楊聯(lián)鋒，段云星

（1.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中030620；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引言

抽水試驗(yàn)是獲取區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)、地層溫度、地下水補(bǔ)給路徑、影響范圍等項(xiàng)目的重要手段［1-4］。工程技術(shù)人員在抽水試驗(yàn)的抽水設(shè)備、止水技術(shù)、止水材料、計(jì)算方法等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)和方法［5-6］。管外止水和管內(nèi)止水是否有效決定著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前的抽水試驗(yàn)止水方式有異徑分臺(tái)階止水工藝和一孔同徑分層止水工藝［7-18］。異徑分臺(tái)階止水工藝所需多級(jí)擴(kuò)孔，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多次下入、拔出井管，成本較高；一孔同徑分層止水工藝簡(jiǎn)化了井身結(jié)構(gòu)，節(jié)省了管材和成本，但需要在管外投粘土球、灌注水泥漿等。

原平大營(yíng)地?zé)崽讲山Y(jié)合深井是為勘探本區(qū)域的地?zé)豳x存情況，最后還要作為生產(chǎn)、生活利用的熱水井。分層抽水試驗(yàn)獲取水文參數(shù)后，需要根據(jù)出水量和出水溫度來(lái)確定后續(xù)利用哪層水、永久封固哪層水。設(shè)計(jì)分層止水措施時(shí)，管內(nèi)止水和管外止水都應(yīng)是臨時(shí)措施。試驗(yàn)完成后，應(yīng)該可以解除止水措施，并且解除后應(yīng)不影響目的含水層的出水和后續(xù)利用。為此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了新型臨時(shí)分層止水裝置來(lái)進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

原平大營(yíng)地?zé)崽讲山Y(jié)合深井位于山西省原平市沿溝鄉(xiāng)王董堡村，設(shè)計(jì)井深3060 m，完鉆井深3088 m，終孔口徑215.9 mm。項(xiàng)目任務(wù)是鉆井勘探變質(zhì)巖地層的含水量和溫度，通過(guò)巖心分析、水質(zhì)測(cè)試等方法評(píng)價(jià)該區(qū)域地?zé)豳Y源賦存情況，為地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用提供參數(shù)和依據(jù)。而后建成水井，供周邊生產(chǎn)和生活使用。鉆遇地層情況如表1 所示。

表1 鉆遇地層及巖性描述Table 1 Drilling strata and geology

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為倒塔式三開(kāi)結(jié)構(gòu)：

一開(kāi)采用?393.7 mm 牙輪鉆頭、泥漿循環(huán)鉆進(jìn)工藝，鉆至492 m；下入?339.7 mm 石油套管，管外環(huán)空用水泥漿封固。

二開(kāi)采用?311.1 mm 牙輪鉆頭、泥漿循環(huán)鉆進(jìn)工藝，鉆至1554 m；下入?244.5 mm 石油套管，部分位置下入濾水管；管外環(huán)空不封固。

（3）三開(kāi)采用?215.9 mm 牙輪鉆頭、泥漿循環(huán)鉆進(jìn)工藝，鉆至3088 m 終孔；下入?177.8 mm 石油套管，部分位置下入濾水管；管外環(huán)空不封固。

井身結(jié)構(gòu)及套管程序參數(shù)如表2 所示。

表2 井身結(jié)構(gòu)及套管程序Table 2 Wellbore structure and casing program

2 新型同徑分層止水工藝

探采結(jié)合井進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)后，需要永久封固非目的含水層，盡量恢復(fù)目的層的出水量。因此，需要設(shè)計(jì)新型臨時(shí)分層止水裝置來(lái)進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

2.1 管外止水裝置

設(shè)計(jì)止水傘來(lái)進(jìn)行管外止水。止水傘工作原理類(lèi)似雨傘，由肋條、帆布、膨脹止水材料組成，如圖1所示。

（1）肋條由長(zhǎng)500 mm、寬30 mm、厚3 mm 的彈性鋼條制作而成，底部焊接在套管外，上部自由擴(kuò)展，如圖 1（a）、圖 1（b）。

（2）肋條與套管之間襯帆布袋，一側(cè)固定在肋條上端，另一側(cè)固定在套管上，如圖1（c）。

（3）帆布袋內(nèi)纏繞海帶辮、膨脹止水膠帶（50 h膨脹200%），填充化學(xué)膨脹劑等材料；并用鐵絲將肋條上端和帆布袋穿插扎口。制作完成后，外徑約?210 mm。如圖1（d）。

