Стенд для исследования процесса нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород

)4 Е 21 С 39/ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ледовательинсти льство СССР 39/00, 1982. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный научноский геологоразведочньугольных месторождениГ(54) СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССАНАГНЕТАНИЯ СКРЕПЛЯЮЩИХ РАСТВОРОВ ВТРЕЩИНЫ ГОРНЫХ ПОРОД(57) Изобретение относится к горномуделу. Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей стендаза счет обеспечения возможности изучения влияния на исследуемый процесспульсирующего давления (ПД), воздействующего на скрепляющий раствор,Мо"146 т 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 Т 1 приоединена установка для нагнетания ,крепляющего раствора в виде гидро 4 илиндра 5 с поршнем 6, Надпоршневая олость (П) 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 высоого 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 1517, а в корпусе 12 установлено с озможностью осевого перемещения дифузорное приемное сопло 21, которое 5565соединяет П 17 с П 7. Оси сопл 20и 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 ПД,в трубе 1 - датчик 46 1 Ц. В моделях 4трещин также установлены датчики Ш.При вращении сопла 20 периодическисовмещаются с соплом 21, На выходесопла 21 формируется ПД. Рабочаяжидкость, не попадающая в сопло 21,идет в линию 18 слива, От сопла 21ПД передается в П 7. В результатепоршень 6 вытесняет пульсирующимидвижениями раствор 11 в Т 1 и в модели 4 трещин, Датчики 45, 46 и датчикиПД 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 горных пород с целью выбора рациональных ,составов скрепляющих растворов и технологических режимов их нагнетания,Целью изобретения является расшич рение функциональных воэможностеи 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 иэ которых прикреплена к соответст 2вующему фланцу 3 трубы 1. К устьюмодели нагнетательной скважины - входному отверстию трубы 1 - присоедине-на установка для нагнетания скрепляю щего раствора, выполненная в видегидроцилиндра 5 с поршнем 6, разделяющим внутренний объем гидроцилиндра 5 на надпоршневую полость 7, соединенную гидравлической линией 8 сгидронасосом 9, и подпоршневую полость 10, заполненную скрепляющимраствором 11 и соединенную с трубой 1.С гидравлической полостью 7 гидроцилиндра 5 соединен генератор гидравлических импульсов, выполненный в виде установленного на свободном торцегидроцилиндра 5 цилиндрического корпуса 12 и ротора 13 с приводом 14, 20 закрепленным на корпусе 12. Ротор 13установлен внутри корпуса 12 и разделяет его на полость 15 высокого давления, соединенную линией 16 нагнетания с гидронасосом 9, и полость 17низкого давления, соединенную линией 18 слива с рабочим баком 19 гидронасоса 9.В роторе 13 выполнены струеформирующие питающие сопла 20, соединяю з 14655щие полости 15 и 17 высокого и низкого давления, а в корпусе 12 уста-,новлено с воэможностью осевого перемещения сменное диффузорное приемное.5сопло 21, соединяющее полость 17 низкого давления генератора гидравлических импульсов с надпоршневой полостью7 гидроцилиндра 5, при этом оси питающих сопл 20 и приемного сопла 21параллельны оси вращения ротора 13и отстоят на равном расстоянии от нее.Каждая из моделей 4 трещин (фиг.2,3) содержит пластины 22 и 23 из прозрачного материала (например из оргстекла), между которыми установленыпрокладки 24 и 25 с образованием зазора 26, имитирующего трещину, Пластины 22 и 23 фиксируются между жесткими металлическими пластинами 27 20и 28, зажатыми болтами 29 в швелле"рах 30 и 31, В пластинах 27 и 28 выполнены продольные прорези 32 и 33,служащие в качестве смотровых окондля визуального и инструментальйого 2 бнаблюдения за движением скрепляющегораствора 11 по зазора (искусственной трещине) 26 в процессе его нагнетания. Для исключения перекоса и нарушения герметичности зазора 26 швеллеры 30 и 31 фиксируются по их свободным концам пластинами 34 и 35,: стянутыми болтами 36 и 37. Швеллеры30 и 31 жестко прикреплены (напримерприварены) к фланцу 38, который, всвою очередь, соединяется с фланцем 3.