速效水泥混合漿液注漿技術在強涌水復雜地層中的應用

杜銘辛，李訓魁，趙向東，楊建立，李 剛

(中國煤炭地質(zhì)總局第二水文地質(zhì)隊，河北邢臺 054000)

隨著開采需要，國內(nèi)鉆探逐漸向深、向水平的方向發(fā)展。由于各區(qū)域地質(zhì)條件不同，面臨的施工風險也各有不同，其中強涌水、涌砂、坍塌地層就是深井鉆探的一大風險，尤其是在南方喀斯特地貌地區(qū)，構造、巖溶發(fā)育，涌水強度大，并伴隨井內(nèi)嚴重坍塌、強涌砂現(xiàn)象，局部區(qū)域還出現(xiàn)“上吐下瀉”的涌漏現(xiàn)象[1-2]。在遇到強涌水、涌砂、坍塌地層時通常以常規(guī)方法封堵地層巖溶裂隙、保護井壁的方法很難解決問題，本次以香格里拉經(jīng)濟開發(fā)區(qū)地熱井為例，基于施工過程中遇到的強涌水、涌砂、塌孔等復雜地質(zhì)問題進行技術應用研究[3-5]。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

香格里拉經(jīng)濟開發(fā)區(qū)地熱勘探井地處虎跳峽和長江第一灣之間的金沙江西岸，區(qū)域地形起伏變化明顯，外圍周邊山峰連綿，地形切割較強。區(qū)內(nèi)主要由新生界第四系，中生界三疊系和古生界二疊系、石炭系、泥盆系組成，以中生界、古生界為主，第四系零星分布于金沙江河谷區(qū)。主要巖性有灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、大理巖等碳酸鹽巖類沉積巖，玄武巖、凝灰?guī)r類巖漿巖及千枚巖、片巖、板巖類變質(zhì)巖。區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，構造錯綜復雜。已知構造有F2、F4、F6逆斷層，F(xiàn)1、DF1、DF2正斷層(圖1)。

圖1 區(qū)域構造Figure 1 Regional tectonics

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件受構造、巖性、地形地貌等因素控制，地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類溶洞裂隙水、碎屑巖類裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、玄武巖類裂隙水及構造裂隙水。

2 地熱井設計

2.1 井位確定

通過前期調(diào)查、地面物探工作，結合區(qū)域地質(zhì)資料分析研究，區(qū)域內(nèi)地熱類型為褶皺-斷裂型，地熱井應選擇構造發(fā)育地帶附近，斷裂帶既是地下水導水通道，又是地下水富集存儲地帶。因此，從區(qū)域構造角度考慮，本次鉆井布置在區(qū)域主控斷裂F6、F2之間，DF3與F2派生斷層(近東西向)交匯部位，這些斷層交匯地帶有利于地下水匯集(圖1)。通過鉆探施工揭露大地深層構造來提高終井水量、水溫，從而達到地熱資源可利用開采的目的。

2.2 鉆遇地層

根據(jù)區(qū)域資料及前期勘探成果對本鉆井揭露地層進行預計，鉆遇地層自上而下表述如下：

1)第四系(Q)。為全新統(tǒng)坡積、洪積、沖積、崩塌堆積、湖積礫質(zhì)土、黏土、碎石、塊石、砂礫及泥炭層，較大范圍內(nèi)表層分布，預計厚度約10m。

2)二疊系玄武巖組(βP)。在施工的虎跳澗區(qū)未分段，為玄武巖、綠片巖化玄武巖夾凝灰?guī)r、綠泥片巖及灰?guī)r透鏡體，預計厚度1 700m。按照斷層傾向與井位布置關系推測，本井大約于1 270m處揭露F6、F2、DF3三個斷層相交地帶，區(qū)域地層破碎，推測可能為斷層段富水區(qū)。

3)二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)。在施工的虎跳澗區(qū)為灰色大理巖(結晶灰?guī)r)，預計揭露厚度600m，為本次施工的終井目的層位。

2.3 地熱井參數(shù)設計

該井設計井深2 400m，直井，三開井身結構，設計終井口徑φ152mm。預計該地熱井出水量可達240～360m3/d。井口水溫45℃左右。

3 地熱井施工

香格里拉經(jīng)濟開發(fā)區(qū)地熱井場地位于兩山之間的沖溝北側，開鉆揭露30m卵礫石覆蓋層，進入三疊系北衙組白云巖。一開鉆進至56m時井內(nèi)初見涌水，水量2m3/h左右，隨之地層變軟，進尺效率提高。在鉆進期間因涌水逐漸增大鉆井液逐漸被清水稀釋，并出現(xiàn)井內(nèi)垮塌現(xiàn)象，就此情況及時擴孔下入一開套管至71.50m，使用水泥固管封堵了涌水通道。

二開φ311mm牙輪鉆進，掃開井底固井水泥后既開始涌水，由于地層破碎、松軟，進尺效率較高，井內(nèi)涌水量也隨井深增加而增大。在鉆進至228m時井內(nèi)涌水量明顯增大并伴隨著大量涌砂，涌水壓力約0.7MPa。由于涌水量大，水壓高，無法使用泥漿沖洗液施工，井內(nèi)出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象。期間多次使用水泥封堵涌水，裂隙封堵后繼續(xù)鉆進會再次涌水，井深278m時井底出現(xiàn)10m以上沉砂，無法正常加尺?，F(xiàn)場通過撈砂桶撈砂、傳統(tǒng)水泥注漿堵水、稠泥漿懸浮沉砂等方法均收效甚微，后擴孔下入φ325mm套管，開始進行下一階段施工。

