Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований способов борьбы с осложнениями 8
1.1 Проблемы борьбы с поглощениями бурового и тампонажного растворов
при строительстве скважин 10
1.2 Осложнения, вызывающие нарушение целостности ствола скважины 18
1.3 Укрепление горных пород с помощью струйно-буровой технологии 20
1.4 Выводы по главе
Постановка цели и задач исследования 26
ГЛАВА 2 Методика экспериментальных исследований 28
2.1 Оборудование для оценки свойств цементных растворов 28
2.2 Оборудование для определения геометрических размеров и прочностных характеристик грунтоцементного каркаса вокруг технической скважины 31
2.3 Методика планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных 36
2.4 Выводы по главе 2 38
ГЛАВА 3 Гидродинамический расчет технологии ликвидации осложнений посредством струйной цементации 40
3.1 Предварительные замечания и задачи исследования 40
3.2 Разработка модифицированной математической модели расчета тампонирования скважин высоконапорной цементной струей 41
3.3 Анализ полученных математических зависимостей и рекомендации по использованию в практических расчетах 47
3.4 Исследование величины проникновения цементного раствора в
околоствольную зону на разработанном стенде 51
3.5 Выводы по главе 3 з
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования свойств полимерцементных тампонажных суспензий и цементного камня 60
4.1 Постановка задачи экспериментальных исследований 60
4.2 Исследование структурно-реологических свойств тампонажной смеси для струйной цементации 61
4.3 Исследование физико-механических свойств тампонажного камня 73
4.4 Выводы по главе 4 78
ГЛАВА 5 Опытно-производственные исследования технологии тампонирования и беструбного крепления скважин методом струйной цементации 79
5.1 Опытно-производственные исследования процесса проникновения тампонажного материала в горные породы при высоконапорном нагнетании в скважину 80
5.2 Беструбное крепление скважин методом струйной цементации 85
5.3 Тампонажные работы с помощью технологии струйной цементации 100
5.4 Опытно-производственные исследования комплексной добавки при высоконапорном нагнетании 105
5.5 Экономическая эффективность от использования технологии струйной цементации для производства тампонажных работ и беструбного крепления скважин 109
5.6 Выводы по главе 5 112
Заключение 113
Список литературы
- Осложнения, вызывающие нарушение целостности ствола скважины
- Оборудование для определения геометрических размеров и прочностных характеристик грунтоцементного каркаса вокруг технической скважины
- Разработка модифицированной математической модели расчета тампонирования скважин высоконапорной цементной струей
- Исследование структурно-реологических свойств тампонажной смеси для струйной цементации
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В процессе бурения
геологоразведочных и технических скважин расходуются тонны
обсадных труб, цемента, тысячи кубометров бурового раствора,
огромное количество реагентов. Геологоразведочная отрасль
продолжает испытывать трудности, связанные со значительными
затратами материальных, технических ресурсов и времени, особенно
при ведении работ в осложненных условиях. Наличие зон
поглощения приводит к увеличению затрат более чем на 15%, а на
участках требующих закрепления стенок скважины до 40%. Не
смотря на развитие и внедрение в производство инновационных
технологий ликвидации осложнений в процессе бурения скважин,
все же не удается коренным образом решить данную проблему. В
таких условиях основной задачей является достижение более
высоких технико-экономических показателей изоляционных работ
за счет разработки новых, более прогрессивных и эффективных
технологических средств, и технических решений. Поэтому
исследования, направленные на повышение эффективности
укрепления неустойчивых интервалов скважин и борьба с поглощениями промывочной жидкости - весьма актуальная задача на сегодняшний день.
Цель работы. Повышение эффективности борьбы с поглощениями и нарушением целостности ствола разведочных и технических скважин.
Идея работы заключается в использовании действия высоконапорной струи цементной суспензии на стенки скважины.
Задачи исследования:
-
Анализ современного состояния технологии бурения геологоразведочных и технических скважин и определение области применения струйно-буровой технологии в зависимости от геологических условий.