（4）每個(gè)止水位置安裝2 個(gè)帆布傘，間隔2 m。帆布傘吸水膨脹后像傘一樣撐開(kāi)，如圖1（e）。撐開(kāi)的帆布傘外徑?240 mm 左右，堵塞套管與井壁的環(huán)空間隙，起到管外止水的作用。

圖1 管外止水傘制作流程與工作原理Fig.1 Manufacturing process and working principle of the canvas umbrella for outside?pipe sealing

止水傘實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 止水傘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物Fig.2 Mteral object of canvas umbrella

2.2 管內(nèi)止水裝置

設(shè)計(jì)止水托盤(pán)進(jìn)行管內(nèi)止水。該裝置由圓鋼加工而成，長(zhǎng)200 mm，與套管外徑相同，兩端壁厚10 mm。內(nèi)孔中間部位設(shè)置斜面凸起，厚30 mm，通孔直徑根據(jù)抽水分層數(shù)階梯設(shè)計(jì)。如分4 層抽水，則需要使用通孔直徑 100、120、140 mm 的 3 個(gè)止水托盤(pán)。止水托盤(pán)和隔離蓋結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖3 所示。

圖3 管內(nèi)止水托盤(pán)Fig.3 In?pipe sealing tray

某層位抽水試驗(yàn)流程為：

（1）按照設(shè)計(jì)抽水位置，將止水托盤(pán)與套管焊接在一起。小通孔托盤(pán)在下，大通孔托盤(pán)在上，依次下入井內(nèi)。

（2）投入相應(yīng)直徑水泥球，堵住抽水層下部托盤(pán)口，而后灌入水泥漿候凝，由此堵住下層水。

（3）鉆桿接入隔離蓋，下至抽水層上部托盤(pán)口，依靠鉆桿重力堵住上層水。

這樣，管外通過(guò)帆布傘臨時(shí)止水，管內(nèi)依靠止水托盤(pán)臨時(shí)止水，可以進(jìn)行相應(yīng)層位的抽水試驗(yàn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)

設(shè)計(jì)5 次抽水試驗(yàn)，第1 次對(duì)全井段（494～3088 m）采用大泵量進(jìn)行混合抽水試驗(yàn)；第2～5 次為分層抽水試驗(yàn)，抽水層段為2665～3088、2158～2665、1604～2158、494～1604 m；隨套管下入止水傘、止水托盤(pán)、濾水管，具體如表3 和圖4（a）所示。

表3 分層抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Design for multi?level pumping test

圖4 抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.4 Design for pumping test

管柱下入井內(nèi)后，止水傘內(nèi)止水材料吸水膨脹，管外已經(jīng)分段臨時(shí)止水。根據(jù)抽水試驗(yàn)程序，進(jìn)行管內(nèi)止水托盤(pán)臨時(shí)止水。抽水程序?yàn)椋?/p>

（1）第一次抽水：鉆桿帶著深水泵、水位測(cè)管下至450 m，抽取全井段混合水，管內(nèi)托盤(pán)不止水。如圖 4（b）。

（2）制作抽水水倉(cāng)，采用?273 mm×9 mm 無(wú)縫鋼管加工，上下端分別與抽水鉆桿連接。水倉(cāng)內(nèi)置抽水泵和水位測(cè)管，電纜及測(cè)管接頭引出水倉(cāng)外。

（3）第二次抽水：使用抽水水倉(cāng)，泵量為50 m3/h。鉆桿帶著隔離蓋下至2665 m 處止水托盤(pán)，隔離蓋密封托盤(pán)口，鉆桿頭伸入托盤(pán)以下。如圖4（c）。

（4）投水泥球封堵2665 m 處止水托盤(pán)口，注入水泥漿5 m 高度，候凝。

（5）第三次抽水：使用抽水水倉(cāng)。鉆桿帶著隔離蓋下至2158 m 處止水托盤(pán)，隔離蓋密封托盤(pán)口。鉆桿頭伸入托盤(pán)以下。如圖4（d）。

