ТАМПОНАЖНО-ИНЪЕКЦИОННЫЙ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ФОРМАЦИЯХ
PLUGGING AND INJECTION WATERPROOFING MATERIAL FOR CEMENTING OPERATIONS IN UNDERGROUND FORMATIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к быстросхватывающимся, модифицированным тампонажным смесям на цементном вяжущем для оперативного закрепления неустойчивых массивов горных пород, тампонажа скважин и остановки водопритоков в горных массивах и строительных конструкциях общестроительного, гидротехнического назначения, ограждающих конструкций различных типов с применением буроинъекционных технологий. Указанная многофункциональная смесь может также найти применение при строительстве гидротехнических сооружений, устройства противофильтрационных завес, горной промышленности, бурении скважин и ликвидации аварийных состояний при бурении скважин, ликвидации динамики воды в подземных формациях (карстовые пустоты, скважины, трещины горных пород). Применяется в стандартном исполнении и в исполнении с расширяющимся эффектом.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известны различные композиции для тампонажных работ в подземных формациях. В частности, известен тампонажный материал, раскрытый в патенте RU 2235857, опубликованном 10.09.2004, который включает портландцемент, расширяющуюся добавку, гипс, ускоритель твердения, пластификатор, в качестве расширяющейся добавки содержит, по крайней мере, одну добавку из группы: глиноземистый, сульфоалюминатный цемент, алюминатсодержащие отходы-шлаки от производства ферротитана, ферробора, вторичной переплавки алюминия, в качестве пластификатора – смесь триэтаноламина и кремнеземсодержащей добавки многофункционального действия - КМХ в соотношении от 1:1 до 1:10 и облегчающую добавку, в качестве которой используют алюмосиликатные микросферы, или микрокремнезем, или вспученный вермикулит, или вспученный перлит при следующем соотношении компонентов тампонажного материала, мас.%: расширяющаяся добавка 2-15; гипс 7-9; ускоритель твердения 2-8; указанный пластификатор 0.3-0.8; облегчающая добавка 3-10; портландцемент – остальное. В качестве ускорителя твердения тампонажный материал может содержать хлористую соль щелочного или щелочноземельного элементов.
Недостатками данного технического решения являются высокая плотность тампонажного раствора, а также невысокие прочностные и адгезионные характеристики цементного камня.
Также из уровня техники известна тампонажная композиция, раскрытая в патенте на изобретение RU 2399643, опубликованном 20.09.2010, содержащая, мас. %: портландцемент тампонажный 65,9-69,5; водорастворимый полимер 0,1-0,5; комплексную минеральную добавку - КМД-СО, следующего химического состава, мас. %: SiO2 55,0-70,0; Al2O3 16,0-25,0; Fe2O3 1,0-4,0; СаО 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na2O 0,1-1,4; K2O 0,2-3,5; TiO2 0,6-1,5 с размером частиц не более 500 мкм – остальное.
К недостаткам известной тампонажной смеси относится низкая плотность и недостаточная стойкость к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является композиция для тампонажных работ в подземных формациях, раскрытая в заявке на изобретение US 2003/150,615, опубликованной 14.08.2003, которая содержит цемент, например, шлаковый, в количестве, по меньшей мере, 50 мас.%, хлористый кальций – 0,2-12 мас.%, добавку для контроля потери жидкости – 0,2-8 мас.%, пластификатор – 0,2-8 мас.%, кремнеземистый наполнитель – 20-60 мас. % от веса цемента и воду затворения. Указанная композиция является быстротвердеющей и после отверждения обладает повышенной прочностью и химической стойкостью.
