Спосіб зміни проникності гірських порід

Реферат: Спосіб зміни проникності гірських порід включає вибурювання свердловини, заповнення її робочим розчином, вплив на нього силовими хвилями, розущільнення масиву гірських порід з утворенням тріщин з максимальним розкриттям, заповнення тріщин тампонажним розчином під дією силових хвиль. Для підвищення ефективності розкриття тріщин в гірському масиві на значну глибину суміжно з робочою свердловиною вибурюють вимірювальну свердловину. У вимірювальній свердловині розміщують приймач, яким фіксують параметри ударних хвиль. Робочу свердловину заповнюють робочим розчином, а до колонни-ін'єктора до одного кінця приєднують генератор силових хвиль, а до другого кінця - закріплюють контейнер-відбивач у вигляді порожнистого циліндра. У донній частині якого розташовують конус-відбивач. Параметри ударних хвиль формують таким чином, щоб їхня амплітуда ініціювала в породному масиві знакозмінні коливання, величина яких перевищує границю утоми гірських порід. Силовий вплив ударних хвиль для кожного типу порід починають із мінімального значення величини амплітуди по наростаючій від їхнього мінімального значення до максимального. Нарощування амплітуди силових хвиль здійснюють доти, поки їхнє значення не стабілізується або не почне зменшуватися. Після чого виконання хвильового впливу на масив припиняють, витягають колону-ін'єктор і заповнюють свердловину тампонажним розчином, на який впливають силовими хвилями. У вимірювальній свердловині фіксують амплітуду силових хвиль, стабілізація яких або зменшення говорить про повне тампонування гірничого масиву, після чого переходять до наступної обробки масиву. UA 107977 C2 (12) UA 107977 C2 UA 107977 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується гірничої і будівельної промисловості та може бути використаний для зміни проникності гірських порід, зокрема для зменшення проникності ґрунтів за рахунок ефективного розкриття тріщин і пор з метою наступного заповнення цих порушень тампонажним розчином. Винахід може бути використаний для ефективної гідроізоляції підземних або наземних споруджень, які необхідно захистити від ґрунтових самопливних або напірних ґрунтових вод шляхом тампонування утворених тріщин і утворення монолітного породного масиву навколо спорудження. Відомий спосіб зміни проникності гірських порід шляхом гідроенергетичного впливу на масив до утворення тріщин заданих параметрів. Відповідно до відомого способу, здійснюють вибурювання свердловин у зоні впливу на масив гірських порід, нагнітають у свердловини робочу рідину і здійснюють багаторазове ініціювання зарядів вибухової речовини. Ініціювання зарядів здійснюють комбіновано, перед кожним вибухом основного заряду вибухової речовини здійснюють вибух додаткового заряду. Його масу приймають меншою за масу основного заряду. Швидкість детонації приймають рівній максимальній швидкості детонації в умовах тиску робочої рідини на устя, рівному атмосферному [Патент Росії № 2071557]. Недоліком відомого способу є те, що виконання підривних робіт негативно позначається на якості проникаючих властивостей гірських порід. Динамічний вплив вибуху призводить до спонтанного руйнування масиву. Такий вплив, швидкість якого близька до швидкості детонації вибухової речовини, приводить до не розкриття наявних тріщин, а утворенню нових дрібних тріщин, які порушують цілісність масиву. Процес формування тріщин не контролюється, при цьому дія вибухів здійснюється усереднено і незалежно від порід, які перетинають свердловину. Такий підхід призводить до нерівномірного створення тріщин і при наявності міцних порід розкриття тріщин неповне. При здійсненні вибуху в маломіцних породах це призводить до утворення безлічі мікротріщин, які тампонувати або розкрити не є можливим. Такий вплив на масив призводить до того, що значне створення тріщин призводить до неможливості виконання тампонажних робіт. Істотним недоліком відомого способу є те, що для впливу на масив необхідно виконання підривних робіт, які належать до особливо небезпечних і вимагають виконання регламенту по точному розрахунку зарядів і порядку їхнього ініціювання. