Давление нагнетания

Цементацию следует производить при максимально допусти­мом давлении, ибо высокое давление является важнейшим усло­вием получения высококачественной завесы. Высокое давление облегчает удаление избыточной воды в момент схватывания цементного раствора, расширяет слишком узкие трещины, делая их доступными для заполнения цементным раствором, улучшает заполнение трещин цементом, позволяет получить более плот­ный цементный камень и увеличивает сцепление осадка со стен­ками трещин. Кроме того, при высоком давлении увеличивается радиус распространения раствора по трещинам, что позволяет сократить объем бурения. Часто инъекция цементного раствора при относительно небольшом давлении (1-2 МПа) приводит к немедленному отказу из-за закупорки устьев трещин частицами цемента. Применение большого давления как бы разрывает грунт, раскрывая при этом ранее существовавшие тонкие тре­щины и обеспечивая проникание в них цементного раствора. Если при невысоком давлении мелкие трещины могли быть зацементированы лишь растворами на цементах тонкого помола, то при увеличенном давлении для   их закрепления   можно использовать растворы на цементе любого помола.

Укрепительную (площадную) цементацию при отсутствии пригрузки выполняют при небольшом давлении, прекращая по­дачу раствора в скважину в случае выхода его на поверхность земли. При этом если проверка результатов инъекции покажет, что порода не требует повторной цементации, ее на этом закан­чивают. При необходимости повторной цементации ее выполня­ют после набора цементным камнем первичной цементации необходимой прочности. Повторную укрепительную цементацию проводят при большем давлении. Большее давление раскрывает трещины и позволяет инъецировать те из них, которые в обыч­ных условиях настолько тонки, что при меньшем давлении не поглощают тампонажного раствора. А это очень важно для получения сплошной и плотной завесы, так как большое коли­чество тонких трещин приводит к такой же, а возможно и к большей фильтрации, как и несколько отдельных крупных тре­щин, легко инъецируемых при низком давлении.

Высокое давление инъекции надо осторожно применять лишь при цементации верхних, лежащих непосредственно под соору­жением, слоев, породы и слоев с горизонтальным напластовани­ем; поскольку в этих случаях возможна нежелательные разры­вы породы и, как следствие, образование новых трещин, что совершенно недопустимо. Кроме того, высокое давление при цементации верхних слоев может вызвать прорыв раствора на поверхность земли. В этом случае прекращают нагнетание раствора до заделки его выхода или до момента, когда инъеци­рованный в трещины раствор схватится  и цементный камень наберет необходимую прочность.

Высокое давление обычно можно применять начиная с глу­бины 10 м. Значение давления здесь ограничивается только свойствами породы.

В породах кавернозных, а также в породах с развитой трещинвватостью, с большой выветрелостью, имеющих слабую текстуру, высокое давление инъекции не допускается. Высокое давление нагнетания не допускается также при омоноличивании породы, имеющей широкие трещины, так как это может привести к перерасходу раствора вследствие распространения его на большое, не нужное для завесы, расстояние от скважины.

Окончание инъекции обычно определяет давление отказа, при котором прекращается поглощение раствора трещинами. Однако, увеличив давление, можно продолжать инъекцию, так как это вызовет дополнительное раскрытие трещин. Не следует допускать малые значения давления отказа, ибо в этом случае цементация будет выполнена плохо. Дело в том, что при малом давлении порода практически совсем не деформируется, а без
упругой деформации правильная инъекция невозможна. Поэтому при малом давлении отказа в момент прекращения нагнетания раствора порода не может сжать отложившийся в трещинах цемент. При большом давлении отказа после прекращения инъекции стенки трещины, стремятся принять первоначальное положение. При этом обе стенки сжимают отложившийся це­мент, и трещины тампонируются. Цемент, отложившийся в тре­щинах, мешает им достичь первоначального раскрытия и порода оказывается в преднапряженном состоянии.

Давление отказа следует достигать при наибольших исхо­дах маловязких растворов.

При цементации на большой глубине давление отказа может быть очень высоким.