-
Разработка рецептуры тампонажного раствора, обеспечивающего закрепление неустойчивых интервалов скважин и ликвидацию поглощений методом струйной цементации.
-
Исследование реологических и физико-механических свойств, разработанного состава полимерцементной тампонажной смеси с модифицирующими добавками.
-
Разработка математический модели высоконапорного нагнетания тампонажной суспензии методом струйной цементации.
-
Проведение опытно-производственной оценки предложенных разработок.
-
Оценка экономической эффективности использования технологии струйной цементации для ликвидации осложнений, возникающих в процессе проходки скважины.
Методика исследований включает в себя комплекс теоретических, экспериментальных и стендовых исследований с использованием как стандартных, так и специально созданных методики установок. Планирование экспериментов и статистическая их обработка проводилась с использованием ПК с помощью современного программного обеспечения.
Научная новизна работы заключается в установлении
зависимостей изменения технологических характеристик
тампонажного раствора от содержания структурообразующих и
стабилизирующих добавок, а также создании математической
модели высоконапорного нагнетания, позволяющей рассчитать
параметры цементной суспензии для достижения максимальной
величины проникновения тампонажного материала в
околоствольную зону в зависимости от свойств горных пород.
Защищаемые научные положения:
-
Разработанная гидродинамическая модель высоконапорного нагнетания цементного раствора по технологии струйной цементации позволяет определить условия достижения максимальной величины проникновения тампонажного материала в околоствольную зону.
-
Введение в тампонажный раствор на основе портландцемента М400 Д0 модифицирующих добавок: хлорида кальция (1%), этилсиликоната натрия (0,5%) и карбоксилатного полиэфира (0,5%) обеспечивает получение эффективных составов, обладающих высокой проникающей способностью с
регулируемыми сроками схватывания, для ликвидации поглощений промывочной жидкости и крепления стенок скважины.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций определяется современным уровнем аналитических
и достаточным объемом экспериментальных исследований,
удовлетворительной степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.
Практическая значимость работы заключается в
разработке эффективной технологии струйной цементации для ликвидации осложнений, позволяющей снизить материальные и стоимостные затраты бурения скважин в сложных геолого-технических условиях.
Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного университета (Санкт-Петербург, 2012, 2013).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и
задач исследования; анализе и обобщении материала о способах
борьбы с поглощениями и нарушением целостности ствола
разведочных и технических скважин; проведении, сборе и анализе
результатов натурных экспериментов, проводимых на самых
масштабных строительных объектах г. Санкт-Петербурга,
заключающихся в определении качества изоляционных работ по
специально подготовленной методике; разработке
гидродинамической модели высоконапорного нагнетания
цементного раствора по технологии струйной цементации; получении основных научных результатов, формулировке выводов и разработке рекомендаций крепления стенок скважины в сложных условиях методом струйной цементации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных
выводов и рекомендаций, библиографического списка,
включающего 103 наименования. Материал диссертации изложен на 133 страницах, включает 27 таблиц, 44 рисунка и 5 приложений.
Осложнения, вызывающие нарушение целостности ствола скважины
Поглощения бурового или тампонажного растворов при строительстве скважин являются наиболее распространенным видом осложнений в платформенных и в складчатых областях. Эти виды осложнений возникают почти во всех регионах мира: в странах Ближнего и Среднего Востока, Северной Америке, Европе и Азии, Северной Африке и Австралии. Возраст горных пород, в которых происходят поглощения, колеблется от кембрийского до неогенового периода [7, 21, 80, 89].
Поглощением называется гидродинамическое взаимодействие в системе скважина — пласт, сопровождающееся поступлением бурового или тампонажного раствора из скважины в пласт с интенсивностью, осложняющей дальнейшую проводку скважины.
