封隔注漿分層成井技術(shù)在水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究

王明明，解 偉，安永會，龔 磊，王文祥，崔虎群

(1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

作為水文地質(zhì)調(diào)查重要的技術(shù)手段，分層水文地質(zhì)孔能夠通過分層抽水試驗了解不同深度含水層組的水文地質(zhì)特征，實現(xiàn)目的含水層的單獨(dú)研究，為正確評價地下水資源提供科學(xué)依據(jù)[1]。

傳統(tǒng)的分層水文地質(zhì)孔成井方法主要為海帶止水、膨脹橡膠止水和黏土球止水。海帶和膨脹橡膠止水均屬于臨時性止水，具有一定的止水效果，但成本高，工序繁雜，承壓性差，止水效果不穩(wěn)定，不適用于永久性止水。黏土球止水是水文地質(zhì)孔分層成井最常用的方法，成本低，止水效果好，但在細(xì)顆粒地層或鉆探結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地層進(jìn)行分層成井極易出現(xiàn)鉆孔事故，影響分層成井質(zhì)量，同時，黏土球水化時間短，也不適用于大深度水文地質(zhì)孔分層成井[2-6]。因此，亟需開發(fā)一種新型分層成井技術(shù)實現(xiàn)水文地質(zhì)孔高效快速分層成井。

在介紹封隔注漿分層成井技術(shù)原理和工藝流程的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了大量關(guān)于水泥漿性能的測試試驗，將封隔注漿分層成井技術(shù)應(yīng)用于黑河流域HQ56水文地質(zhì)孔分層成井，并對比分析了分層抽水試驗獲得的水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果，提出了封隔注漿分層成井技術(shù)的優(yōu)勢及使用推廣價值。

1 技術(shù)原理

1.1 成井原理

近年來，隨著油田的不斷勘探開發(fā)，油氣開采向著低壓低滲地層、深層、薄層等方向發(fā)展，為封隔不同的層位，進(jìn)行有效的壓裂和分層開采等作業(yè)，地層封隔注水泥技術(shù)與工藝應(yīng)運(yùn)而生，已在國內(nèi)多個油田中使用，技術(shù)比較成熟[7-9]。

在借鑒油氣開采領(lǐng)域地層封隔注水泥技術(shù)與工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心自主研發(fā)的封隔設(shè)備(專利號：201721742572.2)，提出了封隔注漿分層成井技術(shù)，其原理(圖1)是在鉆進(jìn)、下管、全孔填礫和洗井工藝結(jié)束后，通過注漿導(dǎo)管向井管內(nèi)下入封隔器具，在注漿管與注漿窗口對齊后，在止水位置啟封雙封隔器，將注漿窗口隔離，使用泥漿泵將水泥漿通過注漿管注入止水段環(huán)狀間隙實現(xiàn)止水。

封隔注漿分層成井技術(shù)屬于原創(chuàng)性技術(shù)，具有施工成本低，工作效率高、止水可靠等優(yōu)勢，適用于細(xì)顆粒地層或鉆孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地層管井快速分層成井。

1.2 工藝流程

封隔注漿分層止水是封隔注漿分層成井工藝的關(guān)鍵工藝，其施工流程見圖2，其核心工藝主要為：檢測注漿窗口位置、封隔注水和管內(nèi)注水保壓。

圖2 封隔注漿分層止水施工流程Fig.2 Construction process of injecting cement to seal water

1.3 設(shè)備

封隔注漿分層成井技術(shù)主要設(shè)備為封隔器、泥漿攪拌機(jī)和泥漿泵等，其中核心設(shè)備為自主研發(fā)的K344擴(kuò)張式封隔器，由短節(jié)、上接頭、中心管、膠筒及浮動頭組成，使用高壓氮?dú)?或惰性氣體)作為啟封介質(zhì)，通過高壓氣管線連接至地表供壓設(shè)備，具有膨脹比大、有效膨脹作用段長、封隔時間長等優(yōu)點，適用于松散地層管井和基巖地層裸孔封隔。

