Стенд для исследования процесса нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород Советский патент 1989 года по МПК E21C39/00 

1

Изобретение относится к горному делу и может быть .использовано для исследования процесса нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород с целью выбора рациональных составов скрепляющих растворов и технологических режимов их нагнетания.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей стенда за счет обеспечения возможности изучения влияния на исследуемый процесс пульсирующего давления, воздействующего на скрепляющий раствор.

На фиг. 1 схематично изображен стенд для исследования процесса нагнетания скрепляюпшх растворов в трещины горных пород; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1j на фиг. 3 - разре Б-Б на фиг.2; на фиг. 4 -- модель нагнетательной скважины (фрагмент). Стенд содержит модель нагнетательной скважины, выполненную в виде глухой трубы 1 с распределенными по ее длине перфорированнь1ми отверстиями 2 и фланцами 3. Модель нагнетательной скважины соединена с моделью пласта с трещинами, выполненной в виде системы моделей 4 трещин, каждая из которых прикреплена к соответст.2

ующему фланцу 3 трубы 1. К устью одели нагнетательной скважины - входному отверстию трубы 1 - присоединена установка для нагнетания скрепляю- щего раствора, выполненная в виде гидроцилиндра 5 с поршнем 6, разделяющим внутренний объем гидроцилиндра 5 на надпоршневую полость 7, соединенную гидравлической линией 8 с гидронасосом 9, и подпоршневую полость 10, заполненную скрепляющим раствором 11 и соединенную с трубой 1.

С гидравлической полостью 7 гидро- цилиндра 5 соединен генератор гидравлических импульсов, выполненный в виде установленного на свободном торце гидроцилиндра 5 цилиндрического корпуса 12 и ротора 13 с приводом 14, закрепленным на корпусе 12. Ротор 13 установлен внутри корпуса 12 и разделяет его на полость 15 высокого давления, соединенную линией 16 нагнетания с гидронасосом 9, и полость 17 низкого давления, соединенную линией 18 слива с рабочим баком 19 гидро- . насоса 9.

В роторе 13 выполнены струеформи- рующие питающие сопла 20, соединяю

щие полости 15 и 17 высокого и низкого давления, а в корпусе 12 уста-, новлено с возможностью осевого перемещения сменное диффузорное приемное сопло 21, соединяющее полость 17 низкого давления генератора гидравлических импульсов с надпоршневой полость 7 гидроцилиндра 5, при этом оси питающих сопл 20 и приемного сопла 21 параллельны оси вращения ротора 13 и отстоят на равном расстоянии от не

Каждая из моделей 4 трещин (фиг.2 3) содержит пластины 22 и 23 из прозрачного материала (например из оргстекла) , между которыми установлены прокладки 24 и 25 с образованием зазора 26, имитирующего трещину. Пластины 22 и 23 фиксируются между жесткими металлическими пластинами 27 и 28, зажатыми болтами 29 в швеллерах 30 и 31. В пластинах 27 и 28 выполнены продольные прорези 32 и 33, служащие в качестве смотровых окон для визуального и инструментального наблюдения за движением скрепляющего раствора 11 по зазора (искусственной трещине) 26 в процессе его нагнетания. Для исключения перекоса и нарушения герметичности зазора 26 швел леры 30 и 31 фиксируются по их свободным концам пластинами 34 и 35, стянутыми болтами 36 и 37. Швеллеры 30 и 31 жестко прикреплены (например приварены) к фланцу 38, который, в свою очередь, соединяется с фланцем 3 Во фланце 3 выполнено круглое отверстие 39, являющееся продолжением отверстия 2 трубы 1, а во фланце 38 напротив зазора 26 выполнена сквозная прорезь 40, высота которой равна максимальной высоте зазора 26, устанавливаемого в процессе проведения исследований. На пластине 27 вдоль прорези 32 установлена шкала 41 (фиг. 1) для отсчета радиуса продвижения скрепляющего раствора 11 по зазору 26 от трубы 1, моделирующей нагнетательную скважину в массиве. Для облегчения наблюдения через прорезь 32 за движением раствора по зазору 26 модель 4 трещины может быть снабжена подсветкой (не показана), устанавливаемой со стороны второй прорези 33.

В линии 16 нагнетания установлен расходомер 42, служащий для измерения объемного расхода рабочей жидкости, подводимой к генератору гидравли

15

20

зо

ческих импульсов, и манометр A3 для замера давления на входе в генератор гидравлических импульсов. Линия 16 нагнетания сообщается со сливной линией 18 или непосредственно с 19 через регулируемый дроссель 44.

