李糧綱，周 奕，黎藝明，王鵬飛，吳朋青，邱 敏，易 威

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

1 引言

自汶川地震和玉樹地震之后，我國更加重視地震監(jiān)測與預(yù)報(bào)研究工作，并進(jìn)一步加強(qiáng)地震監(jiān)測臺網(wǎng)的建設(shè)與升級。湖北省“十一五”期間，在地震臺網(wǎng)建設(shè)方面投入了近1億的資金，全面提升了地震臺網(wǎng)的軟硬件，對井下地震監(jiān)測做了重點(diǎn)研究。

新增的地震監(jiān)測井分為地聲觀測井和地層形變觀測井兩種類型。地聲觀測井可觀測極微震、超微震的變化規(guī)律;地層形變觀測井可進(jìn)行地層形變觀測、地應(yīng)力測量、水位、水溫、地溫及地下水化學(xué)成分測量等多種觀測項(xiàng)目。

井下地層形變(地傾斜、體應(yīng)變等)觀測可以擺脫地表的天然及人為干擾，如降雨、交通等等，使觀測數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反應(yīng)地層變化情況。

為了使地震監(jiān)測井達(dá)到精準(zhǔn)觀測的目標(biāo)，首先必須保證鉆井的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足地震監(jiān)測的要求。因此地震監(jiān)測井的鉆井設(shè)計(jì)和施工工藝直接影響監(jiān)測數(shù)椐的精度和可信度。

2 地震監(jiān)測鉆井設(shè)計(jì)

2.1 井孔選址

在選擇地震監(jiān)測井點(diǎn)時(shí)，應(yīng)避開振動源和油田開采區(qū)或工業(yè)采水區(qū)，避開滑坡和易發(fā)生洪澇的地區(qū)。一般根據(jù)干擾源的特性選取1～5 km的避開距離。避開距離最小值應(yīng)達(dá)到在深井實(shí)地測試時(shí)的最大干擾雙振幅要求。

地下流體綜合觀測井應(yīng)選在地應(yīng)力容易集中的地方。如活動斷裂帶，特別是深大斷裂帶的端點(diǎn)、拐點(diǎn)、交匯點(diǎn)。由于這些斷裂帶切入地殼很深，形成了許多地下水的天然通道，當(dāng)巨大塊體相對運(yùn)動時(shí)，斷裂帶是地下活動最劇烈的地方，同時(shí)也是地下水最活躍的地方。

地下流體綜合觀測井還應(yīng)選在具有一定封閉條件的承壓含水地層。這種含水層受降雨、蒸發(fā)、滲透的影響很小，能客觀反映地殼的應(yīng)變狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測井設(shè)計(jì)

2.2.1 監(jiān)測井最佳深度

地聲監(jiān)測井的干擾幅度隨井孔深度的增加而減小;另一方面，由于表層介質(zhì)的放大作用，也使信號隨深度的增加而減小。若干擾和信號隨深度的減小都遵從指數(shù)規(guī)律，即:

式中:

S0、Sh—分別為地面和深度為h處的信號;

R0、Rh—分別為地面和深度為h處的干擾;

λN、λS—分別為干擾和信號的衰減系數(shù);

信噪比為:

如果信噪比提高一個(gè)量級，即:

令(Sh/Rh)/(S0/R0)=10，

取對數(shù)log((Sh/Rh)/(S0/R0))=1，可得出:

因干擾比信號隨深度衰減得快，即λN＞λS，則有:

因此:

也就是使信噪比提高一個(gè)量級的起始深度為1/λN。

實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在基巖地層的監(jiān)測井，設(shè)計(jì)井深為100m就足以滿足監(jiān)測要求。若在覆蓋層較厚的平原地區(qū)，則井下儀器安放在地下300～500m深度，可得到良好的地震記錄。

2.2.2 監(jiān)測井的垂直度

對于地聲監(jiān)測井，其垂直度要求取決于傳感器的類型。一般要求監(jiān)測井中心線與垂直線的偏差不能超過3°，但隨著儀器精密度的提高，對垂直度的要求越來越高。如果在平原地區(qū)，井深為500m，則要求每100 m不超過0.5°。這對于鉆井施工難度較大。

2.2.3 完井與固井

完井和固井質(zhì)量對于地震監(jiān)測井十分重要。地聲監(jiān)測井和地層形變監(jiān)測井對固井和完井的要求有所不同。地聲監(jiān)測井完井和固井要求如下:

(1)采用直徑為146～180mm的無縫鋼管做井管，井管的連接采用特殊絲扣連接與焊接，確保井管內(nèi)壁連接平滑且密封不滲水;

(2)在井管與圍巖之間灌注高標(biāo)號的水泥漿，使井管與圍巖固結(jié)為一體;

(3)井底介質(zhì)應(yīng)為基巖或粘土層，并采用高標(biāo)號的水泥封底，井底水泥塞長度為3～5m;

(4)固井后先清洗井管，然后排干井內(nèi)積水，最后用吸水海棉將井內(nèi)水吸干;

(5)井口處用高標(biāo)號水泥配制混凝土澆筑井臺，井臺高出地面≮1m，面積約為4m×6m。井管高出水泥井臺面0.5m，并在井口標(biāo)刻方位刻度。

地下流體監(jiān)測井在完井和固井方面與地聲監(jiān)測井最大的不同點(diǎn)是:固井應(yīng)滿足封閉全部非觀測層的要求。即井的上部采用無縫鋼管做井管，并在井管與圍巖之間灌注高標(biāo)號的水泥漿固井;而井的下部則采用花管與觀測層連通。為了保證觀測精確度，井管盡可能不變徑。為此，需要采用特殊的成井和固井技術(shù)。

2.2.4 抽水試驗(yàn)與滲透系數(shù)計(jì)算

對于地下流體觀測井，抽水試驗(yàn)主要是為了查明地層滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、壓力傳導(dǎo)系數(shù)、給水度、越流系數(shù)、影響半徑等有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，為地震觀測提供水文地質(zhì)資料。由于條件限制，地震觀測井往往采用單孔的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

通過抽水試驗(yàn)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，對于不同類型的觀測井采用不同的方法計(jì)算滲透系數(shù)。

潛水非完整井，單孔抽水試驗(yàn)采用以下方法計(jì)算滲透系數(shù)k:

式中:

k—滲透系數(shù)(m/d);

Q—抽水井涌水量(m3/d);

L—過濾器長度(m);

S—抽水井水位下降值(m);

r—抽水井半徑(m)。

承壓水非完整井，單孔抽水試驗(yàn)則滲透系數(shù)k計(jì)算方法是:

式中:

k—滲透系數(shù)(m/d);

Q—抽水井涌水量(m3/d);

r—抽水井半徑(m);

S—抽水井水位下降值(m)。

2.2.5 地下氣體及同位素的測定

國內(nèi)外大量的觀測資料表明，地下氣體對現(xiàn)今地殼動力過程的響應(yīng)是十分靈敏的，而且已經(jīng)成為地震監(jiān)測預(yù)報(bào)的重要手段之一。地下氣體不僅映震能力強(qiáng)，而且震前異常特征也十分明顯。觀測的項(xiàng)目主要有:He、H2、Ar、O2、N2、CH4、CO2及氣體總量。

表1 地震臺網(wǎng)部分監(jiān)測井的概況Table 1 General situation of some monitoring wells in a seismic network

地震發(fā)生前后，常伴有流體元素和同位素地球化學(xué)異常。因而，將氫、氧、碳、鉛、惰性氣體等同位素作為地震前兆的指示劑，可以為震前監(jiān)測、地震監(jiān)測等方面的研究和應(yīng)用提供重要的信息。

3 地震監(jiān)測井的鉆井工藝

地震監(jiān)測井的鉆井工藝與監(jiān)測井的類型以及鉆井的地質(zhì)環(huán)境條件緊密相關(guān)。在湖北省“十一五”地震監(jiān)測臺網(wǎng)升級建設(shè)期間，中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院與湖北省地震局及市縣地震局共同完成了多個(gè)地震臺網(wǎng)監(jiān)測井的建設(shè)工作(表1)。總結(jié)和研發(fā)了一套完整的鉆井工藝技術(shù)，并取得了良好的工程應(yīng)用效果。

3.1 觀測井保直防斜鉆井技術(shù)

地震觀測井對井孔的垂直度要求較高。因此，必須根據(jù)實(shí)際工程地層條件及設(shè)計(jì)要求，采用相應(yīng)的保直防斜鉆井技術(shù)以滿足地震觀測井的技術(shù)要求。

3.1.1 鉆機(jī)安裝與鉆具垂直校驗(yàn)

