涌水含氣地層封孔材料的設(shè)計(jì)及野外試驗(yàn)

楊 翔， 郭 威， 馬銀龍， 王 元， 張鵬宇， 曲莉莉

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026; 2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026)

封孔作為鉆探工作六大質(zhì)量指標(biāo)之一，是鉆探作業(yè)結(jié)束后的一項(xiàng)重要工作。通地1井封孔時(shí)在0～17 m井段遇到了涌水、涌氣的復(fù)雜地層條件，導(dǎo)致了鉆孔封閉困難。普通封孔水泥材料在井下有水的環(huán)境中固化時(shí)間長(zhǎng)，早期長(zhǎng)度低。在涌水含氣地層條件下，為滿足鉆孔施工質(zhì)量要求，封孔用水泥砂漿要能夠快速封堵涌水、涌氣的地層。封孔用水泥砂漿需要保持一定的流態(tài)進(jìn)入鉆孔環(huán)空，在水流與氣體沖蝕條件下到達(dá)預(yù)定尾椎并快速凝固，以達(dá)封閉鉆孔的目的。

1 封孔材料設(shè)計(jì)與水泥外加劑作用效果

以鉆井工程中廣泛應(yīng)用的水泥基封孔材料為研究對(duì)象，通過(guò)加入添加劑對(duì)封孔水泥砂漿進(jìn)行改性處理，以期獲得在涌水、涌氣地層條件下具有不同凝結(jié)時(shí)間的封孔用水泥砂漿，從而能夠滿足不同鉆孔深度的封孔需求。

為使水泥砂漿滿足涌水含氣地層封孔質(zhì)量要求，以現(xiàn)有封孔水泥砂漿為基礎(chǔ)，參考固井水泥，在水泥砂漿中加入紅星1型速凝劑與早強(qiáng)劑三乙醇胺，改善封孔水泥砂漿性能。速凝劑可以縮短水泥候凝時(shí)間。水泥速凝劑中的鋁酸鈉、碳酸鈉在堿性溶液中迅速與水泥中的石膏反應(yīng)形成硫酸鈉，使石膏喪失其原有的緩凝作用，從而導(dǎo)致鋁酸三鈣礦物迅速水化，并在溶液中析出其水化產(chǎn)物晶體，致使水泥砂漿迅速凝結(jié)。紅星1型速凝劑能夠使水泥在1 h產(chǎn)生強(qiáng)度，1 d強(qiáng)度可提高2～3倍，28 d強(qiáng)度為未摻加速凝劑水泥的80%～90%。早強(qiáng)劑三乙醇胺是一種絡(luò)合劑，在水泥水化的堿性溶液中，能與Fe3+和Al3+等離子形成較穩(wěn)定的絡(luò)離子，這種絡(luò)離子與水泥的水化物作用生成溶解度很小的絡(luò)鹽并析出，有利于早期骨架的形成，從而使混凝土早期強(qiáng)度提高。三乙醇胺能夠?qū)⑺嘣缙趶?qiáng)度提高50%，28 d強(qiáng)度不變或稍有提高。

2 材料配方的正交試驗(yàn)

為解決涌水含氣地層封孔困難的問(wèn)題，通過(guò)正交試驗(yàn)方法，確定使用封孔材料的配合比，為實(shí)際封孔施工提供理論依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)材料

基于現(xiàn)有水泥砂漿的研究，確定水灰比、灰砂比、速凝劑添加量與三乙醇胺的加量作為影響水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間的四個(gè)因素，總結(jié)現(xiàn)有對(duì)于水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間的研究，確定各個(gè)因素所選取的水平。試驗(yàn)采用普通硅酸鹽425水泥，選用標(biāo)準(zhǔn)砂，紅星1型速凝劑，三乙醇胺。試驗(yàn)設(shè)備選用電子天平(精度為0.01 g)。設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見表1，以水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水泥砂漿濕態(tài)凝結(jié)時(shí)間影響因素水平

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用425水泥,質(zhì)量為150 g，按照正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)：(1)精確稱量各組分用量；(2)將水泥、砂放入攪拌容器中，攪拌2 min，使原料充分?jǐn)嚢杈鶆颍?3)加入水、速凝劑和三乙醇胺，充分?jǐn)嚢? min，攪拌完成后，將一定量的水泥砂漿放入水中候凝；(4)記錄水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 封孔水泥凝結(jié)時(shí)間正交實(shí)驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析。由分析結(jié)果可知，對(duì)封孔水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響程度由大到小依次為水灰比、速凝劑加量、灰砂比、三乙醇胺加量，分析結(jié)果如表3所示。各因素對(duì)水泥砂漿影響如圖1所示。

表3 封孔水泥漿凝結(jié)時(shí)間正交實(shí)驗(yàn)分析

圖1各因素對(duì)水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。方差分析能夠在直觀分析的基礎(chǔ)上檢驗(yàn)因素對(duì)于結(jié)果的影響程度,見表4。由方差分析可以判斷影響結(jié)果的主要因素與次要因素。給定顯著性水平α=0.1，方差分析結(jié)果顯示，水灰比的變化對(duì)結(jié)果的影響十分顯著。

表4 水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間方差分析

注：“F比”指因素水平引起的平均偏差平方和與誤差的平均偏差平方和的比值?！癋臨界值”可通過(guò)查找F檢驗(yàn)的臨界值表得知。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)中水灰比、灰砂比速凝劑加量和三乙醇胺加量的范圍內(nèi)以及試驗(yàn)條件下，擬合出封孔水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間與水灰比、速凝劑加量、灰砂比和三乙醇胺加量的函數(shù)。函數(shù)表達(dá)式為：

