КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
COMPLEX OF EQUIPMENT FOR JET CEMENTATION

Изобретение относится к укреплению грунтов и возведению подземных конструкций различного назначения струйной цементацией.
Известен комплекс цементирования скважин по RU 2256777 С1, Е21В 33/14, опубл. 20.07.2005. Изобретение относится к нефтегазодобыче, в частности к цементировочной технике для цементирования скважин. Сущность изобретения: комплекс включает датчики, установленные на самостоятельных передвижных агрегатах и содержит смесительный и цементировочные агрегаты, осреднительную емкость, станцию управления и контроля, распределительный коллектор. Согласно изобретению комплекс выполнен как одно целое с системой контроля и управления с обратной связью, содержащей датчики и измерительные устройства, установленные на всех установках и измерительном блоке на выходе из скважины.
Известен комплекс для струйной цементации грунта по RU 103539 U1, E02D 3/12, опубл. 20.04.2011. Комплекс включает в себя смесеприготовительную станцию, насос высокого давления, трубопровод цементной смеси, пневматическую систему, включающую компрессор с ресивером и трубопроводом сжатого воздуха, буровую установку, оснащенную цементным и воздушным вертлюгами, а также бурильную колонну, при этом, пневматическая система снабжена обратным клапаном, установленным на трубопроводе сжатого воздуха на буровой установке, причем этот клапан отрегулирован на давление на 5-10% выше рабочего давления в пневматической системе, а между обратным клапаном и вертлюгом воздушным установлено реле давления, при этом реле давления связано с выключателем привода насоса высокого давления и отрегулировано на срабатывание при давлении на 10-15% выше рабочего давления в пневматической системе.
Известна автоматизированная система управления процессом цементирования скважин, SU 565986, Е21В 33/13, опубл. 25.07.1977. Автоматическое регулирование процессом производится на основе непрерывного сравнивания расхода и давления на входе в колонну с аналогичными параметрами на выходе из заколонного пространства скважины.
Недостатком аналогов для проведения процесса струйной цементации является невозможность проведения корректировки подачи цементного раствора в скважину при изменении типа грунта, что, например, приводит к некачественному созданию подземных конструкций в слоистых (песок, суглинки, глины) грунтах.
По требованиям нормативной документации «Расход инъекционного раствора при струйной цементации грунта должен регулироваться по выносу раствора с грунтовой пульпой из скважины. Нормальный процесс цементации сопровождается незначительным выносом раствора от 30% до 40% от инъектируемого объема раствора. При чрезмерном выносе расход раствора должен быть уменьшен, при отсутствии выноса - должен быть увеличен» ( СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. М.: - Изд. БСТ-2011-п. 6.5.11).
Известен патент RU 2611373 С1, опубл. 21.02.2017, в котором описан способ определения объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при струйной цементации, при котором в цементный раствор, при его приготовлении, вводят химический элемент, содержание которого в грунте не превышает 0,1%, и в количестве, определяемом рентгенофлуоресцентным анализом, затем при помощи рентгенофлуоресцентного спектрометра и плотномера производят определение концентрации химического элемента в пробах и плотность проб цементного раствора и грунтоцементой пульпы и рассчитывают объемную концентрацию цементного раствора в грунтоцементной пульпе по формуле.
В качестве ближайшего аналога - прототипа выбран комплекс для струйной цементации, рекомендованный в СТО НОСТРОЙ 2.3.18 -2011 ''Освоение подземного пространства. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. Приложение Б. Рисунок Б. 7.'' Комплекс содержит склад цемента, шнековый конвейер, смесительный растворный узел, насос высокого давления, буровую установку, грязевой насос, емкость сбора пульпы. Самостоятельные агрегаты комплекса имеют обвязку в виде приемных и нагнетательных трубопроводов.
Целью изобретения является повышение качества подземных строительных конструкций, создаваемых струйной цементацией.
