二次注漿工藝在地下流體觀測井中的應用

徐　俊, 汪發文, 方　波, 葉　慧

(湖北省城市地質工程院,湖北 武漢　430072)

1　概述

中國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓,地震斷裂帶十分發育,從而造成中國地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣等特點,是一個震災嚴重的國家。因此地震監測、預報工作顯得尤為重要。而地下流體觀測井旨在建立和完善先進的地震監測預警系統,從而達到預防或減輕地震造成的災害[1]。

地下流體觀測井還可以進行地層形變觀測、地應力測量、水位、水溫、地溫及地下水化學成分測量等各種觀測項目,因此綜合利用各種井下觀測結果,可以提高地震預報的準確性與預報頻率。

受湖北省地震局委托,本院承擔了省內2個地下流體觀測井的施工。設計要求完井后套管外徑Φ127 mm(內徑≥110 mm),有效封固非觀測層地層,保證觀測層的準確性。

2　地震觀測井的工作原理及技術要求

2.1　地震觀測井的工作原理及應用

為了減小地面噪聲及其它因素的干擾,提高地震監測的精度,根據地質構造情況,選取合適的觀測點,采用鉆井的方法將地震監測儀安放到鉆井底部,通過纜線將井下監測到的地震波信號及其它參數傳送到數據分析中心,從而準確測定地震基本參數(地震時刻、震級、震中位置、震中距離和震源深度),為預報地震和開展各項研究工作提供重要的參考資料。在具有高水平脈動干擾且沉積層很厚的大城市及附近地區,井下地震監測是研究微震活動的唯一可行手段。國外研究成果表明利用井下地震儀可監測到許多地面地震臺未記錄到的微弱地震波,可大大提高震源定位精度。根據國外一些井下地震臺的實際監測結果,在覆蓋層較厚的平原地區,一般在井下300～500 m處安放井下儀器,就可得到良好的地震記錄;若地層為基巖,則井深100 m就已經足夠。

同時井下地震監測儀通過波的傳播特性,還能探測出地層巖石孔隙度、孔隙密度和液體成分性質等多孔介質特性細微變化,為研究地殼運動提供基礎資料。

2.2　地震觀測井的技術要求

(1) 觀測井深度。鉆井井深>300 m,<400 m(實際井深由甲方根據乙方在井孔施工中揭露的地質情況確定)。

(2) 觀測井內徑與井孔斜度。開孔直徑按設計方案執行。完井井管(套管)內徑≥110 mm,保證井下地震監測儀器順利下放。井孔每100 m斜度≤1°,確保地震觀測井的觀測精度。

(3) 觀測井套管。①套管在地面以上的高度為0.6 m;②套管在地面以下的應滿足封閉全部非觀測層的要求,灌注高標號的水泥漿將套管與井壁緊密耦合;③套管采用螺紋連接,確保連接處不滲水;④套管與井壁圍巖間隙應采用充填物固定套管;⑤套管內徑≥110 mm、管厚≥6 mm的無縫鋼管。

(4) 觀測井過水斷面的套管采用花管。

(5) 觀測井頂部需為出露地面500 mm(長)×500 mm(寬)×500 mm(高)的井口并加井蓋。

3　技術難點

地震觀測井施工主要分為兩個部分,分別為鉆井階段和完井階段。鉆井階段主要是在井址點按要求鉆出高精度高質量井孔,完井階段主要是固井和洗井階段。

在鉆井成孔方面,本院具有較成熟的施工工藝技術,能按照要求鉆出高精度高質量井孔。但是在完井階段,由于其特殊用途,固井難度較大。主要原因是由于目的觀測層的不確定,必須在鉆井過程中根據實際巖心判斷確定,針對這種孔深不確定的孔井,不能直接采用常規固井工藝施工(即先下套管將非觀測層封固,然后變徑鉆穿觀測層成井),通過多方論證,采用管外封隔固井,但受成本影響,故設計了二次注漿工藝,即利用單向閥、架橋塞、緩膨止水帶、井管、擋泥環等五部分組成止水封隔器,完成觀測目的層和非觀測層位的封隔,然后進行第一次注漿,用于檢測封隔效果和加強止水封隔器的承載力,保證第二次注漿的施工安全。最后進行第二次大注漿,直至水泥漿返出地面,壓水替漿之后,固井結束。固井主要難點如下:

3.1　如何確保套管同心度及內壁光滑

套管下入孔內之后,以后還要下入各種儀器,假如套管徑向變形,則儀器無法下到位,就意味著整個孔的報廢。

3.2　套管能否順利下入孔內

由于套管與孔壁之間理論間隙僅13 mm,安裝止水封隔器之后,間隙僅1 mm,因此孔內不能有掉塊、探頭石,否則極易卡緊套管,造成卡套管等孔內事故。同時所有套管必須在緩膨止水帶的緩膨期內順利下管到位[2]。

3.3　　　　下管過程中能否保證緩膨止水帶不被破壞,影響其效果

下管過程中,由于環空間隙比較小,難免與孔壁碰撞摩擦,極易損傷緩膨止水帶,難以保證其封隔效果。

3.4　　　　緩膨止水帶能否順利膨脹,有效封隔觀測層和非觀測層

鉆井工程中,地層復雜多變且各地層巖性不一,井徑大小不一,膨脹橡膠帶能否封隔地層,值得商榷[3]。

3.5　非觀測層孔壁與套管的小間隙固井是最大的難點

套管與非觀測層孔壁理論間隙13 mm,局部裂隙發育,間隙必須用水泥漿充填牢固,保證第一、二次固井界面的膠結強度,同時在固井過程中,必須保證整套施工工藝的連續連貫性。

4　鉆孔結構

兩口地下流體觀測井都采用一徑到底施工工藝(鉆孔結構如圖1所示),井斜度每百米不超過1°,滿足設計要求,為后期固井施工作業打下良好的基礎[4]。

圖1　鉆孔結構示意圖Fig.1　Sketch map of drilling structure

5　固井過程及技術難點的解決

5.1　下套管前的準備工作[5]

(1) 認真檢查管材規格質量,編號且丈量尺寸;

(2) 檢查調整好設備提升系統,特別是泥漿泵及泵壓表,以及套管夾持器等;

(3) 按要求組裝好止水封隔器,并連接在花管與套管之間,在止水封隔器上方加焊擋泥環和纏繞干海帶,在下放過程中能有效保護緩膨止水帶。

5.2　下管

(1) 探孔。下管前用10 m長套管進行試下管,直到探到底后鉆具提升、下降無阻礙為止;

(2) 按照設計要求依次先下入花管,膨脹管、套管等井管,且用強力密封膠和電焊,完全保證套管的密封性,在下管過程中,每根入孔管具都必須使用通井規通井,保證管具同心度和光潔度。

5.3　小注漿器具的研發[6]

二次注漿工藝的優點就是保證工程質量安全。如果直接一次注漿固井,假設止水封隔器沒有封隔好觀測層和非觀測層或者在注漿過程中,止水封隔器承受的管內外壓力逐漸增大而坍塌,則使得觀測層被水泥封固,極易造成工程報廢。 因此下管完成之后,待止水封隔器完全膨脹封隔,必須檢驗封隔效果和提高止水封隔器(主要是架橋塞及管外緩膨止水帶)的承載力。

采用定量注水泥加固法,通過特制注漿器(定量注漿器如圖2所示),將一定量的水泥漿注入架橋塞所處的管內外,待水泥漿凝固之后,下管探測水泥塞面,根據塞面高低與注漿孔的高度差來判斷止水封隔器封隔效果(高度差為正代表封隔效果好,為負則為封隔失敗),然后再進行第二次大注漿。

圖2　定量注漿器Fig.2　Quantitative filling device

由于定量注漿器容積一定,且直接下到預定深度注漿,保證注漿效率和精度,如果止水封隔器沒有封隔好,因水泥漿一定,也不會造成鉆孔報廢,還有一定的補救措施。同時能封固自身注漿孔,保證第二次注漿孔的通暢性。