В надпоршневой полости 7 гидроцилиндра 5 для регистрации пульсирующе- 0 го давления рабочей жидкости, формируемого генератором гидравлических импульсов, установлен датчик 45. J.. Вдоль трубы 1 установлены равномерно датчики 46, фиксирующие изменекие параметров (амплитуды, крутизны, продолжительности и др.) импульсов давления, распространяющихся по столбу скрепляющего раствора 11 от входа до днища трубы 1. На моделях 4 трещин равномерно по длине зазоров 26 установлены датчики 47, регистрирующие изменение параметров импульсов давления, распространяющихся в скрепляющем растворе 11 вдоль зазоров 26, а так- 25 же яоменты прохождения скрепляющим раствором расстояний, на которых установлены датчики 47. Датчики 45 - 47 подключены к соответствующей регистрирующей аппаратуре (не показана).

На свободных торцах моделей 4 трещин смонтированы подпружиненные затворы (не показаны) с регулируемым усилием открытия, перекрывающие выходы зазорное 26.

Стенд работает следующим образом. Между пластинами 22 и 23 (фиг. 3) устанавливают прокладки 24 и 25, соответствующие по толщине заданной величине раскрытия зазора 26, собирают 40 модели 4 трещин, после чего их фланцы 38 соединяют с фланцами 3 трубы 1, выдерживая заданные углы наклона зазоров 26 к горизонту путем поворота в нужное положение фланцев 38 относительно фланцев 3 до их соединения. При этом модели 4 трер;ин в зависимости от необходимости могут быть установлены на трубе 1 с одинаковым или различным углом наклона и раскрытием зазоров 26. Для изменения угла наклона моделей 4 трещин относительно азимутальной плоскости модель пласта поворачивают в вертикальной плоскости на заданный угол и фиксируют в данном положении. Подпоршневую полость 10 гидроцилиндра 5 заправляют скрепляющим раствором 11 (например цементным, полимерным, магнезиальным и т.п.) с заданным компонентным составом,

35

45

O

5

рецептурой и вязкостью, включают регистрирующую аппаратуру, к которой подключены датчики 45, 46 и 47, и устанавливают требуемую производительность насоса 9 и число оборотов выходного вала привода 14.

Для проведения исследования процесса импульсного нагнетания скрепляющего раствора 11 в трещины горных пород включают привод 14, приводящий во вращение ротор 13, и насос 9, нагнетающий рабочую жидкость в полость 15 высокого давления генератора гидравлических импульсов (при этом кран 48 находится в закрытом, а кран 49 - в открытом положении). Из полости 15 рабочая жидкость поступает в питающие сопла 20. При этом в полости 17 низкого давления на выходе питающих сопл 20 формируются турбулентные затопленные струи, которые вместе с соплами 20 и ротором 13 совершают вращательное движение. В процессе вращения каждое из питающих сопл 20 периодически (при каждом обороте) совмещается с приемным соплом 21. При этом кинетическая энергия каждой турбулентной струи при ее попадании в торцовое.отверстие приемного соп-- ла 21 переходит в потекциальизпо энер- гкю давления, в результате чего в приемном сопле 21 давление импульсно возрастает. В процессе расхождения сопл 20 и 21 давление в сопле 21, напротив, импульсно падает до значения, соответству1Й1цего давлению в по10

20

45

лости 17. В результате на выходе приемного сопла 21 формируется пульси- 1 рутощее давление, частота которого 40 ; определяется числом питающих сопл 20 и числом оборотов ротора 13, амплитуда давления - величиной давления в питающих соплах 20 и -расстоянием между торцами сопл 20 и 21j а амплитуда мощности - величиной расхода и давления жидкости в соплах 2,0 и геометрией соплового аппарата генератора, гидравлических и яIyльcoв„ Рабочая жидкость, не попадающая в сопло 21, сливается из полости 17 в бак 19 по линии 18 слива.

