巖心鉆探深灌注水泥失敗原因分析

龐和平

[摘 要]固體礦產(chǎn)巖心鉆探施工中廣泛應(yīng)用孔內(nèi)灌注水泥漿法護(hù)壁、堵漏，但成功率低。失敗原因施工設(shè)計(jì)中計(jì)算不準(zhǔn)確和施工工藝出現(xiàn)差錯(cuò)。本文將進(jìn)行分析，以供參考。

[關(guān)鍵詞]巖心鉆探深灌注水泥；原理；失敗原因；實(shí)例分析

中圖分類號(hào)：P634.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）11-0007-01

1.前言

在巖心鉆探中，常常要用水下灌注水泥的方法來(lái)護(hù)壁、堵漏、封孔、處理井故，但因機(jī)臺(tái)施工人員對(duì)水下灌注的原理及操作缺乏應(yīng)有的認(rèn)識(shí)，往往導(dǎo)致灌注失敗，甚至發(fā)生灌水泥事故。

2.水下灌注的原理

水下灌注是在地下水位較高的鉆孔中局部注漿的方法，它用水泵通過(guò)灌漿管，借助替水將水泥漿送到孔底（若在孔段中注漿，需在預(yù)灌段下部架橋），然后提出灌漿管，待凝。水下灌注必須考慮2個(gè)壓力平衡，一個(gè)是灌漿管內(nèi)外的壓力平衡，另一個(gè)是鉆孔內(nèi)外的壓力平衡。灌注過(guò)程中（提灌漿管之前）考慮第一個(gè)平衡，把孔內(nèi)的水和地下水看成一個(gè)整體；而提灌漿管的過(guò)程中及提灌漿管后考慮第二個(gè)平衡，把灌漿管內(nèi)的液體和鉆孔中的液體看成一個(gè)整體。

3.灌注失敗及事故的原因分析與解決辦法

3.1 灌注失敗的原因分析與解決辦法

（1）灌孔前沒(méi)用清水徹底沖洗鉆孔或沖洗不徹底，鉆孔內(nèi)留有鉆井制劑導(dǎo)致水泥離析或不凝固。解決辦法：灌孔前用清水徹底沖洗鉆孔，將鉆井制劑徹底置換出井口，靜置2小時(shí)測(cè)靜止水位h0，準(zhǔn)確計(jì)算灌漿量V，替漿水量QT，灌漿管排水量QP和灌漿時(shí)間。

（2）地下水位高的鉆孔灌注水泥漿時(shí)，替漿水量計(jì)算錯(cuò)誤或轉(zhuǎn)換成水泵送水時(shí)間計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致送入孔內(nèi)的替漿水量多了或少了。替漿水量是水下灌注的一個(gè)最重要的數(shù)據(jù)，替漿水量多或少都會(huì)導(dǎo)致灌注失敗。管內(nèi)替漿水的液面剛好與管外的水面（即靜止水位）相平，這樣灌漿管內(nèi)外的液柱壓力達(dá)到平衡。若替漿水多了，水泥漿要繼續(xù)往上返，管外的水泥漿高于管內(nèi)的水泥漿，當(dāng)提出灌漿管后，高出的水泥漿就會(huì)與管內(nèi)替漿水混合而被稀釋。若替漿水多很多，水泥漿返到很高的位置，灌注部位則是水。提出灌漿管后，替漿水與水泥漿混合，水灰比增大，凝固時(shí)間變長(zhǎng)。若是替漿水少了，一方面水泥漿到不了灌注部位，另一方面，提出灌漿管后管內(nèi)的水泥漿會(huì)與管外的水混合，水灰比增大，凝固時(shí)間變長(zhǎng)。所以，無(wú)論是替漿水太多或太少，都會(huì)帶來(lái)2個(gè)同樣的結(jié)果：一是水泥漿部分或全部不到灌注部位，若灌注部位水泥漿太少甚至沒(méi)有，會(huì)導(dǎo)致灌注失?。欢撬酀{被稀釋，凝固時(shí)間延長(zhǎng)，甚至不凝固。解決辦法：①灌漿前要畫(huà)孔內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖（參見(jiàn)圖1），標(biāo)上鉆孔深度、靜水位位置、預(yù)計(jì)水泥漿高度、灌漿管尺寸等，計(jì)算好替漿水量。②加大水泥漿量，提高安全系數(shù)。因計(jì)算的替漿水量與實(shí)際需要的替漿水量會(huì)有出入，故寧可損失部分水泥漿，以提高灌注的安全系數(shù)。

