鉆井取水工程井塌事故處理淺析

高建忠

(陜西省咸陽(yáng)市水利工作隊(duì)，陜西 咸陽(yáng) 712000)

近年來，許多地方在鉆井施工中經(jīng)常因井塌而報(bào)廢，有的在同一處連續(xù)報(bào)廢兩眼，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)四五十萬元。2002年10月，作者在陜西永壽西莊村成井時(shí)，也發(fā)生了井塌事故，經(jīng)分析研究處理，化險(xiǎn)為夷，水井至今正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在處理這個(gè)事故中總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)，在同行中得到了認(rèn)可，并在實(shí)踐得到啟示，但在施工中也存在一些問題，逐須進(jìn)一步探討研究，解決好鉆井施工中井塌事故的正確處理。

1 鉆井施工概況

西莊村位于陜西永壽縣以東，距縣城約15 km，人口1 360多人。屬山區(qū)村莊，大陸型半干旱氣候，春季溫暖，夏秋多雨，多年平均降雨量600 ml左右。地面起伏較大，周圍有溝谷切割，溝深100～150 m。地貌形態(tài)基本反映了古地型，對(duì)找水布井比較有利。該村包括相鄰四五個(gè)村莊，群眾靠窖水生活，大骨節(jié)、大脖子病比較常見。姑娘遠(yuǎn)嫁，男子因環(huán)境條件惡劣娶不到媳婦，長(zhǎng)輩們因此非常頭疼。2002年初，縣水利局決定在西莊村打一眼水井，解決群眾的吃水問題。經(jīng)過前期論證，經(jīng)過勘察，開展地面物探。開尺地面物探，經(jīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定3號(hào)井位。設(shè)計(jì)井深450 m，出水量5 m3/h。2002年5月，鉆井工程開工，同年10月竣工，完成鉆井深460 m，實(shí)際出水量20 m3/h。靜水位124.63 m，動(dòng)水位367.42 m。該井地層巖性為:0～164 m為第四系黃土層;164～460 m為二迭系泥巖和砂巖。井壁管規(guī)格φ325×7鋼管，座管位置179m。成井后，由于出水量不斷增大，潛水泵更換了兩次。第一次將流5 m3/h的更換成10 m3/h的;第二次將流量10 m3/h的更換成20 m3/h。解決的吃水村由西莊一個(gè)村擴(kuò)大到鄰近的許家村、何家渠等5個(gè)自然村，解決的吃水人口由1 360多人增加到8 270多人，吃水的村子增加了4倍，吃水的人口也增加了4倍。從此村上發(fā)生了翻天覆地的變化，告別了貧窮、頭痛的過去。

但是，在這樣一個(gè)在貧水山區(qū)打出這樣較高的出水量、解決吃水人口之多的優(yōu)質(zhì)水井，在鉆井過程中，曾出現(xiàn)井筒坍塌事故，差點(diǎn)成了報(bào)廢井。

2 水井坍塌的原因

西莊村水井設(shè)計(jì)深度450 m。原施工方案是，鉆至450 m后，再擴(kuò)孔下管。但當(dāng)鉆到387.5 m卻出現(xiàn)了井漏。井里沒有泥漿，土層開始坍塌，故事發(fā)生后采取先下管，再鉆進(jìn)的措施。經(jīng)對(duì)井內(nèi)測(cè)井曲線分析，測(cè)井技術(shù)人員將座管位置定在179 m。經(jīng)擴(kuò)孔下管，完成了黃土層的鉆井任務(wù)后，再接著從387.5 m鉆進(jìn)，直到460 m終孔。

終孔后，采用活塞、鋼絲刷、泥漿泵洗井，當(dāng)空壓機(jī)洗井時(shí)，井內(nèi)突然一聲巨響，井水從鉆桿里噴出，高出地面8.6 m。經(jīng)測(cè)井深，一個(gè)460 m的深井只余185.2 m。