К недостаткам данной композиции относится то, что она не является расширяющейся и имеет недостаточно высокую эффективность при заполнении свободного пространства, не применима в технологии струйной цементации, не используется для изготовления противофильтрационных завес и остановке активных водопритоков. Данная композиция является быстротвердеющей и имеет пониженную плотность, а также за счет наполнителей не применима при технологии струйной цементации, не обладает подвижностью, обеспечивающей проникающую способность в различных типах грунтов. Не обладает повышенной стойкостью к размыву грунтовыми и иными типами вод.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является получение быстросхватывающеогося, гидроизоляционного, модифицирующего грунты материала, в стандартном исполнении с коэффициентом расширения до 3% от исходного объема раствора применяемого в качестве гидроизоляционного инъекционного быстросхватывающегося материала с повышенными прочностными характеристиками конечного камня и грунто-миннерального материала получаемого в процессе применения и расширяющегося материала (маркировка «Р»)с коэффициентом расширения до 10-15 % от исходного объема  применяемого в качестве быстросхватывающегося гидроизоляционного инъекционного материала применение которого обеспечивает дополнительное уплотнение грунтов заполняемых подземных формаций, эффективное заполнение трещин и пустот обуславливаемое дополнительным давлением образуемым в процессе увеличения объема,  устойчивого к негативным  внешним воздействиям динамики воды, размыву, агрессиям различного генезиса.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является получение быстро теряющей подвижность и быстротвердеющей смеси, обладающей высокой стойкостью к агрессивному воздействию грунтовых вод, стойкостью к размыву, химической агрессии, обладающей гидроизоляционными свойствами, возможностью использования с большинством типов бурового, цементационного и инъекционного оборудования, расширяющейся в заданных объемах при необходимости, в качестве тампонажного и гидроизоляционного инъекционного материала.
Основным показателем применимости материала с различными буро-инъекционными  технологиями, различным  буровым и цементационным оборудованием является соблюдение требований по подвижности раствора, с водо-твердым соотношением В/Т = 0,4-05 не менее П1-П2 для инъекционных растворов, П2-П3 для водо-твердого соотношения В/Т = 0,7-0,8 при струйной цементации и скорости потери подвижности свежеприготовленного раствора не менее 15 мин, обеспечивающих технологический цикл приготовления и нагнетания раствора с применением плунжерных, поршневых и иных типов насосов. Данный показатель обеспечивается соблюдением концентрации ускорителей и замедлителей процессов набора прочности и потери подвижности.
Результатом применении раствора с расширением свыше 5 % от исходного объема, зависящего от В/Т раствора и температуры применения, является уплотнение вмещающих формацию грунтов и строительных конструкций. Получение раствора, быстро теряющего подвижность и набирающей прочность, обладающего высокой стойкостью к агрессивному воздействию грунтовых вод, стойкостью к размыву, химической агрессии, обладающей высокими гидроизоляционными свойствами.
Указанный технический результат достигается за счет того, что тампонажно-инъекционный гидроизоляционный материал для операций цементирования в подземных формациях, включающий портландцемент, минеральные добавки, гиперпластификатор, реагент для обеспечения газообразования, формиат или хлорид кальция, содержит портландцемент бездобавочный типа ЦЕМ 1 класса 42,5 (М500), ангидрид Г5 Б-2, в качестве минеральных добавок – бентонитовый порошок и глиноземистый цемент, в качестве указанного гиперпластификатора – РС 1701, в качестве реагента для газообразования – алюминиевую пудру и дополнительно винную кислоту в качестве регулятора скорости потери подвижности раствора, гидрофобизатор в качестве реагента, обеспечивающего дополнительную капилярную водонепронецаемость, эфир целлюлозы Р100 и бентонитвый порошок в качестве стабилизатора и гидроизолирующего элемента, соду кальцинированную и алюминиевый порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
указанный портландцемент
75-90
ангидрид Г5 Б-2
5-10
гиперпластификатор РС 1701
0,1-0,18
винная кислота
0,01-0,06
эфир целлюлозы Р100
0,06-0,15
алюминиевая пудра
0,01-0,1
хлорид кальция
0,5-2,0
бентонитовый порошок
1-5
гидрофобизатор
0,08-0,15
глиноземистый цемент
8-10
сода кальцинированная
0,1-0,5
порошок алюминиевый
0,01-0,1
2
3
2
Основой тампонажно-инъекционного гидроизоляционного материала для операций цементирования в подземных формациях является портландцемент бездобавочный типа ЦЕМ I 42,5 Н (М500). Глиноземистый цемент ГЦ 40,50,60, совместно с ангидридом Г5 Б-2, кальцинированной содой NaCO и хлоридом кальция СаСl позволяет обеспечить следующие характеристики тампонажно-инъекционного гидроизоляционного материала: регулирование скорости потери подвижности раствора смеси и скорости первичного набора прочности. При этом добавление ангидрида марки Г5 Б-2 в концентрации 8 мас.%, ГЦ 60 – 10 мас.% и хлористого кальция мас.% 2,0  обеспечивает ускорение потери первичного набора прочности раствора на 47 %.