Формируемое генератором гидравли- ческих импульсов пульсирующее давление передается из сопла 21 в надпорш- невую полость 7 гидроцилиндра .5 и, воздействуя на поршень 6, сообщает ему пульсирующее движение, в процессе которого поршень 6 вытесняет скреп1465565

ляющий раствор 11 в трубу 1 (в случае, если раствор не попал в нее самотеком) и далее через отверстия 2 в трубе 1 и прорези 40 (фиг. 2) во фланцах 38 - в зазоры 26, имитирующие трещины горных пород. В соответствии с пульсирующим характером движения поршня 6 давление скрепляющего раствора 11 и его движение по тракту гидроцилиндр 5 - труба 1 - зазоры 26 носит также пульсирующий характер.,

За процессом пульсирующего движения раствора по зазорам 26 ведется 1g визуальное наблюдение через прорези 32 и для документации наблюдаемого процесса проводится его кино- илн фотосъемка . Датчик 45 регистрирует пульсирующее давление, формируемое генератором гидравлических импульсов в надпоршневой полости 7 гидроцилиндра 5; датчики 46 дают информацию о степени затухания амплитуды и изменении крутизны и продолжительности 25 проходящих по раствору 11 импульсов давления в зависимости от расстояния, проходимого данными импульсами вдоль трубы 1 , а также в зависимости от протяженности (вдоль оси трубы 1) моде- 30 ли пласта с трещинами, густоты и величины раскрытия моделируемых трещин (данная информация служит основой для расчета степени затухания энергии и изменения формы импульсов давления скрепляющего раствора в реальной нагнетательной скважине в зависимости от ее глубины, а также в зависимости от мощности, т.е. протяженности, трещиноватой зоны пород, вскрытой нагне- тельной скважиной, густоты расположения и величины раскрытия трещин в указанной зоне), а датчики 47 регистрируют распределение пульсирующего давления вдоль зазора 26 в каждой модели 4 трещины и одновременно моменты (время) прохождения раствором участков зазора 26, на которых установлены данные датчики 47. Регистрация параметров пульсирующего давления, воспринимаемого системой указанных датчиков 45, 46 и 47, производится с помощью подключенной к ним соответствующей регистрирующей аппаратуры (например осциллографа, самописца и т.п.).

Скорость импульсного движения раствора 11 по зазорам 26 определяют по материалам кино- или фотосъемки процесса, наблюдаемого через прорези 32,

35

50

55

15

или по данным записи сигналов, поступающих от системы датчиков 47 к регистрирующей аппаратуре (не показана), производящей указанную запись. Указанная скорость может замеряться также с помощью секундомера и шкалы 41 (фиг. 1), однако данный способ рационально использовать только при сравнительно небольших скоростях движения раствора 11, так как при движении последнего с высокой скоростью затрудняется и снижается точность одновременного отсчета времени движения раствора и пройденных отрезков пути. Для изучения зависимости параметров процесса нагнетания скрепляющего раствора 11 в модели 4 трещин от частоты и амплитуды прикладываемых к нему импульсов давления производят ре- 20 гулировку частоты и амплитуды пульсирующего давления, формируемого генератором гидравлических импульсов в надпоршневой полости 7 гидроцилиндра 5. Регулировку частоты выходных импульсов осуществляют путем регулирования числа оборотов выходного вала привода 14 и изменением числа питакяцих ропл 20 в роторе 13, а амплитуду указанных импульсов регулируют путем изменения объемного расхода рабочей жидкости в линии 16 нагнетания. Грубая настройка величины указанного расхода производится за счет регулк- рования производительности гидронасоса 9, а более тонкая - с помощью перепускного регулировочного дросселя 44. Кроме того, мощность гидравлических импульсов в надпоршневой полости 7, помимо изменения расхода в линии 16, может дополнительно регулироваться путем изменения диаметров сопл 20 и 21 (с заменой сопл), а также путем изменения расстояния между

ной скважиной, густота и раскрытие трещин в указанной зоне. Для этого описанную процедуру исследований пр изводят при различной длине интерва

трубы 1 между ее входным отверстием (устьем) и моделью пласта с трещина (до первого по ходу движения раство ра ряда отверстий 2), регулируемой

3 сменными патрубками 53 (см. фиг.4), также при различных осевых расстоян ях между отверстиями 2, регулируемы путем установки сменных патрубков 5 заданной длины между указанными отверстиями. Вместе с тем при выполне нии описанных экспериментальных исс дований изменяют величину усилия открытия подпружиненных затворов (не показаны), закрепленных на свободных концах моделей 4 трещин и перекрывающих выходные отверстия за зоров 26. Это дает возможность изучения влияния противодавления пласт вой жидкости на процесс импульсного

25 проникновения скрепляющего раствора 11 в зазоры 26. Кроме того, для изу чения .ия на указанный процесс вида скрепляющего раствора 11, его рецептуры и вязкости описанные исследования проводят с использовани разнообразных по составу скрепляющ растворов с изменением в необходимы пределах соотношения их компоненто и вязкости.

