徐　俊, 汪發(fā)文, 方　波, 葉　慧

(湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢　430072)

1　概述

中國(guó)位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓,地震斷裂帶十分發(fā)育,從而造成中國(guó)地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣等特點(diǎn),是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家。因此地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)工作顯得尤為重要。而地下流體觀測(cè)井旨在建立和完善先進(jìn)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),從而達(dá)到預(yù)防或減輕地震造成的災(zāi)害[1]。

地下流體觀測(cè)井還可以進(jìn)行地層形變觀測(cè)、地應(yīng)力測(cè)量、水位、水溫、地溫及地下水化學(xué)成分測(cè)量等各種觀測(cè)項(xiàng)目,因此綜合利用各種井下觀測(cè)結(jié)果,可以提高地震預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與預(yù)報(bào)頻率。

受湖北省地震局委托,本院承擔(dān)了省內(nèi)2個(gè)地下流體觀測(cè)井的施工。設(shè)計(jì)要求完井后套管外徑Φ127 mm(內(nèi)徑≥110 mm),有效封固非觀測(cè)層地層,保證觀測(cè)層的準(zhǔn)確性。

2　地震觀測(cè)井的工作原理及技術(shù)要求

2.1　地震觀測(cè)井的工作原理及應(yīng)用

為了減小地面噪聲及其它因素的干擾,提高地震監(jiān)測(cè)的精度,根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造情況,選取合適的觀測(cè)點(diǎn),采用鉆井的方法將地震監(jiān)測(cè)儀安放到鉆井底部,通過(guò)纜線將井下監(jiān)測(cè)到的地震波信號(hào)及其它參數(shù)傳送到數(shù)據(jù)分析中心,從而準(zhǔn)確測(cè)定地震基本參數(shù)(地震時(shí)刻、震級(jí)、震中位置、震中距離和震源深度),為預(yù)報(bào)地震和開(kāi)展各項(xiàng)研究工作提供重要的參考資料。在具有高水平脈動(dòng)干擾且沉積層很厚的大城市及附近地區(qū),井下地震監(jiān)測(cè)是研究微震活動(dòng)的唯一可行手段。國(guó)外研究成果表明利用井下地震儀可監(jiān)測(cè)到許多地面地震臺(tái)未記錄到的微弱地震波,可大大提高震源定位精度。根據(jù)國(guó)外一些井下地震臺(tái)的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果,在覆蓋層較厚的平原地區(qū),一般在井下300～500 m處安放井下儀器,就可得到良好的地震記錄;若地層為基巖,則井深100 m就已經(jīng)足夠。

同時(shí)井下地震監(jiān)測(cè)儀通過(guò)波的傳播特性,還能探測(cè)出地層巖石孔隙度、孔隙密度和液體成分性質(zhì)等多孔介質(zhì)特性細(xì)微變化,為研究地殼運(yùn)動(dòng)提供基礎(chǔ)資料。

2.2　地震觀測(cè)井的技術(shù)要求

(1) 觀測(cè)井深度。鉆井井深>300 m,<400 m(實(shí)際井深由甲方根據(jù)乙方在井孔施工中揭露的地質(zhì)情況確定)。

(2) 觀測(cè)井內(nèi)徑與井孔斜度。開(kāi)孔直徑按設(shè)計(jì)方案執(zhí)行。完井井管(套管)內(nèi)徑≥110 mm,保證井下地震監(jiān)測(cè)儀器順利下放。井孔每100 m斜度≤1°,確保地震觀測(cè)井的觀測(cè)精度。

(3) 觀測(cè)井套管。①套管在地面以上的高度為0.6 m;②套管在地面以下的應(yīng)滿足封閉全部非觀測(cè)層的要求,灌注高標(biāo)號(hào)的水泥漿將套管與井壁緊密耦合;③套管采用螺紋連接,確保連接處不滲水;④套管與井壁圍巖間隙應(yīng)采用充填物固定套管;⑤套管內(nèi)徑≥110 mm、管厚≥6 mm的無(wú)縫鋼管。

