高 偉

(1.天地科技建井研究院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.北京中煤礦山工程有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

西部軟巖全深凍結(jié)泥漿置換技術(shù)應(yīng)用研究

高 偉1,2

(1.天地科技建井研究院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.北京中煤礦山工程有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

針對西部白堊系、侏羅系軟巖地層的凍結(jié)井筒,采用泥漿置換技術(shù)封堵環(huán)形空間漏水通道已成為全深凍結(jié)的一個必要工序。為防止因?qū)途鹿拾l(fā)生,封堵凍結(jié)管與圍巖間的環(huán)形空間,做到既不影響凍結(jié)管下放,又能使環(huán)形空間不透水,實驗室應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的條件進行試驗,根據(jù)設(shè)計進行計算泥漿置換量和泥漿泵運轉(zhuǎn)時間,確保緩凝水泥漿全部注入到鉆孔孔底。實踐證明泥漿置換施工過程中,嚴格按照設(shè)計程序進行,能夠達到封水的效果,適用于西部白堊系、侏羅系地層封堵凍結(jié)鉆孔環(huán)形空間的漏水通道。

凍結(jié)鑿井法 軟巖鑿井 全深凍結(jié) 泥漿置換

近幾年來,隨著東部煤炭資源的枯竭,新建礦井多集中在內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、寧夏、新疆等西部地區(qū),西部地區(qū)一般覆蓋沖積層較少,甚至部分地區(qū)沒有沖積層,凍結(jié)造孔基本在軟巖中進行,大部分地區(qū)由于白堊系、侏羅系地層含水層采用普通法鑿井難以通過,故采用凍結(jié)法施工井筒。近期西部個別井筒出現(xiàn)因全深凍結(jié),即使進行了環(huán)形空間泥漿置換,仍因泥漿置換效果不好致使環(huán)形空間導水造成馬頭門開裂及淹井等事故。經(jīng)過近幾年環(huán)形空間泥漿置換技術(shù)的實施,個別專家學者對全深凍結(jié)提出異議,因此泥漿置換技術(shù)需進一步進行實踐和研究。

1 泥漿置換的必要性

在西部地區(qū),為確保井筒安全順利施工,多選用全深凍結(jié)特殊鑿井法,即凍結(jié)深度深入井筒以下10 m以上且進入穩(wěn)定不導水基巖。全深凍結(jié)增加了環(huán)形空間導水的風險,但保證了井筒建井的工期,保證了馬頭門上下地層中鑿井的安全。由于西部軟巖地層蠕變較小等特殊的巖層特點,地層不能與凍結(jié)管緊密結(jié)合,從而造成地層與凍結(jié)管之間存在環(huán)形空間,環(huán)形空間增加了各層地下水相互導通的幾率。全深凍結(jié)時凍結(jié)管穿過馬頭門及其他硐室,凍結(jié)壁自然解凍后大量涌水和泥砂可能通過凍結(jié)管與圍巖間的環(huán)形空間涌入井底,嚴重時可能造成透水淹井事故。

為了保證施工安全,防止導水淹井事故發(fā)生,應(yīng)在凍結(jié)孔施工時采取一定措施,封堵凍結(jié)管與圍巖間的環(huán)形空間,做到既不影響凍結(jié)管下放,又能使環(huán)形空間不透水,環(huán)形空間泥漿置換逐漸成為西部軟巖全深凍結(jié)造孔過程中的一個必要工序。目前各施工單位均根據(jù)自身技術(shù)水平進行緩凝水泥漿配比設(shè)計,泥漿置換的標準及效果也各不相同,開展環(huán)形空間泥漿置換的應(yīng)用研究十分必要。

2 泥漿置換設(shè)計

根據(jù)井筒地質(zhì)及水文條件和泥漿置換固結(jié)充填要求分析,凍結(jié)孔充填緩凝水泥漿材料需要具有穩(wěn)定性高、凝結(jié)時間可控、流動性好、比重可調(diào)控等性能。同時為保證凍結(jié)孔固結(jié)充填的效果,漿液應(yīng)具備結(jié)石率高、結(jié)石體物理力學性能好。一般要求緩凝水泥漿充填材料性能指標如下:漿液比重1.3～1.5 t/m3;2 h析水率≤5%;漏斗粘度≤30～35 s;初凝時間≥24 h;終凝時間＜7 d;結(jié)石率≥80%;結(jié)石體比重偏差≤5%;抗壓強度≥3～5 MPa。

