При зажимной схеме тампонажный раствор подается при постоянном расходе, соответствующем подаче принятого насо са. Давление нагнетания при этом по мере заполнения трещин тампонажным раствором возрастает.
Зажимную схему нагнетания тампонажного раствора при меняют при тампонировании горных пород средней крепости и крепких со средней, малой и тонкой трещиноватостью, не склонных к деформации, при повышенных давлениях тампонаж ного раствора, а также при больших гидростатических давлени ях подземных вод. При зажимной схеме нагнетаемый раствор должен обладать высокой стабильностью с выходом тампонаж ного камня не менее 96%.
К достоинствам схемы следует отнести простоту оборудова ния тампонажных скважин; возможность использования для тампонирования скважин минимального диаметра, что увеличи вает скорость их бурения, а следовательно, обеспечивает сни жение стоимости тампонажных работ. К недостаткам зажим ной схемы следует отнести: невозможность регулирования дав ления нагнетания; при малых расходах скорость движения там понажного раствора в скважине назначительна, что может по влечь расслоение раствора и закупорку трещин и самой сква жины )Внижней ее части.
При циркуляционной схеме (см. рис. 5.16,6) до забоя там понажной скважины опускают нагнетательную трубу/. Тампо нажный раствор подается по трубе в количестве, большем, чем могут поглотить породы при заданном давлении нагнетания. Избыток раствора по межтрубному пространству .поднимается вверх и возвращается в расходную емкость или растворосмеситель. Давление нагнетания регулируют с помощью крана 2. Таким образом, при циркуляционной схеме тампонирование горных пород осуществляют при постоянном расходе и перемен ном давлении нагнетания раствора.
Циркуляционную схему нагнетания растворов целесообраз но применять при тампонаже крупных трещин, когда для огра ничения радиусов распространения растворов нужны неболь шие давления нагнетания, а для улучшения качества (повыше ния плотности) заполнения трещин тампонажным материалом в скважине необходимо выдерживать расчетное давление в те чение времени, достаточного для полного отжима воды цз там понажного раствора и его уплотнения.
Основные достоинства схемы заключаются в следующем: обеспечивается лучшее управление процессом нагнетания и ре гулированием концентрации раствора; исключается осаждение частиц твердой фазы из раствора в скважине и, следователь но, закупорка трещин в нижней части скважины осевшими твердыми частицами. К недостаткам циркуляционной схемы следует отнести сложность оборудования скважин и обеспече
ние непрерывной эффективной циркуляции в течение всего вре мени нагнетания тампонажного раствора. Даже кратковремен ные, исчисляемые несколькими минутами, потери циркуляции раствора могут привести к прихвату нагнетательной трубы. Особенно опасна потеря циркуляции раствора при большой вы соте тампонажной заходки, когда в нижней части тампонажной скважины действуют большие гидростатические давления, спо собствующие быстрому отфильтровыванию из цементных рас творов жидкой фазы и его уплотнению.
При полуциркуляционной схеме (см. рис. 5.16, в) циркуля ция тампонажного раствора осуществляется только в наземных трубопроводах (между насосом и цементационной головкой). В скважине раствор перемещается так же, как при зажимной схеме, в направлении сверху вниз. Для регулирования расхода и давления нагнетания так же, как и при циркуляционной схе ме, используют кран 2. Полуциркуляционная схема нагнетания тампонажного раствора может применяться для тампонажа как мелкотрещиноватых, так и крупнотрещиноватых пород. К до стоинствам схемы относятся: сравнительная простота оборудо вания скважин; возможность регулирования режима нагнета ния тампонажного раствора в скважину. К недостаткам схемы относится возможность закупорки нижней части тампонажной скважины от выпадения осадка из тампонажного раствора.
По очередности бурения и нагнетания тампонажного раство ра различают схемы: групповую и поочередную.