Поставленная цель достигается тем, что комплекс для струйной цементации, содержащий склад цемента, шнековый конвейер, подающий цемент в смесительный растворный узел, трубопровод цементного раствора, осуществляющий подачу цементного раствора к насосу высокого давления, трубопровод высокого давления, соединяющий насос высокого давления и буровую колонну буровой установки с регулятором подъема колонны, в нижней части колонны расположен монитор, грязевой насос, по трубопроводу перекачивающий пульпу, изливающуюся из заколонного пространства в емкость сбора пульпы, при этом на трубопровод цементного раствора и на трубопровод пульпы установлены спектрометр и плотномер. Также комплекс оснащен арифметическим устройством, устройством нижней границы рабочего диапазона и устройством верхней границы рабочего диапазона. Арифметическое устройство содержит умножитель, на входы которого поступают выходы спектрометра и плотномера параметров цементного раствора, умножитель, на входы которого поступают выходы спектрометра и плотномера параметров пульпы, блок деления, вход делимого которого соединен с выходом умножителя параметров пульпы, а вход делителя соединен с выходом умножителя параметров цементного раствора. Устройство нижней границы рабочего диапазона содержит задатчик нижнего уровня, выход которого соединен с входом блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока сравнения соединен с входом управления блока коммутации, вход блока коммутации соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока коммутации поступает на вход вычитаемого блока разности, вход уменьшаемого блока разности подключен к выходу задатчика, выход блока разности через инвертор и усилитель подключен к регулятору подъема колонны буровой установки. Устройство верхней границы рабочего диапазона содержит задатчик верхнего уровня, выход которого соединен с входом блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока сравнения соединен с входом управления блока коммутации, вход блока коммутации соединен с выходом блока деления арифметического устройства, а выход блока коммутации поступает на вход уменьшаемого блока разности, а вход вычитаемого блока разности подключен к выходу задатчика, а выход блока разности через усилитель подключен к регулятору подъема колонны буровой установки.
Сущность изобретения заключается в непрерывном автоматическом регулировании подачи цементного раствора в скважину по результатам измерений и расчета величины объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе и сравнении этой величины с заданными параметрами.
В предлагаемом изобретении определение объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе при струйной цементации производится согласно RU 2611373 С1.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображена комбинированная структурная схема комплекса для струйной цементации грунта.
Комплекс для струйной цементации (чертеж) содержит склад 1 цемента, шнековый конвейер 2, смесительный растворный узел 3, трубопровод 4 цементного раствора, насос 5 высокого давления, трубопровод 6 высокого давления, буровую колонну 7 буровой установки 8 с регулятором 9 подъема колонны 7, в нижней части колонны 7 расположен монитор 10, грязевой насос 11, трубопровод 12 перекачки пульпы и емкость 13 сбора пульпы. При этом на трубопровод 4 устанавливают спектрометр 14 и плотномер 15 , а на трубопровод 12 устанавливают спектрометр 16 и плотномер 17.
Комплекс оснащают арифметическим устройством А, включающим в себя два умножителями - умножитель 18 параметров цементного раствора, на входы которого поступают выходы спектрометра 14 и плотномера 15, и умножитель 19 параметров пульпы, на входы которого поступают выходы спектрометра 16 и плотномера 17. Выход умножителя 19 соединяют с входом делимого блока 20 деления, а выход умножителя 18 соединен с входом делителя блока 20.
Комплекс также оснащен устройством В нижней границы рабочего диапазона, включающей в себя задатчик 21 нижнего уровня, выход которого соединен с входом блока 22 сравнения, другой вход блока 22 сравнения соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 22 соединен с входом управления блока 23 коммутации , вход блока 23 соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 23 поступает на вход вычитаемого блока 24 разности, а вход уменьшаемого блока 24 разности подключен к выходу задатчика 21, выход блока 24 разности через инвертор 25 и усилитель 26 подключен к регулятору 9 подъема колонны 7 буровой установки 8.
Комплекс также снабжен устройством С верхней границы рабочего диапазона включающей в себя задатчик 27 верхнего уровня, выход которого соединен с входом блока 28 сравнения, другой вход блока 28 соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 28 соединен с входом управления блока 29 коммутации, вход блока 29 соединен с выходом блока 20 деления арифметического устройства А, а выход блока 29 поступает на вход уменьшаемого блока 30 разности, а вход вычитаемого блока 30 разности подключен к выходу задатчика 27, выход блока 30 разности через усилитель 31 подключен к регулятору 9 подъема колонны 7 буровой установки 8.