Основные причины поглощения заключаются в превышении давления в скважине над пластовым давлением или над суммой пластового и начального градиентов давления вследствие излишней плотности бурового или тампонажного раствора и больших потерь напора в кольцевом пространстве при бурении или цементировании колонн в высокопроницаемых коллекторах большой емкости или в интервалах образования трещин гидравлического разрыва пластов. Более полное знание механизма явления в каждом конкретном случае позволяет своевременно принимать профилактические меры по их предупреждению, а также выбирать оптимальные способы их преодоления.
На поглощения бурового и тампонажного растворов влияет большое многообразие факторов, изучению которых посвящено большое число исследований [7, 12, 21, 74, 75, 76, 81, 82, 84]. Почти все исследователи единодушны во мнении в том, что вероятность возникновения и интенсивность поглощений зависят от геологического строения, литолого - фациальных условий формирования осадочных пород, а также от гидрогеологических, тектонических и физико-химических процессов, поныне происходящих в недрах осадочного чехла земной коры.
Детальное исследование физико-химических свойств, гидродинамических и фильтрационных характеристик, механики сплошных гетерогенных сред и технологии бурения скважин дано в трудах Д.Н. Башкатова [9, 10, 11], А.И. Булатова [18, 19, 20, 21, 22, 23], Ю.М. Проселкова [22], В.С. Данющевского [36], Н.В. Соловьева [79], Н.И. Сердюка, В.В. Куликова, А.А. Тунгусова [78], А.С. Вожова [2 5 ], Б.И. Воздвиженского, Б.М. Ребрика [26 ], Л.К. Горшкова [30 ], Н.А. Гукасова [34, 35], Н.Г. Егорова [40], Л.М. Ивачева [45, 46], К.В. Иогансена [48], Н.И. Николаева [64, 65, 66, 68], А.Г. Калинина [51, 52, 53], А.Е. Козловского [54, 55], А.М. Яковлева [102], Б.Б. Кудряшова [56], В.В. Нескоромных [63], В.С. Новикова [69], Н. И. Сердюка [78], Н.В. Соловьева, В.В. Кривошеева [79], А.И. Спивака, А.Н. Попова [80], С.С. Сулакшина [85, 86], З.М. Шахмаева [94], В.Г. Ясова [103] и др. В указанных работах описаны способы регулирования влияния различных факторов на поглощения, их предупреждение и преодоление. Большая роль в них отводится физико-химическим, реологическим и структурно-механическим свойствам буровых и тампонажных растворов, а также режимно-технологическим параметрам: способу бурения, характеристике насосной группы, компоновке бурильного инструмента, расходу бурового раствора, скорости спуска и подъема бурильной колонны и др. В настоящее время для изоляции зон поглощений предложено или применяется большое многообразие способов, тампонажных материалов и технических средств [2, 3, 6, 7, 12, 24, 49, 73, 74, 88, 92]. Обычно применяемыми материалами являются цементные растворы с различными добавками или без них, быстросхватывающиеся смеси и др. Цементные растворы доставляются в зону поглощения по бурильным трубам. В этом случае закачка осуществляется через открытый конец труб или пакер. Реже применяются полимерные и полимерцементные составы, предложено также большое количество способов и устройств. В особо тяжелых случаях прибегают к методу механического перекрытия поглощающей зоны обсадными колоннами и перекрывателями. Все это вызывает необходимость систематически анализировать и совершенствовать классификацию методов борьбы с поглощениями как для совершенствования уже известных, так и для разработки новых, более прогрессивных способов.
