RU2702038C1 - Способ изоляции подпочвенного слоя - Google Patents
Способ изоляции подпочвенного слоя Download PDFInfo
- Publication number
- RU2702038C1 RU2702038C1 RU2016149419A RU2016149419A RU2702038C1 RU 2702038 C1 RU2702038 C1 RU 2702038C1 RU 2016149419 A RU2016149419 A RU 2016149419A RU 2016149419 A RU2016149419 A RU 2016149419A RU 2702038 C1 RU2702038 C1 RU 2702038C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- subsoil layer
- subsoil
- layer
- insulating material
- injection
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000002955 isolation Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 23
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 20
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 20
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 10
- 239000011435 rock Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 27
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 8
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 7
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000010755 BS 2869 Class G Substances 0.000 description 3
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 3
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 150000004645 aluminates Chemical class 0.000 description 1
- 239000002518 antifoaming agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000010451 perlite Substances 0.000 description 1
- 235000019362 perlite Nutrition 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 239000010455 vermiculite Substances 0.000 description 1
- 235000019354 vermiculite Nutrition 0.000 description 1
- 229910052902 vermiculite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D19/00—Keeping dry foundation sites or other areas in the ground
- E02D19/06—Restraining of underground water
- E02D19/12—Restraining of underground water by damming or interrupting the passage of underground water
- E02D19/16—Restraining of underground water by damming or interrupting the passage of underground water by placing or applying sealing substances
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D27/00—Foundations as substructures
- E02D27/32—Foundations for special purposes
- E02D27/35—Foundations formed in frozen ground, e.g. in permafrost soil
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil
- E02D3/126—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil and mixing by rotating blades
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D2200/00—Geometrical or physical properties
- E02D2200/16—Shapes
- E02D2200/1692—Shapes conical or convex
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D2250/00—Production methods
- E02D2250/0023—Cast, i.e. in situ or in a mold or other formwork
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D2250/00—Production methods
- E02D2250/003—Injection of material
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D2300/00—Materials
- E02D2300/0046—Foams
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Paleontology (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Agronomy & Crop Science (AREA)
- Soil Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)
- Light Sources And Details Of Projection-Printing Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области строительства или бурения, в частности к способу изоляции подпочвенного слоя, когда предполагается, что грунт состоит из многолетнемерзлых пород. Способ изоляции подпочвенного слоя включает в себя следующие этапы: (а) механическое разрушение указанного подпочвенного слоя; (b) впрыскивание изоляционного материала в указанный разрушенный подпочвенный слой; (c) перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала. Теплопроводность указанного изоляционного материала существенно ниже, чем теплопроводность подпочвенного слоя, причем перемешанный подпочвенный слой имеет форму перевернутого конуса. Технический результат состоит в обеспечении изменения тепловых свойств подпочвенного слоя в месте залегания без его замены, максимальном снижении объема вскрываемой породы, уменьшении надземных или буровых работ, сохранении структуры и устойчивости устья скважин, снижении материалоемкости. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к области строительства или бурения, в частности, когда предполагается, что грунт состоит из многолетнемерзлых пород.
Многолетнемерзлыми породами называется участок грунта, который является постоянно замерзшим по меньшей мере в течение 2 лет.
Из-за существования очень холодной зимы холод может проникать глубоко в подпочвенный слой. В летний период небольшое количество тепла не дает возможности прогреть подпочвенный слой по всей его глубине: некоторые участки подпочвенного слоя в силу этого остаются постоянно замерзшими.
Однако, если многолетнемерзлые породы оттаивают (в силу техногенных или природных причин), они становятся неустойчивыми, поскольку их механические свойства изменяются. Например, многолетнемерзлые породы могут прогреваться из-за:
- потепления климата;
- бурения (механического трения бура в подпочвенном слое);
- эксплуатации существующей добывающей скважины (нефть или добываемый газ имеют температуры выше 0°C);
- экзотермической реакции отверждения бетона/цемента (в частности, в случае установки стяжки из бетона/цемента на грунте или конструкции или строительства добывающей скважины, стенки которой будут цементироваться);
- простого присутствия здания, построенного на грунте, ограничивающего, тем самым, проникновение холода под здание;
- и так далее.