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог, є спосіб підвищення проникності гірських порід [Патент Росії № 2211920]. Згідно з відомим способом, вибурюють свердловини на задану глибину. Після виконання бурових робіт перевіряють фільтраційні властивості гірських порід і заповнюють свердловину робочим агентом. Після цього в устя свердловини розміщають наземний насосний агрегат для подачі робочого агента в свердловину. У свердловині розміщають відбивач, що забезпечує подачу ударної енергії в потрібному напрямку. За допомогою хвилеводу, роль якого виконує стовп рідкого агента, генерують гідроударним пристроєм ударні хвилі, які, переміщаючись по хвилеводу і відбиваючись від відбивача, направляються у бік масиву, що обробляється. Залежно від міцнісних характеристик масиву і параметрів наявних тріщин, гірські породи, піддаючись періодичним стискаючим і розтягуючим напругам, пронизуються мережею тріщин, завдяки яким може бути збільшений дебет рідини або газу. При необхідності створені тріщини можуть бути заповнені тампонажним розчином для максимального зменшення проникаючих властивостей масиву. У відомому способі формування ударної енергії, формованої генератором, здійснюється за рахунок розташування його на земній поверхні. Силовий імпульс направляють по стовпу рідини, що заповнює свердловину, і за допомогою відбивача змінюють вектор напрямку потоку енергії у бік породного масиву. Саме цей потік впливає на породний масив і у результаті забезпечує максимально можливе розкриття тріщин. Недоліком відомого способу є те, що робочий потік енергії губить свою енергію і частково розсіюється. Це призводить до необхідності збільшення енергетичного потенціалу установок, збільшенню трудових і матеріальних витрат на виконання робіт. Істотним недоліком відомого способу є те, що вплив на гірський масив здійснюється з однієї стоянки. Це призводить до зниження ефекту створення тріщин через те, що силовий вплив на гірський масив здійснюється без урахування структурної неоднорідності гірського масиву, фізико-механічних властивостей гірських порід, ступеня їхньої тріщинуватості по висоті свердловини. 1 UA 107977 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При наявності порід неоднорідних по фізико-механічних властивостях призводить до утворення тріщин, які мають незадовільні параметри, стосовно їх розкриття та довжини. Спосіб може бути реалізований на невеликій глибині і тільки в максимально однорідних породах. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу зміни проникності ґрунту шляхом попереднього дослідження фізико-механічних і структурних параметрів гірських між двома суміжними свердловинами одна з яких є робочою, а друга суміжна - вимірювальною. При виконанні робіт з розкриття тріщин та їх тампонажу, послідовно вимірювальну свердловину використовують як робочу, а суміжну до неї - як вимірювальну. Суміжні свердловини розташовані на заданій відстані одна від одної виходячи з параметрів генератора силових хвиль і фізико-механічних властивостей гірських порід. Зміна проникності гірського масиву здійснюється за рахунок хвильового впливу диференційовано по висоті свердловини з урахуванням структурної неоднорідності масиву, фізико-механічних властивостей і ступеня його тріщинуватості по висоті свердловини. Особливістю способу є те, що обробка масиву здійснюється одночасно з контролем амплітудних характеристик ударних хвиль. Хвилі досягаючи вимірювальної свердловини реєструються і по ступеню їх зміни у часі судять про ступінь впливу на масив як при утворенні мережі тріщин, так і при заповненні тампонажним розчином. Технічний результат від використання винаходу полягає в наступному: - підвищується ефективність розкриття тріщин в гірському масиві на значну глибину; - збільшується якість впливу ударних хвиль на гірський масив завдяки урахуванню його фізико-механічних властивостей і структурної неоднорідності; - спосіб може бути використаний на відповідальних роботах по підвищенню герметичності ґрунтів для попередження просочування через них рідин і газів за рахунок можливості розкриття тріщин і наступного виконання їх тампонування хвильовим впливом; - вектор напрямку потоку ударних хвиль спрямований перпендикулярно осі робочої свердловини; - силовий хвильовий вплив на масив ведеться послідовно і кратно кількості шарів порід з урахуванням їх товщини та фізико-механічних властивостей; - зменшується витрата тампонажного розчину, тому що вплив на масив здійснюється диференційовано з урахуванням його властивостей; - виконання робіт зі зміни проникності ґрунту характеризується низькими капітальними витратами; - обробка масиву забезпечує можливість тривалої експлуатації об'єкта, для якого здійснювалася обробка ґрунту. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб зміни проникності гірських порід включає вибурювання свердловин, заповнення їх робочим розчином, вплив на нього силовими хвилями, розущільнення масиву гірських порід з утворенням тріщин з максимальним розкриттям, заповнення тріщин тампонажним розчином під дією силових хвиль. Відповідно до винаходу, суміжно з робочою свердловиною на відстані 10-100 м суміжно з нею вибурюють аналогічну свердловину, яку використовують як вимірювальну свердловину. У вимірювальній свердловині розміщують широкосмуговий приймач, яким фіксують параметри ударних хвиль. У робочій свердловині виконують геофізичні дослідження, встановлюючи структурну неоднорідність гірського масиву, фізико-механічні властивості порід, ступінь їхньої тріщинуватості і глибину розвитку тріщин від осі робочої свердловини. Робочу свердловину заповнюють робочим розчином, а до колони-ін'єктора до одного кінця приєднують генератор силових хвиль, а до другого кінця - закріплюють контейнер-відбивач у вигляді порожнистого циліндра, у донній частині якого розташовують конус-відбивач. Твірну конуса-відбивача виконують під кутом 30-45°. Усередині контейнера-відбивача виконують генеруючу камеру у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами у стінці контейнера-відбивача. Стінки генеруючої камери виконують увігнутими у бік осі контейнера-відбивача з радіусом увігнутості, що складає 0,5-1,0 товщини стінки контейнера-відбивача. Загальну площу генеруючої камери виконують не менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора. Генерування силових хвиль здійснюють частотою 12-90 Гц і послідовно покроково, кратно кількості прошарків гірських порід, що пересікають свердловину, переміщують контейнер-відбивач. Параметри ударних хвиль формують таким чином, щоб їхня амплітуда ініціювала в породному масиві знакозмінні коливання, що формують стискаючі і розтягуючі напруги, величина яких перевищує границю утоми гірських порід, розташованих у безпосередній близькості від контейнера-відбивача, при чому силовий вплив ударних хвиль для кожного типу порід починають із мінімального значення величини амплітуди по наростаючій від їхнього мінімального значення до максимального. 2 UA 107977 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Нарощування амплітуди силових хвиль здійснюють доти, поки їхнє значення не стабілізується або не почне зменшуватися. Виконання хвильового впливу на масив припиняють, а з робочої свердловини витягають колону-ін'єктор і заповнюють її тампонажним розчином, на який впливають силовими хвилями. У вимірювальній свердловині фіксують амплітуду силових хвиль, стабілізація яких або зменшення говорить про повне тампонування гірничого масиву. Переходять до наступної обробки масиву і у залежності від сітки свердловин використовують послідовно - як наступну робочу свердловину - вимірювальну свердловину, а як наступну вимірювальну свердловину - свердловину, що розташована суміжно. Спосіб здійснюється таким чином. Відповідно до прийнятої сітки полігона виконуваних робіт, вибурюють свердловини. Особливістю заявленого способу є те, що свердловину, у якій здійснюють хвильовий вплив на масив, використовують як робочу, а суміжну свердловину, у якій здійснюють контроль параметрів хвиль, що розповсюджуються у масиві, використовують як вимірювальну свердловину. Після виконання робіт по зміні проникності гірничих порід, як робочу свердловину використовують вимірювальну свердловину, а суміжну до неї свердловину використовують як вимірювальну. Порядок виконання робіт наступний. Свердловини вибурюють виходячи з фізико-механічних властивостей породного масиву, який підлягає обробці, а також потужності устаткування, що застосовується. Дослідження показали, що оптимальною відстанню між свердловинами є відстань від 10 до 100 м. Відстань менш 10 метрів є економічно недоцільною і приводить до спонтанного розвитку мікротріщин, які негативно позначаються на зміні проникності гірських порід і можливого їхнього наступного тампонування ізолюючим розчином. Перевищення відстані між свердловинами понад 100 метрів призводить до ослаблення впливу на масив, високим витратам на здійснення високоенергетичної обробки. Крім того, на відстані понад 100 м погіршуються умови для розкриття тріщин та тампонажу породного масиву. Робочу і вимірювальну свердловини вибурюють однакової глибини. У робочій свердловині виконують геофізичні дослідження з метою встановлення структурної неоднорідності гірського масиву, фізико-механічних властивостей гірських порід, ступеня тріщинуватості гірського масиву, глибини розвитку тріщин від осі робочої свердловини. При геофізичних дослідженнях особливу важливість мають дослідження структурної неоднорідності гірського масиву. Це обумовлено тим, що кожний вид гірських порід, які перетинають свердловину, повинні піддаватися диференційованому силовому впливу з метою максимального розкриття тріщин. У вимірювальну свердловину опускають широкосмуговий приймач, що фіксує параметри розповсюджуваних хвиль, який з'єднаний з апаратурою, призначеною для обробки і фіксування спектра сигналів, отриманих від широкосмугового приймача, засобами візуалізації. Робочу свердловину заповнюють розчином. Залежно від гірських порід як робочий розчин може застосовуватися