新型同徑分層止水工藝在地?zé)崽讲缮罹膽?yīng)用

楊聯(lián)鋒，段云星

（1.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中030620；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引言

抽水試驗是獲取區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)、地層溫度、地下水補給路徑、影響范圍等項目的重要手段［1-4］。工程技術(shù)人員在抽水試驗的抽水設(shè)備、止水技術(shù)、止水材料、計算方法等方面積累了大量經(jīng)驗和方法［5-6］。管外止水和管內(nèi)止水是否有效決定著試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前的抽水試驗止水方式有異徑分臺階止水工藝和一孔同徑分層止水工藝［7-18］。異徑分臺階止水工藝所需多級擴孔，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多次下入、拔出井管，成本較高；一孔同徑分層止水工藝簡化了井身結(jié)構(gòu)，節(jié)省了管材和成本，但需要在管外投粘土球、灌注水泥漿等。

原平大營地?zé)崽讲山Y(jié)合深井是為勘探本區(qū)域的地?zé)豳x存情況，最后還要作為生產(chǎn)、生活利用的熱水井。分層抽水試驗獲取水文參數(shù)后，需要根據(jù)出水量和出水溫度來確定后續(xù)利用哪層水、永久封固哪層水。設(shè)計分層止水措施時，管內(nèi)止水和管外止水都應(yīng)是臨時措施。試驗完成后，應(yīng)該可以解除止水措施，并且解除后應(yīng)不影響目的含水層的出水和后續(xù)利用。為此，本項目設(shè)計了新型臨時分層止水裝置來進行抽水試驗。

1 項目概況

原平大營地?zé)崽讲山Y(jié)合深井位于山西省原平市沿溝鄉(xiāng)王董堡村，設(shè)計井深3060 m，完鉆井深3088 m，終孔口徑215.9 mm。項目任務(wù)是鉆井勘探變質(zhì)巖地層的含水量和溫度，通過巖心分析、水質(zhì)測試等方法評價該區(qū)域地?zé)豳Y源賦存情況，為地?zé)衢_發(fā)利用提供參數(shù)和依據(jù)。而后建成水井，供周邊生產(chǎn)和生活使用。鉆遇地層情況如表1 所示。

表1 鉆遇地層及巖性描述Table 1 Drilling strata and geology

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計為倒塔式三開結(jié)構(gòu)：

一開采用?393.7 mm 牙輪鉆頭、泥漿循環(huán)鉆進工藝，鉆至492 m；下入?339.7 mm 石油套管，管外環(huán)空用水泥漿封固。

二開采用?311.1 mm 牙輪鉆頭、泥漿循環(huán)鉆進工藝，鉆至1554 m；下入?244.5 mm 石油套管，部分位置下入濾水管；管外環(huán)空不封固。

（3）三開采用?215.9 mm 牙輪鉆頭、泥漿循環(huán)鉆進工藝，鉆至3088 m 終孔；下入?177.8 mm 石油套管，部分位置下入濾水管；管外環(huán)空不封固。

井身結(jié)構(gòu)及套管程序參數(shù)如表2 所示。

表2 井身結(jié)構(gòu)及套管程序Table 2 Wellbore structure and casing program

2 新型同徑分層止水工藝

探采結(jié)合井進行分層抽水試驗后，需要永久封固非目的含水層，盡量恢復(fù)目的層的出水量。因此，需要設(shè)計新型臨時分層止水裝置來進行抽水試驗。

2.1 管外止水裝置

設(shè)計止水傘來進行管外止水。止水傘工作原理類似雨傘，由肋條、帆布、膨脹止水材料組成，如圖1所示。

（1）肋條由長500 mm、寬30 mm、厚3 mm 的彈性鋼條制作而成，底部焊接在套管外，上部自由擴展，如圖 1（a）、圖 1（b）。

（2）肋條與套管之間襯帆布袋，一側(cè)固定在肋條上端，另一側(cè)固定在套管上，如圖1（c）。

（3）帆布袋內(nèi)纏繞海帶辮、膨脹止水膠帶（50 h膨脹200%），填充化學(xué)膨脹劑等材料；并用鐵絲將肋條上端和帆布袋穿插扎口。制作完成后，外徑約?210 mm。如圖1（d）。

