西部地區(qū)鉆井法鑿井壁后充填模擬試驗(yàn)研究

姚直書,喬帥星,王 瑞,方 玉,王宗金,亓燕秋

(1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;3.中煤特殊鑿井集團(tuán)有限責(zé)任公司總工程師辦公室,安徽 合肥 230001)

鉆井法鑿井雖在我國中東部地區(qū)礦井建設(shè)中得到推廣應(yīng)用,但在西部地區(qū)深厚含水軟弱巖層中目前還沒有成功應(yīng)用[11]。與中東部地區(qū)地層條件不同,西部地區(qū)鉆井法施工穿過的地層主要為白堊、侏羅系巖層,由于其自身穩(wěn)定、圍巖變形小、富含水,如果壁后充填不密實(shí),井壁與圍巖間的空隙就會(huì)像凍結(jié)孔環(huán)形空間一樣形成導(dǎo)水通道[12-13],造成涌水淹井事故,嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)[14]。特別是隨著鉆井井筒深度的增加,壁后充填質(zhì)量對今后井筒使用期間的防治水工作至關(guān)重要[15-16],也是目前井筒施工過程中亟待解決的技術(shù)難題。在鉆井法鑿井壁后充填技術(shù)研究方面,文獻(xiàn)[17]針對西部地區(qū)含水軟弱巖層鉆井法鑿井工程地質(zhì)和水文條件,開展了充填層作用機(jī)理及材料配制研究。文獻(xiàn)[18]結(jié)合實(shí)際工程案例,提出采用多管道均勻注漿和大功率水泥砂漿泵機(jī)充填的方法提升固井質(zhì)量。文獻(xiàn)[19]針對鉀鹽礦鉆井法施工工程環(huán)境,進(jìn)行了水泥漿壁后充填材料配合比試驗(yàn)。文獻(xiàn)[20]提出在深井井筒施工中,深部壁后充填應(yīng)采用井內(nèi)注漿技術(shù)。文獻(xiàn)[21]對鉆井井筒壁后充填水泥砂漿進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[22]針對中東部地區(qū)深厚沖積層中水泥漿壁后注漿效果較差的問題,通過研究水灰比、砂灰比、外加劑和粉煤灰摻量對水泥砂漿的影響,配制的充填材料在信湖煤礦鉆井井筒壁后充填局部段高進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。

綜上所述,雖然鉆井法鑿井壁后充填材料已有研究,并提出采用比重大、強(qiáng)度高和抗?jié)B性的水泥砂漿作為深井鉆井井筒的壁后充填材料[23-24],但目前這一新型充填材料在我國西部鉆井法鑿井工程中還沒有得到應(yīng)用。為此,本文以我國西部地區(qū)第一口采用鉆井法施工的可可蓋煤礦中央回風(fēng)立井為工程原型,通過模擬試驗(yàn)方法,對鉆井井筒壁后充填效果進(jìn)行研究,以解決西部地區(qū)深立井鉆井井筒壁后充填的技術(shù)難題,并為下一步的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 壁后充填模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 相似準(zhǔn)則求導(dǎo)

模擬試驗(yàn)以西部地區(qū)正在采用鉆井法施工的可可蓋煤礦中央回風(fēng)立井為工程背景,這也是我國西部地區(qū)第一個(gè)采用鉆井法施工的立井井筒。該鉆井井筒深521m,凈直徑6.0m,井壁和充填層有效厚度分別為0.6m和0.35m。通過分析發(fā)現(xiàn)影響壁后充填效果的主要因素有井壁內(nèi)外半徑、充填層厚度及高度、泥漿及充填材料的參數(shù)等,具體如表1所示。

表1 模擬試驗(yàn)主要參數(shù)定義及其量綱

參數(shù)方程如下

F(RW、Rn、Dc、hc、hh、hn、ρh、ρn、ηh、ηn、g、Sc、Ph、Pn)=0

根據(jù)相似第二定理和量綱分析法[25],可求得相似準(zhǔn)則組成的π方程(見表2)。

表2 不含要求模擬試驗(yàn)相似準(zhǔn)則表

1.2 相似模型設(shè)計(jì)

鉆井法鑿井工程中的鉆進(jìn)深度往往達(dá)到數(shù)百米,其豎向尺寸比橫向的直徑大,如果對工程中整個(gè)深度的鉆井井筒充填層采用同一幾何相似比進(jìn)行模擬,則會(huì)導(dǎo)致幾何縮比過大、模型充填層厚度過小,無法進(jìn)行模擬試驗(yàn)。因此,針對實(shí)際工程情況,采用變態(tài)相似的模型進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果仍具有工程指導(dǎo)意義[26]。為此,基于推導(dǎo)的相似準(zhǔn)則,本文采用變態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?對最上部一段壁后充填進(jìn)行模擬試驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件,設(shè)計(jì)模型高度為9.6m。

This research is conducted on the basis of Qingdao harbor, Dong Jiakou port, bulk grain project. on the basis of this situation, to do this research on conveyor head or tail frame′s forces as follow shown in Figure 1.

