鉀鹽礦鉆井法施工中壁后充填材料試驗研究

王建中，徐長磊，崔傳杰

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

1 前言

受成礦機理的影響，鉀鹽礦上覆地層主要為第四系覆蓋層及強風化泥巖層、中等風化泥巖層、具有溶解性的鹽巖層及易溶性光鹵石層，圍巖類別基本屬于Ⅳ～Ⅴ級；其水文條件復雜，多為裂隙含水層或承壓裂隙含水層，水質(zhì)礦化度高，且隨深度增加而提高，深部均為高濃度鹽水。鉆井法在淡水環(huán)境中的鉆井掘進技術已非常成熟，在國內(nèi)已完成150余條井筒的施工，但在高濃度鹽水中的施工工藝尚無先例。通過本試驗研究，可為鉀鹽礦采用鉆井法鑿井施工提供借鑒。

鉆井法壁后充填是在預制井壁下沉到底后，采用充填材料將位于井壁與井幫之間的鉆井洗井泥漿置換出來，為避免鉀鹽礦中的鹽巖層被溶解，鉀鹽礦中的鉆井洗井泥漿為富含鹽的溶液。壁后充填有兩個作用：①固定井壁，防止井壁傾斜及下部基巖施工時井壁下滑；②隔離上部含水層，保證下部工程在破底延深時的安全?；谏鲜鲈?，充填材料應有一定的強度以及較高的置換率，為保證壁后充填效果，充填材料相對密度不小于1.6，且須大于鉆井洗井泥漿0.4以上[1]。

2 試驗

2.1 試驗目的

本試驗主要研究鹽水環(huán)境下壁后填充材料的力學性能和強度發(fā)展規(guī)律，其目的在于確定合適的鉀鹽礦鉆井法壁后充填材料。

2.2 試驗材料及設備

壁后充填材料主要有3種：水泥漿、水泥砂漿和拋石+注漿，3種材料各有優(yōu)缺點?？紤]到鉀鹽礦的特殊工況，以及水泥漿具有強度高、滲透性好、充填密實等優(yōu)點，試驗中選用水泥漿作為研究對象。

水泥漿的強度主要受水泥種類、拌和用水、養(yǎng)護條件和養(yǎng)護時間的影響，各影響因素見表1。

表1 水泥漿強度影響因素表

注：水泥強度等級為42.5，水灰比均為0.5。

表2 鹽水配比表 %

注：溶液a、b、c為飽和鹽水溶液。

按照表2中的鹽水配方，試驗中自制了6個鹽水養(yǎng)護箱，試塊采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的金屬試模進行澆筑，見圖1和圖2。

圖1 鹽水養(yǎng)護箱

圖2 標準試模

2.3 試驗方案

鉀鹽礦鉆井法壁后充填材料的主要作用是置換洗井液和固定井壁，要求該材料具有一定的強度和耐久性，據(jù)此確定試驗的主要內(nèi)容為：(Ⅰ)由淡水拌制的水泥漿試塊在鹽水養(yǎng)護和標準養(yǎng)護下的強度及其增長規(guī)律；(Ⅱ)由鹽水拌制的水泥漿試塊在標準養(yǎng)護下的強度及其增長規(guī)律。

試驗(Ⅰ)中，共計7種養(yǎng)護條件，對應3、7d和28d的強度，海工水泥、普通水泥分別需要21組試驗。

試驗(Ⅱ)中，共計6種拌和鹽水。但因為含有鎂鹽的c溶液和c′溶液與水泥漿的水化產(chǎn)物，主要發(fā)生以下化學反應[2]：

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

MgCl2+Ca(OH)2+2H2O=CaCl2·2H2O+Mg(OH)2

上述化學反應在30s內(nèi)完成，同時釋放出大量的熱量，生成的氫氧化鎂松軟且無膠凝能力，氯化鈣易溶于水，二水硫酸鈣為膨脹性多孔固體?；瘜W反應生產(chǎn)的混合物呈粘稠蓬松狀難以攪拌的特性，見圖3，入模靜置一周后試塊仍不能固結、拆模，因此不再繼續(xù)進行鎂鹽溶液的試驗。據(jù)此，參與試驗(Ⅱ)的鹽溶液只有4種，對應3、7d和28d的強度，海工水泥、普通水泥分別需要12組試驗。