5.4　分隔器的組成及原理

二次注漿工藝技術的核心技術是在選定目的層進行管外分隔,然后進行第一次定量注漿和第二次管外大方量注漿。根據石油固井的管外分隔器得到啟發,自行設計了符合地下觀測井技術要求的管外分隔器(如圖3所示)。

圖3　分隔器結構示意圖Fig.3　Sketch map the divider structure1.井管;2.單向閥;202.單向閥堵物圖釘;204.單向閥固定橡膠皮;205.擋泥環;3.架橋塞;301.中心通道;302.鋼凡爾活動室;303.鋼凡爾;304.限位網;4.緩膨止水橡膠;5.井壁。

分隔器主要由單向閥(2)、架橋塞(30)、緩膨止水橡膠帶(4)、井管(5)、擋泥環(205、401)等五部分組成。在井管上部做12個單向閥,然后再將架橋塞固定在單向閥下1 m位置,最后將緩膨止水帶硫化或者粘貼在架橋塞下的井管外壁,并將擋泥環焊接在緩膨止水帶的上下方,以保護緩膨止水帶在下放過程中的刮碰損傷。

按照施工實際,選擇好合適的封隔層位,下套管時將水文井固井一體化分隔器連接在正確的位置下入鉆孔,鉆孔中的地下流體通過架橋塞中心通道沖開鋼凡爾(303)涌入管中,下完套管后,候凝48 h,讓緩膨止水帶充分膨脹封隔套管與孔壁間的小間隙,完成止水過程,然后再從孔口灌注水泥漿,水泥漿通過單向閥充填套管與井壁間的環形間隙直至返出地面。

固井結束后,待水泥漿充分凝固后,下鉆鉆塞并取出架橋塞。

5.5　注漿量的計算

第一次定量注漿:小注漿口距離架橋塞距離0.9 m,則第一次定量注漿理論值V1=π[(D/2)2-(d1/2)2]h+π(d2/2)2h=0.014 m3，考慮到孔徑擴大率及其它因素,實際注漿量為0.030 m3。

第二次注漿:分別根據荊門和鐘祥2個工地的地質情況及孔深(荊門地震臺觀測井孔深408.88 m,鐘祥地震臺觀測井孔深349.93 m),綜合實際要求觀測層長度、地層巖性完整情況分別選擇封隔層在295.4 m和272.44 m處,其第二次注漿口分別位于270 m和248 m,則其理論注漿量分別為:

V荊門=π[(D/2)2-(d1/2)2]h1
+π(d2/2)2h2=1.94 m3

考慮到井壁內漏失及灌注過程中的溶洞損耗,取安全系數1.5,按照水灰比0.45,選用42.5普通硅酸鹽水泥,理想狀態下的水泥漿質量:

G荊門=1.94 ×1.5 ×1.85=5.4 t

42.5普通硅酸鹽水泥:

G水泥=G荊門×1/(1+w)=3.72 t

V鐘祥=π[(D/2)2-(d1/2)2]h1
+π(d2/2)2h2=1.81 m3

考慮到井壁內漏失及灌注過程中的溶洞損耗,取安全系數1.5,按照水灰比0.45,選用42.5普通硅酸鹽水泥,理想狀態下的水泥漿質量:

G鐘祥=1.81 ×1.5 ×1.85=5.02 t

42.5普通硅酸鹽水泥:

G水泥=G鐘祥×1/(1+w)=3.46 t

5.6　固井注漿方法(如圖4所示)[7]

下完套管待膨脹橡膠充分膨脹后,按照設計量將水泥漿注入定量注漿器,下鉆至架橋塞上部,選擇低泵量注漿,待膠塞封住出漿孔時,泵壓突然上升,快速停泵起鉆(如圖4-b所示)。待水泥漿凝固之后,下鉆探塞,探得荊門和鐘祥2個工地第一次注漿塞長分別為1.0 m和1.2 m,緩膨止水帶有效封隔了上下兩個觀測層,第一次注漿完全封固了套管內外空隙,提高了止水封隔器的承載力,達到第二次注漿要求。