工程中充填層設(shè)計(jì)有效厚度為350mm,現(xiàn)設(shè)計(jì)模型充填層厚度為150mm,則幾何相似比(CL)為2.333。工程中充填進(jìn)料管直徑為118mm,根據(jù)幾何相似比可取為50mm。

同時(shí),為了易于滿足相似準(zhǔn)則進(jìn)行模擬試驗(yàn),充填材料和護(hù)壁泥漿采用原材料,因此有

Cρn=Cρh=Cηn=Cηh=1

2 壁后充填模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

在模擬試驗(yàn)過程中,為了便于觀察試驗(yàn)中充填材料置換情況,試驗(yàn)鉆孔采用亞克歷材料的圓管進(jìn)行模擬。同時(shí),為方便模型制作、運(yùn)輸和安裝,將9.6m高模型管分為6節(jié),每節(jié)之間采用法蘭盤連接。充填進(jìn)漿管采用硬質(zhì)PVC管,設(shè)計(jì)直徑為50mm。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建的壁后充填模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示。

(a)壁后充填模擬試驗(yàn)系統(tǒng) (b)模擬試驗(yàn)情形

2.2 護(hù)壁泥漿配制

護(hù)壁泥漿是鉆井法施工中不可或缺的材料,在使用鉆頭鉆進(jìn)時(shí),護(hù)壁泥漿可以清潔井底、排碴,避免重復(fù)切削、提高鉆進(jìn)效率;同時(shí)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱量需要通過泥漿冷卻并潤滑鉆頭。井壁筒懸浮下沉后,井壁與鉆進(jìn)孔壁的環(huán)形空間內(nèi)仍然充滿著泥漿,需通過壁后充填工藝進(jìn)行置換固井。根據(jù)可可蓋煤礦鉆井施工現(xiàn)場提供的泥漿參數(shù),通過配制試驗(yàn),得到與現(xiàn)場性能一致的護(hù)壁泥漿,其比重1.21,粘度32Pa·s,初始靜切力2.4Pa,最終靜切力2.3Pa。

2.3 充填材料配制

充填材料的性能關(guān)系到壁后充填的質(zhì)量,壁后充填過程即充填材料置換護(hù)壁泥漿的過程。因此,充填材料應(yīng)具有良好的流動(dòng)性、較高的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)哪Y(jié)時(shí)間和微膨脹特性?；谝陨闲阅芤?并結(jié)合充填材料配制試驗(yàn)結(jié)果,本次試驗(yàn)采用的配合比為水泥∶水∶砂∶粉煤灰∶膨脹劑∶泵送劑=1∶0.47∶1.5∶0.2∶0.08∶0.0128,配制后漿體比重2.16,粘度300Pa·s,初始靜切力12Pa,最終靜切力6Pa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

高性能微膨脹充填材料置換護(hù)壁泥漿時(shí),充填材料發(fā)生水化反應(yīng)凝結(jié)、硬化形成壁后充填層。模擬試驗(yàn)在一定程度上反映了鉆井井筒工程壁后充填層實(shí)際情況,為分析新型壁后充填材料置換效果,需要對固結(jié)后的壁后充填層進(jìn)行物理力學(xué)性能研究。

3.1 模擬試驗(yàn)充填效果分析

充填材料置換泥漿后,選取充填層表觀形態(tài)和充填材料置換泥漿的百分率作為充填效果的評價(jià)指標(biāo),并進(jìn)行相關(guān)分析。試驗(yàn)結(jié)束并養(yǎng)護(hù)2d后,將充填管模型進(jìn)行分段拆除。用清水沖洗掉充填層表面泥漿,從斷面和表面觀察各段的置換情況,具體如圖2所示,將整個(gè)9.6m充填層固結(jié)體分成15段,并按照數(shù)字排序從高到底依次編號(hào)為1～15。由圖2可知,從外觀形態(tài)來看,采用高性能微膨脹充填材料置換護(hù)壁泥漿的總體充填效果良好,并且中下部整體置換效果明顯比上部好,最上部較差。

