Стенд для исследования процесса нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 Е 21 С 39/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4185814/22-03 (22) 22.01.87 (46) 15. 03. 89. Бюл. М 10 (71) Всесоюзный научно-исследовательский геологоразведочный институт угольных месторождений (72) Б.С.Лобанов (53) 622.23.05(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1059182, кл. Е 21 С 39/00, 1982.

ÄÄSUÄÄ 14655 5 А1 (5 ) СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

НАГНЕТАНИЯ СКРЕПЛЯЮЩИХ РАСТВОРОВ В

ТРЕЩИНЫ ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изобретение относится к горному делу. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей стенда за счет обеспечения возможности изучения влияния на исследуемый процесс пульсируюшего давления (ПД), воздействующего на скрепляюший раствор.Мо146

j ель нагнетательной скважины в виде рубы (Т) 1 с отверстиями 2 и фланцами 3 соединена с моделью пласта с трещинами в виде моделей 4 трещин, прикрепленных к фланцам 3. К Т1 при< оединена установка для нагнетания ,закрепляющего раствора в виде гидроЩилиндра 5 с поршнем б. 1!адпоршневая олость (11) 7 гидроцилиндра 5 соедиена с гидронасосом 9 линией слива. одпоршневая П 10, заполненная скрепяющим раствором 11, соединена с Т 1, с П 7 соединен генератор гидравлиеских импульсов в виде установленноо на торце гидроцилиндра 5 корпуса

12 и ротора 13 с приводом 14, Ротор

13 разделяет корпус 12 на П высоог. о 15 и низкого 17 давления. П 15 оединена с гидронасосом 9, а П 17— дополнительной линией 18 слива. опла 20 в роторе 13 соединяют П 15

17, а в корпусе 12 установлено с

osMoæíoñòüIo осевого перемещения дифузорное приемное сопло 21, которое

5565 соединяет П 17 с П 7. Оси сопл ?0 и 21 параллельны оси ротора 13 и отстоят на равном расстоянии от нее.

Отверстия 2 на Т 1 обеспечивают возможность регулирования длины интервала между устоем модели нагнетатель ной скважины и моделью пласта с трещинами, а также между моделями 4 трещин. В П 7 установлен датчик 45 1Щ, в трубе 1 — датчик 46 1Ц1. В моделях 4 трещин также установлены датчики 1Щ.

При вращении сопла 20 периодически совмещаются с соплом 21. На выходе сопла 21 формируется 1Щ. Рабочая жидкость, не попадающая в сопло 21, идет в линию 18 слива. От сопла 21

ПД передается в П 7. В результате поршень б вытесняет пульсирующими движениями раствор 11 в Т 1 и в модели 4 трещин. Датчики 45, 46 и датчики

ПД в моделях 4 трещин дают информацию о проходящих по раствору 11 импульсах ПД. 4 з.п. ф-лы. 4 ил.

Изобретение относится к горному, делу и может быть .использовано для исследования процесса нагнетания скрепляющих растворов в трещины гор-. ных пород с целью выбора рациональных (,составов скрепляющих растворов и тех1 нологических режимов их нагнетания. (Целью изобретения является расши( рение функциональных возможностеи 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 скрепляющих растворов в трещины горных пород; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — разрез

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 перфорированными отверстия- ми 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 соответст1

2 вующему фланцу 3 трубы 1. К устью модели нагнетательной скважины — входному отверстию трубы 1 — присоединена установка для нагнетания скрепляю5 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 гидроцилиндра 5 соединен генератор гидравлических импульсов, выполненный в виде установленного на свободном торце гидроцилиндра 5 цилиндрического корпуса 12 и ротора 13 с приводом 14, 20 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 лини25 ей 18 слива с рабочим баком 19 гидронасоса 9.

В роторе 13 выполнены струеформирующие питающие сопла 20, соединяю\

55 з 14655 щие полости 15 и 17 высокого и низкого давления, а в корпусе 12 уста-. новлено с возможностью осевого перемещения сменное диффузорное приемное .5 сопло 21, соединяющее полость 17 низкого давления генератора гидравлических импульсов с надпоршневой полостью

7 гидроцилиндра 5, при этом оси питающих сопл 20 и приемного сопла 21 параллельны оси вращения ротора 13 и отстоят на равном расстоянии от нее.

