大水位落差深井止水修復方案及實施效果分析

趙振云，孫智杰

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中030620)

0 引言

近年來，我院在山西和順縣城附近，施工基巖深井數(shù)眼，取水層位一般為中奧陶下馬家溝組及部分寒武系地層。這類深井的特點是:(1)成井深度大(800～1000 m)，變徑次數(shù)多(4、5 徑);(2)取水層區(qū)域水位埋深大(550～650 m);(3)上部封閉層與取水層區(qū)域水位埋深落差大(500 m左右);(4)上部煤系地層水泥止水效果差;(5)深井泵揚程大(650～700 m);潛水電機功率大(125～145 kW);(6)下泵井段井斜遞增量要求嚴(＜0.5°/100 m);(7)抽水降深較大(50～80 m)而出水量較小(一般僅20 m3/h左右)。部分基巖深井情況見表1。

表1 部分基巖深井技術數(shù)據(jù)統(tǒng)計

這類水井在其實施過程中，封閉層的止水方案設計及實施把關非常關鍵，若把關不嚴，不僅會影響后續(xù)井段正常施工，還會影響成井質(zhì)量。表現(xiàn)為:(1)通橋后水位驟降，使封閉層井管吸扁、錯位，造成鉆具提下困難;(2)封閉層井管開裂、刺水，影響成井后的水質(zhì)指標;(3)封閉層井管管柱“狗腿”偏大，影響深井泵順利下放。

本文以山西潞安集團和順李陽煤業(yè)有限公司舊井封閉層重新止水修復項目為實例，分別對先后采取的幾種止水修復方案及實施效果進行分析與探討，從中得到了許多有益的經(jīng)驗和失敗的教訓。

1 舊井修復工作概況

1．1 舊井簡述

該井于 2009年 5月 21日建成，終孔深度881.81 m，靜止水位埋深609 m。經(jīng)過抽水試驗，水表實測出水量23.95 m3/h，水位降深61 m，水質(zhì)指標及出水量完全符合合同要求。原井井身結(jié)構(gòu)技術數(shù)據(jù)見表2。該井建成后，建井方并未立即投入使用，直到2011年5月才正式起用。正常使用半年后，該井上部封閉井管先后出現(xiàn)向井內(nèi)漏水、漏砂、涌泥，出水渾濁，最終導致多次燒毀潛水電機。如果不處理上部封閉層問題，該井將無法正常使用。據(jù)此，建井方委托我院處理該井。

表2 修復施工前井身結(jié)構(gòu)技術數(shù)據(jù)

1．2 主要問題

經(jīng)過井內(nèi)電視檢測及水質(zhì)化驗，舊井存在以下問題:

(1)上部 300 m 以淺封閉井段，164、214、248 m處存在漏水情況，其中214 m處漏泥砂、漏渾水比較嚴重;

(2)井管螺旋狀焊縫輕微變形，但未發(fā)展到影響起下鉆具程度;

(3)井管穿杠眼補焊有砂眼，向井內(nèi)霧狀刺水，形成井管安全隱患;

(4)由于封閉層水的混入，水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)硝酸根及氟離子偏高。

1．3 修復目標

(1)通過下管、固井、止水等工藝，對原井300 m以淺部分井管刺漏部位進行永久性封堵，確保水質(zhì)合格及深井泵正常運行;

(2)300 m以淺部分永久性封堵之后，通過撈渣、排渣，徹底清理由于井壁管泄漏而進入井內(nèi)的泥沙、堵塞物;

(3)清淤之后，通過活塞抽拉、泵注鹽酸洗井等工藝，恢復或改善舊井含水層的涌水量;

(4)機械、化學聯(lián)合洗井完畢，在試抽水之后，再次清撈井底沉淀物，直至井底干凈。

1．4 技術難點

(2)水泥橋塞承載能力:水泥橋塞形成的人工井底，必須能承受280 m以上水柱或水泥液柱的壓力，如何確保在橋塞水泥漿凝固之前，底部的木塞及粘土充填層不失穩(wěn)下滑。