(4) 觀測(cè)井過(guò)水?dāng)嗝娴奶坠懿捎没ü堋?/p>

(5) 觀測(cè)井頂部需為出露地面500 mm(長(zhǎng))×500 mm(寬)×500 mm(高)的井口并加井蓋。

3　技術(shù)難點(diǎn)

地震觀測(cè)井施工主要分為兩個(gè)部分,分別為鉆井階段和完井階段。鉆井階段主要是在井址點(diǎn)按要求鉆出高精度高質(zhì)量井孔,完井階段主要是固井和洗井階段。

在鉆井成孔方面,本院具有較成熟的施工工藝技術(shù),能按照要求鉆出高精度高質(zhì)量井孔。但是在完井階段,由于其特殊用途,固井難度較大。主要原因是由于目的觀測(cè)層的不確定,必須在鉆井過(guò)程中根據(jù)實(shí)際巖心判斷確定,針對(duì)這種孔深不確定的孔井,不能直接采用常規(guī)固井工藝施工(即先下套管將非觀測(cè)層封固,然后變徑鉆穿觀測(cè)層成井),通過(guò)多方論證,采用管外封隔固井,但受成本影響,故設(shè)計(jì)了二次注漿工藝,即利用單向閥、架橋塞、緩膨止水帶、井管、擋泥環(huán)等五部分組成止水封隔器,完成觀測(cè)目的層和非觀測(cè)層位的封隔,然后進(jìn)行第一次注漿,用于檢測(cè)封隔效果和加強(qiáng)止水封隔器的承載力,保證第二次注漿的施工安全。最后進(jìn)行第二次大注漿,直至水泥漿返出地面,壓水替漿之后,固井結(jié)束。固井主要難點(diǎn)如下:

3.1　如何確保套管同心度及內(nèi)壁光滑

套管下入孔內(nèi)之后,以后還要下入各種儀器,假如套管徑向變形,則儀器無(wú)法下到位,就意味著整個(gè)孔的報(bào)廢。

3.2　套管能否順利下入孔內(nèi)

由于套管與孔壁之間理論間隙僅13 mm,安裝止水封隔器之后,間隙僅1 mm,因此孔內(nèi)不能有掉塊、探頭石,否則極易卡緊套管,造成卡套管等孔內(nèi)事故。同時(shí)所有套管必須在緩膨止水帶的緩膨期內(nèi)順利下管到位[2]。

3.3　　　　下管過(guò)程中能否保證緩膨止水帶不被破壞,影響其效果

下管過(guò)程中,由于環(huán)空間隙比較小,難免與孔壁碰撞摩擦,極易損傷緩膨止水帶,難以保證其封隔效果。

3.4　　　　緩膨止水帶能否順利膨脹,有效封隔觀測(cè)層和非觀測(cè)層

鉆井工程中,地層復(fù)雜多變且各地層巖性不一,井徑大小不一,膨脹橡膠帶能否封隔地層,值得商榷[3]。

3.5　非觀測(cè)層孔壁與套管的小間隙固井是最大的難點(diǎn)

套管與非觀測(cè)層孔壁理論間隙13 mm,局部裂隙發(fā)育,間隙必須用水泥漿充填牢固,保證第一、二次固井界面的膠結(jié)強(qiáng)度,同時(shí)在固井過(guò)程中,必須保證整套施工工藝的連續(xù)連貫性。

4　鉆孔結(jié)構(gòu)

兩口地下流體觀測(cè)井都采用一徑到底施工工藝(鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示),井斜度每百米不超過(guò)1°,滿足設(shè)計(jì)要求,為后期固井施工作業(yè)打下良好的基礎(chǔ)[4]。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Sketch map of drilling structure