（4）每個止水位置安裝2 個帆布傘，間隔2 m。帆布傘吸水膨脹后像傘一樣撐開，如圖1（e）。撐開的帆布傘外徑?240 mm 左右，堵塞套管與井壁的環(huán)空間隙，起到管外止水的作用。

圖1 管外止水傘制作流程與工作原理Fig.1 Manufacturing process and working principle of the canvas umbrella for outside?pipe sealing

止水傘實物見圖2。

圖2 止水傘現(xiàn)場實物Fig.2 Mteral object of canvas umbrella

2.2 管內(nèi)止水裝置

設(shè)計止水托盤進行管內(nèi)止水。該裝置由圓鋼加工而成，長200 mm，與套管外徑相同，兩端壁厚10 mm。內(nèi)孔中間部位設(shè)置斜面凸起，厚30 mm，通孔直徑根據(jù)抽水分層數(shù)階梯設(shè)計。如分4 層抽水，則需要使用通孔直徑 100、120、140 mm 的 3 個止水托盤。止水托盤和隔離蓋結(jié)構(gòu)和實物如圖3 所示。

圖3 管內(nèi)止水托盤Fig.3 In?pipe sealing tray

某層位抽水試驗流程為：

（1）按照設(shè)計抽水位置，將止水托盤與套管焊接在一起。小通孔托盤在下，大通孔托盤在上，依次下入井內(nèi)。

（2）投入相應(yīng)直徑水泥球，堵住抽水層下部托盤口，而后灌入水泥漿候凝，由此堵住下層水。

（3）鉆桿接入隔離蓋，下至抽水層上部托盤口，依靠鉆桿重力堵住上層水。

這樣，管外通過帆布傘臨時止水，管內(nèi)依靠止水托盤臨時止水，可以進行相應(yīng)層位的抽水試驗。

3 現(xiàn)場抽水試驗

設(shè)計5 次抽水試驗，第1 次對全井段（494～3088 m）采用大泵量進行混合抽水試驗；第2～5 次為分層抽水試驗，抽水層段為2665～3088、2158～2665、1604～2158、494～1604 m；隨套管下入止水傘、止水托盤、濾水管，具體如表3 和圖4（a）所示。

表3 分層抽水試驗設(shè)計Table 3 Design for multi?level pumping test

圖4 抽水試驗設(shè)計Fig.4 Design for pumping test

管柱下入井內(nèi)后，止水傘內(nèi)止水材料吸水膨脹，管外已經(jīng)分段臨時止水。根據(jù)抽水試驗程序，進行管內(nèi)止水托盤臨時止水。抽水程序為：