В том случае, когда многолетнемерзлые породы тают, любые сооружения/здания, установленные на них, начинают погружаться в подпочвенный слой под своим собственным весом, поскольку оттаивающий грунт впоследствии теряет свою способность противостоять давлению.
Для предотвращения протаивания многолетнемерзлых пород в случае присутствия здания в некоторых странах были установлены строительные правила, предписывающие поднимать здания на сваях, что будет благоприятствовать проникновению холода в подпочвенный слой (см. «Строительные Нормы и Правила - Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах, СНиП 2.02.04-88 - Государственный строительный комитет СССР»).
Однако эти способы не подходят для строительства всех типов зданий (например, зданий, которые должны поддерживать значительную нагрузку, дороги, взлетно-посадочные полосы, буровые опоры, зоны хранения и т.д.).
Кроме того, эти способы не решают проблем, связанных с поступлением тепла из добывающей скважины: существуют, тем самым, риски потери замкнутости или устойчивости скважины или бурового оборудования. Были предложены некоторые способы для изоляции скважины от подпочвенного слоя с помощью добавления изоляционных материалов в кольцевое пространство скважины. Однако последние являются дорогостоящими, поскольку их изолирующая способность должна быть значительной, так как пространство, доступное для установки этой изоляции в скважине, является небольшим.
И наоборот, в контексте хранения сжиженных газов в грунте необходимо стремиться к тому, чтобы предотвратить замерзание подпочвенного слоя, что может спровоцировать вспучивание и повреждение защитной оболочки/хранилища. В связи с этим, обычно снаружи подпочвенного слоя предусмотрены системы обогрева, и стенки конструкции для хранения покрыты дорогостоящей и тонкой изоляцией.
Таким образом, существует потребность облегчить строительство зданий на грунте в зонах многолетнемерзлых пород и/или изолировать добывающие скважины простым и экономически рентабельным способом.
Данное изобретение улучшает сложившуюся ситуацию.
Для этого данное изобретение предлагает универсальный и экономичный способ решения указанных выше проблем.
Данное изобретение относится к способу изоляции подпочвенного слоя, включающему в себя:
(а) механическое разрушение указанного подпочвенного слоя;
(b) впрыскивание изоляционного материала в указанный разрушенный подпочвенный слой;
(c) перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала.
Теплопроводность указанного изоляционного материала существенно ниже, чем теплопроводность подпочвенного слоя.
Теплопроводность указанного изоляционного материала может быть также в 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000 раз меньше теплопроводности подпочвенного слоя.
Выражение «разрушение подпочвенного слоя» относится к явному и/или видимому изменению его макроскопической структуры относительно первоначального состояния, считающегося обычным для рассматриваемого местоположения. Например, распахивание поля позволяет разрушить поверхность грунта. Разрушение дает возможность ослабить структурные связи, которые может иметь компактный подпочвенный слой (в масштабе сантиметров или миллиметров). В связи с этим два участка разрушенного подпочвенного слоя больше не оказывают какого-либо сопротивления отделению друг от друга (или, по меньшей мере, в меньшей степени, чем первоначальное сопротивление): если минимальное усилие, необходимое в лабораторных условиях для разделения двух смежных объемов, изолированных от структурированного подпочвенного слоя, представляет собой F, тогда минимальное усилие, необходимое в лабораторных условиях для разделения двух смежных объемов, изолированных от разрушенного подпочвенного слоя, составляет менее чем F/2 (элементарным объемом может быть куб со сторонами 2 см).