Известно несколько классификаций методов борьбы с поглощениями [22, 25, 40]. Основные методы борьбы с поглощениями разделены на: физико химические, намыв наполнителей; закачивание смесей; установка перекрывателей. Они вносят определенную системность в арсенал борьбы с поглощениями, но не охватывают всех известных в отечественной и зарубежной практике способов, материалов и технических средств. Однако попытка произвести более строгую и четкую классификацию неизбежно затрудняется тем обстоятельством, что на практике далеко не всегда они используются "в чистом виде". Если, например, предлагается новый способ изоляции, то он зачастую предусматривает использование нового состава, либо нового устройства, либо того и другого одновременно. Поэтому, за небольшим исключением, часто бывает весьма затруднительно определить, чего в новом предложении больше: преимущественно новый способ или новый состав. Наиболее распространенным и в историческом плане одним из первых способов является закачка в пласт цементного раствора, приготовляемого из обычного тампонажного портландцемента и воды. Однако сразу же было замечено, что таким составом удается изолировать поглощающие пласты далеко не всегда, низка успешность единичной изоляционной операции, и она сильно зависит от геологического строения месторождения, коллекторских свойств пород и от гидрогеологической ситуации на момент ведения работ. Со временем были разработаны и внедрены различные методы исследования пластов, проведены теоретические, лабораторные и скважинные исследования, которые позволили получить большой объем информации о поглощающих пластах и их характеристиках [19, 20, 21, 23, 25, 46, 68].
В целях минимизации репрессии на пласт по окончании тампонирования находят применение облегчённые тампонажные составы [82, 102]. Их получают обычно путём ввода в цементный раствор добавок с малой плотностью: вспученного керамзита, перлита и др., а также повышенного количества воды, для связывания которой в растворе вводят порошковую глину. Есть также предложения использовать очень лёгкие материалы, например, пенопласта, чтобы получить сверхоблегчённые, в пределе - "невесомые" смеси. Однако они не нашли практического применения. Смеси с относительно малой плотностью (до 1400 кг/м3) могут быть получены путём ввода в обычный цементный раствор глины и воды. Они называются гельцементными и находят широкое применение при цементировании верхних интервалов скважин. Однако при малых количествах добавок они не позволяют получать смеси с требуемой плотностью, а при больших количествах прочность изоляционного экрана оказывается недостаточной.
Оборудование для определения геометрических размеров и прочностных характеристик грунтоцементного каркаса вокруг технической скважины
Методика контрольных геофизических работ согласно ВСН 34-83 "Цементация скальных оснований гидротехнических сооружений" (согласованы с Госстроем СССР, письмо №ДП-903-1 от 17.02.83г.) и "Технологическому регламенту по закреплению грунта методом струйной цементации второй очереди строительства ЗСД в Санкт-Петербурге" путем определения сейсмоакустических характеристик естественных и укрепленных грунтов.
Методика выполнения измерений согласно МВИ 2520 - 018 - 2008 "Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных, грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания".
Методы сейсмоакустических исследований - сейсмоакустический каротаж и сейсмоакустическое просвечивание между наблюдательной скважиной и поверхностью земли (вертикальное сейсмоакустическое профилирование). Системы сейсмоакустических наблюдений: а) При сейсмоакустическом каротаже (АК) излучатель находится на забое, а приемник перемещается вверх с шагом 0,5 м (АК при переменной базе измерений); б) При сейсмоакустическом просвечивании (АП): излучатель находится на забое, а приемник на поверхности земли в точках пересечения трех лучей, исходящих из центра сваи под углом 120, с окружностями радиусом 0,375 м (проектный радиус сваи),
Диагностическими параметрами о состоянии укрепленного массива вокруг ствола скважины являются скорость распространения (время прихода), амплитуда звукового давления и спектр импульса упругих волн (рисунок 2.4). Основной диагностический параметр - скорость продольной упругой волны . Определение скорости УВ (м/с) производилось по измеренным значениям расстояния L между точками возбуждения и приема, и времени t распространения упругой волны по формуле: = L/t.
Контроль сплошности грунтоцементной конструкции осуществляется по данным АК сравнением измеренных скоростей УВ со скоростями УВ во вмещающих грунтах. Скорость УВ в интервале струйной цементации должна соответствовать грунтоцементу и превышать скорость УВ в естественных грунтах.
Контроль длины (интервала залегания) созданного грунтоцементного каркаса осуществляется по данным АК по изменению скорости УВ по глубине. В интервале проектных глубин струйной цементации скорость УВ должна соответствовать грунтоцементу и превышать скорость УВ в естественных грунтах.