рідина з наповнювачем, що впливає на проникність розчину в тріщини. У свердловині розташовують хвилевід - колону-ін'єктор, з одного кінця якої приєднують генератор силових хвиль, а з другого кінця колони-ін'єктора закріплюють контейнер-відбивач. Після заповнення робочим розчином, у свердловині формують ударні хвилі за допомогою генератора ударних хвиль. Ударні хвилі передають по хвилеводу - колоні-ін'єктору. Ударні хвилі, переміщаючись по хвилеводу, відбиваються від контейнера-відбивача і за допомогою його направляються в масив гірських порід. Генерування силових хвиль здійснюють спільно з послідовним покроковим переміщенням по вертикалі контейнера-відбивача. Переміщення контейнера-відбивача здійснюють кратно кількості шарів гірських порід і їх потужності. Амплітуду ударних хвиль задають диференційовано залежно від фізико-механічних властивостей гірських порід. Оптимальна частота силових хвиль при впливі на гірські породи становить 12-90 Гц. Заявлений діапазон частоти коливань (12-90 Гц) силових хвиль забезпечує максимальний вплив на породний масив і розкриття тріщин для кожного типу порід підданих хвильовому впливу. Параметри ударних хвиль формують таким чином, щоб їхня амплітуда ініціювала в породному масиві коливання, що формують у породному масиві знакозмінні стискаючі і розтягуючі напруги, величина яких перевищує границю утоми гірських порід, розташованих у безпосередній близькості від контейнера-відбивача. 3 UA 107977 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Покроковим переміщенням контейнера-відбивача в гірських породах формують мережу спрямованих тріщин максимального розкриття залежно від потужності генератора силових хвиль і режимів обробки. Для ефективної передачі енергії ударних хвиль, контейнер-відбивач, виготовляють циліндричної форми. По периметру бічної стінки контейнер-відбивач виконує генеруючу камеру у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами у стінці контейнера-відбивача. Стінки, що формують генеруючу камеру, виконують увігнутими у бік осі контейнера-відбивача, з радіусом увігнутості, що становить 0,5-1,0 від товщини стінки. Загальна площа генеруючої камери у контейнері-відбивачі не менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора, що забезпечує відсутність втрат енергії ударних хвиль при їхній зміні напрямку. У нижній частині генеруючої камери розташовують конус-відбивач, за допомогою якого формують і направляють ударні хвилі у масив у заданому напрямку. Дослідженнями встановлено, що оптимальним кутом бокової твірної конуса-відбивача є кут, який складає 3045°. Виконані теоретичні дослідження та промислові експерименти показали, що зменшення кута бокової твірної конуса-відбивача призводить до розсіювання ударних хвиль і до зменшення їх впливу на масив. При збільшенні кута відбувається ефект взаємного гасіння ударних хвиль і, як наслідок, зниження їх енергії, що також робить недостатнім вплив на масив для змінення його проникності за рахунок створення системи тріщин. Застосування контейнера-відбивача такої конструкції забезпечує ефективну зміну проникності гірських порід у всіх напрямках щодо осі свердловини. Крім того, як показали промислові випробування, застосування такої конструкції контейнера-відбивача забезпечує можливість зміни проникності гірських порід на великій площі. Ударні хвилі, що генеруються, фіксують у вимірювальній свердловині за допомогою широкосмугового приймача, який синхронно переміщають разом з контейнеромвипромінювачем, розташованим у робочій свердловині. При прийомі сигналу широкосмуговим приймачем фіксуються не тільки силові хвилі, але і фонові (паразитичні) шуми різного походження. Накладаючись на основний сигнал, вони надходять до фіксуючої апаратури, яка забезпечує формування вихідного сигналу необхідної потужності. Посилений сигнал очищують від шумів за допомогою фільтрів з виділенням того спектра, що відповідає силовим хвилям, які впливають на масив. Дані прийнятих і оброблених сигналів надходять на засоби візуалізації і паралельно на електронно-обчислювальні пристрої, за допомогою яких виконують аналіз сигналів і стосовно до кожного типу порід визначають амплітуду і енергію обробки. Силовий хвильовий вплив ударних хвиль на масив для кожного типу порід починають із мінімального значення величини амплітуди силових хвиль у раніше зазначеному частотному діапазоні. Обробка починається по наростаючій від мінімального значення амплітуди силових хвиль до максимального. Нарощування енергії силових хвиль здійснюють доти, поки показник амплітуди ударних хвиль не стабілізується або не почне зменшуватися, що свідчить про те, що проникність даного інтервалу масиву стала максимальної, тобто відбулося максимальне