Простое впрыскивание изоляции в грунт (т.е. без перемешивания и разрушения) может не быть удовлетворительным/достаточным для рассматриваемых вариантов осуществления, поскольку ее распределение в грунте может быть слишком равномерным и может требовать присутствия пустот в подпочвенном слое, которые могут быть заполнены.
Данный способ, таким образом, дает возможность изменить тепловые свойства подпочвенного слоя в месте залегания без его замены. В частности, это позволяет:
- максимально снизить объем вскрываемой породы (поскольку существующий подпочвенный слой не извлекается полностью, но повторно используется при перемешивании),
- уменьшить надземные или буровые работы,
- сохранить структуру и устойчивость устья скважин;
- переоценить возможности подземного хранения сжиженного газа (например, повышение объемов хранения, уменьшение изоляционных работ и т.д.).
Кроме того, данный способ дает возможность, в частности, избежать строительства опорной конструкции при создании стяжки или сооружения на сваях над многолетнемерзлыми породами и, тем самым, позволяет устанавливать конструкции непосредственно на грунт. Это дает возможность уменьшения необходимого количества свай и металлических конструкций, одновременно облегчая использование и работу сооружений.
К тому же в случае бурения данный способ может служить решением, являющимся альтернативой или дополнениям к решениям по изоляции в существующих скважинах. При указанной выше обработке/изоляции подпочвенного слоя под буровыми установками можно снизить количество проблем, связанных с проседанием и деградацией рабочих зон с течением времени.
Наконец, в контексте подземного хранения сжиженного газа, можно исключить, по меньшей мере частично, системы для обогрева настила. В связи с этим, с помощью осуществления описанного выше способа можно увеличить период прекращения функционирования системы обогрева, который не будет оказывать воздействия на грунт. К тому же существование изолированного подпочвенного слоя позволяет снизить потребности в тепле, подаваемом системами обогрева и, соответственно, снизить эксплуатационные расходы устройства для хранения.
Механическое разрушение может осуществляться с помощью экскаватора или при использовании механической части (например, винта), приводимой во вращение. К тому же, данное разрушение может осуществляться с помощью струи жидкости высокого давления, способной разрушить подпочвенный слой.
Изоляционный материал может предпочтительно быть изоляцией из полиуретановой или эпоксидной пены, обеспечивающей необходимые качества сопротивления и прочности, а также требуемые тепловые характеристики.
Предпочтительно, разрушение указанного подпочвенного слоя может включать в себя:
- бурение нагнетательной скважины в подпочвенном слое;
- перемещение впрыскивающего сопла в нагнетательной скважине;
- впрыскивание во время указанного перемещения разрушающей текучей среды под высоким давлением, способной разрушить подпочвенный слой, через указанное впрыскивающее сопло.
Впрыскивание указанной изоляции может тогда осуществляться во время указанного перемещения.
Кроме того, перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала может включать в себя вращение механического вала в указанном подпочвенном слое.
В одном варианте осуществления изобретения изоляционный материал может содержать материал, который отверждается после впрыскивания.
В силу этого, данная изоляция обеспечивает повышенную прочность подпочвенного слоя, а также непроницаемость.
Предпочтительно отверждение может включать экзотермическую реакцию.
Данная экзотермическая реакция сама по себе может вызывать временное протаивание многолетнемерзлых пород, находящихся в контакте с изоляцией в процессе отверждения и, тем самым, увеличивать зону в подпочвенном слое, в которой изоляция перемешивается.
Изоляционный материал содержит гидрофобный материал. В связи с этим непроницаемость обработанных участков подпочвенного слоя может быть повышена.
В частном варианте осуществления изобретения температура указанной разрушающей текучей среды может быть на 20°C выше, чем температура грунта.
В связи с этим, если подпочвенный слой является замерзшим, разрушающая способность указанной текучей среды повышается без увеличения давления впрыска. Разрушение в силу этого облегчается, и эффективность способа повышается.
Способ может дополнительно включать в себя бурение добывающей скважины в указанном подпочвенном слое, перемешанном с указанным изоляционным материалом.