Контроль диаметра укрепленного массива производится по данным сейсмоакустического просвечивания между наблюдательной скважиной и поверхностью земли. Скорость УВ, измеренная на проектном радиусе сваи, должна соответствовать грунтоцементу и превышать скорость УВ в естественных грунтах.
Контроль прочности грунтоцемента производится по данным акустического каротажа по градуировочной зависимости "скорость упругой волны - прочность грунтоцемента".
Определение расстояний между точками излучения и приема. Расстояние L (м) между точками возбуждения и приема при каротаже определялось как разность глубин установки излучающего Ни и приемного Нп скважинных приборов. L =Ни-Нп, (2.5) Расстояние L i (м) между точками возбуждения и приема при сейсмоакустическом просвечивании между скважиной и поверхностью земли определялось по формуле L. =(H2и+r2)0.5, (2.6) где Ни - глубина точки возбуждения в скважине, м; г- расстояние между устьем скважины и точкой приема на поверхности земли, м.
Методика планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных Для проведения исследований разработана следующая методика, при которой необходимо выполнить следующие этапы. - определить критерии оценки цементных растворов и оптимальные диапазоны изменения параметров основных технологических свойств; - подготовить набор образцов в различных диапазонах дозировок; - подготовить образцы с детализацией дозировки рецептуры раствора с целью получения желаемых результатов; - определить параметры, выбрать образцы с наиболее близкими к требуемым параметрам; - рассчитать расход материалов для приготовления рабочего раствора. Данные, полученные в результате проведения лабораторных исследований, обрабатывались методами математической статистики. При измерении параметров цементного раствора выделялись систематические и случайные погрешности [28, 29]. При этом необходимое и достаточное количество повторных замеров (п) определялось из известных выражений В = j=-v, (2.7) В где В - допустимая ошибка; v - коэффициент вариации; t - критерий Стьюдента, выбираемый по стандартной таблице в зависимости от величины принятой доверительной вероятности (а).
Величина допустимой ошибки в бурении обычно принимается равной 3 4-10 %. При проведении экспериментов автором принята величина В = 6 %. Коэффициент вариации получен по серии предварительных замеров и составил v = 7 %, значение критерия Стьюдента при а = 0.05 равно 2. Отсюда определялось число измерений п = = 3 . Так как при создании новых рецептур в лабораторных условиях большое количество экспериментов существенно увеличивает время проведения исследований, то используют методики, основанные на эмпирических формулах, расчеты параметров для конкретных условий. Такие формулы в дальнейшем позволяют обеспечить рациональную проводку скважины. Основные способы их получения заключаются в обработке большого массива промысловых данных. Их анализ представляет определенную трудность. В этой связи известны программы, позволяющие быстро и качественно обрабатывать большие объемы информации, получая общие закономерности в виде математических выражений.
Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, подвергались обработке методами математической статистики с помощью новейшего программного обеспечения. Так использование программы Statgraphics компании “Statistical Graphics Corp.” позволяет кратно сократить количество исследований и выполнить обработку результатов исследований и построение графических зависимостей по ограниченному количеству полученных экспериментально значений выбранных параметров.
Для работы с этой программой необходимо установить диапазоны рациональных концентраций реагента и твердой фазы (цемент), обеспечивающие необходимый для построения искомой зависимости уровень значений выбранного параметра. В процессе построения при помощи заданных концентраций на основе программы рассчитывается таблица для проведения последующего эксперимента. На основе анализа полученных табличных значений выполняется подбор концентраций реагента для создания рабочей рецептуры цементной смеси.
Разработка модифицированной математической модели расчета тампонирования скважин высоконапорной цементной струей
Основной задачей данного раздела является изучение процессов, возникающих при движении тампонажного раствора в пористой или трещиноватой среде, а также оценка степени влияния ряда факторов на технологические параметры высоконапорного нагнетания тампонажного материала в горный массив.