(3)掃通水泥橋塞:由于封閉層區(qū)域水位埋深與取水層水位埋深相差500多米，如何確定合宜的通橋方法，防止掃通橋塞后，管內(nèi)水位急劇下降，產(chǎn)生巨大負壓“激動”，而使固井襯管被吸扁，釀成事故。

(4)襯管外水泥固井:襯管底部封固段80～100 m必須保證水泥固結(jié)質(zhì)量，如何通過對襯管底部管柱結(jié)構(gòu)和水泥漿液配比，采取相應的特殊措施，以保證襯管底部封固質(zhì)量。

1．5 修復簡述

該井修復處理歷時9個月，由于封閉層與目的層水位相差500余米，對第一階段采取的襯管管柱結(jié)構(gòu)、水泥漿液配比、通橋泄壓方式等考慮不周，方法不當，各種修復方案均告失敗，并且先后2次將下入的螺旋鋼管(壁厚7 mm)吸扁，造成2次嚴重的井內(nèi)卡鉆事故。對第一階段修復工作進行全面反思與總結(jié)之后，重新擬定針對性修復技術方案及措施，并認真組織施工機組予以實施，舊井修復效果令雙方都非常滿意。修復后井身結(jié)構(gòu)技術參數(shù)見表3。

表3 修復施工后井身結(jié)構(gòu)技術數(shù)據(jù)

2 止水修復方案實施成敗分析

2．1 止水修復方案實施失敗分析

2．1．1 襯管內(nèi)高壓注漿方案

2．1．1．1 實施簡述

2．1．1．2 原因分析

(1)水泥漿液灌注之后，單向止水器回流密封失靈，外環(huán)水泥柱下降至290 m，因而290 m以深325 mm井管沒有被吸扁;

(2)采用425號礦渣水泥，水下凝固質(zhì)量較差，掃通橋塞后，在管外液柱壓力作用下，向井內(nèi)涌水;

(3)沒有采用先降低管內(nèi)水柱高度，后掃通橋塞的方法，襯管內(nèi)300余米水柱瞬間消失，造成管外無水泥的部分襯管被吸扁、開裂;

(4)襯管壁厚7 mm偏小，襯管焊接處未逐個采取“疤片”補強措施;

(5)對水泥地面凝固與水下凝固時間差異重視不夠，掃通橋塞時間偏少，水泥在水下凝固時間不足。

2．1．2 襯管外砂漿注漿方案

2．1．2．1 實施簡述

2．1．2．2 原因分析

(1)襯管底部設置的止水組合，在注入素水泥稠漿前，尚未完全膨脹而與原井管壁擠緊，從而未達到阻止水泥稠漿下行的目的。

(2)襯管外止水材料輸送通道不暢，水泥稠漿到達水面后立即稀釋，根本到不了襯管底部的止水組合部位。

(3)隨后注入的水泥砂漿，遇水后水泥與砂子分離而流入井內(nèi)，未在封閉層位留下水泥砂漿固結(jié)段，進而起不到封固止水作用。

(4)襯管底部的膨脹膠帶夾海帶止水組合，膨脹能力有限，因不能承受管外的液柱壓力而失去止水作用。

2．2 止水修復方案實施成功分析

2．2．1 現(xiàn)狀簡述

在實施了上述修復方案后，井身結(jié)構(gòu)為:－0.30～607.77 m，325 mm×7 mm螺旋井管(包括原井及修復施工下入的井管);603.75～787.75 m，273 mm×7 mm螺旋井管(含濾水管);787.75～881.81 m250 mm口徑裸眼。井深290 m處325 mm井管，仍然向井內(nèi)漏水。

2．2．2 實施簡述

根據(jù)井身現(xiàn)狀及委托方要求，必須將290 m處的開裂漏水部位予以永久性封閉。實施過程為:(1)先在300～346 m井段進行同徑架橋;(2)候凝期滿，下鉆具檢驗橋塞的承載能力(應大于10 t);(3)在－0.30～300 m井段下入273 mm×8 mm螺旋井管;(4)采用井管內(nèi)高壓水泥漿止水工藝;(5)候凝期滿，采用特殊方式掃通水泥橋塞。