Задачи, выполняемые гиперпластификатором РС 1701 на основе поликарбоксилата в тампонажно-инъекционном гидроизоляционном материале, сводятся к повышению подвижности (растекаемости) раствора и снижению его структурной (пластической) вязкости, обеспечивающей высокую проникающую способность и возможность применения в качестве рабочей жидкости при струйной цементации грунтов Jetgrouting. Если гиперпластификатора менее 0,1 мас.%, то подвижность раствора с водотвердым соотношением В/Т=0,6 по методике Аз НИИ ГОСТ 59538 соответствует показателю П2 (18-24 см), если содержание гиперпластификатора более 0,85 мас.% при аналогичных условиях, то подвижность раствора соответствует значениям П3 (24-30 см).
За счет добавки винной кислоты обеспечивается оперативное регулировние значений скорости потери подвижности при фиксированных значениях концентраций реагентов регуляторов скорости потери подвижности и набора прочности (ГЦ, ангидрит, хлористый кальций, сода – const). Недостаток винной кислоты (менее 0,01 мас.%) может привести к тому, что сроки потеря подвижности раствора при В/Т=0,45 может быть меньше 15 мин. и обуславливать невозможность технологического применения раствора, а её избыток (более 0,06 мас.%), при аналогичных условиях значительное замедление первичного набора прочности и потери подвижности, снижению потребительских свойств рабочего раствора.
Наличие в заявляемом материале бентонитового порошка способствует стабилизации раствора. При внесении бентонитового порошка менее 1 мас.% происходит потеря стабильностьи раствора, обеспечиваемой совместно со стабилизаторами и структурообразователями (эфир целлюлозы Р100), происходит расслоение раствора и оседание твердой фракции при В/Т =0,8, а при внесении бентонитового минерального порошка более 5мас.% происходит резкое загустевание раствора, создание плотной коллоидной системы с вязкостью по воронке Марша при В/Т=0,8 свыше 160 с. и, как следствие, невозможность применения в технологиях струйной цементации, но повышающую водонепроницаемость раствора выше показателей W=16.
Ввод алюминиевой пудры позволит обеспечить безусадочность раствора с расширением до 3% max при содержании реагента не более 0,01 мас.% для материала в стандартном исполнении. Для материала в расширяющемся исполнении с маркировкой «Р» концентрация реагента составляет до 0,1 мас.%, что соответствует значениям расширения раствора материала  от 10 до 15 % от исходного  объема (зависит от вязкости и скорости потери подвижности раствора материал, зависимость от В/Т).
2
3
Кальцинированную соду NaCO добавляют в качестве ускорителя сроков потери подвижности. При добавлении кальцинированной соды свыше 0,5 мас.% происходит снижение первичной потери подвижности относительно бездобавочного раствора до 90 мин, а при добавлении хлорида кальция более 2,0 мас% приводит к увеличению конечной прочности материала на 20 % и ускорению набора прочности на 25-30%.