圖2 充填層拆除分段圖

充填完成后,通過觀察透明的亞克力管發(fā)現(xiàn),在局部地方充填層表面存在白色殘留泥漿,如圖3(a)所示,位于第4段中。通過破除亞克力管,取出充填層固結(jié)體,采用鋼絲刷刷掉泥漿,露出內(nèi)部充填層,結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有表面部分泥漿沒有被充填置換,其余部分均為充填材料固結(jié)體,如圖3(b)所示。出現(xiàn)這種情況的主要原因是充填材料從中間充填進(jìn)料管進(jìn)入泥漿中后,充填砂漿從中間向四周、再從下往上不斷置換泥漿。由于模擬試驗(yàn)裝置選擇的亞克力管內(nèi)表面具有一定的摩阻力,因此在其表面附著護(hù)壁泥漿不易被完全置換,但只在表面出現(xiàn),沒有影響充填置換效果。在實(shí)際工程中,鉆孔側(cè)壁常出現(xiàn)粗糙不平現(xiàn)象,但通常孔壁表面會(huì)吸附護(hù)壁泥漿的“泥皮”,這又減小了充填砂漿置換泥漿的摩阻力,使得側(cè)壁粗糙度的影響主要局限在其表面,對整個(gè)充填層厚度的總體置換率影響很小。

(a)清理前

充填置換率是評價(jià)充填效果的重要指標(biāo)之一,與充填材料與護(hù)壁泥漿的密度差相關(guān)。密度差越大,置換效果越好。為提高西部地區(qū)深立井鉆井井筒壁后充填置換效果,防止井筒滲漏水,本次模擬試驗(yàn)采用了比重大的水泥砂漿代替過去工程中常用的水泥漿充填材料。因此,為分析新型充填材料對護(hù)壁泥漿的置換程度,以充填層固結(jié)體試驗(yàn)段密度與充填材料原密度之比表示該充填材料對泥漿的置換率,計(jì)算公式為

(1)

式中,K為充填材料的置換率,%;ρL為試驗(yàn)充填層取芯試件測量密度,g/cm3;ρc為充填材料原密度,為2.16g/cm3。當(dāng)充填層的密度越接近充填材料原密度時(shí),說明充填層中混入的護(hù)壁成分越少,充填固井效果越好,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 充填模擬試驗(yàn)各節(jié)段置換率

由表6可知,本次模擬試驗(yàn)置換率均達(dá)到了97%以上,平均置換率為99.0%。在泥漿未發(fā)生沉淀的1～8m段,充填材料的置換效果良好,而在9～9.6m段置換效果相對較差。為進(jìn)一步分析,現(xiàn)將1～9m所有充填層試件密度繪制于圖4。

圖4 充填層1～9m密度變化趨勢

由圖4可知,充填段在初始段1m、4～5m以及9m處均出現(xiàn)其密度低于原始充填材料密度的情況,且在9m處的密度最低。這一現(xiàn)象對應(yīng)在9m處試驗(yàn)充填時(shí)出現(xiàn)了少量泥漿沉淀、置換困難,而在最下層1m處也出現(xiàn)少量泥漿與砂漿混合,導(dǎo)致該處充填層密度下降。在充填模擬段底部1m處,所對應(yīng)區(qū)域即為實(shí)際工程壁后充填段底部,通常該位置因?yàn)槟酀{沉淀后比重較大,易形成較為粘稠的泥漿沉淀層,致使該處置換效果偏低,易對下一步的破鍋底施工構(gòu)成不利影響。因此,實(shí)際工程中在進(jìn)行壁后充填前,應(yīng)當(dāng)調(diào)整泥漿參數(shù)、充分循環(huán)泥漿,使鉆孔底部泥漿不出現(xiàn)沉淀、密度分布均勻,提高充填置換效果。

3.2 充填層單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究充填層固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度與充填高度的變化特征,對模擬試驗(yàn)的充填層固結(jié)體進(jìn)行鉆取芯樣,并加工成φ50mm×100mm的圓柱體試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),采用1 000kN單軸試驗(yàn)機(jī),加載速率設(shè)為1mm/min,單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a)3d 抗壓強(qiáng)度

由圖5可知,模擬試驗(yàn)充填層固結(jié)體抗壓強(qiáng)度在初始段1m、2m處,中間段5m處以及9m處強(qiáng)度較低,這是由于充填過程中的泥漿置換不徹底,充填層固結(jié)體中混有微量泥漿所致。與前面充填層密度分析相對應(yīng),在密度較低的充填段抗壓強(qiáng)度也相對較低。泥漿的主要成分為膨潤土,具有較強(qiáng)的吸水能力,如果充填材料中混有泥漿,將影響水泥的水化反應(yīng),使固結(jié)體早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢,水泥石生成不足而影響其強(qiáng)度;而在水化反應(yīng)后期,隨著水分不斷減少,泥漿沉淀中的膨潤土失水后收縮,充填層產(chǎn)生孔隙,密實(shí)度降低,從而也會(huì)降低充填層的強(qiáng)度。因此,鉆井井筒壁后充填工作中充填置換效果十分重要。