（6）投水泥球封堵2158 m 處止水托盤(pán)口，注入水泥漿5 m 高度，候凝。

（7）第四次抽水：使用抽水水倉(cāng)。鉆桿帶著隔離蓋下至1606 m 處止水托盤(pán)，隔離蓋密封托盤(pán)口，鉆桿頭伸入托盤(pán)以下。如圖4（e）。

（8）投水泥球封堵1606 m 處止水托盤(pán)口，注入水泥漿5 m 高度，候凝。

（9）第五次抽水：鉆桿帶著深水泵、水位測(cè)管下至450 m，抽取該層段水。如圖4（f）。

試驗(yàn)結(jié)束確定取水層位后，管內(nèi)水泥塞用鉆頭掃通；注入水泥漿至取水層位下部，水泥漿通過(guò)濾水管進(jìn)入管外環(huán)空而封固；取水層上部環(huán)空的封堵，可以再次下入水泥球堵住托盤(pán)口并注入水泥漿候凝，最后管內(nèi)注入水泥漿，使水泥漿通過(guò)濾水管進(jìn)入環(huán)空；候凝后，鉆掃管內(nèi)水泥至取水層上部。

4 應(yīng)用效果

抽水試驗(yàn)通過(guò)變頻設(shè)備來(lái)控制抽水流量，進(jìn)行3 個(gè)降深的抽水。出水量采用三角堰計(jì)量，讀數(shù)精確到1 mm。分層水的水位在水倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，水倉(cāng)內(nèi)測(cè)管在泵頭之下5 m，以防水流旋渦對(duì)水位數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。對(duì)水倉(cāng)外壁和井壁之間的水位也進(jìn)行觀測(cè)，用來(lái)檢測(cè)止水效果。抽水試驗(yàn)成果如表4 所示，滿足了水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算要求。

表4 抽水試驗(yàn)成果Table 4 Results of pumping test

（1）根據(jù)第2、3、4次持續(xù)抽水時(shí)間內(nèi)，水倉(cāng)與井壁間水位的變化數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖5。每條曲線的左段為S3 降深抽水階段，中段為S2 降深抽水階段，右段為S1 降深抽水階段?？梢钥闯?，每抽水階段的水位較平穩(wěn)，說(shuō)明止水措施有效，很好阻止了其他含水層的干擾。

圖5 水倉(cāng)與井壁間水位降深Fig.5 Water level drop between the water tank and the pipe wall

（2）分層抽水時(shí)，管內(nèi)由鉆桿重力壓著隔離蓋封堵抽水層上部的地層水。若能實(shí)現(xiàn)完全封堵，表4 中“倉(cāng)外平均降深”應(yīng)為0。然而，由于隔離蓋與止水托盤(pán)的接觸面制作誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全接觸封堵，會(huì)抽走一定量的上部水。另外，隨著抽水點(diǎn)上移，鉆桿重力減小，無(wú)法完全壓住隔離蓋，導(dǎo)致倉(cāng)外平均降深逐漸增大。第4次抽水時(shí)倉(cāng)外平均降深明顯大于前幾次，說(shuō)明此套止水裝置的應(yīng)用深度有一定的限制。抽水點(diǎn)越深，止水效果越好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了止水傘進(jìn)行管外止水、止水托盤(pán)進(jìn)行管內(nèi)止水的新型同徑分層止水工藝，并在地?zé)崽讲缮罹謱映樗囼?yàn)中成功實(shí)施。

（1）該工藝減少了鉆井變徑次數(shù)和施工工序，簡(jiǎn)化了井身結(jié)構(gòu)，為事故處理預(yù)留了一級(jí)下套管空間。

（2）通過(guò)抽水試驗(yàn)成果可以獲得不同井段的地溫梯度和涌水量，為準(zhǔn)確封閉不取水段提供了依據(jù)。

（3）此套止水工藝的管內(nèi)止水需要鉆桿自重壓住隔離蓋。抽水點(diǎn)越深，所用鉆桿越長(zhǎng)，其重力增大，可獲得更好的止水效果。

（4）止水傘管外止水措施在地?zé)峋膽?yīng)用，依靠其支撐在穩(wěn)定的變質(zhì)巖井壁而承受水壓，成功分隔堵水。對(duì)于砂層、粘土層等不穩(wěn)定地層，會(huì)有井壁不穩(wěn)定而導(dǎo)致分隔堵水失敗的風(fēng)險(xiǎn)。