第二次注漿時,首先用清水壓通第二次注漿通道,待循環一周之后,壓入前置液,按照設計水灰比,配漿灌注(如圖4-c所示),待水泥漿返出地面以后,泵入隔離液,壓入清水替漿(如圖4-d所示)。荊門工地替漿2.7 m3,泵量90 L/min,替漿時間30.6 min,鐘祥工地替漿2.5 m3,泵量90 L/min,替漿時間27.8 min。

圖4　二次注漿示意圖Fig.4　Sketch map of secondary grouting

荊門和鐘祥兩個工地實際施工使用水泥量分別達55 t和50 t,與理想狀態的水泥量相差甚遠。根本原因在于固井段地層裂隙發育(如圖5所示),且在鉆孔施工過程中,盡可能沒有使用膨潤土粉及化學堵漏材料進行護壁堵漏。為了保證觀測效果,完全封固觀測層上部地層,阻隔地下流體串聯,根據固井技術質量要求,需壓力灌注,徹底堵死封固好封固井段裂隙,直至水泥漿返出地面為止。因此實際水泥使用量遠高于理論值。

5.7　鉆塞

水泥漿凝固以后,按照工程設計要求,鉆通套管內架橋塞(如圖6),在鉆塞過程中,采用低鉆速鉆進取塞,防止震壞二次交界面,影響固井質量,不能有效地封隔上下地層之間流體。

圖5　鐘祥工地部分巖芯實景Fig.5　Real scenes of cores of parts of construction site in Zhongxiang

圖6　架橋塞及固井水泥塞圖Fig.6　Pictures of bridge plug and cement plug

5.8　固井質量

完成第二次大方量注漿之后,按照設計要求候凝48 h,然后進行探塞作業。荊門地下流體觀測井塞面深234.9 m,鐘祥地下流體觀測井塞面深216.3 m,分別高于注漿口35.1 m和23.7 m,理論上達到固井質量要求(見表1)。鉆塞之后,2口地下流體觀測井經過后期測試表明,非觀測層流體完全被隔離,達到了工程技術要求,固井質量合格,達到驗收標準。

6　工藝效果及創新成果

二次注漿工藝技術較好地解決了地震地下流體觀測井這類特殊工藝井固井的技術難題。相比于石油工程中的高投入,其固井技術中使用的管外封隔器最低達萬元以上,而在地下流體觀測井工程中,二次注漿工藝中用于制作膨脹管所使用的材料價格僅幾百元,在經濟效益方面更勝一籌。

表1　固井質量參數對比表Table 1　Contrast table of parameters of cementing quality

這兩個項目的成功實施,極大地完善了二次注漿工藝技術,驗證了該技術的穩定性,且其核心元件《止水壓漿與固井多功能一體化分隔器》獲批國家實用新型專利(圖7)。

圖7　分隔器專利證書Fig.7　Separator patent certificate

7　結語

隨著地震監測預警系統的完善,地下流體觀測井

的施工任務越來越多,面對激烈的市場競爭,本文總結使用了一套低投入的二次注漿工藝技術對整個工程有著十分重要的指導意義。

該工藝技術的核心專利元件《止水壓漿與固井多功能一體化分隔器》有針對性地解決了小間隙固井的難題,花錢不多,經濟實用,完全滿足止水、壓漿與固井施工要求,成功率100%,可以在以后類似工程(如供水井、水文井、地熱井等)的固井作業中借鑒參考。

參考文獻：

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[6]汪發文,徐俊,張少鋒.鐘祥市人民政府地震辦公室客店陳灣溫泉地下流體地震觀測點遷點還建鉆井工程竣工技術報告[R].武漢:湖北省地礦建設工程院,2013.

[7]汪發文,徐俊,張義浩.荊門地下流體觀測站建設工程項目鉆井竣工技術報告[R].武漢:湖北省地礦建設工程院,2013.