（3）送完替漿水后即提灌漿管。提出灌漿管必須在水泥漿及替漿水穩(wěn)定后才能執(zhí)行，否則，在水泥漿下行過(guò)程中提灌漿管會(huì)導(dǎo)致水泥漿提前出灌漿管，達(dá)不到灌注部位，并被管外水稀釋。只有一種情況可不測(cè)管內(nèi)液面，送完替漿水后即可提灌漿管，即孔內(nèi)不漏水的情況，因?yàn)樵谶@種情況下，送完替漿水后水泥漿就到達(dá)預(yù)定部位。解決辦法：水泥漿及替漿水從孔口到達(dá)預(yù)定位置需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間不好計(jì)算，簡(jiǎn)單的辦法是測(cè)灌漿管內(nèi)液面，液面穩(wěn)定后即可提灌漿管或靜待1～2min再提灌漿管。

（4）提出灌漿管后或提管過(guò)程中沒(méi)有往孔內(nèi)補(bǔ)充相應(yīng)的水量。機(jī)臺(tái)在進(jìn)行水下灌注時(shí)，一般是用鉆桿做灌漿管。在深孔中灌漿，因孔深，鉆桿在水下部分的體積會(huì)很大。當(dāng)灌完漿提出鉆桿后，孔內(nèi)水位會(huì)大幅下降，而地下水位在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有變化，為達(dá)到鉆孔內(nèi)外壓力平衡，地下水會(huì)大量涌入鉆孔，從而改變水泥漿的位置及水灰比，導(dǎo)致灌漿失敗。

解決辦法：計(jì)算好孔內(nèi)水下灌漿管的體積（不是容積）VP，即為提出灌漿管時(shí)應(yīng)補(bǔ)充的水量。把灌漿管全部提出孔外。從井口沿井壁注入補(bǔ)充水（灌漿管的排水量VP）。

（5）地下水活動(dòng)。若地下水流速太快，水泥漿在凝固之前就會(huì)被地下水稀釋或帶走，導(dǎo)致灌注失敗。解決辦法：用水灰比0.4的石油水泥加氯化鈣進(jìn)行灌注。

3.2 發(fā)生灌水泥事故的原因及解決辦法

（1）灌注時(shí)間大于水泥的初凝時(shí)間，導(dǎo)致灌漿管被水泥漿凝住。解決辦法：灌注前必須計(jì)算好灌注時(shí)間，灌漿管必須在水泥初凝前提出水泥面。若計(jì)算的灌注時(shí)間大于水泥的初凝時(shí)間，必須加緩凝劑，延長(zhǎng)水泥的初凝時(shí)間，使其大于灌注時(shí)間（通過(guò)試驗(yàn)）。灌注前要充分做好準(zhǔn)備工作，減少或避免不必要的操作時(shí)間；盡可能減少各工序的時(shí)間，如盡量用大泵量送水泥漿和替漿水；加快攪拌速度等。灌注時(shí)要有專人計(jì)灌注時(shí)間，無(wú)論什么情況，快到水泥的初凝時(shí)間就要提灌漿管出水泥面。

