Устройство для определения проникающей способности инъектируемого раствора в пористую среду

Настоящая полезная модель относится к строительству и может быть использована для определения проникающей способности минеральных и органических инъектируемых растворов в пористую среду непосредственно на месте проведения работ по тампонажу.
Известен способ определения проникающей способности цементных растворов в лабораторных условиях и устройство для его осуществления. Устройство содержит имитатор среды, подлежащей тампонажу и состоящий из секций, образующих колонку, в которую загружается исследуемая среда и колонка заполняется водой. Подлежащий испытанию цементный раствор нагнетается растворонасосом в колонку и количество вошедшего в колонку раствора определяется по объему вытесненной воды (см. а.с. SU 1761958, 1989).
Недостатком известного устройства для определения проникающей способности цементного минерального раствора в пористую среду является наличие громоздкого, тяжелого оборудования для проведения экспериментальных работ. Это обстоятельство не позволяет применять данное устройство для проведения необходимых испытаний непосредственно на месте ведения тампонажных работ.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по созданию устройства для оперативного определения фильтрации различных тампонажных растворов в конкретных местах ведения работ с целью выбора оптимальных материалов и технологических режимов при ведении тампонажных работ.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого устройства, заключается в оперативном выборе инъекционного раствора, обеспечивающего достижение требуемого качества инъектирования в зависимости от фракционного состава и реологических свойств раствора, а также от гранулометрического состава тампонируемого грунта непосредственно в месте ведения работ.
Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для определения проникающей способности раствора в пористую среду, содержащем имитатор пористой среды, емкость для испытуемого раствора и механизм нагнетания раствора, механизм нагнетания цементного раствора в испытуемую пористую среду выполнен в виде поршневого вакуумного насоса, а имитатор пористой среды выполнен в виде фильтра, установленного на всасывающем патрубке насоса и выполненного в виде цилиндрической емкости для размещения испытуемой пористой среды. Емкость выполнена с входным и выходным соосными патрубками, причем внутренний проходной диаметр входного и выходного патрубков равен внутреннему рабочему диаметру поршневого насоса и составляет 0,25-0,3 от внутреннего диаметра цилиндрической емкости для размещения испытуемой пористой среды.
В представленную совокупность включены все существенные признаки устройства, обеспечивающие получение заявленного технического результата.
Описание полезной модели поясняется тремя рисунками, где на рис. 1 схематически показан общий вид предлагаемого устройства для определения проникающей способности цементного раствора в пористую среду, на рис. 2 представлена схема рабочего прибора с использованием предлагаемого устройства, а на рис. 3 показаны графические результаты, полученные при проведении опытов по тарированию изготовленного устройства.
Основным рабочим узлом устройства для определения проникающей способности раствора в пористую среду является поршневой вакуумный насос 1, полость разрежения которого через выходной патрубок 2 гидравлически связана с полостью цилиндрической емкости 3, предназначенной для размещения используемой пористой среды. Входной патрубок 4 цилиндрической емкости 3 расположен соосно выходному патрубку 2. Указанные признаки устройства являются существенными для достижения заявленного технического результата, т.к. необходимы для максимального порового сопротивления при прокачке испытуемого раствора и обеспечения прохождения потока через центральную рабочую часть фильтра, образованного испытуемой пористой средой, которой является подлежащий инъектированию грунт, помещенный в полость цилиндрической емкости 3. В то же время это исключает движение раствора по стенкам камеры, где снижается гидравлическое сопротивление по сравнению со средой, что ведет к искажению получаемых результатов. Для этой же цели служит выбор оптимального диаметра цилиндрической емкости 3. Этот размер выбран из условия прохождения исследуемого раствора в полость всасывания вакуумного насоса 1 без движения раствора по стенкам емкости 3. Слишком малый внутренний диаметр емкости 3 вносит искажения в процесс прохождения раствора из рабочей емкости 5, в которой помещается исследуемый инъекционный раствор. Увеличение внутреннего диаметра емкости 3 сверх необходимого, ведет к неоправданным увеличениям размеров устройства, что затрудняет его использование в условиях непосредственного применения на месте производства тампонажных работ. В процессе проведения экспериментальной отработки конструкции устройства были подобраны оптимальные соотношения между рабочими размерами элементов гидравлической системы. Так оказалось, что наиболее предпочтительно выполнить внутренний проходной диаметр входного 4 и выходного 2 патрубков равным внутреннему рабочему диаметру поршневого насоса и выдержать его в пределах 0,25-0,3 от внутреннего диаметра цилиндрической емкости 3 для размещения испытуемой пористой среды. Описанное конструктивное устройство для определения проникающей способности раствора в пористую среду позволяет провести предварительные эксперименты для натурного определения фильтрации раствора через рабочую зону среды в зависимости от ее гранулометрического состава, плотности и влажности, а также от свойств применяемых растворов.
На рис. 2 представлена конструктивная схема проведения натурного эксперимента, с использованием предлагаемого устройства, в процессе которого были определены условия фильтрации при использовании различных цементных растворов в пористой среде, состоящей из грунтов различной гранулометрии.
Конкретно были проведены испытания фильтрации различных цементных растворов через пористую среду, образованную увлажненным и уплотненным песчаным грунтом различных фракций.
В качестве испытываемых цементных растворов были использованы:
- Цемент марки ПЦ 500 ДО с соотношением В/Ц (вода-цемент) = 1,0;
- Микроцемент BASF Rheocem 650 В/Ц = 1,0;
- Микроцемент МС-3 (Челябинск) В\Ц = 1,2;
- Микродур R-U В\Ц = 3,0.
На рисунке 3 показаны графические результаты проведенных экспериментов. Проникающая способность испытуемых цементов в различных грунтах, оценивалась по количеству цемента, прошедшего через фильтр и попавшего в подпоршневую полость вакуумного насоса.
Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы при ведении работ по цементации грунтов в реальных условиях для выбора материалов и режимов укрепления. Для этого устройство, использованное в предварительных экспериментах, доставляется к месту ведения работ на объекте. В качестве пористой среды, загружаемой в цилиндрическую емкость, используется конкретный грунт, подлежащий цементации. По количеству профильтрованного раствора производят выбор используемого цемента и подбирают оптимальные режимы тампонирования, что ведет к повышению качества и оптимизации стоимости тампонажных работ.