Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород
Владельцы патента RU 2289652:
Институт химии нефти СО РАН (ИХН СО РАН) (RU)
Акционерная компания "АЛРОСА" (закрытое акционерное общество) (АК "АЛРОСА" (ЗАО) (RU)
Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Технический результат - повышение эффективности и структурной прочности состава при замораживании - размораживании. Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород, содержащий поливиниловый спирт и воду, дополнительно содержит борную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.%: поливиниловый спирт - 3-10, борная кислота - 0,2-1,0, вода - остальное. 2 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения (понижения водопроницаемости) из низкотемпературных грунтов и пород, особенно в районах вечной мерзлоты, а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах, построенных в районах распространения многолетнемерзлых пород.
Известен состав для закрепления грунта на основе акриламида (а.с. №395543, БИ №35, 1973 г.). Этот состав не пригоден для укрепления грунта в районах вечной мерзлоты.
Известен инъекционный раствор (а.с. №649788, БИ №8, 1979 г.) на основе цемента и хладостойкой добавки, однако такие составы имеют небольшую проникающую способность, кроме того, при закачке в зоны с большим поглощением, характерным для грунтовых плотин в районах вечной мерзлоты, он быстро размываются и не успевает схватываться.
Наиболее близким по технической сущности является состав для закрепления оттаявшего грунта в районах распространения вечной мерзлоты, для защиты грунтовых откосов от размывания талыми водами, содержащий 2-8%-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС), смешанный с грунтом и подвергнутый замораживанию в течение 3-4 часов (А.с. №1705500, БИ №2, 1992). Однако растворы ПВС образуют гели только в процессе замораживания - оттаивания, при положительных температурах они гелей не образуют. Поэтому при закачке растворов ПВС в инъекционные скважины они не могут создать противофильтрационный экран, а разбавляются и выносятся водой, как и цементные растворы.
Задачей настоящего изобретения является разработка состава для создания противофильтрационного экрана в гидротехнических сооружениях в районах распространения многолетнемерзлых пород, подвергающихся процессам периодического сезонного замораживания и размораживания.
Технический результат изобретения - повышение эффективности водонепроницаемости и структурной прочности состава при замораживании - размораживании.
Предлагаемый состав для образования противофильтрационного экрана содержит поливиниловый спирт, борную кислоту и воду при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| поливиниловый спирт | 3.0-10.0 |
| борная кислота | 0.2-1.0 |
| вода | остальное |
Указанный раствор при температуре 0-10°С образует гель, создающий противофильтрационный экран, который в процессе замораживания - размораживания превращается в криогель, при этом его противофильтрационные и прочностные характеристики улучшаются. Чем в большем количестве циклов замораживания - размораживания участвует криогель, тем лучше становятся его механические свойства: увеличивается прочность и упругость. При создании противофильтрационного экрана борная кислота, входящая в предлагаемый состав, улучшает механические свойства геля и усиливает его сцепление с карбонатной породой (фиг.1, 2).
Раствор закачивают через нагнетательные скважины в тело и основание плотины или другого гидротехнического сооружения при давлении, меньшем давления гидроразрыва грунта. За счет сцепления состава с породой фильтрационное сопротивление потоку воды увеличивается, вязкость состава возрастает (фиг.3), скорость потока замедляется. Через определенное время при температуре 0-10°С образуется гель, создающий противофильтрационный экран. Скорость потока становится равной нулю, то есть поток останавливается. В дальнейшем при сезонном замораживании - размораживании прочностные характеристики противофильтрационного экрана улучшаются.
Состав готовят следующим образом. В воду с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают необходимое количество борной кислоты, затем поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор с вязкостью 6-146 мПа·с. Изменение вязкоупругих свойств составов после термостататирования при 2°С приведены в таблице 1, вязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания - в таблице 2.
Измерение вязкости проводили методом вибрационной вискозиметрии с использованием вибрационного вискозиметра «Реокинетика» с камертонным датчиком. В качестве калибровочной жидкости использовали дистиллированную воду.