（2）掃水泥塞時(shí)，因水泥漿面上移及操作不當(dāng)發(fā)生事故，很多灌水泥事故往往是在灌注失敗的基礎(chǔ)上，在掃水泥塞時(shí)發(fā)生的。由于替漿水量把握不準(zhǔn)、沒(méi)有補(bǔ)充灌漿管的排量等原因，導(dǎo)致水泥漿的位置大大提高，有的甚至提高幾百米。水灰比因孔內(nèi)水的混入而變大，凝固時(shí)間延長(zhǎng)。而施工人員對(duì)此認(rèn)識(shí)不足，憑想象認(rèn)為水泥漿在預(yù)定位置，待凝時(shí)間已到，水泥漿也該凝固了，所以下鉆時(shí)毫無(wú)戒心，當(dāng)鉆具插入水泥漿中拔不出來(lái)時(shí)才知道問(wèn)題的嚴(yán)重性。因鉆具、鉆桿的質(zhì)量大，鉆具剛接觸水泥漿時(shí)是沒(méi)有反應(yīng)的，當(dāng)鉆具下不去時(shí)已插入水泥漿很深了。在水泥漿的粘聚力及真空吸力的作用下，鉆具已無(wú)法動(dòng)彈。

解決辦法：a.嚴(yán)格按水下灌注的操作步驟灌注水泥漿，確保灌注成功，保證水泥漿位置跟理想狀態(tài)相差不遠(yuǎn)；b.掃水泥塞前先用測(cè)錘測(cè)水泥面位置；c.下鉆到水泥面以上10m時(shí)開(kāi)泵送水，以后邊送水邊掃，加鉆桿前應(yīng)空轉(zhuǎn)送水一段時(shí)間，返清水后才停泵加鉆桿，以免上返的水泥顆粒因停泵而快速沉淀發(fā)生埋鉆事故。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為避免灌水泥事故的發(fā)生，在水泥漿未凝結(jié)之前不要掃水泥塞。若非掃不可，要判明水泥在孔內(nèi)的位置，掃水泥時(shí)不能停泵，下掃不能太快，加鉆桿前要空轉(zhuǎn)送一段時(shí)間的水，確?？變?nèi)干凈。

4.工程實(shí)例

2015年11月，某施工單位發(fā)生了一起嚴(yán)重的灌水泥事故，導(dǎo)致500m鉆桿報(bào)廢，鉆孔被迫停鉆。該孔設(shè)計(jì)孔深800m，已施工到700m，因650～700m段巖心破碎，鉆孔漏失，機(jī)臺(tái)對(duì)該孔段實(shí)施灌水泥護(hù)壁堵漏。用水泥10包，理論灌注長(zhǎng)度90m，即610～700m。停待72h后下鉆掃水泥塞，當(dāng)鉆具下到500m時(shí)下不去，提不動(dòng)，轉(zhuǎn)不動(dòng)，當(dāng)時(shí)判斷為孔壁掉塊卡鉆或埋鉆。后返出200m鉆桿，再返不動(dòng)。經(jīng)詢問(wèn)，灌注前沒(méi)有測(cè)靜止水位，沒(méi)有計(jì)算替水量，灌完漿后水泵送水約0.5h，提鉆桿時(shí)及提完鉆后沒(méi)有補(bǔ)充水。這種情況十有八九可判斷為灌水泥事故。因灌注前沒(méi)有測(cè)靜水位，沒(méi)有計(jì)算替水量，沒(méi)有補(bǔ)充鉆桿排量，水泥漿很可能已上升到很高的位置，而施工人員還以為水泥漿在600m以深，故下鉆時(shí)毫無(wú)顧忌，直到鉆桿插入粘稠的水泥漿（雖已待凝72h，但由于水灰比的改變，水泥漿凝固的時(shí)間已大大延長(zhǎng)）中不能動(dòng)了還不知道，以為發(fā)生卡鉆或埋鉆事故。為驗(yàn)證究竟是卡埋鉆事故還是灌水泥事故，施工單位在50mm鉆桿下部焊硬質(zhì)合金下去透孔，結(jié)果在200m左右取上水泥心，證明水泥漿已經(jīng)上升到200m以上。在這次事故中，施工單位沒(méi)有測(cè)靜止水位，沒(méi)有計(jì)算替水量，沒(méi)有補(bǔ)充灌漿管排量，掃水泥塞前沒(méi)有測(cè)水泥上返位置，可以說(shuō)是步步出錯(cuò)，其結(jié)果是必然的。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)失敗原因分析，我們要采取有效的解決措施，進(jìn)而保證灌注施工的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

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