1.4 優(yōu)勢

一般情況下，海帶止水和膨脹橡膠止水僅作為臨時性止水材料，文中不再討論。相比于黏土球止水，封隔注漿分層成井技術(shù)具有以下優(yōu)勢。

(1)可大幅降低鉆孔分層成井事故率

黏土球止水成井工藝為鉆進(jìn)→下管→分層填礫和止水→洗井，其關(guān)鍵工藝為“分層填礫和止水”，而該工藝也是分層成井過程中事故發(fā)生率最高的階段，極易發(fā)生孔內(nèi)坍塌、測量回填位置不準(zhǔn)確或無法測量礫料回填高度、礫料回填高度超過止水位置和鉆孔縮頸引起的黏土球“架橋”等事故，以上事故在細(xì)顆粒地層或鉆孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地層發(fā)生率更高，對鉆孔成井質(zhì)量影響較大。

封隔注漿分層成井技術(shù)改變了傳統(tǒng)水文地質(zhì)孔分層成井工藝流程，將成井工藝改為鉆進(jìn)→下管→全孔填礫→洗井→封隔注漿分層止水，突破性地去除了“分層填礫和止水”這一鉆孔事故高發(fā)階段，同時，該技術(shù)是在下管、鉆孔填礫和洗井等工藝結(jié)束后實施，使得分層成井更加簡單安全，大幅降低鉆孔分層成井事故率。

(2)測量結(jié)果準(zhǔn)確

黏土球止水使用測繩測量礫料或黏土球回填高度，存在測量不到回填高度或測量結(jié)果不準(zhǔn)確問題，會對分層成井質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

封隔注漿分層成井技術(shù)僅需注漿前檢查注漿窗口與注漿管是否對應(yīng)，可通過物探測井、丈量井管與注漿導(dǎo)管確定，測量結(jié)果非常準(zhǔn)確。

(3)施工效率高

正常情況下，黏土球止水單層施工時間在16 h以上(僅指濾料和黏土球回填工序)，受鉆孔深度、礫料投放速度、測量濾料回填位置和鉆孔事故等因素影響，而且影響較大，甚至?xí)r間可能長達(dá)15～30 d。

封隔注漿分層成井技術(shù)則不受其他因素影響，單層施工時間約3～5 h(包括下入注漿鉆具、攪拌水泥漿、注漿和提鉆等工序)，安全高效。

(4)適用于深孔分層成井

對于孔壁較為穩(wěn)定地層，采用黏土球分層成井最大深度為300 m，而在細(xì)顆?；蜚@孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地層，由于極易出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌、縮頸和無法測量濾料回填高度等問題，最大止水深度非常不穩(wěn)定，可能僅有幾十米。

封隔注漿分層成井技術(shù)是在全孔填礫后管內(nèi)分層成井，不受地層影響，其最大分層成井深度取決于封隔器性能，安全高效，可輕松實現(xiàn)深部鉆孔分層成井。

2 水泥漿初凝時間測定試驗

封隔注漿分層成井技術(shù)屬于原創(chuàng)性技術(shù)，可借鑒的前人經(jīng)驗較少，需要進(jìn)行試驗獲得數(shù)據(jù)支撐封隔注漿分層成井技術(shù)應(yīng)用。

試驗?zāi)康模?1)通過試驗了解水泥漿初凝時間，及時對封隔器卸荷，提出鉆具，防止鉆具被凝固在井內(nèi)引發(fā)鉆孔事故，同時，盡可能延長封隔時間，使注入水泥漿盡可能進(jìn)入地層，減少掉入孔內(nèi)水泥漿量，實現(xiàn)綠色鉆探；(2)通過試驗獲得水灰比、水泥添加劑、攪拌時間最優(yōu)配比，為封隔注漿分層成井技術(shù)實際應(yīng)用提供理論支撐。