Каждая из моделей 4 трещин (фиг.2, 3) содержит пластины 22 и 23 из прозрачного материала (например из орг- 15 стекла), между которыми установлены прокладки 24 и 25 с образованием зазора 26, имитирующего трещину. Пластины 22 и 23 фиксируются между жесткими металлическими пластинами 27 20 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 инструментальйого 25 наблюдения за движением скрепляющего раствора 11 по зазора (искусственной трещине) 26 в процессе его нагнетания. Для исключения перекоса и нарушения герметичности зазора 26 швел- ЗО 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 проведенйя исследований. На пластине 27 вдоль прорези 32 установлена шкала 41 (фиг. 1) для отсчета радиуса продви- жения скрепляющего раствора 11 но 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 гидравли65

4 ческих импульсов, и манометр 43 для замера давления на входе в генератор гидравлических импульсов. Линия 16 нагнетания сообщается со сливной линией 18 или непосредственно с баком

19 через регулируемый дроссель 44.

В надпоршневой полости 7 гидроцилиндра 5 для регистрации пульсирующего давления рабочей жидкости, фсрмируемого генератором гидравлических импульсов, установлен датчик 45.

Вдоль трубы I установлены равномерно датчики 46, фиксирующие изменение параметров (амплитуды, крутизны, продолжйтельности 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 также 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 зазоров 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 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 трещин 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, магнеэиальным и т.п.) с заданным компонентным составом

5 146 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 t5 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 потенциальную энергию давления, в результате чего е приемном сопле 21 давление импульсно возрастает. В процессе расхождения сопл 20 и 21 давление в сопле 21, напротив, импульсно падает до значе-! ния, соответствуйцего давлению в по лости 17. В результате на выходе при емного сопла 21 формируется пульсирующее давление, частота которого определяется числом питающих сопл 20 и числом оборотов ротора 13, амплитуда,цавления — величиной давления в питающих соплах 20 и расстоянием между торцами сопл 20 и 21, а амплитуда мощности — величиной расхода и давления жидкости в соплах 20 и геомет рией соплового аппарата генератора гидравлических импульсов„ Рабочая жидкость, не попадающая в сопло 21 сливается из полости 17 в бак 19 по линии 18 слива.

Формируемое генератором гидравли ческих импульсов пульсирующее давле ние передается из сопла 21 в надпоршневую полость 7 гидроцилиндра 5 и, воздействуя на поршень б, сообщает ему пульсирующее движение, в процессе которого поршень 6 вытесняет скреп5565 6 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

5 фланцах 38 — в зазоры 26, имитирующие трещины горных пород. В соответствии с пульсирующим характером движения поршня б давление скрепляющего раствора 11 и его движение по тракту гидроцилиндр 5 — труба 1 — зазоры 26 носит также пульсирующий характер..

3а процессом пульсирующего движения раствора по зазорам 26 ведется визуальное наблюдение через прорези

32 и для документации наблюдаемого процесса проводится его кино- или 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) моде30 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 на35

1 гнетательной скважине в зависимости от ее глубины, а также в зависимости от мощности, т.е. протяженности, трещиноватой зоны пород, вскрытой нагне4О тельной скважиной, густоты расположения и величины раскрытия трещин в указанной зоне), а датчики 47 регистрируют распределение пульсирующего давления вдоль зазора 26 в каждой мо45 дели 4 трещины и одновременно моменты (время) прохождения раствором участков зазора 26, на которых установлены данные датчики 47. Регистрация параметров пульсирующего давления, 50 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 раст— вора 11 по зазорам 26 определяют по материалам кино- или фотосъемки процесса, наблюдаемого через прорези 32, 1465565 8 или по дакным записи сигналов, поступающих от системы датчиков 47 к регистрирующей аппаратуре (не показана), производящей указанную эапись. Ука7 эанная скорость может эамеряться также с помощью секундомера и шкалы 4 1 (фиг. 1), однако данный способ рацио.нально 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 гидроцилинд- . ра 5. Регулировку частоты выходных 2S импульсов осуществляют путем регулирования числа оборотов выходного вала привода 14 и изменением числа питающих сопл 20 в роторе 13, а амплитуду указанных импульсов регулируют путем 30 изменения объемного расхода рабочей жидкости в линии 16 нагнетания. Грубая настройка величины указанного расхода производится эа счет регулирования 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 торцами сопл 20 и 21, осуществляемого 45 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 иа эффективность импульсного нагнетания скрепляющего раствора в указанные зоны глубина нагнетательных скважин мощность (протяженность), трещиноватой зоны пород, вскрытой нагнетательной скважиной, густота и раскрытие трещин в указанной зоне. Для этого описанную процедуру исследований производят прн 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 воэможность изучения влияния противодавления пластовой жидкости на процесс импульсного проникновения скрепляющегс раствора