При групповой схеме бурение скважин и тампонирование горных пород производят следующим образом:
бурят все тампонажные скважины, после промывки и опре деления притока воды из них тампонируют скважину с макси
мальным |
притоком. |
Очередность |
тампонирования |
остальных |
|
скважин |
принимают согласно размерам |
притоков воды из них |
|||
в нисходящем порядке; |
|
|
|
||
бурят первую половину скважин и после промывки в них |
|||||
нагнетают тампонажный раствор. |
По |
окончании |
тампонажа |
||
этих скважин бурят |
остальные скважины и тампонируют их. |
||||
При поочередной схеме большое распространение получил |
|||||
так называемый метод сближения |
скважин (рис. 5.17,а), при |
||||
Рис. 5.17. Очередность тампонирования скважин
котором первоначально бурят и тампонируют две диаметраль но противоположные скважины I. Затем бурят следующую па ру скважин II, расположенных на диаметре, перпендикулярном к первому. После нагнетания тампонажного раствора в эти скважины бурят третью пару скважин III, расположенных на диаметре, который находится под углом 45° к первым двум, и так далее, пока не будет достигнута требуемая плотность там понажной завесы. Указанный порядок бурения и тампонирова ния скважин уменьшает до минимума вероятность проникнове ния тампонажного раствора в соседние скважины вследствие значительных расстояний между ними. Через первые две сква жины тампонируют большинство крупных трещин, при тампо нировании последующих скважин перекрываются более мел кие трещины.
Широкое применение получил также метод «треугольников». В этом случае (рис. 5.17,6) вначале бурят и тампонируют три скважины, расположенные на вершинах равнобедренного тре угольника, вписанного в окружность расположения устьев скважин (скважины первой очереди) I. Затем бурят и цементи руют три скважины второй очереди, располагаемые между скважинами первой очереди II и т. д. При наклонном залега нии пластов горных пород раствор нагнетают в первую очередь
вскважины, расположенные по падению горных пород.
5.3.3.Тампонирование пород с земной поверхности
При цементации и глинизации производство работ по там понированию в общем случае включает в себя следующие ра боты: бурение скважин в соответствии с принятой схемой про изводства работ; определение гидрогеологических свойств гор ных пород, подлежащих тампонированию; монтаж тампонаж ного оборудования; нагнетание раствора в скважину (группу скважин); контроль за качеством работ по тампонированию горных пород; проходка выработки по затампонированным по родам.
При бурении тампонажных скважин их устье на глубину от 5 до 20 м закрепляют направляющими обсадными трубами (кондукторами) с тщательной заделкой пространства между трубами и горной породой цементным раствором или бетонной смесью. Бурение осуществляют с промывкой скважины водой. Глинистые растворы применяют только на нетампонируемых участках. При бурении тампонажных скважин в породах, склон ных к набуханию, в промывочную воду вводят специальные до бавки, снижающие набухание горных пород; жидкое стекло, сульфитно-спиртовую барду и др. Вид и число добавок в каж дом конкретном случае определяют лабораторным путем с уче том свойств пересекаемых пород.
Для бурения наклонно-направленных тампонажных скважин применяют станки вращательного бурения шпиндельного или роторного типа. Для повышения производительности бурения могут быть использованы турбобуры и гидроударники. Направ ленность скважин выдерживают с помощью специальных тех нических средств. В процессе бурения особое внимание должно уделяться контролю за отклонением тампонажных скважин от заданного направления. Для определения угла и азимута от клонения скважины от заданного направления применяют ин клинометры ИШ-2, ИШ-4, ИК. Измерение отклонений произво дят через каждые 30 м при глубине тампонажных скважин бо лее 100 м. Допустимые отклонения тампонажных скважин не должны превышать следующих величин: для скважин глубиной
до 100 м — 3% от глубины |
скважины; для скважин глубиной |
200 м — 1,5% и для скважин |
глубиной 300 м и более— 1% от |
глубины скважины. После окончания бурения для очистки от буровой мелочи (шлама) каждая скважина промывается путем нагнетания или откачки воды из скважины. Лучший эффект на блюдается при групповой схеме промывки, которая состоит в том, что в одну из скважин нагнетают воду или воду и сжатый воздух, которые изливаются через соседние скважины. Про мывку осуществляют до выхода из скважин чистой воды. По сле промывки скважин приступают к расходометрическим и другим исследованиям в скважинах для установления глубины залегания водоносных горизонтов, их мощности, интенсивности поглощения на различных участках. Чаще всего при цемента ции определяют величину удельного водопоглощения горных пород для каждой цементационной заходки путем опробования двух-трех скважин. Каждая из этих скважин, а также все кон трольные скважины должны опробоваться не менее, чем при трех ступенях давления нагнетания с достижением на каждой ступени давления установившегося расхода воды в течение 10— 20 мин. В остальных цементационных скважинах каждой за ходки удельное водопоглощение определяют ускоренным мето дом — при одной ступени давления.