2．2．3 針對性措施

(2)采取了適合于該井的特殊結(jié)構(gòu)的同徑木塞架橋、水泥固橋工藝，使封井段先建立起靜水位(水位埋深80 m)，實現(xiàn)在靜水位條件下水泥漿液高壓固井作業(yè)。

(3)專門租用了一套小揚程、小泵量深井泵，在通橋之前，先將管內(nèi)水位抽降至290 m，再干掃通橋，排除因瞬間形成壓差而造成井管吸扁的事故隱患。

(4)采用了管內(nèi)單向高壓注漿、憋壓，初凝期滿才予以泄壓，雖然風險很大，卻能阻止管外水泥漿液回流，以保證止水質(zhì)量。

(5)采用山西智海集團生產(chǎn)的P．O52．5最高標號的硅酸鹽水泥及三乙醇胺早強劑，配置固井止水水泥漿液，提高水泥固結(jié)質(zhì)量。

(6)嚴把水泥漿液拌合質(zhì)量關，按照理論計算量及規(guī)范規(guī)定加料順序，充分攪拌，均勻無結(jié)塊，可泵性能良好。

2．2．4 同徑架橋技術

2．2．4．1 同徑橋塞結(jié)構(gòu)(見表4)

2．2．4．2 同徑橋塞制作流程

表4 同徑橋塞結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及作用

鉆具送木塞到預定位置→固定木塞→投放粘土球→下鉆蹾實粘土球→下注漿鉆具并送水檢驗管路情況→注入水泥漿液→替漿并提起注漿鉆具→初凝期滿下鉆具檢測水泥面并修整至300 m→提起修孔鉆具并將325 mm管內(nèi)灌滿清水→橋塞候凝。

3 效果檢驗與相關認識

3．1 效果檢驗

(1)經(jīng)井內(nèi)攝像檢驗，靜止水位以上井段已確認完全封閉，再沒有發(fā)現(xiàn)封閉井段向井內(nèi)刺水、漏水現(xiàn)象，實現(xiàn)了預期的止水目的。

(2)經(jīng)多次下泵試抽水，深井泵組起下順暢，井內(nèi)各級管柱安全、可靠無異常，完全滿足深井泵正常運行及起下安裝作業(yè)。

(3)經(jīng)過對含水層段機械活塞洗井，最終出水量達到了23 m3/h以上，比原井出水量有所增大，水質(zhì)有所改善。

(4)完成洗井、抽水試驗后，在下入深井泵組之前，多次下入專用的清渣、撈渣工具，清撈至井底，圓滿完成了清孔作業(yè)。

3．2 體會與認識

(1)由本次止水修井工程所獲得的封閉層(本溪組以上)區(qū)域水位埋深資料和施工中有益的經(jīng)驗與沉痛的教訓，能使我院今后在該區(qū)域施工類似深井時，提前采取針對性的防范措施，少走彎路。

(2)對于井深大、口徑大、變徑次數(shù)多、水位埋深大的基巖深井，必須從井身結(jié)構(gòu)設計、管材選擇、成孔工藝與工序、含水層保護及洗井方法等方面，全面嚴格把關，確保成井質(zhì)量，從源頭上避免舊井修復作業(yè)。

(3)井內(nèi)水位驟降吸扁井管這種惡性事故，不僅在本次修井作業(yè)中多次發(fā)生，而且在正常施工中也頻頻出現(xiàn)，由此而報廢水井的工程實例屢見不鮮。對于取水層水位埋深較大的水井，在揭開含水層前，施工單位應高度重視，采取措施，嚴防井內(nèi)水位驟降。

(4)對于舊井修復工程，全面收集，認真分析舊井的各種技術數(shù)據(jù)與技術資料非常關鍵，否則，會誤導修復技術方案的制定，造成舊井修復處理復雜化，甚至會造成舊井報廢，進而給委托方與施工方帶來更大的勞動付出和經(jīng)濟損失。

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