此次試驗從水灰比、水泥添加劑、水泥種類和攪拌時間4個方面優(yōu)選。

(1)水灰比

采用就地取材，從施工地附近采購，同時，為保證水泥流體性能和強(qiáng)度，水灰比設(shè)置為0.5、0.55和0.6。

(2)添加劑

主要作用為防止水泥凝固后收縮，根據(jù)前期試驗經(jīng)驗，當(dāng)添加劑含量超過5%時，攪拌和抽送水泥漿比較困難，因此，添加劑用量設(shè)置為2%、3%和4%。

(3)攪拌機(jī)

采用JJ-1精密定時電動攪拌器，功率100 W，調(diào)速范圍100～2 500 r/min，根據(jù)鉆機(jī)使用的泥漿攪拌機(jī)性能，將攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為600 r/min。

(4)維卡儀

測試水泥漿初凝時間。水泥漿初凝時間測定試驗采用四因素三水平表，見表1。

表1 水泥漿試驗因素水平表

根據(jù)表1制定水泥漿初凝時間測定試驗方案，試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

采用極差分析法對正交試驗結(jié)果進(jìn)行計算和分析，首先需要計算Kjm、kjm和Rj，再判斷因素主次、優(yōu)水平和優(yōu)組合。

Kjm為第j列因素m水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和，kjm為Kjm平均值，由kjm大小可以判斷第j列因素優(yōu)水平和優(yōu)組合。Rj為第j列因素的極差，反映了第j列因素水平波動時，試驗指標(biāo)的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大。根據(jù)Rj大小，可以判斷因素的主次順序。正交試驗結(jié)果分析見表3。

表3 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)表3正交試驗結(jié)果分析，可知極差RC>RA>RD>RB，因此，對水泥初凝時間影響的主次順序依次為主→次：CADB，同時，根據(jù)kjm計算數(shù)據(jù)分析，A2、B2、C1、D1分別為A、B、C、D因素的優(yōu)水平，因此，最優(yōu)方案為：C1A2D1B2，即425“戈壁”水泥，水灰比0.55，攪拌時間20 min，水泥添加劑用量3%。

采用該最優(yōu)配方攪拌的水泥漿，初凝時間達(dá)到3.5 h，為封隔注漿分層成井技術(shù)野外應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

3 應(yīng)用實例

3.1 工作背景

本次研究區(qū)位于酒泉金塔盆地，區(qū)域地層顆粒較細(xì)，表現(xiàn)為亞砂土、黏土、中粗砂、細(xì)沙、砂礫石互層，地下水類型為潛水和承壓水，含水層為多層結(jié)構(gòu)[10-12]。

在前期實施分層水文地質(zhì)孔過程中，孔內(nèi)坍塌、測量回填位置不準(zhǔn)確或無法測量礫料回填高度、礫料回填高度超過止水位置和鉆孔縮頸引起的黏土球“架橋”等事故發(fā)生非常多。考慮到項目后期工作區(qū)主要為細(xì)顆粒地層，孔壁不穩(wěn)定，分層成井過程中同樣會出現(xiàn)以上孔內(nèi)事故，不適合采用傳統(tǒng)分層成井方法實施分層水文地質(zhì)孔。

通過不斷調(diào)研和改進(jìn)，結(jié)合已有的封隔器等相關(guān)產(chǎn)品，將封隔注漿分層成井技術(shù)應(yīng)用至HQ56水文地質(zhì)孔分層成井。

3.2 HQ56鉆孔概況

以HQ56鉆孔為例，該鉆孔位于酒泉市金塔縣三合鄉(xiāng)榆樹溝村，巖性以砂礫石、粗砂、粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土為主，成井深度設(shè)計為274.5 m，要求揭穿第四系地層，鉆孔分為3層，止水位置分別設(shè)計為115.2～128.2 m和192.2～205.2 m。考慮到該鉆孔地層顆粒較細(xì)，止水層數(shù)多，止水位置深，因此，采用封隔注漿分層成井技術(shù)實施分層成井，圖3為HQ56鉆孔成井結(jié)構(gòu)。

