заполнения пустот на примере подземных карстовых пустот с помощью описанного устройства осуществляется следующим образом.

С помощью мобильного компьютера 12 системы 11 SCADA по результатам замеров электрохимическими зондами определяют весовое соотношение исходных компонентов полимерцементной композиции. В смесителе 1 раздельно подготовленные исходные ингредиенты смешивают с водой, при этом приготавливается недонасыщенная водой смесь полимера (исходный не сшитый полиакриламид), реагента, цемента и песка (2% полимера по отношении к массе цемента, соотношение цемента и песка 1: 1; реагент - например, окись гадолиния может быть выполнен в виде безрасходного элемента конструкции прибора), и 50% количества воды, необходимого для полного набухания полимера.

Полученная смесь с помощью шнека 2 подается по трубопроводу 3 в трубу 4 и протекает через скважинный прибор. Прокачиваемая смесь, продвигаясь вблизи работающего генератора 8 излучения, облучается радиационным потоком нейтронов или γ-частиц, полимер подвергается сшиванию и приобретает свойства повышенного поглощения воды с объемным расширением. Из-за недостатка воды в смеси происходит 10-20%-ное увеличение первоначального объема смеси при продвижении смеси по трубам, а при вдавливании в пласт, содержащий пластовую воду, в головной части заполнителя начинается активный процесс связывания большого количества воды с одновременным максимальным (в 2-2,5 раза) объемным расширением и избыточным давлением, способствующим проникновению заполнителя в пласт. По окончании закачки и стабилизации динамической обстановки начинается процесс твердения цемента и закупорка трещины.

В задней части заполнителя может оказаться недостаток воды и потребуется подкачка воды с поверхности до полного набухания.

Закачка заполняющей смеси осуществляется порциями до полного заполнения пустот, после чего проводят промывку затрубного пространства скважины.

Применение предложенного устройства с обтеканием источника радиоактивного излучения полимерцементной композицией не требует нахождения последнего непосредственно на глубине нахождения пустоты, что позволяет производить работы в невертикальных скважинах и других каналах, и в невозможных для прохождения скважинного прибора участках скважин.

Использование управляемого генератора излучения позволяет путем подбора дозы облучения (в диапазоне от 0,5 до 10 Мрад) синхронизировать скорости протекания двух химических реакций: реакции радиационного сшивания полиакриламида и реакции гидратации цемента. Доза облучения выбирается такой, чтобы скорость сшивания полимера и, следовательно, скорость его набухания и увеличение объема смеси были такими, чтобы затвердевание цемента не опережало этот процесс (при этом структура затвердевает, не достигнув нужного объема) и не отставало от него (при этом образуется рыхлая сыпучая структура).

При химическом сшивании этот результат достигается путем точного подбора весовых соотношений композиции и воды и размера частиц компонентов.

Использование управляемого генератора излучения позволяет также обеспечить также абсолютную безопасность устройства в нерабочем состоянии, так как включение генератора происходит уже в трубе.

Управление процессом заполнения и режимом работы наземных технических средств осуществляется на основе анализа показаний расходомера 16, манометра 15 и дозиметра 14.

Электрохимические зонды позволяют косвенно оценить качество заполнения подземной полости по результатам замера параметров грунтовых вод.

Заявленное изобретение позволяет проводить работы в следующих областях:
1. Нефтегазовые водные скважины
- Заполнение поглощающих горизонтов
- Цементирование обсадной колонны
- Изоляция пластов
- Интенсификация добычи продукта.

2. Инженерные геофизические работы
- Мониторинг и заполнение карстов
- Заполнение, консервация горных выработок
3. Строительство и ремонт инженерных сооружений
- Ремонтно-восстановительные работы в портах по заполнению пустот, образовавшихся в результате нарушения целостности причальных стенок
- Возведение ило-цементных свай при строительстве причалов на заилованных грунтах
- Возведение и укрепление фундаментов и других инженерных сооружений
Большинство работ (кроме работ в скважинах) проводится без привлечения специального оборудования.

Экономический эффект от использования заявленного изобретения возникает, в основном, за счет экономии объема, используемого тяжеловесного строительного материала (цемент, песок).