Предпочтительно, перемешанный подпочвенный слой имеет форму перевернутого конуса (например, перевернутой пирамиды).
Другие характеристики и преимущества изобретения будут очевидны далее при прочтении нижеследующего описания. Последнее приводится исключительно для целей иллюстрации и должно рассматриваться в соответствии с прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 показан конкретный вариант осуществления способа изоляции подпочвенного слоя в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 – конкретная форма изоляции подпочвенного слоя в варианте осуществления в соответствии с изобретением;
на фиг. 3а и 3b – бурение эксплуатационной скважины в пределах изолированного подпочвенного слоя в варианте осуществления изобретения;
на фиг. 4 – теплопроводность λ в зависимости от концентрации определенных материалов;
на фиг. 5 – теплопроводность λ в зависимости от пористости цемента.
На фиг. 1 представлен конкретный вариант осуществления способа изоляции подпочвенного слоя в соответствии с изобретением.
Механическое разрушение подпочвенного слоя, впрыскивание изоляционного материала в данный подпочвенный слой и перемешивание всего этого может быть осуществлено многими способами. Для целей иллюстрации можно раскопать грунт с помощью лопаты или механического устройства экскаваторного типа, чтобы разрушить грунт, впрыснуть на поверхность раскопанного грунта желаемую изоляцию и перемешать все вручную.
Предпочтительно, также можно:
- пробурить скважину 101 в подпочвенном слое 100 с помощью традиционной буровой установки;
- ввести сопло 103, закрепленное на нагнетательной штанге 102, в скважину и к забою скважины;
- привести во вращение нагнетательную штангу и сопло;
- после начала вращения впрыснуть из сопла вдоль оси, радиальной к оси вращения последнего (т.е. в горизонтальной плоскости на фиг. 1) жидкость 104, что позволяет разрушать подпочвенный слой и перемешивать изоляцию 105 с грунтом.
Термин «обработанный» подпочвенный слой или «изолированный» подпочвенный слой используется для обозначения участка подпочвенного слоя, который был перемешан с изоляцией, как указано выше.
Жидкость, дающая возможность разрушить подпочвенный слой, является, например, водой. Предпочтительно, данную жидкость впрыскивают под очень высоким давлением, благодаря чему она способна эффективно разрушить подпочвенный слой. К тому же, и, в частности, в пределах подпочвенного слоя многолетнемерзлых пород может быть предпочтительным впрыскивать жидкость, температура которой выше 0°C, например, более чем на 20°C, 30°C, 50°C, 70°C или даже 100°C выше температуры рассматриваемого подпочвенного слоя, чтобы вызвать таяние замерзшего подпочвенного слоя.
Впрыскивание осуществляется при подъеме сопла 103 в скважине 101. Благодаря эффективности разрушающей струи (что связано со свойствами подпочвенного слоя и давлением впрыскиваемой разрушающей жидкости) перемешивание между подпочвенным слоем и изоляцией эффективно в пределах радиуса r от оси скважины.
В конечном итоге столб 106 с высотой h и радиусом r является «обработанным» и, таким образом, считается «изолированным» подпочвенным слоем.
Также можно добавить к описанному устройству (возможно, путем замены впрыскивания разрушающей текучей среды) механическое устройство для перемешивания, такое как режущий диск или винт, приводимый во вращение за счет вращения вала 102 и механически перемешивающий подпочвенный слой с изоляцией.
Изоляция может предпочтительно быть изоляцией такого типа, как полиуретановая или эпоксидная пена, обеспечивающей необходимые качества сопротивления и прочности, а также требуемые тепловые характеристики.
Данная изоляция также может быть перлитом (изоляционные шарики), связанным, например, с цементным раствором.
На фиг. 2 представлена конкретная форма изоляции подпочвенного слоя в варианте осуществления в соответствии с изобретением.