Для сравнительной оценки эффект кости импульсного нагнетания скреп ляющего раствора в трещины, помимо описанных исследований дв1скения ра вора 11 по сети -моделируемых трещи в импульсном .режиме, исследуют так его движение по указанным трещинам в статическом режиме при тех же ус виях (давлении в линии 16 нагнетан ориентации и раскрытии зазоров 26,

30

35

40

торцами сопл 20 и 21, осуществляемого 45 противодавлении в них; параметрах.

за счет осевого перемещения сопла 21 с последующей фиксацией гайкой 50 и контргайкой 51 или за счет осевого перемещения системы привод 14 - вал 52 - ротор 13.

Для решения практических вопросов, касающихся нагнетания скрепляющих растворов в трещиноватые зоны горных пород, важно знать, как влияет на эффективность импульсного нагнетания скрепляющего раствора в указанные зоны глубина нагнетательньк скважин мощность (протяженность), трещиноватой зоны пород, вскрытой нагнетатель50

55

характеризующих скрепляющие раство и др.). При этом с помощью фиксато ра 55 (фиг. 1) проворачивают ротор (при выключенном приводе 14) и фик руют его в положении, при котором но из сопл 20 установлено соосно с соплом 21. В указанном положении п включении насоса 9 в генераторе ги равлических импульсов осуществляет статическая передача энергии давле из сопла 20 в сопло 21 и далее в н порщиевую полость 7, где указанная энергия используется для движения поршня 6. Для уточнения величины р

ной скважиной, густота и раскрытие трещин в указанной зоне. Для этого описанную процедуру исследований производят при различной длине интервала

трубы 1 между ее входным отверстием (устьем) и моделью пласта с трещинами (до первого по ходу движения раствора ряда отверстий 2), регулируемой

сменными патрубками 53 (см. фиг.4), а также при различных осевых расстояни-, ях между отверстиями 2, регулируемых путем установки сменных патрубков 54 заданной длины между указанными отверстиями. Вместе с тем при выполнении описанных экспериментальных исследований изменяют величину усилия открытия подпружиненных затворов (не показаны), закрепленных на свободных концах моделей 4 трещин и перекрывающих выходные отверстия зазоров 26. Это дает возможность изучения влияния противодавления пластовой жидкости на процесс импульсного

проникновения скрепляющего раствора 11 в зазоры 26. Кроме того, для изучения .ия на указанный процесс вида скрепляющего раствора 11, его рецептуры и вязкости описанные исследования проводят с использованием разнообразных по составу скрепляющих растворов с изменением в необходимых . пределах соотношения их компонентов и вязкости.

Для сравнительной оценки эффектив- кости импульсного нагнетания скрепляющего раствора в трещины, помимо описанных исследований дв1скения раствора 11 по сети -моделируемых трещин в импульсном .режиме, исследуют также его движение по указанным трещинам в статическом режиме при тех же условиях (давлении в линии 16 нагнетания, ориентации и раскрытии зазоров 26,

противодавлении в них; параметрах.

характеризующих скрепляющие растворы и др.). При этом с помощью фиксато ра 55 (фиг. 1) проворачивают ротор 13 (при выключенном приводе 14) и фиксируют его в положении, при котором одно из сопл 20 установлено соосно с соплом 21. В указанном положении при включении насоса 9 в генераторе гидравлических импульсов осуществляется статическая передача энергии давления из сопла 20 в сопло 21 и далее в над- порщиевую полость 7, где указанная энергия используется для движения поршня 6. Для уточнения величины рае|очего давления в надпоршневой по- х(ости 7 последняя может быть снабжена 4воим манометром (не показан) с пере- 1 |рывным краном, блокирующим данный Йанометр при подаче в полость 7 пуль- с)ирующего давления. При необходимости (|например, при отсутствии возможное- 1|и установки на приводе 14 фиксатора 55 или каким-либо другим причинам) ю рабочая жидкость может подаваться от насоса 9 в надпоршневую полость 7 через генератор гидравлических импульсов при закрытом положении перекрыв- ного крана 49, а в случае большого 15 гидравлического сопротивления сопловой системы генератора гидравлических импульсов - в обход последнего через гидравлическую линию 8 при открытом положении перекрывного крана 48 20 закрытом положении крана 49.