Например, при ремонте крупного объекта (морского порта) требуется 20000 м³ цементно-песчаной смеси. При введении добавки полимера в количестве 1% от веса смеси по новой технологии понадобится около 10000 м³ смеси без потери несущей способности отвердевшего бетона.

Группа изобретений относится к получению полимерцементной композиции, а также к средствам для ее использования при проведении инженерно-геофизических и строительных работ в обводненных условиях. Полимерцементная композиция включает, по крайней мере, цемент и гидролизованный водонабухающий редкосшитый полиакриламид в количестве 0,01-15,0 мас.% от массы цемента, а также может содержать инертный наполнитель, например песок. Указанный полиакриламид может быть получен радикальной полимеризацией акриламида или радикальной сополимеризацией акриламида с дивинильным соединением, или радиационно-химическим сшиванием водорастворимого полиакриламида. Способ заполнения пустот включает подачу описанной полимерной композиции в пустоту и ее затвердевание. Вариант способа предусматривает радиационное облучение заполняющей смеси, содержащей водорастворимый полиакриламид, цемент и воду, в процессе подачи ее в пустоту. Устройство для реализации последнего способа содержит трубу с размещенным в ней источником радиоактивного излучения в зоне протекания потока заполняющей смеси для обеспечения возможности радиационного облучения потока. Система подачи потока заполняющей смеси соединена с одним концом трубы, а другой конец трубы открыт для выхода потока заполняющей смеси. Источник излучения представляет собой генератор нейтронного или γ-излучения. 4 с. и 10 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Полимерцементная композиция, включающая цемент и полиакриламид, отличающаяся тем, что в качестве полиакриламида она содержит водонабухающий частично гидролизованный редкосшитый полиакриламид в количестве 0,01-15,0 мас. % от массы цемента. 2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит указанный полиакриламид в виде порошка с размером частиц 0,1-3 мм. 3. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит инертный наполнитель, например, песок, при соотношении цемента и песка от 1: 1 до 1: 3. 4. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит водонабухающий полиакриламид, полученный радикальной полимеризацией акриламида или радикальной сополимеризацией акриламида с дивинильным соединением с последующим частичным гидролизом акриламидных звеньев. 5. Композиция по п. 4, отличающаяся тем, что дивинильное соединение представляет собой N, N'-метилен-бис-акриламид. 6. Композиция по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она содержит водонабухающий полиакриламид, полученный радиационно-химическим сшиванием водорастворимого полиакриламида. 7. Композиция по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что она содержит соединения тяжелых металлов. 8. Способ заполнения пустот при строительстве и ремонте инженерных сооружений путем подачи в пустоту полимерцементной композиции в присутствии воды, и затвердевания смеси, отличающийся тем, что для подачи в пустоту используют полимерцементную композицию по любому из пп. 1-7. 9. Способ заполнения пустот при строительстве и ремонте инженерных сооружений путем подачи в пустоту полимерной композиции, содержащей, по крайней мере, цемент и полиакриламид в присутствии воды, и затвердевания смеси, отличающийся тем, что для подачи в пустоту используют полимерцементную композицию, содержащую водонабухающий полиакриламид, который получают радиационно-химическим сшиванием водорастворимого полиакриламида под действием радиационного облучения заполняющей смеси, содержащей, по крайней мере, водорастворимый полиакриламид, цемент и воду, в процессе подачи ее в пустоту. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что количество воды в смеси выбирают меньше количества, необходимого для максимального набухания композиции. 11. Способ по любому из пп. 9-10, отличающийся тем, что радиационное облучение осуществляют нейтронным или γ-излучением мощностью 0,5-10 Мрад. 12. Способ по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что радиационно-химическое сшивание полиакриламида осуществляют в присутствии соединения тяжелых металлов. 13. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 9-12, содержащее трубу с размещенным в ней источником радиоактивного излучения и систему подачи полимерцементной заполняющей смеси, отличающееся тем, что источник радиоактивного излучения размещен в зоне протекания потока заполняющей смеси для обеспечения возможности радиационного облучения потока, система подачи соединена с одним концом трубы, а другой конец трубы открыт для выхода заполняющей смеси. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что источник радиоактивного излучения представляет собой управляемый генератор излучения, например, нейтронного или γ-излучения.