Y=35.063-63.333A+768.292B-

6.552C+541.070D

式中：Y——封孔水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間，min；A——水灰比；B——速凝劑加量，%；C——灰砂比；D——三乙醇胺加量，%。

3 通地1井封孔野外實(shí)驗(yàn)

通地1井位于吉林省通化市大倒木村，基巖段全取心，鉆遇巖層主要為泥巖、粉砂巖，巖石成巖性差，硬度低，且極易破碎。通地1井施工過(guò)程中，鉆孔涌水、涌氣現(xiàn)象嚴(yán)重，難以封堵，如圖2所示。

圖2 鉆進(jìn)過(guò)程中鉆孔涌水涌氣

3.1 封孔材料配比設(shè)計(jì)

在涌水含氣復(fù)雜地層條件下，封孔用水泥砂漿需保持一定的流態(tài)進(jìn)入鉆孔環(huán)空，在水流沖蝕條件下到達(dá)預(yù)定位置并快速凝固，同時(shí)需要具有一定的早期強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)止水、止氣的目的。通地1井上部0～17 m井段地層涌水含氣情況嚴(yán)重，為使封孔水泥砂漿能夠快速封堵地層，并且滿足鉆孔施工質(zhì)量要求，0～5 m井段與5～17 m井段需采用不同凝結(jié)時(shí)間水泥砂漿。根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)，如圖3所示，以及鉆孔涌水量，綜合考慮通地1井現(xiàn)場(chǎng)施工條件，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，選用的封孔水泥砂漿成分如下。

圖3 通地1井鉆孔結(jié)構(gòu)示意

0～5 m井段，鉆孔直徑為300 mm，水泥砂漿成分配比為：水灰比1∶2、速凝劑3%、灰砂比1∶2、三乙醇胺1%，即4號(hào)水泥砂漿，其強(qiáng)度可以達(dá)到38.3 MPa；

5～17 m井段，鉆孔直徑為156 mm，水泥砂漿成分配比為：水灰比1∶2、速凝劑5%、灰砂比1∶1、三乙醇胺0.3%，即5號(hào)水泥砂漿，其強(qiáng)度可以達(dá)到36.1 MPa。

0～17 m井段封孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通地1井上部封孔結(jié)構(gòu)示意

3.2 封孔施工

根據(jù)通地1井0～17 m井段涌水、涌氣情況，考慮選用水泥砂漿流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、固結(jié)時(shí)間，采用水泵灌注法進(jìn)行灌注。具體施工過(guò)程如下。

(1)處理井口，將井口上方雜物鏟除，操作過(guò)程中須注意在井口部分做防落物措施，防止雜物掉入孔內(nèi)。

(2)按照5號(hào)水泥砂漿配比稱量多組(3組及以上)材料，攪拌時(shí)可兩組相繼進(jìn)行，即一組攪拌完成未澆灌前另一組開始攪拌，保證灌入水泥砂漿不間斷。澆灌過(guò)程中根據(jù)設(shè)計(jì)用量，以實(shí)際井口返水及水泥砂漿液面情況決定停止灌注時(shí)間。

(3)在(2)操作過(guò)程中，按照4號(hào)水泥砂漿配比稱量好多組(3組及以上)材料，在5號(hào)水泥砂漿灌注停止后，重復(fù)(2)的澆灌過(guò)程，封住井口。

(4)水泥砂漿灌注完成后，鉆孔被封住。此時(shí)，用電焊將孔口管焊接同規(guī)格的管材，使孔口管向上延伸約0.2 m，同時(shí)將預(yù)先制好兩塊半圓環(huán)拼板將孔口管和中心?89 mm套管焊死。

(5)最后用4號(hào)水泥砂漿在封隔管的周圍澆筑，并制作終孔標(biāo)識(shí)。

(6)待封孔完成約2 h后觀察封孔效果。

3.3 封孔效果

通地1井封孔施工結(jié)束后，鉆孔內(nèi)不再涌水涌氣。封孔水泥砂漿在水流及氣體沖蝕條件下到達(dá)預(yù)定位置并快速凝固，并且具有一定的強(qiáng)度，達(dá)到止氣、止水的目的。通過(guò)透孔取樣對(duì)封孔質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。通地1井封閉段水泥結(jié)構(gòu)較好，符合鉆孔施工質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)向水泥砂漿中加入適量的紅星1型速凝劑和三乙醇胺，能夠控制水泥砂漿在涌水涌氣環(huán)境下的凝結(jié)時(shí)間，這一水泥砂漿體系適合作為涌水、含氣地層封孔材料，并能滿足鉆孔施工質(zhì)量要求，為涌水含氣地層封孔材料設(shè)計(jì)提供方案。

(2)由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，對(duì)封孔水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響程度由大到小依次為水灰比、速凝劑加量、灰砂比、三乙醇胺加量，通過(guò)控制水灰比以及速凝劑加量這些關(guān)鍵因素，可以得到滿足實(shí)際使用的水泥砂漿配方體系，為封孔材料試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

(3)通地1井野外封孔試驗(yàn)證明水泥砂漿中加入速凝劑和三乙醇胺這一水泥砂漿體系適合作為涌水、含氣復(fù)雜地層的封孔材料。