(1)安裝設(shè)備前，地基要平整、堅(jiān)實(shí)、填方部分不得超過1/3基臺木要水平、穩(wěn)固。

(2)對鉆機(jī)立軸進(jìn)行垂直度校驗(yàn)，上對塔頂天車，下對設(shè)計(jì)井位。此外，在鉆進(jìn)過程中還要經(jīng)常檢查和校正立軸方向。

(3)要保證開孔時(shí)鉆具的垂直度，特別是粗徑鉆具要直。埋設(shè)井口管要牢固。

(4)換徑時(shí)，應(yīng)采用帶導(dǎo)向的綜合式異徑鉆具。

3.1.2 合理的鉆具結(jié)構(gòu)

采用合理的鉆具結(jié)構(gòu)，是為了增強(qiáng)鉆具的穩(wěn)定性和導(dǎo)正作用，以改善下部鉆具的彎曲形態(tài)，提高鉆進(jìn)時(shí)的防斜能力。

鐘擺鉆具、偏重鉆具和滿眼鉆具等形式的組合鉆具對防止和糾正鉆井彎曲有明顯的效果。

(1)鐘擺鉆具

采用較短長度的巖心管，約1.5～2m，其上連接鉆鋌。鉆鋌質(zhì)量大于孔底所需的鉆壓，中和點(diǎn)落在鉆鋌上。在鉆具與孔壁的切點(diǎn)以下，由鉆具質(zhì)量引起的橫向分力將鉆頭推向孔壁下方，此力稱為鐘擺力(減斜)Fd。

式中:

W—切點(diǎn)以下鉆鋌的質(zhì)量;

θ—鉆孔頂角;

L—孔底與切點(diǎn)的距離;

l—切點(diǎn)以下鉆具的重心與切點(diǎn)的距離。

根椐鐘擺力計(jì)算公式，當(dāng)鉆井頂角一定時(shí)，增大減斜力的途徑是:加大切點(diǎn)以下鉆具的質(zhì)量，如選用厚壁鉆鋌等;在略高于切點(diǎn)的位置上裝一扶正器，提高切點(diǎn)的位置，或以增大切點(diǎn)以下鉆鋌長度的方法來增大鉆具的質(zhì)量。此外，采用扶正器還可以減小下部鉆具的傾斜角和增斜力，從而進(jìn)一步加大鉆具的防斜能力。

(2)偏重鉆具

通過在普通鉆鋌的一側(cè)鉆若干淺孔，使鉆鋌重心偏移，而形成偏重鉆具。偏重鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，離心力大小與轉(zhuǎn)速和偏心距成正比。鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)偏重朝向井壁下側(cè)時(shí)，離心力與鐘擺力方向一致，可以對井壁產(chǎn)生較大的沖擊糾斜力，使鉆井傾角逐漸減小。同時(shí)，由于這種周期性的旋轉(zhuǎn)不平衡性，使下部鉆柱發(fā)生強(qiáng)迫振動，這種彈性的橫向振動，會增大鉆頭切削井壁下側(cè)的能力。此外，由于離心力的作用，使偏重鉆鋌的重邊在旋轉(zhuǎn)時(shí)永遠(yuǎn)貼向井壁，這樣就使下部鉆柱具有“公轉(zhuǎn)”的特性，消除了自轉(zhuǎn)對井斜的影響，在直井中更具有防斜作用。

為了發(fā)揮偏重鉆鋌的防斜作用，宜采用高轉(zhuǎn)速。同時(shí)，在組合鉆具中，應(yīng)把質(zhì)量差集中在鉆具下部，盡量接近鉆頭，并使偏重鉆鋌的減重部分的質(zhì)量位于距軸線盡可能遠(yuǎn)的部分，才能有效發(fā)揮作用。鉆鋌重邊和輕邊的質(zhì)量差推薦為鉆鋌總重的0.5% ～5%。實(shí)踐表明，偏重鉆鋌的長度一般在9m左右就能起到良好的糾斜作用。

(3)滿眼鉆具

滿眼鉆具是由3～5個(gè)直徑與鉆頭直徑相近的扶正器和外徑較大的鉆鋌(如方鉆鋌)組成，可以增大鉆具的剛度，減小鉆頭傾斜角，保持鉆具在井內(nèi)居中。因此，能限制由于鉆柱彎曲而產(chǎn)生的增斜力。

使用滿眼鉆具時(shí)，要計(jì)算扶正器的安裝位置，并經(jīng)常檢查扶正器的磨損情況，一般應(yīng)保證扶正器與井壁的間隙小于1mm，若大于4mm則扶正器完全失去“滿眼”的作用。