На чертеже введены следующие обозначения:
Cv — объемная концентрация цементного раствора в грунтоцементной пульпе;
Сп - весовая концентрация химического элемента в грунтоцементной пульпе;
Сс - весовая концентрация химического элемента в цементном растворе;
п
ρ - плотность грунтоцементной пульпы;
с
ρ - плотность цементного раствора;
мин
Cv - минимальное значение объемной концентрации цементного раствора в пульпе;
мax
Cv - максимальное значение объемной концентрации цементного раствора в пульпе;
+ Δ Cv - положительное значение величины рассогласования;
- Δ Cv - отрицательное значение величины рассогласования.
Комплекс работает следующим образом.
Состав работ по струйной цементации грунтов включает бурение лидерной скважины бурильной установкой 8, при котором осуществляется спуск колонны 7 с монитором 10 в скважину до проектной глубины. Из склада 1 цемент шнековым конвейером 2 подается в смесительный растворный узел 3. В растворном узле 3, с добавлением воды и вещества для определения объемной концентрации цементного раствора в пульпе по RU , приготавливается цементный раствор, который по трубопроводу 4, в котором установлен спектрометр 14 и плотномер 15, подается на вход насоса 5 высокого давления. Цементный раствор под высоким давлении по трубопроводу 6 подается в колонну 7 буровой установки 8 и попадает в монитор 10. Включается вращение и подъем колонны 7. Высоконапорные струи инъекционного цементного раствора, истекая из сопел монитора 10, производят размыв и перемешивание грунта с образованием грунтоцементной конструкции. При процессе цементации из заколоконного пространства выделяется пульпа, которая грязевым насосом 11 по трубопроводу 12, в котором устанавливается спектрометр 16 и плотномер 17, перекачивается в емкость 13 сбора пульпы.
мин
мax
Перед началом цементации задатчиком 21 устанавливают значение нижней границы рабочего диапазона объемной концентрации цементного раствора в пульпе Cv , а задатчиком 27 значение верхней границы Cv. При проведении процесса цементации значения концентраций химического элемента, добавляемого в цементный раствор, и значения плотности раствора и пульпы с приборов 14, 15 и 16, 17 поступают на арифметическое устройство А , где производится вычисление значения объемной концентрации цементного раствора в пульпе по формуле:
(см. RU 2611373 C1).
При этом Cv может принимать следующие значения:
мин
мax
Cv<Cv<Cv, то есть значение объемной концентрации цементного раствора лежит в заданном рабочем диапазоне концентраций. Корректировка процесса цементации не требуется;
мин
мин
- при Cv<Cv, то есть значение объемной концентрации цементного раствора лежит ниже заданной нижней границы рабочего диапазона. При этом блок 22 сравнения включает блок 23 коммутации и значение Cv попадает на блок 24 разности, где происходит вычитание Cv-Cv и на выходе блока 24 появляется положительное значение величины рассогласования + Δ Cv. Инвертор 25 меняет знак рассогласования и через усилитель 26, согласующий сигнал рассогласования - Δ Cv и входной сигнал регулятора 9, сигнал рассогласования поступает на вход регулятора 9 подъема бурильной колонны 7. Сигнал рассогласования уменьшает скорость подъема колонны 7, за счет чего увеличивается подача цементного раствора в скважину.
мax
мax
- при Cv>Cv, , то есть значение объемной концентрации цементного раствора лежит выше заданной верхней границы рабочего диапазона. При этом блок 28 сравнения включает блок 29 коммутации и значение Cv попадает на блок 30 разности, где происходит вычитание Cv-Cv и на выходе блока 30 появляется положительное значение величины рассогласования + Δ Cv. Значение величины рассогласования через усилитель 31 поступает на вход регулятора 9 подъема бурильной колонны 7 и увеличивает скорость подъема колонны 7, за счет чего уменьшается подача цементного раствора в скважину.
Таким образом, регулирование подачи цементного раствора в скважину проводится по значению объемной концентрации цементного раствора в грунтоцементной пульпе. При этом возможно уменьшить рабочий диапазон, что увеличит точность подачи цементного раствора в скважину, а также сдвигать рабочий диапазон при цементации различных типов грунтов.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить качество грунтоцементных конструкций за счет равномерного распределения цемента по объему конструкции, что повышает прочность, деформативность и водонепроницаемость конструкции.