розкриття тріщин. У залежності від сітки свердловин, для виконання робіт можливо використовувати послідовно, як наступну робочу свердловину вимірювальну свердловину, а як наступну вимірювальну свердловину - свердловину, що розташована суміжно із нею. Після зміни проникності гірських порід, по всій оброблюваній площі здійснюють тампонування свердловин. Для цього зі свердловини витягають колону-ін'єктор і заповнюють її тампонажним розчином. У цьому випадку тампонажний розчин виконує роль хвилеводу і при впливі ударних хвиль проникає в розкриті тріщини в гірському масиві. На тампонажний розчин впливають силовими хвилями, при цьому з вимірювальної свердловини безупинно знімаються показники приймача (амплітуду силових хвиль). Якщо амплітуда зменшується, то обробку і нагнітання тампонажного розчину продовжують доти, поки амплітуда прийнятої силової хвилі не стабілізується, або почне збільшуватися. Це говорить про те, що тампонування масиву закінчено. Далі переходять до обробки наступної робочої свердловини. Поле заповнення тріщин тампонажний розчин схоплюється, утворюючи монолітну ділянку гірських порід у заданих контурах. Дослідження і промислові випробування заявленого способу показали його високу ефективність для використання у широкому діапазоні фізико-механічних властивостей гірських 4 UA 107977 C2 порід. Спосіб може застосовуватися для гідроізоляції фундаментів і інших підземних споруд, при будівництві яких необхідно забезпечити високий ступінь герметизації на тривалий період. Перевагою способу є те, що його реалізація може здійснюватися незалежно від робіт з будівництва підземної споруди, необмеженої по площі і глибині. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 40 Спосіб зміни проникності гірських порід, що включає вибурювання свердловини, заповнення її робочим розчином, вплив на нього силовими хвилями, розущільнення масиву гірських порід з утворенням тріщин з максимальним розкриттям, заповнення тріщин тампонажним розчином під дією силових хвиль, який відрізняється тим, що суміжно з робочою свердловиною на відстані 10-100 м від неї суміжно вибурюють аналогічну свердловину, яку використовують як вимірювальну свердловину, при цьому у вимірювальній свердловині розміщують широкосмуговий приймач, яким фіксують параметри ударних хвиль, а у робочій свердловині виконують геофізичні дослідження, встановлюючи структурну неоднорідність гірського масиву, фізико-механічні властивості порід, ступінь їхньої тріщинуватості і глибину розвитку тріщин від осі робочої свердловини, після чого робочу свердловину заповнюють робочим розчином, а до колони-ін'єктора до одного кінця приєднують генератор силових хвиль, а до другого кінця закріплюють контейнер-відбивач у вигляді порожнистого циліндра, у донній частині якого розташовують конус-відбивач, твірну якого виконують під кутом 30-45°, при цьому усередині контейнера-відбивача виконують генеруючу камеру у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами у стінці контейнера-відбивача, причому стінки генеруючої камери виконують увігнутими у бік осі контейнера-відбивача з радіусом увігнутості, що складає 0,5-1,0 товщини стінки контейнера-відбивача, при цьому загальну площу генеруючої камери виконують не менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора, а генерування силових хвиль здійснюють частотою 12-90 Гц послідовно, покроково, кратно кількості прошарків гірських порід, що пересікають свердловину, переміщують контейнер-відбивач, при цьому параметри ударних хвиль формують таким чином, щоб їхня амплітуда ініціювала в породному масиві знакозмінні коливання, що формують стискаючі і розтягуючі напруги, величина яких перевищує границю утоми гірських порід, розташованих у безпосередній близькості від контейнера-відбивача, причому силовий вплив ударних хвиль для кожного типу порід починають із мінімального значення величини амплітуди по наростаючій від їхнього мінімального значення до максимального, при цьому нарощування амплітуди силових хвиль здійснюють доти, поки їхнє значення не стабілізується або не почне зменшуватися, після чого виконання хвильового впливу на масив припиняють, а з робочої свердловини витягають колону-ін'єктор і заповнюють її тампонажним розчином, на який впливають силовими хвилями, при цьому у вимірювальній свердловині фіксують амплітуду силових хвиль, стабілізація яких або зменшення говорить про повне тампонування гірничого масиву, після чого переходять до наступної обробки масиву і в залежності від сітки свердловин використовують послідовно як наступну робочу свердловину вимірювальну свердловину, а як наступну вимірювальну свердловину - свердловину, що розташована суміжно. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5