滿眼鉆具用于垂直鉆井時(shí)，雖然可以消除或減小工藝技術(shù)因素對井斜的影響，減弱地質(zhì)因素的促斜作用，但并不能完全避免井斜的發(fā)生。因此應(yīng)及時(shí)了解鉆進(jìn)過程中的井斜情況與防斜效果。

對于易斜地層，當(dāng)采用上述方法仍不能控制井斜的情況下，可采用中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)研制的隨鉆測斜垂鉆系統(tǒng)。

3.2 成井和固井技術(shù)

對于地震地下流體觀測井，為了準(zhǔn)確監(jiān)測觀測層地下流體的變化情況，必須嚴(yán)格把觀測層和非觀測層隔離開來，避免觀測數(shù)據(jù)受降雨和淺層抽水等影響。此外，為了保證觀測精確度，采用的井管盡可能保持直徑不變徑。因此，需要采用特殊的成井和固井技術(shù)。

3.2.1 分層注漿工藝

分層注漿是向非觀測層注入水泥漿并保證水泥漿不進(jìn)入觀測層。通過分層注漿把觀測層與非觀測層的流體隔離開來，阻止非觀測層的流體流入觀測層而影響觀測的準(zhǔn)確性。分層注漿的固井工藝如下:

(1)井管連接及吊放

按照鉆井的實(shí)際井深和非觀測層與觀測層的厚度確定井管和花管的長度，采用特殊絲扣依次連接并吊放到井內(nèi)。

(2)井內(nèi)架橋

在井管與花管的連接處井管外纏綁水敏性膨脹橡膠;在該段套管內(nèi)設(shè)置臨時(shí)封堵塞，并安放在井內(nèi)非觀測層與觀測層分界處。膨脹橡膠遇水后體積脹大，并與井壁產(chǎn)生一定的接觸壓力，形成密實(shí)的充填隔離，將鉆井分隔成上下兩段。

(3)定量注漿及固井

使用定量注漿器向分隔處灌注水泥漿，形成一定長度的封堵水泥柱(如圖1所示)。封堵柱達(dá)到一定強(qiáng)度后，將鉆桿下放至井內(nèi)架橋的位置，進(jìn)行水下注漿固井。注漿過程中密切注意注漿壓力的變化。

圖1 分層注漿工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram showing technology of layered grouting

(4)清掃井管

注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，采用壓漿活塞將井管內(nèi)水泥漿壓至環(huán)空間隙，待環(huán)空間隙的水泥漿凝固5～8d后，采用比井管直徑小一級的鉆具清掃井管內(nèi)的封堵物，直至井底。

分層注漿最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是井內(nèi)架橋。所采用的水敏性膨脹橡膠既有普通橡膠制品的各種性能，又有遇水膨脹的性能。這種橡膠浸入水中，體積會膨脹增大，膨脹后的體積是原來體積的2～3倍。其膨脹率不受水質(zhì)的影響，不含有害物質(zhì)，無析出物，不污染環(huán)境，而且具有抗老化和抗腐蝕性能。膨脹后的橡膠仍保持原來的彈性和延伸性。

在使用這種膨脹橡膠時(shí)，還須注意以下幾點(diǎn):

①對選用的水敏性膨脹橡膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定其實(shí)際性能。

②使用前切忌遇水受潮，以免材料過早膨脹影響使用效果。應(yīng)放置在干燥的室內(nèi)，避免陽光直射。

③與水敏性膨脹橡膠接觸的管材表面應(yīng)平整并處理干凈，無浮灰、油污、雜物和松動。

④膨脹橡膠止水條對接時(shí)，接口需平整，相互接觸。應(yīng)避免在急彎或陰陽角附近對接。

⑤施工過程中往往因遇雨使止水條或基面潮濕，導(dǎo)致止水條過早膨脹?？蛇x擇緩膨型水敏性膨脹橡膠膠止水條。

3.2.2 固井水泥

為了保證井管與地層較好的耦合，在固井水泥中摻入一定量的水泥膨脹劑，使水泥漿內(nèi)導(dǎo)入一定的膨脹應(yīng)力即壓應(yīng)力，部分或全部補(bǔ)償水泥石干縮、冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而阻止或減小水泥石的收縮，避免水泥石的收縮值超過其極限拉伸值，防止或減少水泥漿凝固后的開裂，達(dá)到抗裂防滲的效果。水泥膨脹劑是一種由各類鹽混合而成的水泥添加劑。膨脹劑一般不含鈉鹽，不會引起混凝土堿骨料反應(yīng)。