井塌之后，經(jīng)分析原因仔細(xì)查看地層巖樣，分析井內(nèi)電測(cè)曲線，認(rèn)為該處基巖為二迭系砂巖和泥巖，而以泥巖為主。泥巖性脆而軟，強(qiáng)度低，并含有絹云母，薄層狀，易破碎?；鶐r風(fēng)化層厚度也比較大，164～190 m均為風(fēng)化層，風(fēng)化層厚度26 m。井壁管沒有座在完整基巖上。洗井過程中，井壁管以下179～190m的風(fēng)化層在井水的浸泡下軟化和破碎，因而造成井塌。

3 井塌事故處理

井塌的處理先對(duì)坍塌物打撈后用水泥漿固井，采用了以下程序處理。

3.1 打撈坍塌物

坍塌物用打撈筒打撈。有的層段坍塌物流松，打撈起來較快，有的層段坍塌物密實(shí)，打撈起來較慢，有時(shí)邊撈邊塌，給打撈帶來了不少困難和風(fēng)險(xiǎn)，共打撈了48 h，打撈到192 m，進(jìn)入完整基巖2 m，打撈坍塌物2.8 m3。

3.2 確定固井井段的體積

很明顯，本次固井井段為179～190 m，長(zhǎng)11 m。固井的體積無法測(cè)量，只有依靠分析和判斷來估算。設(shè)想179～190 m坍塌成“大肚子”，平均半徑(R)0.5 m。根據(jù)園柱體體積計(jì)算公式 V=兀 R2H，算得其體積為8.64 m3。

3.3 確定水泥漿的比重和水灰比

水泥漿比重和水灰比過小，水泥漿太稀，水泥凝固慢，強(qiáng)度低;水泥漿比重和水灰比過大，泥漿壓注困難，甚至壓不到井內(nèi)，所以，水泥漿比重和水灰比非常重要。根據(jù)《常用水泥漿比重表》和《常用水灰比》，結(jié)合本井實(shí)際，將水泥漿的比重定為 1.9 t/m3，水灰比定為 0.5:1。

3.4 計(jì)算水及水泥用量

已知水泥漿的比重(d)為1.9 t/m3，井塌的體積(V)為8.64 m3，根據(jù)公式 d=算得水泥漿的重量為 16.42 t，已知水灰比為 0.5:1，算得水的重量為 5.47 t，水泥重量為 10.95 t。

3.5 攪拌水泥漿

由于攪拌機(jī)的容量最大為3 m3，所以必須分三次攪拌，每次的攪拌量分別為3 m3、3 m3和2.64 m3。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)容積為3 m3時(shí)水泥重量為3.8 t，清水重量為1.9 t(m3);當(dāng)容積為2.64 m3時(shí)，水泥重量為 3.35 t，清水重量為 1.68 t(m3)。所用水泥為800#油井水泥，它凝固快，強(qiáng)度高，耐腐蝕，質(zhì)量好。所用水是清水，不含任何雜質(zhì)和污染物。

第一次攪拌，攪拌量為3 m3。先在攪拌機(jī)里加入1.9 t(1.9 m3)清水，然后開動(dòng)攪拌機(jī)，將水泥徐徐倒入，邊倒水泥邊攪拌，直到將3.8 t水泥倒完，再攪拌20～30 min，使水泥充分?jǐn)嚢?，不得有水泥塊。

第二次攪拌量攪拌方法與第一次相同。

第三次攪拌量是2.64 m3，所用清水和水泥分別是1.68 t和3.35 t，攪拌方法和要求與第一次相同。

三次攪拌的水泥漿均倒在預(yù)先準(zhǔn)備好的10 m3大池子里。

3.6 壓注水泥漿

壓注設(shè)備是泥漿泵。將鉆桿下列191.5 m處(即距打撈后的井底0.5 m)，打開泥漿泵，將攪拌好的水泥漿壓入坍塌井段，泵壓不小于3 MPa。

3.7 清水頂壓

泥漿壓注完后，用泥漿泵再壓入0.89 m3清水，壓力亦不小于3 MPa。穩(wěn)定地頂壓著，持續(xù)時(shí)間不小于12 h，以便將鉆桿里的水泥漿全部壓入地層。清水頂壓量按照泥漿泵泵管內(nèi)徑和鉆桿內(nèi)徑的容積計(jì)算。頂壓結(jié)束后，將鉆桿提出井外，清洗凈鉆桿、泥漿泵及其泵管內(nèi)的水泥漿。

