Способ тампонажа обводненных горных пород с системной трещиноватостью Советский патент 1990 года по МПК E21D11/38 

Сд

:о

Изобретение относится к шахтному строительству и предназначено для изоляции обводненных горных пород при проходке шахтных стволов, строительстве тоннелей и других капитальных горных выработок. Цель - снижение материальных затрат на проведение тампонажных работ путем уменьшение расхода тампонажного раствора (ТР). Для этого с поверхности бурят контрольные скважины для вскрытия и исследования всех проницаемых горизонтов, проводят в каждой скважине гидродинамические исследования, формируют из ТР изоляционную завесу четырехугольной формы. Нагнетание ТР ведут в режиме, определяемом неравенством Q≤0,05 M Τ_оδ² / 5,7 *98N, где Q - производительность оборудования, производящего нагнетание м³/с

M - мощность водоносного горизонта, на котором формируют завесу, м

Τ_о - динамическое напряжение сдвига ТР, Па

δ - минимальное раскрытие тампонируемых трещин, м

*98N - пластическая вязкость ТР, Па^.с. При этом сокращается объем ТР. 1 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к области шахтного строительства, и предназначено для изоляции обводненных горных пород, характеризующихся системной трещи- новатостью, при проходке шахтных стволов, строительстве тоннелей и других капитальных горных выработок.

Цель изобретения - снижение материальных затрат на проведение там- понажных работ путем уменьшения расхода тампонажного раствора.

На чертеже представлена схема трещиноватого массива с двумя системами трещин.

Способ осуществляется следующим образом.

С поверхности земли бурят рольные скважины для вскрытия и исследования всех проницаемых горизонтов. В каждой скважине проводят гидроисследования. Па основании проведенных гидроисследований рассчитывают параметры трещиноватости, скваж-

ность (tnT), проницаемость (К , Ј ) раскрытие трещин каждой из систем ( Р, и г), определяют радиусы распространения раствора R, и R из условий прочности завесы на гидростатическое давление подземных вод. Определяют объем тампонажного раствора V, необходимый для формирования изоляционной завесы в форме четырехугольника:

V 2М ,

где М - мощность водоносного горизонта, м; радиусы распространения

R. и

V

раствора, м;

тт- скважность, доли ед. Определяют режимы нагнетания тампонажного раствора для формирования четырехугольной завесы по формуле

О ML. 5,74

где Q - производительность оборудования, производящего нагнетание, м3/с;

М -.мощность водоносного горизонта, на котором формируют завесу, м; Ј - динамическое напряжение

сдвига тампонажного раствора, Па;

о - минимальное раскрытие тампонируемых трещин, м; - пластическая вязкость тампонажного раствора, . Далее с поверхности земли бурят тампонажные скважины и через пакерую- щее устройство нагнетают в заданном режиме оптимальный объем тампонажного раствора, формируя изоляционную завесу заданной четырехугольной формы, Как показывает расчет, четырехугольная форма завесы получается в том режиме нагнетания, при котором проявляются, в основном, пластические свойства глиноцементного раствора. Для доказательства этого факта рассмотрим течение вязкопластичного тампонажного раствора в системах трещин. Пусть трещиноватый массив представлен двумя системами трещин, пересекающихся в плане под острым углом. Среднее раскрытие трещин одной системы равно , , другой - «

еР, , другой - . Предположим, что в точку 0 нагнетается вязко- пластичный раствор с постоянным рас-- ходом Q. Тогда любой отрезок трещины, находящийся между двумя точками пересечения трещин, можно представить

5

0

5

0

5

0

направленным отрезком-вектором. Направление такого отрезка совпадает с направлением скорости течения, В таком случае проекция направления любого направленного отрезка трещины на координатные оси ОХ и ОУ должна быть положительной Любую точку контура распространения раствора можно соединить с точкой нагнетания ломаной линией, состоящей из последовательно соединенных направленных отрезков трещин. Если конец каждого предыдущего вектора-отрезка ломаной совпадает с началом ее последующего отрезка, то такой путь течения будет кратчайшим (например, путь 0-1-2-3-4 на чертеже). Очевидно, что потеря давления на любом таком пути течения должна быть одинаковой, если местные гидравлические потери в местах пересечения трещин незначительны. Обычно для вязких (ньютоновских) жидкостей такое пренебрежение оправдано.

С другой стороны отмечается, что местные гидравлические сопротивления для вязкопластичных жидкостей почти совпадают с таковыми для вязких жидкостей.

Кратчайший путь течения глиноцементного раствора состоит из п отрезков трещин с раскрытием Д и п2 отрезков трещин с раскрытием Р. Если эти отрезки имеют длину 1, и 1.2, то справедливо уравнение

4P,n t + 4P2n.i - Ри- Рк, (1) где ДР., - потери давления при течении раствора в отрезке трещины с раскрытием t ; - потеря давления в

5

0

ДР

отрезке

г

трещины с раскрытием - давление нагнетания; РИ - пластовое давление подземных вод;

и п, - числа заполняемых раствором отрезков трещин с раскрытием Г, и / (эти числа не обязательно целые). Из чертежа следует, что X Y

и

п.