膨脹劑種類繁多，膨脹源各異，如 AFt、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Fe(OH)3等。常見的膨脹劑類型如下:

(1)CaO類型的膨脹劑(CEA);

(2)MgO類型的膨脹劑;

(3)明礬石［K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3］類型的膨脹劑(EA－L);

(4)硫鋁酸鹽礦物(UEA、CSA)和鋁酸鹽礦物(AEA)類型的膨脹劑;

(5)復(fù)合膨脹劑。

為了選擇適合地震測井用的水泥膨脹劑，在實(shí)驗(yàn)室對多種型號的膨脹劑進(jìn)行了不同配合比的實(shí)驗(yàn)，確定膨脹水泥的膨脹率。

膨脹率實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由三部分構(gòu)成，即釜體裝置、溫度控制系統(tǒng)、PVT壓力控制系統(tǒng)。

釜體裝置主要用來放置被測試的水泥漿(石)試樣，提供一個(gè)密閉的高溫高壓環(huán)境。溫度控制系統(tǒng)用來設(shè)定不同的升溫時(shí)間和目標(biāo)溫度，達(dá)到模擬井下環(huán)境溫度的要求。PVT壓力控制系統(tǒng)用來準(zhǔn)確控制釜體壓力。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確計(jì)量在給定的壓力下某時(shí)刻推動活塞位移的水泥漿體積變化量以及任一時(shí)刻流入/流出釜體的水泥漿體積累積量。

對實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)椐進(jìn)行分析計(jì)算，繪制膨脹率發(fā)展變化曲線，確定膨脹率，最終優(yōu)選出合適的水泥膨脹劑種類及添加量。

3.2.3 井管連接絲扣密封膠

井管的連接密封對于安裝測震儀的監(jiān)測井是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

在實(shí)際工程中，井管的螺紋連接處都采用了性能良好的密封膠，即第三代液態(tài)生料帶密封。這種“液態(tài)生料帶”，具有以下性能:

(1)膠液100%反應(yīng)，固化后略膨脹，從而填充整個(gè)螺紋間隙達(dá)到鎖緊密封作用;

(2)密封壓力高，固化后可耐69MPa以下的壓力，耐腐蝕，保護(hù)金屬螺紋;

(3)耐高溫(－55℃ ～+150℃)，耐老化、耐大多數(shù)介質(zhì)、耐油等等;

(4)用于金屬螺紋，其固化速度與金屬的活性和溫度成正比。

在使用過程中，膠液與空氣接觸時(shí)，膠液保持液態(tài)，將膠液涂在螺紋上形成圓周并裝配閉合時(shí)，在金屬螺紋內(nèi)因缺氧并在金屬離子的催化作用下，產(chǎn)生固化反應(yīng)，填充整個(gè)螺紋間隙，形成高強(qiáng)度，耐腐蝕，耐高溫(150°)，耐老化(壽命超過鋼材)，密封鎖固性極強(qiáng)的熱固性塑料。用這種新方法保證了井管的連接密封防水抗?jié)B。

4 結(jié)論

(1)采用井下地震監(jiān)測方法可以減小地面噪聲干擾，提高地震監(jiān)測精度和儀器放大倍數(shù)，取得可靠、連續(xù)、完整的地震記錄圖，準(zhǔn)確測定地震基本參數(shù)(發(fā)震時(shí)刻、震級、震中位置、震中距離和震源深度)。深井地下流體觀測可以擺脫地表的天然及人為干擾，如降雨、抽水、交通等等，使觀測數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反應(yīng)地層變化情況，為預(yù)報(bào)地震和開展各項(xiàng)研究工作提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。

(2)地震監(jiān)測井的選址、井深、井徑、井斜和固井等參數(shù)有其特殊的技術(shù)要求，應(yīng)合理地設(shè)計(jì)并采用相應(yīng)的鉆井技術(shù)措施，使地震監(jiān)測井達(dá)到優(yōu)良的質(zhì)量指標(biāo)。

(3)固井是保證地震監(jiān)測井工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。良好的固井工藝可以保證井管的穩(wěn)定性，防止地下水滲入地聲監(jiān)測井內(nèi)，同時(shí)保證地震監(jiān)測儀與地層很好的耦合。地下流體觀測井采用專門設(shè)計(jì)的注漿器具和分層注漿固井新工藝，提高了地下流體觀測井的建井質(zhì)量。

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