基于上述要素，對試驗規(guī)劃匯總，詳見表3。

圖3 MgCl2鹽水與水泥漿攪拌30s時的狀態(tài)圖

3 試驗及結果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

淡水水泥漿試驗共計42組，對原始數(shù)據(jù)進行整理分析，試驗結果見表4、圖4和圖5。

表3 水泥漿強度試驗規(guī)劃表

表4 淡水澆筑試塊強度表 MPa

圖4 淡水澆筑海工水泥強度增長圖

圖5 淡水澆筑普通水泥強度增長圖

鹽水水泥漿試驗共計24組，對原始數(shù)據(jù)進行整理分析，試驗結果見表5、圖6和圖7。

表5 鹽水澆筑試塊強度表 MPa

圖6 鹽水澆筑海工水泥強度增長圖

圖7 鹽水澆筑普通水泥強度增長圖

3.2 試驗結果分析

分析表4、圖4和圖5可知，淡水水泥漿試塊具有以下特點。

(1)標準養(yǎng)護條件下的試塊強度。相較于鹽水養(yǎng)護環(huán)境，標準條件養(yǎng)護下的試塊強度基本為最大值。海工水泥的早期強度增速較低，普通水泥的后期強度增速較低，兩者28d的強度接近，相差僅0.2MPa。

(2)鹽水對試塊強度的影響。鹽水中的試塊強度增長規(guī)律與標養(yǎng)中的規(guī)律一致。表4中，“標養(yǎng)”和“鹽水養(yǎng)護均值”的3、7d和28d強度，對于海工水泥，兩者分別相差0.7、5.1MPa和4.1MPa；對于普通水泥，兩者分別相差0.1、2.9MPa和3.4MPa。因此鹽水對海工水泥的影響更大，但影響值在降低，影響趨勢在減緩。分析認為這是因為海工水泥的早期強度較低，更容易受到鹽水的侵蝕；但海工水泥具有較好的耐久性，更容易保證試塊的后期強度。

(3)濃度不同的鹽水對試塊強度的影響。高濃度鹽水對試塊強度的影響更大，但除c溶液，即飽和MgCl2溶液外，兩種水泥的差異不明顯。c′溶液，即半飽和MgCl2溶液對海工水泥的影響更大，與標養(yǎng)下試塊的強度相差7.5MPa，與普通水泥的28d強度相差5.7MPa；c溶液對兩種水泥均產(chǎn)生了較大的影響，與7d強度相比，28d的試塊強度均出現(xiàn)減小，其中海工水泥的試驗無效(最大值為9.6MPa，最小值為16.8MPa)，普通水泥的強度減小了2.8MPa。

分析表5、圖6和圖7可知，鹽水水泥漿試塊具有以下特點。

(1)強度增長規(guī)律。兩種水泥的強度基本呈線性規(guī)律增長，說明鹽水對水泥漿的早期強度影響較大，而試塊的后期強度在標養(yǎng)環(huán)境下快速增加。與鹽水養(yǎng)護中的試塊相比，半飽和溶液澆筑的試塊在28d的強度：對于海工水泥，兩者相差僅0.1MPa；對于普通水泥，兩者相差僅0.55MPa。分析認為這主要是由養(yǎng)護條件和鹽水侵蝕兩方面的因素決定的。

(2)濃度相同的鹽水對試塊強度的影響。對于半飽和鹽水，海工水泥的強度普遍大于普通水泥的強度，平均相差3.0MPa；對于飽和鹽水，海工水泥的強度普遍小于普通水泥的強度，平均相差3.5MPa。這說明海工水泥更容易受到環(huán)境的影響，良好的養(yǎng)護環(huán)境對其強度增長有正面促進作用，鹽水環(huán)境對其強度增長有負面抑制作用，這與海工水泥的顆粒細度更小，更容易發(fā)生充分的反應有關。

(3)濃度不同的鹽水對試塊強度的影響。飽和鹽水對試塊強度的影響很大，與半飽和試塊相比，兩者的差值比較一致，平均相差8.8MPa。

4 結語

綜上所述，通過本試驗得到以下認識。

(1)海工水泥雖然具有更好的耐久性，但其早期強度太低，相較于普通硅酸鹽水泥更容易受到鹽水的侵蝕，影響了水泥漿后期強度的進一步增長，因此提高海工水泥的早期強度可以有效預防鹽水的侵蝕。

(2)混入水泥漿的高濃度鹽水對其強度影響很大，低濃度鹽水對其強度影響相對較小。因此在提高泥漿置換率的同時，降低護壁泥漿中的鹽水濃度也可以有效地提高壁后充填材料的強度。

(3)除飽和MgCl2溶液(光鹵石的主要成分)外，鹽水養(yǎng)護環(huán)境對水泥漿短期強度的影響相對較小。水泥漿在飽和MgCl2溶液中，或MgCl2溶液混入水泥漿中，對水泥漿的最終強度都有很大的影響。因此鉆井法的護壁泥漿不允許混入MgCl2溶液；同時在光鹵石所對應的鹽巖部位需采用有效的防腐措施以減小水泥漿的腐蝕。

(4)壁后充填材料既要有一定的強度，還應有可靠的耐久性。如具備條件，還應對充填材料的耐久性進行研究。

(5)受條件所限，試驗結論尚待實際工程的驗證。

[參考文獻]

[1] 洪伯潛，劉志強，姜浩亮．鉆井法鑿井井筒支護結構研究與實踐[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2015.

[2] 汪 瀾．水泥工程師手冊[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，1997.