Способ, описанный в связи с фиг. 1, может повторяться большое число раз в одной и той же зоне, при этом «обработанные» участки подпочвенного слоя могут быть сопряженными (т.е. соседними) или практически сопряженными (с горизонтальными расстояниями между двумя обработанными колоннами меньше r).
Предпочтительно, обычная форма участков «обработанного» подпочвенного слоя 200 (201a, 201b, 201c и т.д.) образует перевернутый конус 202, как показано на фиг. 2. Основание данного конуса (на поверхности подпочвенного слоя) может использоваться в качестве опоры при создании бетонной стяжки или любой другой конструкции на грунте.
Данная форма дает возможность лучшего проникновения холода под участки обработанного подпочвенного слоя (т.е. лучшего отведения тепла под участками обработанного подпочвенного слоя, отмеченного стрелками 204). В связи с этим подпочвенный слой в контакте с перевернутым конусом 202 может оставаться замерзшим и в силу этого вносить вклад в прочность оснований стяжки 203 или любого другого сооружения на поверхности.
На фиг. 3а и фиг. 3b показано бурение эксплуатационной скважины в пределах изолированного подпочвенного слоя в варианте осуществления изобретения.
Для осуществления бурения добывающей скважины для добычи углеводородов можно предварительно изолировать участок подпочвенного слоя, как описано выше, и после этого пробурить скважину в данном участке изолированного подпочвенного слоя.
Глубина участка обработанного подпочвенного слоя для изоляции (например, 40-100 м) может, конечно, быть меньше, чем полная глубина скважины (например, 2000 м).
В возможном варианте осуществления изобретения (фиг. 3а) можно изолировать несколько столбов подпочвенного слоя (301, 302, 303), как описано выше, причем данные участки являются соседними. Бурение 304 затем осуществляется в изолированной зоне подпочвенного слоя. Данный вариант осуществления изобретения является особенно предпочтительным, в частности, когда механические свойства обработанного подпочвенного слоя более благоприятны для бурения, чем механические свойства необработанного подпочвенного слоя (например, более низкая плотность, более низкое механическое истирание и т.д.).
В другом возможном варианте осуществления изобретения (фиг. 3b) можно изолировать несколько столбов подпочвенного слоя (305, 306, 307), как описано выше, причем эти участки являются соседними, но между ними существуют разделяющие пространства необработанного подпочвенного слоя. Бурение 308 затем осуществляется в одной из этих необработанных зон подпочвенного слоя. Данный вариант осуществления изобретения является особенно предпочтительным, в частности, когда механические свойства обработанного подпочвенного слоя менее благоприятны для бурения, чем механические свойства необработанного подпочвенного слоя (например, более высокая плотность, более высокое механическое истирание и т.д.).
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными выше в качестве примеров вариантами осуществления, оно распространяется и на другие альтернативы.
Возможны и другие варианты осуществления изобретения.
Например, на фиг. 3а и 3b показаны три колонны (участки изолированного подпочвенного слоя), но возможно и любое другое их число.
К тому же, также возможно, в комбинации или вместо того, что было указано выше, предотвращать дестабилизацию многолетнемерзлых пород благодаря использованию цемента в ходе бурения скважин или добычи текучих сред из этих скважин.
Во время схватывания цемента химическая реакция (переход силикатов и алюминатов в гидрат) является экзотермической реакцией. Образованное тепло будет вызывать таяние многолетнемерзлых пород. После этого среда в непосредственной близости к скважине будет дестабилизирована.
В случае если цемент или другие материалы используются во время фазы добычи, текучая среда, выходящая из подпочвенного слоя, поднимается к поверхности. Данная текучая среда находится при высокой температуре, и ее тепло может рассеиваться в скважине. Это опять может приводить к дестабилизации многолетнемерзлых пород.