Для обеспечения высокого качества противофильтрационной цементационной завесы следует нагнетать раствор при давлении не менее 5-6 МПа. При более низком давлении приходится сближать скважины.

Укрепительную цементацию следует проводить при макси­мально возможном для нее давлении, создавая тем самым пред­варительное напряжение в породе.

Основное назначение укрепительной цементации - повыше­ние модуля деформации пород в основании плотины (табл. 2.8).

Из табл. 2.8 видно, что увеличение среднего модуля деформации составляет от 1,26 до 3,11 раза. При этом в основном наибольшее увеличение наблюдается для пород   с исходным модулем деформации меньше 10 ГПа. Д. Д. Сапегин рекомендует определять модуль деформации породы после ее цементации по следующей эмпирической зависимости:
     (2.5)

Из данных табл. 2.8 для укрепительной цементации одного из опытных участков основания Ингурской плотины следует, что ее эффективность тем выше, чем выше давление инъекции.  Стремление к высокому давлению инъекции приводит к удо­рожанию работ. Поэтому целесообразно выполнять цементацию с постоянно повышающимся давлением. Начальное давление следует выбирать несколько меньшим ркр, а конечное (давление отказа) - превышающим ркр. Давление отказа измеряют на вхо­де в скважину.

Как показывает практика цементационных работ, выбор значения давления нагнетания является сложной задачей, зави­сящей от условий залегания пород, их свойств, строения и тре­бований к завесе. Эту задачу решают обычно на основе опытных работ, выполняемых непосредственно на отдельных участках строительной площадки. Рекомендуемые при этом значения дав­ления нагнетания необходимо при выполнении производственной цементации корректировать для других участков и зон завесы в соответствии с изменениями геологических условий по сравне­нию с опытными участками.
Из практики цементационных работ известно, что для полу­чения высококачественной цементации следует принимать такое давление инъекции, которое вызывает небольшие деформации пород и, следовательно, увеличение раскрытия существующих в них трещин. Признаком их дополнительного раскрытия являет­ся небольшой излив раствора из устья скважины по окончании нагнетания. Чтобы раствор не вылился из трещин, устье скважины по окончании инъекции обычно закрывают пробкой.

На участках с большим поглощением раствора, когда пол­ное использование производительности растворонасоса для на­гнетания не обеспечивает высокого давления в системе, цемен­тацию выполняют при самопроизвольно установившемся давле­нии. По истечении некоторого времени, когда основные трещины породы будут затампонированы, сопротивление движению рас­твора увеличится, и давление возрастет. При достижении допу­стимых значений давления его дальнейшее наращивание пре­кращают.

В процессе работ непрерывно ведут наблюдения за измене­ниями давления нагнетания, что дает возможность в случае скачков и отклонений от нормы принять необходимые меры, исключив нежелательные деформации пород и чрезмерные раскрытия трещин. Для наблюдений за давлением используют ма­нометры с автоматической записью давлений, позволяющей в последующем произвести анализ работ.

Для наблюдений за деформациями пород устанавливают поверхностные и подземные реперы. Последние устанавливают при глубинной цементации в зонах, где предусмотрена инъекция при высоком давлении. Для этого в скважину, глубина которой на 2-3 м больше глубины основных цементационных скважин,опускают металлический стержень, жестко заделывая его ниж­ний конец в скалу у забоя. Верхний конец стержня выходит на поверхность земли, и его головки касается заделанная в землю дужка. При деформации пород в процессе нагнетания раствора стержень не меняет своего положения, а дужка перемещается, фиксируя тем самым деформацию поверхности земли.

Допустимое давление инъекции при отсутствии опытной це­ментации назначают по данным аналогов или ориентировочно расчетным путем с последующим уточнением применительно к конкретным геологическим условиям.

Для приближенного расчета давления инъекции можно рассматривать три основные схемы цементации (рис. 2.9).

Расчетные схемы

 Рис. 2.9. Расчетные схемы к определению допустимого давления нагнетания 1-3 - зоны  цементации;   Т - тампон