Для решения поставленной задачи был произведен аналитический метод исследования вышеуказанного процесса, результатом которого, стало усовершенствование и модификация модели контроля тампонажа при строительстве противофильтрационных тампонажных завес [71].
На основании созданной математической модели и полученных расчетных данных с графическими построениями, будет выявлена степень влияния каждого фактора, что позволит более четко контролировать процесс тампонажа и укрепление неустойчивых интервалов скважины. Построение физической модели, позволит получить достоверные данные для создания более точной формулы, определяющей величину проникновения тампонажной суспензии в горные породы.
Следует отметить, что для получаемого аналитического выражения справедливо использование тампонажных материалов широкого спектра действия, для которых срок схватывания будет являться одним из главных параметров, ограничивающим величину проникновения в горный массив.
Математические зависимости легшие в основу разработки и модификации модели расчета тампонажных работ с помощью технологии струйной цементации не искажают физическую сущность рассматриваемых процессов, что позволяет говорить о точности и простоте полученных формул.
Гидродинамические процессы в скважине, создаваемые за счет действия затопленной струи жидкости, выходящей из отверстия малого диаметра, были рассмотрены в работах Башкатова А.Д., Асатура К.Г., Аренса В.Ж., Малинина А.Г., Бройда И.И., Санникова Р.Х., Шавловского С.С. и др [17, 47, 60, 61, 62, 77, 93].
Исследования гидродинамики поглощающего пласта отражены в работах известных ученых [5, 9, 16], во многом являясь основополагающим материалом для решения задач по изоляции проницаемых горных пород. В нашей работе рассмотрено уравнение, предложенное сотрудниками института «Якутнипроалмаз», которое позволяет совместить две гидродинамические модели и определить возможности струйно-буровой технологии при ликвидации осложнений в процессе проходки скважины.
Данное уравнение определяет способ контроля тампонажа при строительстве противофильтрационных тампонажных завес, включая в себя: определение параметров тампонажа, сравнение текущих параметров с проектными, выбор оптимального режима по сравнению параметров, расчет радиусов распространения тампонажного раствора и оценку качества работ по результатам сравнения текущего радиуса с проектным [71] : где р - коэффициент упругоемкости пород, Па-1; Р03 - давление на забое скважины, Па ; Рпл — пластовое давление, Па; r - расстояние от скважины (величина проникновения цементного раствора в горный массив), м; Я -мощность интервала тампонирования, м; V0- объем тампонажного раствора, м3. Показатель /? назван В.Н. Щелкачевым коэффициентом упругоемкости пласта, единица которого в системе СИ - 1,0210"5 м2/Н 10/МПа. Им оценивается количество воды, высвобождающейся из единицы объема пласта при понижении давления на единицу [100].
Результатом нашей работы стало усовершенствование и модификация данного уравнения, так как на наш взгляд оно не полностью отражает процесс распространения тампонажного раствора по порам и трещинам в горном массиве. Коэффициент упругоемкости пласта не в полной мере характеризует особенности горных пород, в то время как их свойства оказывают большое влияние на процесс цементации. Кроме того, величина распространения тампонажного раствора зависит от многих факторов, особенно от реологических свойств тампонажного материала.
Постановка задачи состояла в следующем: для заданного типоразмера бурового става и форсунок струйного монитора, конструкции скважины, технологических параметров нагнетания цементной суспензии в пласт, пластовых условий в скважине, а также реологических свойств тампонажного раствора определить радиус проникновения цементного раствора в околоствольную зону.
В работе [70] для определения силы воздействия струи на стенку скважины предлагается использовать формулу, полученную из совместного решения уравнения импульсов и уравнения непрерывности движения жидкости: р=ч - 100ft 4 (32) Р V VQ ) где рти р — плотность тампонажного раствора и плотность струи, смешанной с частицами горных пород, кг/м3; устри vo - осевая скорость движения струи и скорость истечения струи из насадки, м/с; Р0 - начальное давление струи, Па.