緩凝水泥漿置換需要有一定的高度以達到抵抗上部地層水壓,起到封水作用。泥漿置換量與設(shè)計置換高度有直接關(guān)系,環(huán)形空間為凍結(jié)管與凍結(jié)鉆孔之間的空間,其體積與凍結(jié)造孔時選用的凍結(jié)管及造孔鉆頭有關(guān)。全深凍結(jié)時需要泥漿置換的地層多為軟巖地層,凍結(jié)鉆孔形成后由于泥漿與地層水土壓力基本保持平衡,巖體蠕變小,凍結(jié)孔基本不會出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。在凍結(jié)造孔期間,由于糾偏等反復上下鉆桿勢必造成凍結(jié)孔孔徑比鉆頭直徑稍大,泥漿置換時為保證置換高度,需適當考慮增加泥漿置換量。

環(huán)形空間泥漿置換緩凝水泥漿用量計算:

式中:V漿——設(shè)計緩凝水泥漿體積,m3;

α——調(diào)漿系數(shù),取1.05～1.2;

R——鉆頭半徑,m;

r——凍結(jié)管半徑,m;

h——泥漿置換高度,m。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

紅慶梁煤礦風井場地內(nèi)地表覆蓋第四系松散沉積物厚度0.94 m,局部基巖出露。根據(jù)鉆孔揭露,井筒地層由老至新為侏羅系中統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群和第四系。根據(jù)地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結(jié)構(gòu),井檢場地地下水劃分為白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙裂隙潛水層、侏羅系中統(tǒng)碎屑巖類承壓水含水層和侏羅系中統(tǒng)延安組碎屑巖類承壓水含水層3層。

3.2 凍結(jié)設(shè)計

風井井筒凈直徑7.2 m,最大開挖直徑9.7 m,井筒深460 m,凍結(jié)設(shè)計采用單圈孔全深凍結(jié)方式,設(shè)計凍結(jié)深度472 m,凍結(jié)壁平均溫度?。?℃。共布置34個凍結(jié)孔,凍結(jié)孔圈徑13.8 m,凍結(jié)孔開孔間距1.273 m;3個測溫孔,其中2個測溫孔深為472 m,1個測溫孔深為150 m;2個水文孔,其中1個孔的深度為125 m,另1個深度為300 m;環(huán)形空間封堵段高度120 m。

3.3 現(xiàn)場試驗

進行緩凝水泥漿置換需先在實驗室進行配比設(shè)計,根據(jù)配比設(shè)計進行施工,但由于現(xiàn)場條件與實驗室條件相差太大,現(xiàn)場需根據(jù)實驗室配比進行適當調(diào)整。采用復合硅酸鹽水泥,緩凝劑選用磺化單寧,首先在實驗室進行配比試驗,再根據(jù)現(xiàn)場凍結(jié)造孔配制的循環(huán)泥漿情況進行現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果見表1。

3.4 現(xiàn)場實施

緩凝水泥漿在準備置換前半小時調(diào)制,以延長緩凝水泥漿在孔底的初凝時間。水泥漿液選用復合硅酸鹽水泥、外加緩凝劑,按照水灰比1.7∶1、緩凝劑摻量6%的配比進行配置。為確保凍結(jié)管能夠下放到孔底,緩凝水泥漿液的初凝時間必須大于下管所需時間的一倍以上。凍結(jié)孔472 m所需下管時間約為12 h,現(xiàn)場試驗初凝時間為26 h,能夠滿足下管需要。根據(jù)式(1)計算實際泥漿置換所需的緩凝水泥漿漿液量,根據(jù)實際漿液量在配漿池中進行配制。將緩凝水泥漿壓入管道內(nèi)后再將抽漿管放入清水池內(nèi),根據(jù)管道及鉆桿的長度計算出替水量,以確保緩凝水泥漿全部壓至孔底。