Определение модуля упругости гелей проводили на основании диаграмм «напряжение - деформация», полученных в квазистатическом режиме сжатия цилиндрических образцов. Использовалась оригинальная аппаратура на базе микрометра и электронных весов. Модуль упругости рассчитывали как угол наклона начального линейного участка зависимости напряжения сжатия от величины деформации, для которого соблюдается закон Гука. Результаты измерения вязкости и упругости криогелеобразующих составов показали, что они образуют маловязкие растворы с невысокой упругостью, их легко можно прокачивать насосом и продвигать на достаточно большое расстояние в процессе тампонажа. При образовании криогелей после однократного замораживания - размораживания вязкость композиций увеличивается в 9,2 раза, модуль упругости - в 4,6 раза. Результаты измерений приведены в таблицах 1 и 2.
| Таблица 1 - Изменение вязкоупругих свойств составов после термостататирования при 2°С | |||||
| № | Вещества | Концентрация, мас. % | Время, сут | Вязкость, мПа·с | Модуль упругости. Па |
| 1 | ПВС | 5 | 0 | 27,8 | 3685 |
| 2 | 35,6 | 8723 | |||
| 5 | 10530 | ||||
| 2 | ПВС | 3,0 | 0 | 5,9 | 4747 |
| Борная кислота | 0,5 | 2 | 7,3 | 8627 | |
| 3 | ПВС | 5,0 | 0 | 23,3 | 7923 |
| Борная кислота | 0,2 | 2 | 13790 | ||
| 5 | 63,7 | 13440 | |||
| 4 | ПВС | 5,0 | 0 | 24,5 | 8235 |
| Борная кислота | 0,5 | 2 | 77,7 | 15000 | |
| 5 | 86,3 | 17470 | |||
| 5 | ПВС | 5,0 | 0 | 36,0 | 10260 |
| Борная кислота | 1,0 | 2 | 81,6 | 21310 | |
| 5 | 88,2 | 23830 | |||
| 6 | ПВС | 7,0 | 0 | 54,9 | 8953 |
| Борная кислота | 0,2 | 2 | 147,1 | 17530 | |
| 5 | 161,6 | 32600 | |||
| 7 | ПВС | 7,0 | 0 | 73,1 | 6176 |
| Борная кислота | 0,5 | 2 | 157,0 | 29480 | |
| 5 | 220,6 | 38240 | |||
| 8 | ПВС | 7,0 | 0 | 96,3 | 7389 |
| Борная кислота | 1,0 | 2 | 238,4 | 38650 | |
| 6 | 300,8 | 45850 | |||
| 9 | ПВС | 10,0 | 0 | 146,8 | 8206 |
| Борная кислота | 1,0 | 2 | 469,6 | 96954 |
| Таблица 2 - Вязкоупругие свойства составов до и после процесса замораживания - размораживания | |||||
| Вещества | Концентрация, мас, % | Раствор | Криогель | ||
| Вязкость, мПа·с | Модуль упругости, Па | Вязкость, мПа·с | Модуль упругости, Па | ||
| ПВС | 5,0 | ||||
| Борная кислота | 1,0 | 43,9 | 5176 | 404,5 | 236500 |
| ПВС | 7,0 | ||||
| Борная кислота | 1,0 | 96,3 | 7389 | 486,5 | 254200 |
| ПВС | 10,0 | ||||
| Борная кислота | 1,0 | 146,8 | 8206 | 2216 | 314650 |
Приведем примеры конкретного выполнения.
Пример 1 (по прототипу). 50,0 г поливинилового спирта заливают 950,0 г горячей воды с температурой 70-90°С и перемешивают до получения однородного раствора.
Полученный раствор содержит 5,0 мас.% поливинилового спирта. Изменения вязкости и модуля упругости раствора после термостатирования при 2°С приведены в таблице 1.
Пример 2. В воду с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают 5,0 г борной кислоты, затем 30,0 г поливинилового спирта и перемешивают до получения однородного раствора. Получается раствор, содержащий 3,0 мас.% поливинилового спирта. Изменения вязкости и модуля упругости раствора после термостатирования при 2°С приведены в таблице 1.
Примеры 3-9. (Аналогично примеру 2 при различных соотношениях компонентов.) Изменения вязкости и модуля упругости раствора после термостатирования при 2°С приведены в таблице 1.
Пример опытно-промышленных испытаний состава.
В 5 скважин на плотине Иреляхского гидроузла РЦ-6, Г-1, Г-2, Г-3 и РЦ-7 произведена поинтервальная закачка криогелеобразующих составов с целью тампонажа фильтрующего основания плотины. Был закачан криогелеобразующий состав, содержащий ПВС - 5 мас.%, борная кислота - 1 мас.%, вода - остальное. Приготовление состава, содержащего 5% ПВС и 1% борной кислоты, осуществлялось следующим образом. В теплоизолированную емкость вместимостью 0.75 м3 с лопастной мешалкой помещали 700-710 л воды, предварительно нагретой до 90°С, при постоянном перемешивании засыпали 7.5 кг борной кислоты, затем 40 кг ПВС и перемешивали 3-5 часов до получения однородного раствора. Полученный раствор в количестве 750 л по шлангам буровым трехплунжерным насосом НБ4-160/63 перекачивали в емкость вместимостью 1.5 м3 с лопастной мешалкой, где раствор охлаждался до 20-30°С. Раствор готовили параллельно в двух емкостях по 0.75 м3 с мешалками.