В зависимости от величины удельного водопоглощения на значают начальную консистенцию цементного раствора.
Удельное |
водопоглощение, л/мин |
1—2 |
2—4 |
> 4 |
Начальная |
концентрация цементного |
раствора |
|
|
Ц : В |
|
1 :2 |
1 : 1 |
1 : 0 , 8 — 1 : 0 , 5 |
Оборудование тампонажных скважин в основном определя ют способом тампонажа и схемой нагнетания тампонажного раствора.
При цементации горных пород скважину оборудуют кондук тором и цементационной головкой. Кондуктор предназначен для закрепления и герметизации устья скважины, обеспечения
заданного направления скважины при бурении, для установки на скважине цементационной головки с запорной арматурой и измерительными приборами. Кондуктор выступает над устьем скважины на 0,3—0,5 м. Его заделывают при цементации с по верхности на глубину 6—10 м, а при цементации из забоя — на толщину перемычки или породного целика.
Для усиления связи кондуктора с бетоном при цементации из забоя ствола на наружную поверхность кондуктора навари вают кольцевые выступы. На кондукторе крепят цементацион ную головку, конструкция которой зависит от схемы нагнета ния тампонажного раствора в скважины. При зажимной схеме нагнетания раствора цементационная головка (рис. 5.18, а) снабжается краном 2, устанавливаемым на кондукторной тру бе 1, краном 4 для подключения или отключения цементацион ных насосов от скважины. Нагнетание тампонажного раствора осуществляют с помощью специальной проточной камеры 3, снабженной манометром 5. Для исключения засорения мано-
метра тампонажным раствором в проточной камере устраива ют специальные разделительные диафрагмы.
При циркуляционной схеме нагнетания применяют цемента ционную головку, схема которой показана на рис. 5.18,6. Н а гнетательную трубу принимают такой длины, чтобы она не до ходила до забоя скважины на 0,5—1 м и обеспечивала цирку ляцию раствора в пределах всей толщины тампонируемых по род. Давление тампонажного раствора определяют по двум манометрам 5, один из которых устанавливают на подводящем, а другой на отводящем трубопроводе перед выходным краном. Контроль давления осуществляют по манометру. Давление там понажного раствора в скважине регулируют кранами. После монтажа необходимого оборудования приступают к нагнетанию тампонажного раствора. В случае, когда при нагнетании там
понажного |
раствора |
первоначальной концентрации |
в течение |
|
0,5— 1 ч |
количество |
раствора, принимаемого |
скважиной, не |
|
уменьшается или не |
наблюдается заметного |
роста |
давления, |
|
концентрацию раствора постепенно увеличивают, пока не будет подобран раствор, обеспечивающий уменьшение расхода и уве личение давления нагнетания. Раствор такой концентрации на гнетают до прекращения приема раствора скважиной при за данном давлении. Для более полного отжатия избыточной воды из раствора и уплотнения тампонажного материала в трещинах каждая скважина после прекращения нагнетания должна вы держиваться под наибольшим давлением не менее 30 мин. При тампонаже крупных трещин время выдерживания скважин под давлением увеличивают до 1 ч. Решение о .прекращении нагне тания тампонажного раствора в скважину принимают при сни жении удельного расхода раствора до величины не менее 0,1 л/мин на 1 м цементируемой зоны и на 1 м напора при наи большем давлении нагнетания.
После окончания тампонажа и набора раствором необходи мой прочности скважину (группу скважин) разбуривают и про изводят расходометрические исследования или определяют удельное водопоглощение.
Если величина удельного водопоглощения будет не более 0,05 л/мин, то тампонирование пород через эту скважину счи тают законченным. При величине удельного водопоглощения больше 0,05 л/мин в скважину (группу скважин) повторно на гнетают тампонажный раствор и так до тех пор, пока величина удельного водопоглощения на участке цементации не снизится до величины не более 0,05 л/мин.
После завершения тампонирования всей толщи водоносных горных пород и выдержки в течение 4—6 дней приступают к горнопроходческим работам. Выемку породы в зацементирован ной зоне производят обычным буровзрывным способом с соблю дением некоторых предосторожностей. В частности, во избежа-