5　固井過(guò)程及技術(shù)難點(diǎn)的解決

5.1　下套管前的準(zhǔn)備工作[5]

(1) 認(rèn)真檢查管材規(guī)格質(zhì)量,編號(hào)且丈量尺寸;

(2) 檢查調(diào)整好設(shè)備提升系統(tǒng),特別是泥漿泵及泵壓表,以及套管夾持器等;

(3) 按要求組裝好止水封隔器,并連接在花管與套管之間,在止水封隔器上方加焊擋泥環(huán)和纏繞干海帶,在下放過(guò)程中能有效保護(hù)緩膨止水帶。

5.2　下管

(1) 探孔。下管前用10 m長(zhǎng)套管進(jìn)行試下管,直到探到底后鉆具提升、下降無(wú)阻礙為止;

(2) 按照設(shè)計(jì)要求依次先下入花管,膨脹管、套管等井管,且用強(qiáng)力密封膠和電焊,完全保證套管的密封性,在下管過(guò)程中,每根入孔管具都必須使用通井規(guī)通井,保證管具同心度和光潔度。

5.3　小注漿器具的研發(fā)[6]

二次注漿工藝的優(yōu)點(diǎn)就是保證工程質(zhì)量安全。如果直接一次注漿固井,假設(shè)止水封隔器沒(méi)有封隔好觀測(cè)層和非觀測(cè)層或者在注漿過(guò)程中,止水封隔器承受的管內(nèi)外壓力逐漸增大而坍塌,則使得觀測(cè)層被水泥封固,極易造成工程報(bào)廢。 因此下管完成之后,待止水封隔器完全膨脹封隔,必須檢驗(yàn)封隔效果和提高止水封隔器(主要是架橋塞及管外緩膨止水帶)的承載力。

采用定量注水泥加固法,通過(guò)特制注漿器(定量注漿器如圖2所示),將一定量的水泥漿注入架橋塞所處的管內(nèi)外,待水泥漿凝固之后,下管探測(cè)水泥塞面,根據(jù)塞面高低與注漿孔的高度差來(lái)判斷止水封隔器封隔效果(高度差為正代表封隔效果好,為負(fù)則為封隔失敗),然后再進(jìn)行第二次大注漿。

圖2　定量注漿器Fig.2　Quantitative filling device

由于定量注漿器容積一定,且直接下到預(yù)定深度注漿,保證注漿效率和精度,如果止水封隔器沒(méi)有封隔好,因水泥漿一定,也不會(huì)造成鉆孔報(bào)廢,還有一定的補(bǔ)救措施。同時(shí)能封固自身注漿孔,保證第二次注漿孔的通暢性。

5.4　分隔器的組成及原理

二次注漿工藝技術(shù)的核心技術(shù)是在選定目的層進(jìn)行管外分隔,然后進(jìn)行第一次定量注漿和第二次管外大方量注漿。根據(jù)石油固井的管外分隔器得到啟發(fā),自行設(shè)計(jì)了符合地下觀測(cè)井技術(shù)要求的管外分隔器(如圖3所示)。

圖3　分隔器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Sketch map the divider structure1.井管;2.單向閥;202.單向閥堵物圖釘;204.單向閥固定橡膠皮;205.擋泥環(huán);3.架橋塞;301.中心通道;302.鋼凡爾活動(dòng)室;303.鋼凡爾;304.限位網(wǎng);4.緩膨止水橡膠;5.井壁。

分隔器主要由單向閥(2)、架橋塞(30)、緩膨止水橡膠帶(4)、井管(5)、擋泥環(huán)(205、401)等五部分組成。在井管上部做12個(gè)單向閥,然后再將架橋塞固定在單向閥下1 m位置,最后將緩膨止水帶硫化或者粘貼在架橋塞下的井管外壁,并將擋泥環(huán)焊接在緩膨止水帶的上下方,以保護(hù)緩膨止水帶在下放過(guò)程中的刮碰損傷。