3.3 充填層滲流試驗(yàn)結(jié)果及分析

考慮到實(shí)際工程中充填層同時(shí)受到自重應(yīng)力、圍巖壓力以及地下水作用,僅采用單軸試驗(yàn)并不能真實(shí)反映充填層的實(shí)際受力狀態(tài)。為此,本研究利用TAW-2000三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)一步分析充填層的流固耦合作用特性。

由可可蓋煤礦地質(zhì)勘查資料可知,鉆井井筒最底部為侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖孔隙裂隙承壓含水層,埋深約500m,以該處圍巖壓力和水壓作為流固耦合試驗(yàn)加載值。同時(shí),為了簡化試驗(yàn)量,選取充填層段1m、3m、6m、9m處的4組試件進(jìn)行流固耦合作用試驗(yàn)。對充填層固結(jié)體取芯后,放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù),到達(dá)28d期齡后進(jìn)行試驗(yàn)。試件加載前,先施加1kN軸力固定好試件,再加載圍壓,最后加載水壓。試驗(yàn)主要研究充填層試件在滲透水壓與圍壓耦合作用下的抗?jié)B性能和抗壓強(qiáng)度,抗?jié)B性能采用滲透系數(shù)表示,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a)三軸抗壓強(qiáng)度

由圖6(a)可知,在1m、9m處的充填層強(qiáng)度較低,與前面單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果基本一致。這是因?yàn)樵谧钌隙渭尤氲某涮畈牧狭可?與護(hù)壁泥漿難以形成較大壓力差,置換效果不好;而在最下段,泥漿出現(xiàn)少量沉淀,比重增大,充填材料與護(hù)壁泥漿壓力差減小,置換效果也不好,充填層中混合有少量泥漿,而泥漿中的膨潤土強(qiáng)度較低,這就導(dǎo)致了充填層在1m和9m處的強(qiáng)度降低。同時(shí),充填層中混合的泥漿膨潤土后期產(chǎn)生收縮,且膨潤土顆粒的粘附性較差,在水壓作用下,水的滲流不斷帶走膨潤土顆粒,從而導(dǎo)致混有泥漿的充填段試件滲透率較高,而置換效果較好的3m處滲透率較低,抗?jié)B效果較好,如圖6(b)所示。

為了更好地對比高性能微膨脹充填材料與傳統(tǒng)充填材料(水泥漿)的抗?jié)B性能,將水灰比為0.6的水泥漿制成φ50mm×100mm的圓柱體試件,進(jìn)行相同圍壓和水壓條件的流固耦合試驗(yàn),結(jié)果表明,其28d三軸抗壓強(qiáng)度為26.3MPa,滲透系數(shù)為2.82×10-6m/d;由此可見,高性能微膨脹充填材料的三軸抗壓強(qiáng)度均大于40MPa,滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于常用的水泥漿,其充填固井和防水性能優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥漿充填材料。

根據(jù)可可蓋煤礦中央回風(fēng)立井井筒檢查孔勘探資料可知,該井筒穿過的白堊系、侏羅系巖層的強(qiáng)度低,局部地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度只有10～25MPa,其滲透系數(shù)約為4.0×10-6～2.5×10-5m/d。而本次模擬試驗(yàn)充填層固結(jié)體抗壓強(qiáng)度達(dá)到了30～41MPa,其滲透系數(shù)約為3.1×10-7～4.7×10-7m/d。由此可見,不論是抗壓強(qiáng)度,還是滲透性,砂漿充填材料固結(jié)體的性能都優(yōu)于富水弱膠結(jié)圍巖,密實(shí)的壁后充填層對井壁受力和防水都十分有利。

4 結(jié)論與展望

以可可蓋煤礦中央回風(fēng)立井鉆井井筒為研究對象,基于相似理論原理構(gòu)建了模擬試驗(yàn)系統(tǒng),采用高性能微膨脹充填材料進(jìn)行了鉆井井筒壁后充填模擬試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),高性能微膨脹充填材料各段置換率均達(dá)到97%以上,平均置換率為99.0%;高性能微膨脹充填材料固結(jié)體的3d抗壓強(qiáng)度大于10MPa,28d抗壓強(qiáng)度大于30MPa,其強(qiáng)度高、充填固井效果好,相較于傳統(tǒng)水泥漿充填材料有更高的抗壓強(qiáng)度和更好的抗?jié)B性能,適宜作為深立井鉆井井筒壁后充填材料。

本文通過模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在模型最下部的泥漿沉淀區(qū)域置換效果相對較差,在材料選擇上也僅選了高性能微膨脹水泥砂漿,具有一定的局限性。后期可以著重研究如何提高底部泥漿置換率,同時(shí)研究不同充填材料對置換泥漿效果的影響。