三開φ295mm牙輪鉆進，在鉆進至315m時涌水、涌砂、塌孔、沉砂現(xiàn)象再次發(fā)生，針對井內(nèi)復雜情況，現(xiàn)場通過水泥注漿、氣舉反循環(huán)返砂、27m長撈砂桶撈砂、短節(jié)鉆桿配合稠泥漿懸浮沉砂加尺等工藝，快速鉆進至678m，在此井深加尺換鉆具時井底沉砂開始逐漸上漲，最后提鉆探砂面，井底已有30m以上沉砂。為解決沉砂問題，在此階段實施了多種返砂方案，均未見明顯效果，導致無法正常加尺鉆進，施工停滯不前。

4 注漿方案分析確定

針對施工中出現(xiàn)的問題，考慮終井井徑要求，我們首先通過井下電視儀了解到井下地層巖溶發(fā)育，發(fā)現(xiàn)完整井壁段極少。于是，排除下管方案。由于井內(nèi)一直處于涌水、涌砂狀態(tài)，繼續(xù)下部施工很大可能會再次揭露涌水、涌砂地層，在不能建立完整返砂通道的前提下，臨時返砂的多種措施方案均不能解決根本問題。借鑒北方煤礦區(qū)域治理經(jīng)驗，決定采用水泥注漿的方式建立完整井壁，并通過注水泥封堵涌水通道達到減水效果。

4.1 注漿液

在強涌水、強徑流的深井注漿，采用常規(guī)水泥壓力注漿多會被徑流水稀釋。采用水玻璃、水泥雙液壓力注漿，又存在輸送距離長、注漿量大、井下情況不直觀、水泥凝固快不易操作等安全風險。結合以上兩種注漿方式利弊，現(xiàn)場展開對水泥、水玻璃、三乙醇胺等速凝材料制成的混合漿液配比試驗，經(jīng)現(xiàn)場23組試驗數(shù)據(jù)對比，選出了較適用于本井的速效水泥混合漿液配比方案。

4.2 制漿方法

速效水泥混合漿液按照試驗選定的配比方案進行制漿。首先按照水玻璃20kg/t(水泥)，三乙醇胺1kg/t(水泥)的比例，將水玻璃、三乙醇胺、水泥等添加至備用水箱充分攪拌溶解，再打至制漿機組供水水箱，并將水泥倉下灰閥門調(diào)至合適位置，同時開啟制漿機，開始連續(xù)制漿作業(yè)。制漿過程要不間斷的監(jiān)測漿液密度，通過調(diào)節(jié)下灰閥開合度，使水泥漿液的密度始終控制在1.50～1.65g/cm3。

4.3 注漿配套設備

本次注漿因采用速效水泥混合漿液，其有初凝快的特性，且單次注漿量大，為保證制漿高效，注漿連續(xù)，現(xiàn)場增配了100t水泥倉、促凝材料調(diào)配水箱、制漿機組、井口防噴器等配套設施，詳見圖2。

圖2 注漿配套設備Figure 2 Grouting compatible equipments

5 注漿工藝及效果

5.1 壓力注漿

將單根鉆具下入井內(nèi)，利用井口防噴器夾持封閉，泥漿泵連接至鉆具向井內(nèi)持續(xù)注漿，注漿泵壓達到6MPa后(本井注漿水泥量一般在25～60t)，換用清水進行替換壓漿，使水泥漿液接近并進入涌水段、擴徑段，既要保證封閉效果，還要考慮減少后續(xù)掃水泥時間。替漿完成后泵壓一般可達到11MPa以上，隨后立即關閉鉆具頂部閥門。憋壓候凝5h左右泄壓觀察井內(nèi)情況，如出現(xiàn)涌水大于5m3/h以上，既開始重復注漿封堵。如井內(nèi)水位穩(wěn)定，既下鉆探孔進行掃水泥作業(yè)。

5.2 掃水泥

由于水玻璃、三乙醇胺材料的特效作用，速效水泥混合漿液替漿結束后候凝5h就可達到一定強度，及時掃除上部完整井段多余水泥，可減少后續(xù)掃水泥時間，也可防止水泥候凝時間過長，水泥強度過高引起的鉆井軌跡偏斜。如果掃水泥過程中遇到涌水段附近水泥還較軟，可視情況繼續(xù)候凝。掃水泥時，要適當加大泵量，及時更換循環(huán)液，排除水泥殘渣、混漿，防止黏鉆、埋鉆事故的發(fā)生。

5.3 注漿效果

通過速效水泥注漿的實施，井壁情況有所穩(wěn)定，且起到減水的作用。為此現(xiàn)場繼續(xù)采用速效水泥混合漿液注漿的工藝來應對難題，以此方法反復進行了多次注漿。通過大量注漿工藝的實施，較大程度的降低了井內(nèi)強涌水、涌砂、掉塊塌孔現(xiàn)象。經(jīng)使用井下電視儀觀察井壁情況，發(fā)現(xiàn)水泥充填了大部分現(xiàn)有的“大肚子”擴徑段、巖溶孔洞，初步建立了井深678m以上較為完整的井壁，使井底大量沉砂上返，井內(nèi)地層的涌砂也可直接上返出井口，為繼續(xù)鉆進施工提供了有利條件(圖3)。

1—套管；2—涌水通道；3—塌井段；4—充砂巖溶洞；5—井底沉砂；6—水泥體圖3 注漿前后對比示意Figure 3 Schematic diagram of comparison before and after grouting

6 結語

通過采用速效水泥混合漿液注漿技術方案的實施，順利通過了巖溶、斷層等構造發(fā)育井段，解決了本井面臨的主要施工難題，最終安全完成了設計井深。涌水量達736m3/d，水溫60℃，抽水成果遠超設計要求。