Поэтому желательно иметь цемент с низкой теплотой гидратации. Однако в том случае, когда текучая среда, поднимающаяся к поверхности, является очень горячей, и скорость поступления значительная, низкой теплопроводности цемента оказывается недостаточно. Тогда целесообразно связывать его с материалом, который имеет очень низкую теплопроводность.
Полученная композиция может ограничивать теплообмен между скважиной и многолетнемерзлыми породами. Следует теплоизолировать подпочвенный слой при одновременном обеспечении, предпочтительно, механической опоры для скважины.
На сегодняшний день существуют различные материалы, которые добавляются в цемент, например вермикулит или полые шарики. Однако теплота гидратации и теплоизолирующая способность не позволяют гарантировать, что многолетнемерзлые породы не будут дестабилизированы.
Поэтому существует потребность в композиции, которая содержит по меньшей мере один цемент и материал с низкой теплопроводностью, который может в достаточной степени теплоизолировать подпочвенный слой, чтобы не вызывать дестабилизации многолетнемерзлых пород.
Настоящее изобретение заключается в нанесении композитного материала, например синтактической пены, на поверхность обсадной колонны скважины, чтобы иметь хорошую теплоизоляцию, и заключается во впрыскивании цемента между пластом и синтактической пеной. Цемент предпочтительно имеет низкую теплоту гидратации, чтобы не приводить к дестабилизации многолетнемерзлых пород во время его схватывания и чтобы обеспечить, если это возможно, низкую теплопроводность для усиления изоляции.
Композитный материал не может использоваться отдельно, поскольку необходимо заполнять пространство между многолетнемерзлыми породами и материалом. Цемент с низкой теплотой гидратации и низкой теплопроводностью выполняет эту роль.
В качестве примера, отдельно взятый изоляционный композитный материал имеет низкую теплопроводность (примерно 0,03-0,05 Вт/(м·K)), хотя она составляет примерно 0,9 Вт/(м·K) для чистого цемента (вода+цемент HSR класса G). Теплопроводность цемента может быть понижена до 0,4 Вт/(м·K) или 0,5 Вт/(м·K) с помощью добавления различных материалов к нему и оптимизации пористости. Следующие два примера показывают влияние концентрации изоляционного материала на теплопроводность и далее влияние пористости. Данные испытания осуществлялись с цементом класса G, который не имеет низкой теплоты гидратации. Можно видеть, что чем выше концентрация в изоляционном материале, тем ниже теплопроводность. Однако при значениях пористости свыше 55% дальнейшего уменьшения теплопроводности не происходит.
Для целей иллюстрации на фиг. 4 показаны примеры кривых теплопроводности λ в зависимости от концентрации определенных материалов. Цемент, в частности, состоит из бурового цемента (Cemoil) класса G, кремнезема, полых сфер (50-60%), противопенного агента, диспергатора, противоосаждающего вещества и воды.
Кроме того, на фиг. 5 показан пример кривой теплопроводности λ в зависимости от пористости цемента.
Применение цемента с низкой теплотой гидратации и содержащего материал для получения низкой теплопроводности, в сочетании с изоляционным композитным материалом, дает возможность получения качества изоляции, которое значительно выше, чем у существующих растворов.
Предпочтительно, чтобы цемент с низкой теплотой гидратации отличался от традиционного цемента, например, разбавленного другим материалом (таким как кремнезем или карбонат) для обеспечения хороших механических свойств.
Можно наблюдать экспериментально, что предел прочности при сжатии для цемента класса G, чистого или традиционного цемента и двух других цементов с низкой теплотой гидратации имеют практически одну и ту же величину.
Claims (18)
1. Способ изоляции подпочвенного слоя, включающий в себя следующие этапы:
(а) механическое разрушение указанного подпочвенного слоя;
(b) впрыскивание изоляционного материала в указанный разрушенный подпочвенный слой;
(c) перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала;
при этом теплопроводность указанного изоляционного материала существенно ниже, чем теплопроводность подпочвенного слоя, причем перемешанный подпочвенный слой имеет форму перевернутого конуса.