（1）第一次抽水：鉆桿帶著深水泵、水位測管下至450 m，抽取全井段混合水，管內(nèi)托盤不止水。如圖 4（b）。

（2）制作抽水水倉，采用?273 mm×9 mm 無縫鋼管加工，上下端分別與抽水鉆桿連接。水倉內(nèi)置抽水泵和水位測管，電纜及測管接頭引出水倉外。

（3）第二次抽水：使用抽水水倉，泵量為50 m3/h。鉆桿帶著隔離蓋下至2665 m 處止水托盤，隔離蓋密封托盤口，鉆桿頭伸入托盤以下。如圖4（c）。

（4）投水泥球封堵2665 m 處止水托盤口，注入水泥漿5 m 高度，候凝。

（5）第三次抽水：使用抽水水倉。鉆桿帶著隔離蓋下至2158 m 處止水托盤，隔離蓋密封托盤口。鉆桿頭伸入托盤以下。如圖4（d）。

（6）投水泥球封堵2158 m 處止水托盤口，注入水泥漿5 m 高度，候凝。

（7）第四次抽水：使用抽水水倉。鉆桿帶著隔離蓋下至1606 m 處止水托盤，隔離蓋密封托盤口，鉆桿頭伸入托盤以下。如圖4（e）。

（8）投水泥球封堵1606 m 處止水托盤口，注入水泥漿5 m 高度，候凝。

（9）第五次抽水：鉆桿帶著深水泵、水位測管下至450 m，抽取該層段水。如圖4（f）。

試驗結(jié)束確定取水層位后，管內(nèi)水泥塞用鉆頭掃通；注入水泥漿至取水層位下部，水泥漿通過濾水管進入管外環(huán)空而封固；取水層上部環(huán)空的封堵，可以再次下入水泥球堵住托盤口并注入水泥漿候凝，最后管內(nèi)注入水泥漿，使水泥漿通過濾水管進入環(huán)空；候凝后，鉆掃管內(nèi)水泥至取水層上部。

4 應(yīng)用效果

抽水試驗通過變頻設(shè)備來控制抽水流量，進行3 個降深的抽水。出水量采用三角堰計量，讀數(shù)精確到1 mm。分層水的水位在水倉內(nèi)進行測量，水倉內(nèi)測管在泵頭之下5 m，以防水流旋渦對水位數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。對水倉外壁和井壁之間的水位也進行觀測，用來檢測止水效果。抽水試驗成果如表4 所示，滿足了水文地質(zhì)參數(shù)計算要求。

表4 抽水試驗成果Table 4 Results of pumping test

（1）根據(jù)第2、3、4次持續(xù)抽水時間內(nèi)，水倉與井壁間水位的變化數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖5。每條曲線的左段為S3 降深抽水階段，中段為S2 降深抽水階段，右段為S1 降深抽水階段。可以看出，每抽水階段的水位較平穩(wěn)，說明止水措施有效，很好阻止了其他含水層的干擾。

圖5 水倉與井壁間水位降深Fig.5 Water level drop between the water tank and the pipe wall

（2）分層抽水時，管內(nèi)由鉆桿重力壓著隔離蓋封堵抽水層上部的地層水。若能實現(xiàn)完全封堵，表4 中“倉外平均降深”應(yīng)為0。然而，由于隔離蓋與止水托盤的接觸面制作誤差，無法實現(xiàn)完全接觸封堵，會抽走一定量的上部水。另外，隨著抽水點上移，鉆桿重力減小，無法完全壓住隔離蓋，導(dǎo)致倉外平均降深逐漸增大。第4次抽水時倉外平均降深明顯大于前幾次，說明此套止水裝置的應(yīng)用深度有一定的限制。抽水點越深，止水效果越好。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了止水傘進行管外止水、止水托盤進行管內(nèi)止水的新型同徑分層止水工藝，并在地?zé)崽讲缮罹謱映樗囼炛谐晒嵤?/p>

（1）該工藝減少了鉆井變徑次數(shù)和施工工序，簡化了井身結(jié)構(gòu)，為事故處理預(yù)留了一級下套管空間。

（2）通過抽水試驗成果可以獲得不同井段的地溫梯度和涌水量，為準(zhǔn)確封閉不取水段提供了依據(jù)。

（3）此套止水工藝的管內(nèi)止水需要鉆桿自重壓住隔離蓋。抽水點越深，所用鉆桿越長，其重力增大，可獲得更好的止水效果。

（4）止水傘管外止水措施在地?zé)峋膽?yīng)用，依靠其支撐在穩(wěn)定的變質(zhì)巖井壁而承受水壓，成功分隔堵水。對于砂層、粘土層等不穩(wěn)定地層，會有井壁不穩(wěn)定而導(dǎo)致分隔堵水失敗的風(fēng)險。