Дополнительное введение в состав композиции гидрофобизаторов с концентрацией 0,1 мас.%, совместно с бентонитовым порошком увеличивает гидроизолирующие свойства раствора материала, обеспечивает стойкойкость к размыву грунтовыми водами, повышает водонепроницаемость. Введение бентонитового порошка с концентрацией 1 мас.% соответствует требованиям, предъявляемым к гидроизолирующим материалам, и повышает значения  показателя водонепроницаемости W на 2 ступени, в зависимости от В/Т раствора.
Водный раствор сухой смеси материала в стандартном исполнении, либо в расширяющемся исполнении с маркировкой «Р», применяется с различными водотвердыми соотношениями, находящимися в диапазоне от 0,45 до 1,0 в зависимости от технологии применения при использовании раствора, обладает высоким скоростями потери подвижности и начала первичного набора прочности, потеря подвижности в пределах 15 мин для раствора В/Т=0,45 вне зависимости от типа исполнения и до 45 мин для В/Т=0,8, начало набора прочности для минимальных значений В/Т и отсутствия увеличения объема составляет 30-40мин. Прочность камня на 28 сутки не менее 7 МПа для расширяющегося исполнения  «Р» и до 20 МПа на 28 сутки для стандартного исполнения.  Показатель прочностных характеристик зависит от плотности раствора модификаций материалов при приготовлении и колеблется от 1,53 кг/дм3 для В/Т=0,8 до 1,91 при В/Т=0,4, коэффициента объемного расширения исходного раствора в пределах, характеризуемого коэффициентом объемного расширения Кр=1,01-1,03 в стандартном исполнении и Кр=1,1-1,15 в расширяемом, температурных режимов применения материала. Значения водонепроницаемости камня, образуемого при использовании материала, соответствуют диапазону от W=6 до W=12. Подвижность ГОСТР 59538— 2021 от П1 до П3, водоотделение при максимальных допустимых значениях В/Т не более 2-4 %.
Материал является многофункциональным, комплексным, тампонажным и гидроизоляционным материалом, применимым с различными технологиями производства работ:
• Инъекционные.
• Буроинъекционные.
• Технологии тампонажа сухой смесью с пневмотранспортом.
• Технология струйной цементации Jet Grouting.
• Буровые технологии, противоаварийные работы на скважинах.
• Герметизация ограждающих конструкций и гидротехнических сооружений.
Примеры реализации изобретения
Пример 1.
Тампонажную композицию в расширяющемся исполнении готовят смешением бездобавочного портландцемента по ГОСТ 31108-2016 типа ЦЕМ 1 класса 42,5 (марки М500) – 75 мас.%; минеральной добавки – гипс – 8,5 мас.%; минеральной добавки – бентонитовый порошок – 2 мас.%; минеральной добавки – цемент глиноземистый  – 10 мас.%; соды кальцинированной – 0,1-3%; гиперпластификатора РС 1701 – 0,1-0,15 мас.%; алюминиевой пудры – 0,03 мас.%; кальция хлористого – 2 мас.%; винной кислоты – 0,02 мас.%, гидрофобизатора – 0,15-0,3 мас.%. Полученную сухую смесь затворяют водой до получения водотвердого отношения 0,45. Готовый раствор, приготовленный из сухой смеси, должен иметь на момент начала инъекции жидкую консистенцию, позволяющую эффективно прокачивать по шлангам в подлежащие заполнению с целью закрепления, модификации или устранения водопритоков и протечек трещины, пустоты, полости, грунт. При нагнетании в подземную формацию готовой смеси – раствора рекомендуется проведение работ до начала реакции газообразования (расширяющаяся смесь с литерой «Р»).
0
Рекомендуемая температура воды затворения от +10 до 30С, ГОСТ 23732-2011. Приготовление и нагнетание раствора в подземную формацию рекомендуется производить винтовыми насосами непрерывного приготовления и подачи раствора. Температура раствора от +10 °С.
При применении буроинъекционных технологий по ликвидации водопритоков в грунтовых массивах через инъекторы или буровые снаряды давление нагнетания создается до 40 bar, расход раствора – в зависимости от производительности цементационного оборудования.