Данное уравнение с теоретической точки зрения обладает сравнительно большой универсальностью, так как оперирует только параметрами, характерными для конкретного применяемого оборудования. Определенную сложность вызывает только нахождение осевой скорости движения струи vcmp. Проф. Г.Н. Абрамовичем для ее нахождения было предложено уравнение, которое позволяет решить задачу определения силы действия затопленной осесимметричной струи [1]:
Уравнение (3.4) позволяет определить давление, создаваемое цементировочным агрегатом с учетом потерь на прохождение узлов буровой колонны, а также с учетом потерь, происходящих при прохождении тампонажного раствора через сопло струйного монитора. Полученное уравнение показывает реальную величину давления цементной струи на стенку скважины.
Глубина проникновения тампонажного раствора в горный массив Основные параметры тампонажных работ с использованием высоконапорной струи рассмотрим на примере графической модели (рисунок 3.1): Исходя из графической постановки: рти р — плотность тампонажного раствора и плотность струи, смешанной с частицами горных пород, кг/м3; Р0 - начальное давление струи, Па; - расстояние от форсунки до стенки скважины, м; do - начальный диаметр струи, м; Q - расход тампонажного раствора, м3/ч; t - время обработки ствола скважины, с; /? - коэффициент упругоемкости пород, Па-1.
В алгоритме гидродинамического расчета произведем упрощение: в виду использования сверхвысоких давлений струи на выходе из форсунки струйного монитора, а также ввиду небольшой величины /, характеризующей расстояние от форсунки до стенки скважины, пластовым давлением можно пренебречь (Рпл = 0). Таким образом разность давлений (Р03 — Рпл) выражается через величину давления струи раствора — Р на массив горных пород, слагающих стенки скважины.
Исследование структурно-реологических свойств тампонажной смеси для струйной цементации
Добавка в раствор жидкого стекла снижает прочность цементного камня (в среднем на 20%), а наилучший результат получен с составом №5 на основе хлорида кальция, позволяющим увеличить прочностные показатели в 1,5 раза. При этом положительный эффект получен как для связных, так и несвязных грунтов. Кроме того, предложенная добавка в цементный раствор позволяет получить более структурированные и однородные образцы. Определенные реологические параметры составов позволяют сделать вывод о том, что данная способность появляется за счет диспергирующего эффекта, что также влечет за собой повышение однородности, нерасслаиваемости и водоудерживающей способности растворов.
Для определения устойчивости подготовленных грунтоцементных смесей к размыву подземными водами были проведены испытания изготовленных образцов. Заранее взвешенное количество смеси помещалось в мерную емкость с небольшим количеством воды и взбалтывалось. Затем вода из мерной емкости сливалась, а смесь взвешивалась повторно. Потеря массы смеси без добавок составила 7 %. У смеси с добавками потеря массы не выявлена. Это говорит о получении растворов, способных сопротивляться воздействию подземных вод и лишний раз подтверждает хорошую седиментационную устойчивость разработанных рецептур тампонажных составов.
По проведенным работам и полученным результатам видно, что наибольший эффект добавки оказывают на суспензию с меньшим водоцементным отношением, для которого характерна большая вязкость. Диспергирующее действие добавок на такие растворы оказывается более выражено. Увеличение водоцементного отношения резко ухудшает седиментационную устойчивость растворов, увеличивает сроки схватывания. При этом плотность растворов уменьшается незначительно. В зависимости от В/Ц также изменяются и другие параметры тампонажных растворов на основе цемента: увеличение водоцементного отношения от 0,6 до 1 приводит к увеличению водоотдачи, уменьшению прочности цементного камня, увеличению проницаемости цементного камня и уменьшению гидравлических сопротивлений при цементировании.
По результатам исследований определили, что при борьбе с поглощениями, тампонажные растворы с добавкой силиката натрия могут использоваться в качестве быстросхватывающихся составов для закупоривания трещин и каверн – только в режиме пропитки, вследствие чего рационально использовать такие составы для предупреждения набухания и гидратации горных пород, склонных к обвалам.