Во фланце 3 выполнено круглое отверстие 39, являющееся продолжением отверстия 2 трубы 1, а во фланце 38напротив зазора 26 выполнена сквозная прорезь 40, высота которой равнамаксимальной высоте зазора 26, устанавливаемого в процессе проведенйяисследований. На пластине 27 вдольпрорези 32 установлена шкала 41(фиг. 1) для отсчета радиуса продви-жения скрепляющего раствора 11 нозазору 26 от трубы 1, моделирующейнагнетательную скважину в массиве.Для облегчения наблюдения через прорезь 32 за движением раствора по зазору 26 модель 4 трещины может бытьснабжена подсветкой (не показана),устанавливаемой со стороны второйпрорези 33,В линии 16 нагнетания установленрасходомер 42, служащий для измерения объемного расхода рабочей жидкости, подводимой к генератору гидравли 654ческих 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 1 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 йоменты 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 Аланцев 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, 11 одпоршневую полость 10 гидроцилиндра 5 заправляют скреп" ляющим раствором 11 (например цементным, полимерным, магнеэиальным и т.п.) с заданным компонентным составом5 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 - Вв открытом положении. Из полости 15 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 сопла 21 переходит в потенциальную энергию давления, в результате чего в приемном сопле 21 давление импульсновозрастает. В процессе расхождениясопл 20 и 21 давление в сопле 21,напротив, импупьсно падает до значения, соответствуйцего давлению в полости 17. В результате на выходе при емного сопла 21 Формируется пульси-рующее 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 геометрией 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 гидравлических импульсов пульсирующее давление передается из сопла 21 в надпоршневую полостьгидроцилиндра 5 и, воздействуя на поршень б, сообщает ему пульсирующее движение, в процессе которого поршень 6 вытесняет скреп 5565 6ляющий раствор 11 в трубу 1 (в случае, если раствор не попал в нее самотеком) и далее через отверстия 2в трубе 1 и прорези 40 (Фиг. 2) во5фланцах 38 - в зазоры 26, имитирующие трещины горных пород. В соответствии с пульсирующим характером движения поршня б давление скрепляющегораствора 11 и его движение по трактугидроцилиндр 5 - труба 1 - зазоры 26носит также пульсирующий характер.,За процессом пульсирующего движения раствора по зазорам 26 ведетсявизуальное наблюдение через прорези32 и для документации наблюдаемогопроцесса проводится его кино- илиФотосъемка. Датчик 45 регистрируетпульсирующее давление, Формируемоегенератором гидравлических импульсовв надпоршневой полости 7 гидроцилиндра 5; датчики 46 дают информацию остепени затухания амплитуды и изменении крутизны и продолжительности25 проходящих по раствору 11 импульсовдавления в зависимости от расстояния,проходимого данными импульсами вдольтрубы 1, а также в зависимости от протяженности (вдоль оси трубы 1) моде 3 О ли пласта с трещинами, густоты и величины раскрытия моделируемых трещин(данная информация служит основойдля расчета степени затухания энергиии изменения формы импульсов давленияскрепляющего раствора в реальной на 35гнетательной скважине в зависимостиот ее глубины, а также в зависимостиот мощности, т,е. протяженности, трещиноватой зоны пород, вскрытой нагне 4 О тельной скважиной, густоты расположения и величины раскрытия трещин вуказанной зоне), а датчики 47 регистрируют распределение пульсирующегодавления вдоль зазора 26 в каждой мо 45дели 4 трещины и одновременно моменты (время) прохождения раствором участков зазора 26, на которых установлены данные датчики 47, Регистрацияпараметров пульсирующего давления,50воспринимаемого системой указанныхдатчиков 45, 46 и 47, производитсяс помощью подключенной к ним соответствующей регистрирующей аппаратуры(например осциллографа, самописцаи т.