Всего была закачана 51 тонна раствора. По скважинам опытного участки объем закачки раствора находился в пределах 0.3-0.6 м3, в среднем 0.4 м3 на 1 м пробуренного интервала. Опытно-промышленные работы показали, что криогелеобразующие растворы можно готовить непосредственно на плотине и закачивать в скважины с использованием стандартной техники для цементации.
Разбуривание скважин РЦ-6 и РЦ-7, в которых 3 месяца назад была проведена цементация до 37 и 38 м, показало, что цементирование этих скважин не создало цементной завесы и не остановило на этом участке фильтрацию воды через основание плотины, так как вода появилась в скважине РЦ-6 с 26 м, в скважине РЦ-7 - с 22-27 м, водопоглощение при гидроопробовании составило 120 л/мин при 0 атм. Поэтому закачку раствора проводили в те же интервалы, и только после остановки фильтрации воды и создания в вышележащей зоне гелевого экрана производили закачку раствора в нижележащие интервалы - до 45 м.
В опытных скважинах Г-1, Г-2 и Г-3 вода появилась с 24-26 м, водопоглощение при гидроопробовании составляло максимально 120 л/мин при 0-1 атм, до образования криогелевого экрана между скважинами существовала хорошая гидродинамическая связь. В этих скважинах закачку раствора производили поинтервально, с интервалами 3-7 м. Разбуривание нижележащих зон после закачки криогеля происходило легко, при этом из промороженных зон плотины криогель выбуривался в виде кусков и крупинок, а из растепленных зон - в виде геля. В тех зонах, куда был закачан криогель, как правило, водопритока не было. Во всех опытных скважинах криогелевая завеса была создана до глубины 45-46 м.
За счет закачки состава в скважины РЦ-6, Г-1, Г-2, Г-3 и РЦ-7 на опытном участке в основании плотины с глубины от 16 до 45 м образовался криогелевый экран длиной 15 м, площадью приблизительно 430 м2 и толщиной около 3 м, создавший противофильтрационную завесу. Об этом свидетельствует тот факт, что при последующем разбуривании нижележащих зон скважин в тех зонах, куда был закачан раствор криогеля, водопритока не наблюдалось. При бурении контрольной скважины КГ-1 между скважинами Г-1 и Г-2 в разбуренных интервалах 21-37 м водопритока не наблюдалось, при этом закачивалось «до отказа» очень мало цементного раствора, например 37 кг для зоны 21-27 м. Кроме того, старая температурная скважина 57, находящаяся в нижнем бьефе напротив опытного участка закачки криогеля, с 30 августа перестала фонтанировать.
Согласно Акту опробования контрольной скважины КГ-1, пробуренной между скважинами Г-1 и Г-2, в интервале 21-36 м при давлении 0.5-1.5 атм удельное водопоглощение находилось в пределах 0.018-0.022 л/(мин·м·м), в среднем 0.017 л/(мин·м·м); в интервале 36-40 м при давлении 0.7-1.5 атм удельное водопоглощение находилось в пределах 0.14-0.44 л/(мин·м·м), в среднем 0.28 л/(мин·м·м). В интервале 21-40 м при давлении 0.5-1.5 атм среднее удельное водопоглощение равно 0.15 л/(мин·м·м). Инъекционные работы по криогелевой завесе следует признать достаточными, так как среднее удельное водопоглощение в контрольной скважине до глубины 40 м составляет 0.15 л/(мин·м·м), что не превышает 1 л/(мин·м·м).
В процессе цементирования контрольной скважины КГ-1 при закачивании цементного раствора «до отказа» поглощение цемента было незначительным: в интервале 21-36 м - 0.8 кг/м, в интервале 36-40 м - 16.5 кг/м. Эти значения существенно меньше наблюдавшихся при цементации скважины РЦ-6, разбуренной и зацементированной за 3 месяца до проведения опытных работ (поглощение цемента составляло: в интервале 21-24 м - 142 кг/м, в интервале 24-27 м - 530 кг/м).
Результаты проведения опытно-промышленных работ показали, что для создания противофильтрационной завесы достаточное количество раствора составляет в среднем 0.4 м3 на 1 м пробуренного интервала.
Опытно-промышленные работы показали, что составы можно готовить непосредственно на плотине и закачивать в скважины с использованием стандартной техники для цементации. При образовании криогелей после однократного замораживания - размораживания вязкость составов увеличивается в 5.4-32.8 раза, модуль упругости - в 4-6.9 раза.
Состав для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород, содержащий поливиниловый спирт и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит борную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| Поливиниловый спирт | 3-10 |
| Борная кислота | 0,2-1,0 |
| Вода | Остальное |