圖3 HQ56鉆孔成井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram showing the structure of well HQ56

根據(jù)圖3可知，HQ56鉆孔實際止水位置為119.6～124.85 m和198.4～202.6 m，長度分別為5.25 m和4.2 m，比設(shè)計注漿量(6 m)略少，但完全可以滿足成井止水要求。

同時，根據(jù)成井結(jié)束后物探測井結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與注漿窗口位置相比，實際止水段位置靠下端，可見水泥漿運(yùn)移位置主要是朝下，并不是均勻分布，該水泥漿運(yùn)移規(guī)律的發(fā)現(xiàn)可指導(dǎo)注漿窗口位置選擇，尤其適用于止水厚度較薄地層分層成井。

3.3 分層抽水試驗

在鉆孔分層成井結(jié)束后，利用潛水泵型雙封隔器分層抽水系統(tǒng)實施了同徑封隔分層抽水試驗，圖4為上、中、下三層抽水試驗設(shè)備連接示意圖。

圖4 分層抽水試驗設(shè)備連接示意圖Fig.4 Sketch diagram showing the connecting equipment for stratified pumping test connection

3.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水文地質(zhì)規(guī)范要求并結(jié)合鉆孔富水性實際情況，對HQ56水文地質(zhì)孔進(jìn)行上、中、下三層抽水試驗，每層自小流量到大流量進(jìn)行3個落程，流量大小通過變頻控制柜來調(diào)節(jié)。獲得的抽水試驗數(shù)據(jù)和采集水樣分析見表4和表5。

表4 HQ56鉆孔分層抽水試驗數(shù)據(jù)

表5HQ56鉆孔各層離子濃度和TDS

Table 5 Total dissolved solids and ionic concentrations of different aquifers toxpped by well of HQ56/(mg·L-1)

根據(jù)表4，HQ56鉆孔上部含水層富水性極強(qiáng)，遠(yuǎn)高于中下部含水層，中部含水層富水性略高于下部含水層。

根據(jù)表5，HQ56鉆孔上部含水層TDS最高，達(dá)到752.4 mg/L，中部含水層TDS最低，為330.6 mg/L，下部含水層TDS高于中部含水層，為384.1 mg/L。

通過對表4和表5中HQ56鉆孔的單位涌水量和TDS進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)獲得的各含水層水文地質(zhì)參數(shù)及水質(zhì)類型存在一定差別，從側(cè)面反映出采用封隔注漿分層成井技術(shù)進(jìn)行分層成井安全可靠，止水效果良好。

4 結(jié)論

(1)封隔注漿分層成井技術(shù)改變了傳統(tǒng)水文地質(zhì)孔分層成井工藝流程，去除了“分層填礫和止水”這一鉆孔事故高發(fā)階段，有效降低了鉆孔分層成井事故發(fā)生率，并且將分層成井時間縮短為3～5 h，提高了分層成井深度，使得水文地質(zhì)孔分層成井簡單、高效和便捷，對于細(xì)顆粒地層或鉆孔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地層快速分層成井具有極高的借鑒應(yīng)用價值。

(2)采用封隔注漿分層成井技術(shù)進(jìn)行分層成井時，發(fā)現(xiàn)實際止水段并非在注漿窗口位置兩側(cè)均勻分布，而是比注漿窗口位置靠下，該水泥漿運(yùn)移規(guī)律的發(fā)現(xiàn)可指導(dǎo)注漿窗口位置選擇，對于止水厚度較薄地層分層成井更具有指導(dǎo)意義。

(3)通過對比分析HQ56鉆孔分層抽水試驗及水質(zhì)化驗相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各含水層水文地質(zhì)參數(shù)及水質(zhì)類型存在一定差別，說明采用封隔注漿分層成井技術(shù)進(jìn)行水文地質(zhì)孔分層成井，止水效果是非?？煽康模档迷谒牡刭|(zhì)調(diào)查工作中推廣。