3.8 待凝及待凝時(shí)間的確定

800#油井水泥多長(zhǎng)時(shí)間在井下基本凝固好，當(dāng)時(shí)還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。待凝時(shí)間直接影響到以后鉆孔的成敗，所以非常重要。待凝時(shí)間短了，水泥強(qiáng)度太低;待凝時(shí)間太長(zhǎng)，水泥強(qiáng)度太高，鉆孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生孔斜。通過試驗(yàn)確定井下水泥基本凝固時(shí)間。在水池里放置一小袋水泥漿試塊，試塊基本凝固的時(shí)間就是井下水泥基本凝固的時(shí)間。試塊放置48 h后檢驗(yàn)，略有凝固，強(qiáng)度偏低;試塊放置96 h后檢驗(yàn)，基本凝固，掰之不開，擊之方破，強(qiáng)度適中，于是待凝結(jié)束。待凝時(shí)間定為96 h。

3.9 測(cè)量水泥上返高度

待凝48 h時(shí)，水泥漿初凝，測(cè)得水泥漿上返高度為178.8 m，高于井壁管底部179 m，說明坍塌井段全部壓注了水泥漿，達(dá)到了水泥漿固井設(shè)計(jì)高度。如果低于井壁管底部，則需再固一次。

3.10 鉆水泥孔

待凝96 h后，水泥基本凝固，便從179～192 m段重新鉆孔。水泥漿凝固后，有一定的強(qiáng)度和硬度，如果操作不當(dāng)，就會(huì)偏離原孔。為了防止偏孔，在鉆水泥孔時(shí)，采取以下措施。

(1)配備的鉆具，特別是鉆鋌的數(shù)量和規(guī)格與以前鉆進(jìn)時(shí)相同，例如以前鉆進(jìn)時(shí)，配備的是φ165鉆鋌4根，這次鉆水泥時(shí)，仍然是φ165鉆鋌4根。

(2)鉆壓不宜過大，控制在2～3 t。

(3)每鉆水泥2～3 m，至少化眼一次，以消除鉆孔的螺旋狀，避免將孔鉆斜。

(4)采用泥漿鉆進(jìn)，比重為 1.1 g/cm3～ 1.2 g/cm3，粘度為25～28 s，泥漿比重太小，粘度偏低，不能將水泥顆粒帶出井外。堅(jiān)決不可用清水鉆進(jìn)，以免發(fā)生埋鉆事故。

(5)合理控制鉆速。鉆速以每小時(shí)不超過1 m為宜。如果沉淀較多，停鉆專門循環(huán)，待沉淀不于0.5 m后再鉆。

固井水泥段鉆完后，繼續(xù)往下鉆，鉆到193 m時(shí)，與原孔連接在一起。

經(jīng)洗井，作了抽水試驗(yàn)。一個(gè)瀕臨報(bào)廢的水井處理成功。

4 結(jié)語

永壽縣西莊村井塌事故的處理，、經(jīng)歷了歷時(shí)10 d。處理井塌井段 11 m，水泥用量 10.95 t，清水用量 5.47 t，參加處理人員20人，處理費(fèi)用總計(jì)2萬元，將一個(gè)價(jià)值29萬元的瀕臨報(bào)廢之井處理好。該井從2002年10月中旬運(yùn)行到今天，已10年多，一切正常，說明水泥固井處理井塌事故，方法正確，安全可靠，效果良好。