2. Способ по п. 1, в котором разрушение указанного подпочвенного слоя включает в себя:
- бурение нагнетательной скважины;
- перемещение впрыскивающего сопла в нагнетательной скважине;
- впрыскивание во время перемещения разрушающей текучей среды под высоким давлением, способной разрушить подпочвенный слой, через указанное впрыскивающее сопло;
при этом впрыскивание указанной изоляции осуществляют во время указанного перемещения.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала включает в себя:
- вращение механического вала в указанном подпочвенном слое.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором изоляционный материал содержит материал, который отверждается после впрыскивания.
5. Способ по п. 4, в котором отверждение включает экзотермическую реакцию.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором изоляционный материал содержит гидрофобный материал.
7. Способ по п. 2, в котором температура указанной разрушающей текучей среды на 20°C выше, чем температура грунта.
8. Способ по любому из пп. 1-7, который дополнительно включает в себя:
(d) бурение добывающей скважины в указанном подпочвенном слое, перемешанном с указанным изоляционным материалом.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP14305723.0 | 2014-05-16 | ||
EP14305723 | 2014-05-16 | ||
PCT/FR2015/051281 WO2015173529A1 (fr) | 2014-05-16 | 2015-05-15 | Procédé d'isolation de sous-sol |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2702038C1 true RU2702038C1 (ru) | 2019-10-03 |
Family
ID=50774812
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016149419A RU2702038C1 (ru) | 2014-05-16 | 2015-05-15 | Способ изоляции подпочвенного слоя |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10550538B2 (ru) |
CA (1) | CA2949331C (ru) |
NO (1) | NO20161971A1 (ru) |
RU (1) | RU2702038C1 (ru) |
WO (1) | WO2015173529A1 (ru) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109117452B (zh) * | 2018-07-13 | 2019-09-17 | 西安理工大学 | 改进的基于土壤物理基本参数的导热系数模型设计方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1733567A1 (ru) * | 1989-11-30 | 1992-05-15 | Специализированный Проектно-Изыскательский И Экспериментально-Конструкторский Институт "Гидроспецпроект" | Способ укреплени грунта |
SU1763572A1 (ru) * | 1990-03-02 | 1992-09-23 | Специализированный Проектно-Изыскательский И Экспериментально-Конструкторский Институт "Гидроспецпроект" | Способ укреплени массива грунта |
RU2054502C1 (ru) * | 1993-11-15 | 1996-02-20 | Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет | Способ изготовления цементогрунтовой сваи в просадочных грунтах |
RU2074928C1 (ru) * | 1994-06-10 | 1997-03-10 | Валентин Георгиевич Кондратьев | Способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах |
US5845720A (en) * | 1994-02-11 | 1998-12-08 | Atlas Copco Craelius Ab | Method for providing a substantially leakproof shielding layer in the ground and a device for performing the method |
FR2992671A1 (fr) * | 2012-06-27 | 2014-01-03 | Total Sa | Dispositif de stockage en sol |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3577893A (en) * | 1968-09-27 | 1971-05-11 | William B Davison | Insulation method and constructions |
US3598184A (en) * | 1969-11-05 | 1971-08-10 | Atlantic Richfield Co | Method and apparatus for producing a well through a permafrost zone |
US3618680A (en) * | 1970-05-15 | 1971-11-09 | Atlantic Richfield Co | Method for drilling in permafrost |
US3903706A (en) | 1974-04-11 | 1975-09-09 | Atlantic Richfield Co | Insulating and protective structure for frozen substrates |
US5980446A (en) * | 1997-08-12 | 1999-11-09 | Lockheed Martin Idaho Technologies Company | Methods and system for subsurface stabilization using jet grouting |