11 в зазоры 26. Кроме того, для изучения влия -.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 эффективности импульсного нагнетания скрепляющего раствора в трещины, помимо описанных исследований движения 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 нагнетакия, ориентации и раскрытии зазоров 26, противодавлении в них; параметрах, характеризующих скрепляющие растворы и др.). Ирк 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 иэ сопла 20 в сопло 21 и далее в надпоршневую полость 7, где указанная энергия используется для движения поршня 6 ° Для уточнения величины ра9 14655 ночего давления в надпоршневой по(,г1ости 7 последняя может быть снабжена г1воим манометром (не показан) с перег1рывным краном, блокирующим данный

5 манометр при подаче в полость 7 пульс ирующего давления. При необходимости например, при отсутствии возможнос-!

1 и установки на приводе 14 фиксатоа 55 или каким-либо другим причинам) ð абочая жидкость может подаваться от асоса 9 в надпоршневую полость 7 чеез генератор гидравлических импульов при закрытом положении перекрывого крана 49, а в случае большого идравлического сопротивления соплоой системы генератора гидравлических пульсов — в обход последнего через идравлическую линию 8 при открытом оложении перекрывного крана 48 20 закрытом положении крана 49.

Стенд обеспечивает возможность экспериментального исследования проесса импульсного движения скрепляюего раствора по сети искусственных 25 ещин под воздействием пульсирующего авления. При этом стенд позволяет зучать влияние на указанный процесс аких параметров, как величина раскрытия трещин и их ориентация в про- gp с транстве, компонентный состав, реиептура и вязкость, скрепляющих растворов, частота и амплитуда импульсов р бочего давления на выходе гидроп льсатора, величина протиродавления 35 п астовой жидкости, глубина нагнетат льной скважины, мощность трещино" в той зоны, в которую нагнетается с репляющий раствор, и густота трещ нн в данной зоне. Причем стенд поз- 40 воляет производить нагнетание скрепл гющего раствора в трещины как в имп ульсном, так и в статическом режиме с возможностью быстрой смены указаннггх режимов, что позволяет оператив- 45 но и с большой достоверностью оценив ать эффективность импульсного нагнетания скрепляющего раствора в тре" шины в сравнении с его статическим н агнетанием.

5Р формула изобретения

1. Стенд для исследования процессф нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород, содержащий модель нагнетательной скважины и соедИненные с ней модель пласта с трещин ми и установку для нагнетания скрепляющего раствора с гндронасосом

10 и линией слива рабочей жидкости гидронасоса, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей 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 поршнем, 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, о т л и ч а юшийся тем, что генератор гидравлических импульсов выполнен в виде цилиндрического корпуса с дополнительной линией слива н 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 струеформирующие питающие сопла, соединяющие полости высокого и низкого давления, причем приемное сопло соединяет полость низкого давления с надпоршневой полостью гидроцилиндра, а оси питающих и приемного сопп параллельны оси вращения ротора и отстоят на равном расстоянии от нее.

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

4. Стенд по п. 1, о т л и ч а юшийся 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 н 2, о т л ич а ю шийся тем, что питающие

l 4 b 556 -!

З5 07 Л Г6 ГВ

ФИ8. 5 и приемное сопла смонтированы в корпусе генератора гидравлических импульсов с возможностью регулировки расстояния между их торцами.