.,
Минимальная допустимая прочность при объемном расширении 3% и водотвердом соотношении В/Т=0,45 на 28 сутки не менее 18 МПа, W=8. Время начала реакции газообразования – не более 15 мин время потери подвижности раствора – 15 мин, время начала первичного набора прочности раствора не более 40 мин в нормальных условиях.
Пример 2.
0
Тампонажную нерасширяющуюся, безусадочную композицию в стандартном исполнении готовят смешением бездобавочного портландцемента по ГОСТ 31108-2016 типа ЦЕМ 1 класса 42,5 (марки М500) – 75 мас.%; минеральной добавки – гипс – 8,5 мас.%; минеральной добавки – бентонитовый порошок – 1 мас.%; минеральной добавки – цемент глиноземистый  – 10 мас.%; соды кальцинированной – 0,1-3%; гиперпластификатора РС 1701 0,1-0,15 мас. %; кальция хлористого – 2 мас.%; винной кислоты – 0,02 мас.%; гидрофобизатора – 0,15-0,3 мас.% Полученную сухую смесь затворяют водой до получения водотвердого соотношения В/Т=0,8, применяемого при струйной цементации грунтов. Готовый раствор приготовленный из сухой смеси должен иметь на момент начала инъекции жидкую консистенцию с температурой не ниже +10°С, позволяющую эффективно прокачивать по шлангам в режиме струйной цементации, в подлежащие заполнению с целью закрепления, модификации или устранения водопритоков и протечек трещины, пустоты, полости, грунт. Рекомендуемая температура воды затворения от +10°С до 30С, ГОСТ 23732-2011. Приготовление и нагнетание раствора в подземную формацию.
При применении буроинъекционных технологий по ликвидации водопритоков в грунтовых массивах через буровые снаряды режим струйной цементации Jet Grouting давление нагнетания создают до 400 bar, расход раствора – в зависимости от производительности цементационного оборудования.
Минимальная допустимая прочность при объемном расширении до 3 % и В/Т=0,8 на 28 сутки не менее 7 МПа, показатель водонепроницаемости для растворов. Для базового нерасширяющегося раствора В/Т =0,8 W=8. Прочность на третьи сутки не менее 2,1 МПа. Время начала потери подвижности раствора составляет не более 30 мин, время начала первичного набора прочности раствора не более 60 мин в нормальных условиях.
Промышленная применимость
Примерами применения растворов материалов в стандартном и расширяющемся исполнении являются:
• Применение раствора в стандартном исполнении при усилении и модификации грунтов в сторону увеличения водонепроницаемости по технологии струйной цементации с В/Т раствора 0,8. Обеспечивает увеличение прочности грунто-миенрального камня образуемого по результату производства работ (конечная прочность обуславливается характеристиками грунтов и обемом привнесенногшотьв него материала). Увеличение показателя водонепроницаемости W на 2 ступени. Основное требование без учета повышения гидроизоляционных свойств при производстве работ – увеличение прочности и срок потери подвижности.
• Применение расширяющегося материала при создании противофильтрационной завесы, заполнения трещин в горных породах, ликвидация фильтрации воды через данные горне породы. Водо-твердое отношение применяемого раствора В/Т=0,6. Подвижность раствора – П2, применяемая технология – инъектирование грунта через манжетную колонну в зону карстовых пустот и активной фильтрации воды. Результат – заполнение подземной формации, дополнительная герметизация массива за счет расширения, создание массива раствора в полостях и трещинах с прочностью до 12 МПа на 28 сутки, значением показателя водонепроницаемости до W=8.
• Применение раствора материала в стандартном и расширяющемся исполнении в качестве тампонажного раствора при ликвидации ативных водопритоков через дефект в ограждающей строительной конструкции путем инъекцтионного нагнетания раствора В/Т=0,45 непосредственно в зону водопритока. Результатом является ликвидация или значительное снижение дебета, образование противофильтрационного элемента в режиме противоаварийных работ.