-| П

V

Ч

(2)

где X, Y - коэффициенты фиксированной точки контура распространения глиноцементного раствора,

1 Подставляя значения п, и п 4 из уравнения (2) в уравнение (I), получим ; х Т

ДР -- f ЛР7 -- Рч - Рц const,

515

В уравнении (3) условие Рн - Р const обозначает, что этот перепад давления одинаков для всех кратчайших путей течения, выходящих из точки нагнетания раствора. При этом очевидно, что такой путь должен удовлетворять отмеченным выше условиям (т.е. конец одного направленного отрезка трещины должен совпадать с началом другого).

Уравнение (3) - уравнение прямой линии при dP, const, ДР-i const, и, следовательно, контур распространения раствора будет ограничен прямы- ми линиями и тампонажная завеса, отражая симметрию трещин, будет иметь форму четырехугольника в любой момент времени нагнетания.

Рассмотрим границы применимости этого вывода. Для вязкой жидкости, текущей в щели, справедлива зависимость Пуазейля

° № q T2V 1

откуда

лр 12513 й 3

(4)

где q - приведенный расход жидкости

в трещине,;

Ч. - пластическая вязкость раствора;

0- раскрытие трещины;

1- протяженность трещины. Приведенный расход в каждом отреке трещины разный а потеря давлени в каждом отрезке решетки трещин будет зависеть от его местоположения относительно точки нагнетания (или координат). Поэтому в уравнении (3) перепады давлений Л Р и и Р4 будут функциями координат, ,и, очевидно, вывод о прямолинейности фронта распространений жидкости будет несостоятельным для вязкой жидкости.

Для вязкопластичной жидкости, в частности для глиноцементного раствора, справедлива следующая зависимость между расходом и перепадом давления (формула получена методом раздельного учета сил вязкости и платичности) :

.

(5)

где Cg- динамическое напряжение

сдвига раствора, Из уравнения (5 ) следует, что в случае

g

о

93

12lla ff .--« // ---

5

Т3 сГ перепад давления ЛР будет зависеть только от реологических свойств раствора и геометрических размеров трещины, т.е. будет выполняться условие

/ЭР, const, ЛР г const и уравнение (3) будет давать прямолинейные границы фронта распространения раствора, т.е. форма завесы будет четырехугольной.

Таким образом доказано, что в случае преобладания пластических сил тампонажная завеса будет ограничена прямыми линиями, а положение симметрии решетки (см. чертеж) трещин приводит к ее четырехугольной форме.

Обычно считается, что некоторой величиной можно полностью пренебречь, если погрешность от пренебрежения не будет превышать 5%.

Обозначим слагаемое, учитывающее силы вязкости, в уравнении (5) через АР в. Тогда

«0,05.

(6)

где

«.

()

Подставляя в уравнение (6) выражения (7) и (5) s получим

0 05

1211д , 21С0 - Ю

1 „

ъ f

или

q

Pi05J J -J577 г

(8)

Учитывая, что q , где Q - рас5

5

ход насоса, М - мощность горизонта, получим:

Q 0Д05МЈ (9)

4 5,

Следовательно, при расходах насоса, удовлетворяющих неравенству (9), вязкие силы почти не оказывают влияния на гидравлические потери давления при течении раствора в трещине и, следовательно, форма завесы будет четырехугольной.

Так как площадь вписанного в эллипс четырехугольника меньше площа-- ди эллипса, то объем раствора, необходимый для тампонажа, при нагнетании в режиме, удовлетворяющем условию (9), сократится.

Таким образом, нагнетание раствора в систему трещин с расходом, опреде- , Ляемым из условия (9 ), приводит к экономии глиноцементного тампонажного материала.

Формула изобретения

Способ тампонажа обводненных гор- НЫУ пород с системной трещиноватостьга включающий бурение скважин, проведение в них гидродинамических исследований и последующее нагнетание тампо- Йажного раствора для формирования изоляционной завесы, отличающийся тем, что, с целью сниже- йия материальных затрат на проведение тампонажных работ путем уменьшения расхода тампонажного раствора, изоля-

/ / / / / / / / / // / /

/7/ ////ЛГШ,

дау

/X//////////

/ГШ7///Ш

К

/ / / / Г / / / Г 7 / /

/ У

ционную -завесу формируют четырехугольной формы, а нагнетание тампонажного раствора ведут в режиме, определяемом неравенством |2

Q «С Од05.

Qv 5,71

де О - производительность оборудования, производящего нагнетание , м 3/ с;

мощность водонасосного горизонта, на котором формируют завесу, м;

динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора, Па;

минимальное раскрытие тампонируемых трещин, м; пластическая вязкость тампонажного пагтЕОоа, ,

М

р

дау

У

О/ /1

/

/

/