按照施工實(shí)際,選擇好合適的封隔層位,下套管時(shí)將水文井固井一體化分隔器連接在正確的位置下入鉆孔,鉆孔中的地下流體通過(guò)架橋塞中心通道沖開(kāi)鋼凡爾(303)涌入管中,下完套管后,候凝48 h,讓緩膨止水帶充分膨脹封隔套管與孔壁間的小間隙,完成止水過(guò)程,然后再?gòu)目卓诠嘧⑺酀{,水泥漿通過(guò)單向閥充填套管與井壁間的環(huán)形間隙直至返出地面。

固井結(jié)束后,待水泥漿充分凝固后,下鉆鉆塞并取出架橋塞。

5.5　注漿量的計(jì)算

第一次定量注漿:小注漿口距離架橋塞距離0.9 m,則第一次定量注漿理論值V1=π[(D/2)2-(d1/2)2]h+π(d2/2)2h=0.014 m3，考慮到孔徑擴(kuò)大率及其它因素,實(shí)際注漿量為0.030 m3。

第二次注漿:分別根據(jù)荊門和鐘祥2個(gè)工地的地質(zhì)情況及孔深(荊門地震臺(tái)觀測(cè)井孔深408.88 m,鐘祥地震臺(tái)觀測(cè)井孔深349.93 m),綜合實(shí)際要求觀測(cè)層長(zhǎng)度、地層巖性完整情況分別選擇封隔層在295.4 m和272.44 m處,其第二次注漿口分別位于270 m和248 m,則其理論注漿量分別為:

V荊門=π[(D/2)2-(d1/2)2]h1
+π(d2/2)2h2=1.94 m3

考慮到井壁內(nèi)漏失及灌注過(guò)程中的溶洞損耗,取安全系數(shù)1.5,按照水灰比0.45,選用42.5普通硅酸鹽水泥,理想狀態(tài)下的水泥漿質(zhì)量:

G荊門=1.94 ×1.5 ×1.85=5.4 t

42.5普通硅酸鹽水泥:

G水泥=G荊門×1/(1+w)=3.72 t

V鐘祥=π[(D/2)2-(d1/2)2]h1
+π(d2/2)2h2=1.81 m3

考慮到井壁內(nèi)漏失及灌注過(guò)程中的溶洞損耗,取安全系數(shù)1.5,按照水灰比0.45,選用42.5普通硅酸鹽水泥,理想狀態(tài)下的水泥漿質(zhì)量:

G鐘祥=1.81 ×1.5 ×1.85=5.02 t

42.5普通硅酸鹽水泥:

G水泥=G鐘祥×1/(1+w)=3.46 t

5.6　固井注漿方法(如圖4所示)[7]

下完套管待膨脹橡膠充分膨脹后,按照設(shè)計(jì)量將水泥漿注入定量注漿器,下鉆至架橋塞上部,選擇低泵量注漿,待膠塞封住出漿孔時(shí),泵壓突然上升,快速停泵起鉆(如圖4-b所示)。待水泥漿凝固之后,下鉆探塞,探得荊門和鐘祥2個(gè)工地第一次注漿塞長(zhǎng)分別為1.0 m和1.2 m,緩膨止水帶有效封隔了上下兩個(gè)觀測(cè)層,第一次注漿完全封固了套管內(nèi)外空隙,提高了止水封隔器的承載力,達(dá)到第二次注漿要求。

第二次注漿時(shí),首先用清水壓通第二次注漿通道,待循環(huán)一周之后,壓入前置液,按照設(shè)計(jì)水灰比,配漿灌注(如圖4-c所示),待水泥漿返出地面以后,泵入隔離液,壓入清水替漿(如圖4-d所示)。荊門工地替漿2.7 m3,泵量90 L/min,替漿時(shí)間30.6 min,鐘祥工地替漿2.5 m3,泵量90 L/min,替漿時(shí)間27.8 min。