Стенд обеспечивает возможность экспериментального исследования процесса импульсного движения скрепляющего раствора по сети искусственных трещин под воздействием пульсирующего давления. При этом стенд позволяет изучать влияние на указанный процесс таких параметров, как величина раскрытия трещин и их ориентация в про- с|транстве, компонентный состав, рецептура и вязкость,скрепляющих растворов, частота и амплитуда импульсов рабочего давления на выходе гидро25

30

пульсатора, величина противодавления щие полости высокого и низкого давпрастовой жидкости, глубина нагнетательной скважины, мощность трещиноватой зоны, в которую нагнетается скрепляющий раствор, и густота тре- щ|ин в данной зоне. Причем стенд поз- вЬляет производить нагнетание скреп- л|яющего раствора в трещины как в им- п льсном, так и в статическом режиме с возможностью быстрой смены указан- нЬк режимов, что позволяет оператив- н1о и с большой достоверностью оцени- BjaTb эффективность импульсного на- Г нетания скрепляющего раствора в тре- П1|ины в сравнении с его статическим нагнетанием.

Ф ормула изобретения

1. Стенд для исследования процессу нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород, содержащий модель нагнетательной скважины и сое- д 1ненные с ней модель пласта с трещи- нйми и установку для нагнетания с4срепляющего раствора с гидронасосом

ления, причем приемное сопло соединя ет полость низкого давления с надпор невой полостью гидроцилиндра, а оси питающих и приемного сопл параллельн

40 оси вращения ротора и отстоят на рав ном расстоянии от нее.

3. Стенд по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что он снабжен датчи ками пульсирующего давления с регист

g рирующей.аппаратурой, установленными в надпоршневой и подпоршневой полостях гидроцилиндра вдоль модели нагне уательной скважины и вдоль трещин мо дели пласта.

50 4. Стенд по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что модель нагнетательной скважины выполнена с возможностью регулировки длины интервала между ее устьем и моделью пласта с

gg трещинами, а последняя выполнена с возможностью регулировки длины интер вала между трещинами.

5. Стенд по пп. 1 и 2, от л и- чающийся тем, что питающие

и линией слива рабочей жидкости гидронасоса, отли.чающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей стенда за счет обеспечения возможности изучения влияния на исследуемый процесс пульсирующего давления, воздействующего на скрепляющий раствор, он снабжен генератором гидравлических импульсов, а установка для нагнетания скрепляющего раствора выполнена в виде гидроцилиндра с порщнем, разделяющим его внутренний объем на надпоршневую полость, соединенную с Гидронасосом, и подпоршневую полость, заполненную скрепляющим раствором и соединенную с моделью нагнетательной скважины, при этом генератор гидравлических импульсов соединен с надпоршневой полостью гидроцилиндра.

2. Стенд по п. 1, отличающий с я тем, что генератор гидравлических импульсов выполнен в виде цилиндрического корпуса с дополнительной линией слива и приемным соплом и ротора с приводом, закрепленным на корпусе, ротор установлен внутри корпуса и разделяет его на полость высокого давления, подключенную к гидронасосу, и полость низкого давления, соединенную с дополнительной линией слива, в роторе выполнены струе- формирующие питающие сопла, соединяю

щие полости высокого и низкого давления, причем приемное сопло соединяет полость низкого давления с надпорш- невой полостью гидроцилиндра, а оси питающих и приемного сопл параллельны

оси вращения ротора и отстоят на равном расстоянии от нее.

3. Стенд по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что он снабжен датчиками пульсирующего давления с регистрирующей.аппаратурой, установленными в надпоршневой и подпоршневой полостях гидроцилиндра вдоль модели нагне- уательной скважины и вдоль трещин модели пласта.

4. Стенд по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что модель нагнетательной скважины выполнена с возможностью регулировки длины интервала между ее устьем и моделью пласта с

трещинами, а последняя выполнена с возможностью регулировки длины интервала между трещинами.

5. Стенд по пп. 1 и 2, от л и- чающийся тем, что питающие

3 39 0 J2 гб 22 2В П 54 J5 f- //// /

.yjanr / / 4га .

А-А

Ч

/ ИИ /

f/ } / А -fy /

f/777/

х/

/ у V

I 1

У/ . / fexxvv:

4--.11-

Т1 Г 3fl 53 г5 7

гв 3

-7

Фиг, 2

-И

Изобретение относится к горному делу. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей стенда за счет обеспечения возможности изучения влияния на исследуемый процесс пульсирующего давления (ПД), воздействующего на скрепляющий раствор.Мо

VA-L

35 7 JJ

111 29 27 22 32 3 23

III /гА rrJTl.

A-L

35 7 JJ 5 гв

Фи,г.З

Ц