-
2015
- 2015-05-15 RU RU2016149419A patent/RU2702038C1/ru active
- 2015-05-15 CA CA2949331A patent/CA2949331C/fr active Active
- 2015-05-15 US US15/311,761 patent/US10550538B2/en active Active
- 2015-05-15 WO PCT/FR2015/051281 patent/WO2015173529A1/fr active Application Filing
-
2016
- 2016-12-13 NO NO20161971A patent/NO20161971A1/en unknown
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1733567A1 (ru) * | 1989-11-30 | 1992-05-15 | Специализированный Проектно-Изыскательский И Экспериментально-Конструкторский Институт "Гидроспецпроект" | Способ укреплени грунта |
SU1763572A1 (ru) * | 1990-03-02 | 1992-09-23 | Специализированный Проектно-Изыскательский И Экспериментально-Конструкторский Институт "Гидроспецпроект" | Способ укреплени массива грунта |
RU2054502C1 (ru) * | 1993-11-15 | 1996-02-20 | Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет | Способ изготовления цементогрунтовой сваи в просадочных грунтах |
US5845720A (en) * | 1994-02-11 | 1998-12-08 | Atlas Copco Craelius Ab | Method for providing a substantially leakproof shielding layer in the ground and a device for performing the method |
RU2074928C1 (ru) * | 1994-06-10 | 1997-03-10 | Валентин Георгиевич Кондратьев | Способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах |
FR2992671A1 (fr) * | 2012-06-27 | 2014-01-03 | Total Sa | Dispositif de stockage en sol |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2015173529A1 (fr) | 2015-11-19 |
NO20161971A1 (en) | 2016-12-13 |
US10550538B2 (en) | 2020-02-04 |
US20170089026A1 (en) | 2017-03-30 |
CA2949331C (fr) | 2020-06-16 |
CA2949331A1 (fr) | 2015-11-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101260672B (zh) | 弱面岩质边坡注浆方法及用于注浆的锚管 | |
Kazemian et al. | Assessment and comparison of grouting and injection methods in geotechnical engineering | |
CN101196117A (zh) | 隧道及地下工程非爆破开挖方法 | |
CN103993594B (zh) | 一种微纳米气泡处理可液化地基装置及操作方法 | |
CN106638547B (zh) | 一种珊瑚砂地基中灌注桩的成桩方法 | |
CN106401463B (zh) | 一种提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法 | |
Sanger | Foundations of structures in cold regions | |
RU2702038C1 (ru) | Способ изоляции подпочвенного слоя | |
CN103276645B (zh) | 既有线隧道基底病害预制桩梁板整治技术 | |
RU2039158C1 (ru) | Способ возведения сваи в вечномерзлом грунте | |
Manne et al. | Application of jet grouting for geotechnical challenges | |
Bilal et al. | A study on advances in ground improvement techniques | |
Argal | Modern Technologies and Problems of Ground Stabilization by Injection. | |
KR101200103B1 (ko) | 비중 조절이 가능한 지하수 심정용 그라우팅제 | |
Mostafa et al. | Special Geotechnical Works for Metro Cairo (Egypt) | |
Manassero et al. | Two difficult tunnelling problems solved by using permeation grouting: The excavation of submerged large size tunnels for Roma and Napoli metro projects | |
RU2122119C1 (ru) | Способ крепления устья ствола шахты в многолетнемерзлых породах | |
Lees | Grouting–for groundwater control and mitigation of ground movements | |
Schmall et al. | Ground freezing a proven technology in mine shaft sinking | |
Cassani et al. | Auxiliary methods technology: Ground reinforcing, ground improving and pre-support technology | |
Naudts et al. | Hot Bitumen Grouting: The antidote for catastrophic inflows | |
Liu et al. | Application of controllable splitting grouting technology in loess foundation reinforcement | |
Talalay | Principles of Rotary Drilling in Frozen Soils | |
Dash et al. | Jet grouting experience at posey Webster street tubes seismic retrofit project | |
Baker Jr et al. | Foundation Design and Performance of the World's Tallest Building, Petronas Towers |