圖4　二次注漿示意圖Fig.4　Sketch map of secondary grouting

荊門和鐘祥兩個(gè)工地實(shí)際施工使用水泥量分別達(dá)55 t和50 t,與理想狀態(tài)的水泥量相差甚遠(yuǎn)。根本原因在于固井段地層裂隙發(fā)育(如圖5所示),且在鉆孔施工過(guò)程中,盡可能沒(méi)有使用膨潤(rùn)土粉及化學(xué)堵漏材料進(jìn)行護(hù)壁堵漏。為了保證觀測(cè)效果,完全封固觀測(cè)層上部地層,阻隔地下流體串聯(lián),根據(jù)固井技術(shù)質(zhì)量要求,需壓力灌注,徹底堵死封固好封固井段裂隙,直至水泥漿返出地面為止。因此實(shí)際水泥使用量遠(yuǎn)高于理論值。

5.7　鉆塞

水泥漿凝固以后,按照工程設(shè)計(jì)要求,鉆通套管內(nèi)架橋塞(如圖6),在鉆塞過(guò)程中,采用低鉆速鉆進(jìn)取塞,防止震壞二次交界面,影響固井質(zhì)量,不能有效地封隔上下地層之間流體。

圖5　鐘祥工地部分巖芯實(shí)景Fig.5　Real scenes of cores of parts of construction site in Zhongxiang

圖6　架橋塞及固井水泥塞圖Fig.6　Pictures of bridge plug and cement plug

5.8　固井質(zhì)量

完成第二次大方量注漿之后,按照設(shè)計(jì)要求候凝48 h,然后進(jìn)行探塞作業(yè)。荊門地下流體觀測(cè)井塞面深234.9 m,鐘祥地下流體觀測(cè)井塞面深216.3 m,分別高于注漿口35.1 m和23.7 m,理論上達(dá)到固井質(zhì)量要求(見(jiàn)表1)。鉆塞之后,2口地下流體觀測(cè)井經(jīng)過(guò)后期測(cè)試表明,非觀測(cè)層流體完全被隔離,達(dá)到了工程技術(shù)要求,固井質(zhì)量合格,達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

6　工藝效果及創(chuàng)新成果

二次注漿工藝技術(shù)較好地解決了地震地下流體觀測(cè)井這類特殊工藝井固井的技術(shù)難題。相比于石油工程中的高投入,其固井技術(shù)中使用的管外封隔器最低達(dá)萬(wàn)元以上,而在地下流體觀測(cè)井工程中,二次注漿工藝中用于制作膨脹管所使用的材料價(jià)格僅幾百元,在經(jīng)濟(jì)效益方面更勝一籌。

表1　固井質(zhì)量參數(shù)對(duì)比表Table 1　Contrast table of parameters of cementing quality

這兩個(gè)項(xiàng)目的成功實(shí)施,極大地完善了二次注漿工藝技術(shù),驗(yàn)證了該技術(shù)的穩(wěn)定性,且其核心元件《止水壓漿與固井多功能一體化分隔器》獲批國(guó)家實(shí)用新型專利(圖7)。

圖7　分隔器專利證書(shū)Fig.7　Separator patent certificate

7　結(jié)語(yǔ)

隨著地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的完善,地下流體觀測(cè)井

的施工任務(wù)越來(lái)越多,面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),本文總結(jié)使用了一套低投入的二次注漿工藝技術(shù)對(duì)整個(gè)工程有著十分重要的指導(dǎo)意義。

該工藝技術(shù)的核心專利元件《止水壓漿與固井多功能一體化分隔器》有針對(duì)性地解決了小間隙固井的難題,花錢不多,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,完全滿足止水、壓漿與固井施工要求,成功率100%,可以在以后類似工程(如供水井、水文井、地?zé)峋?的固井作業(yè)中借鑒參考。

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