表1 緩凝水泥漿配比

凍結(jié)鉆孔施工完畢經(jīng)測井驗收合格后,沖掃孔保證孔內(nèi)無巖粉沉淀,需將原來護壁泥漿由原來比重1.1×103kg/m3調(diào)輕至1.05×103kg/m3。然后將鉆桿全部提出鉆孔,必須將卸掉鉆頭的鉆桿重新下放至鉆孔孔底,然后采用TBW850泥漿泵將調(diào)制好的緩凝水泥漿注入孔底。緩凝水泥漿由鉆桿內(nèi)下行到孔底,排擠環(huán)形空間中的泥漿向上從鉆孔口順泥漿溝槽流出。當泵入足量的緩凝水泥漿后,按照計算的替水量注入清水,將鉆桿提出進行下放凍結(jié)管的工作。利用凍結(jié)管自重排擠水泥漿上行,當浮力、摩擦力與凍結(jié)管的自重達到平衡時,需往凍結(jié)管內(nèi)加入一定重量的水,保證凍結(jié)管下放順利。

3.5 置換效果

在井筒轉(zhuǎn)入巷道掘進后,開鑿馬頭門時需將凍結(jié)管割除,割除過程中可以看到,緩凝水泥漿與凍結(jié)管結(jié)合緊密,與地層基本能夠成為一個整體,凍結(jié)停機一年以上馬頭門處未出現(xiàn)淋水現(xiàn)象,泥漿置換達到了封水的效果。

4 結(jié)束語

(1)進行泥漿置換需根據(jù)實驗室配比進行配比試驗,根據(jù)試驗配比進行現(xiàn)場配合比試驗,置換之前需進行洗孔,將泥漿比重調(diào)輕,以方便泥漿置換及凍結(jié)管的下放。

(2)泥漿置換在終孔測斜后需將鉆桿提至孔口,必須將鉆頭卸下重新下放至鉆孔底部,以確保緩凝水泥漿與泥漿不充分接觸,達到封水效果。

(3)為保證泥漿置換的效果,達到設(shè)計置換高度,在計算泥漿置換量時,需按1.05～1.2的系數(shù)進行調(diào)配泥漿量。

(4)在泥漿置換施工過程中,嚴格按照設(shè)計程序進行,能夠達到封水的效果,全深凍結(jié)是可行的,適用于西部白堊系、侏羅系地層。

[1] 竇玉康.淺談塔然高勒礦井建設(shè)的經(jīng)驗教訓[J].煤炭工程,2012(1)

[2] 程志彬,吳曉山.緩凝水泥漿置換凍結(jié)孔泥漿封水技術(shù)[J].建井技術(shù),2010(6)

[3] 吳王青,李棟偉等.白堊系地層凍結(jié)壁溫度和壓力實測分析[J].中國煤炭,2013(3)

[4] 陳軍浩,陳飛敏.凍結(jié)孔偏斜對白堊系地層凍結(jié)鑿井影響研究[J].中國煤炭,2013(2)

(責任編輯 張毅玲)

Research on the application of mud displacement technology in total depth freeze of western soft rock

Gao Wei1,2
(1.Institute of Mine Construction,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aimed at the western soft rock strata of Jurassic system and cretaceous system in freezing shaft,using the mud displacement technology to block off water leakage gallery of annular space had become a necessary process of total depth freeze.In order to prevent the flooding shaft accident caused by water diversion and block off the annular space between freezing pipe and surrounding rock,neither influence the placement of freezing pipes,nor make the annular space permeable,some experiments should be conducted in laboratory according to field conditions, which could calculate the mud replacement quantity and the running time of slime pump,ensure that the retarding cement paste could inject completely to the bottom of borehole.The practice proved that in the mud replacement progress,in strict with the design procedure,this technology could seal the water.It was suitable for blocking off the water leakage gallery of annular apace in freezing borehole in western cretaceous system and Jurassic system stratum.

freeze sinking method,soft rock sinking,total depth freeze,mud displacement

TD265.3

A

高偉(1982－),男,山東曹縣人,助理研究員,主要從事凍結(jié)法施工與管理、建井技術(shù)開發(fā)與研究等工作。