п,),Скорость импульсного движения раствора 11 по зазорам 26 определяют поматериалам кино- или фотосъемки процесса, наблюдаемого через прорези 32, 14655658или по данным записи сигналов, поступающих от системы датчиков 47 к регистрирующей аппаратуре (не показана), производящей указанную эапись. УкаЭ эанная скорость может эамеряться также с помощью секундомера и шкалы 41 (фиг. 1), однако данный способ рацио.нально использовать только при сравни" тельно 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 гулировку частоты и амплитуды пульсирующего давления, формируемого генератором гидравлических импульсов в надпоршневой полости 7 гидроцилинд- . ра 5. Регулировку частоты выходных 25 импульсов осуществляют путем регулирования числа оборотов выходного вала привода 14 и изменением числа питающих сопл 20 в роторе 13, а амплитуду ука занных 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 4 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 13.50Для 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 влияния на указанный процесс вида скрепляющего раствора 11, его рецептуры и вязкости описанные ис" следования 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 нагнетания, ориентации и раскрытии зазоров 26, противодавлении в них; параметрах, характеризующих скрепляющие растворы и др.). При 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 6Для уточнения величины ра9 14655 ночего давления в надпоршневой по 4 ости 7 последняя может быть снабжена воим манометром (не показан) с перерывным краном, блокирующим данный5 Манометр при подаче в полость 7 пульсирующего давления, При необходимости например, при отсутствии возможнос 1 и установки на приводе 14 Фиксатоа 55 или каким-либо другим причинам) 0 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 гидравлическихпульсов - в обход последнего через идравлическую линию 8 при открытом оложении перекрывного крана 48 20 1 закрытом положении крана 49,Стенд обеспечивает возможность экспериментального исследования проесса импульсного движения скрепляюего раствора по сети искусственных 25ещин под воздействием пульсирующего авления. При этом стенд позволяет зучать влияние на указанный процесс аких параметров, как величина раскрытия трещин и их ориентация в про" З 0 странстве, компонентный состав, реиептура и вязкость, скрепляющих растворов, частота и амплитуда импульсов р бочего давления на выходе гидроп льсатора, величина противодавления п астовой жидкости, глубина нагнетат льной скважины, мощность трещино" в той зоны, в которую нагнетается с репляющий раствор, и густота трещнн в данной зоне, Причем стенд поз воляет производить нагнетание скрепляющего раствора в трещины как в импульсном, так и в статическом режиме с возможностью быстрой смены указаннЫх режимов, что позволяет оператив но и с большой достоверностью оцени" вать эффективность импульсного нагнетания скрепляющего раствора в тре" шины в сравнении с его статическим нагнетанием,50 формула изобретения1. Стенд для исследования процесс нагнетания скрепляющих растворов в трещины горных пород, содержащий модель нагнетательной скважины и соедИненные с ней модель пласта с трещинми и установку для нагнетания скрепляющего раствора с гндронасосом 10и линией слива рабочей жидкости гидронасоса, о т л и ч а ю щ н й 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 скрепляю" щего раствора выполнена в виде гидро- цилиндра 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 ющ и й с я 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 кгидронасосу, и полость низкого давления, соединенную с дополнительной линией слива, в роторе выполнены струе- Формирующие 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 ющ и й с я 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 ющ и й с я тем, что модель нагнетательной скважины выполнена с возможностью регулировки длины интервала между ее устьем и моделью пласта стрещинами, а последняя выполнена с возможностью регулировки длины интервала между трещинами.5, Стенд по пп. 1 н 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что питающиеи приемное сопла смонтировань в корпусе генератора гидравлических импульсов с возможностью регулировкирасстояния между их торцами.