Добавление пластификатора С-3 негативно сказывается на структурообразовании тампонажных смесей: с увеличением водоцементного отношения в таких растворах ускоряются седиментационные процессы, что согласуется с изменением структурной прочности. Это в свою очередь существенно снижает критерий качества, следовательно, такую добавку следует использовать с крайней осторожностью, ввиду получения нестабильного раствора.
Предложенная комплексная добавка увеличивает распространение тампонажного раствора в горные породы стенок скважины за счет снижения гидродинамического сопротивления цементной струи, величины структурной вязкости и динамического напряжения сдвига. Повышается однородность тампонажного раствора и его водоудерживающая способность, а за счет наличия в его составе хлорида кальция сокращается время схватывания и увеличивается прочность цементного камня.
Полученные данные лабораторных исследований позволяют рекомендовать разработанный состав тампонажного раствора с комплексной добавкой для проведения изоляционных работ с применением технологии струйной цементации. 4.4 Выводы по главе 4
1. Оптимальными показателями, обуславливающими создание прочной крепи скважины за счет высоконапорного нагнетания, обладает тампонажный состав на основе хлорида кальция (1%) с комплексом компонентов из этилсиликоната натрия (0,5%) и карбоксилатного полиэфира (0,5%), поскольку обеспечивает получение более эффективных тампонажных смесей по сравнению с суспензиями на основе силиката натрия, что позволяет получить более качественно укрепленную околоствольную зону.
2. Проведённые исследования показали, что состав, включающий в себя комплексную добавку, увеличивает проникающую способность раствора и повышает прочностные характеристики цементного камня.
Экспериментальные исследования необходимые для определения целесообразности применения добавок и подбор оптимальных технологических параметров обработки горных пород для ликвидации осложнений методом струйной цементации, проводились на таких масштабных строительных объектах г. Санкт-Петербурга, как: «Строительство второй очереди кольцевой автомобильной дороги вокруг г. Санкт-Петербурга. Участок от автомобильной дороги «НАРВА» до поселка Бронка. Транспортная развязка на пересечении КАД с автодорогой Стрельна – Пески – Яльгелево», «Строительство южного участка Западного скоростного диаметра. Вторая очередь строительства ЗСД. Участок от транспортной развязки на пересечении с Краснопутиловской улицей до транспортной развязки в районе Благодатной улицы», «Строительство южного участка Западного скоростного диаметра. Вторая очередь строительства ЗСД. Участок строительства от улицы Калинина до транспортной развязки в районе реки Екатерингофки», «Третья очередь строительства ЗСД. Участок строительства от транспортной развязки на пересечении КАД вокруг Санкт-Петербурга до транспортной развязки на пересечении с автодорогой Е-18 «Скандинавия», «Строительство путепровода на пересечении Выборгского шоссе и Суздальского проспекта» [95, 96, 97, 98, 99].
Проведение испытаний происходило на начальном этапе строительных работ, до нарушения естественной структуры грунтов и горных пород, представленных в геологическом разрезе. Это позволило получить наиболее достоверные результаты, а также дало возможность провести ряд дополнительных исследований при бурении экспериментальных скважин с последующим укреплением околоствольной зоны. Задачей проводимых опытно-производственных испытаний являлось подтверждение результатов, полученных при построении математической модели на основании уравнения, полученного в ходе рассмотрения процессов, происходящих при высоконапорном нагнетании тампонажной смеси в горный массив.
Технологические параметры струйной цементации были установлены в строгом соответствии с показателями, использовавшимися при теоретических расчетах величины распространения цементного раствора в околоствольную зону. Также стоит отметить, что тип и характеристики, обрабатываемых горных пород в вышеуказанных расчетах, заведомо были определены и приняты в соответствии с предполагаемым местом проведения опытно-промышленных испытаний (таблица 5.1).