徐　俊, 汪发文, 方　波, 叶　慧

(湖北省城市地质工程院,湖北 武汉　430072)

1　概述

中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分发育,从而造成中国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广等特点,是一个震灾严重的国家。因此地震监测、预报工作显得尤为重要。而地下流体观测井旨在建立和完善先进的地震监测预警系统,从而达到预防或减轻地震造成的灾害[1]。

地下流体观测井还可以进行地层形变观测、地应力测量、水位、水温、地温及地下水化学成分测量等各种观测项目,因此综合利用各种井下观测结果,可以提高地震预报的准确性与预报频率。

受湖北省地震局委托,本院承担了省内2个地下流体观测井的施工。设计要求完井后套管外径Φ127 mm(内径≥110 mm),有效封固非观测层地层,保证观测层的准确性。

2　地震观测井的工作原理及技术要求

2.1　地震观测井的工作原理及应用

为了减小地面噪声及其它因素的干扰,提高地震监测的精度,根据地质构造情况,选取合适的观测点,采用钻井的方法将地震监测仪安放到钻井底部,通过缆线将井下监测到的地震波信号及其它参数传送到数据分析中心,从而准确测定地震基本参数(地震时刻、震级、震中位置、震中距离和震源深度),为预报地震和开展各项研究工作提供重要的参考资料。在具有高水平脉动干扰且沉积层很厚的大城市及附近地区,井下地震监测是研究微震活动的唯一可行手段。国外研究成果表明利用井下地震仪可监测到许多地面地震台未记录到的微弱地震波,可大大提高震源定位精度。根据国外一些井下地震台的实际监测结果,在覆盖层较厚的平原地区,一般在井下300～500 m处安放井下仪器,就可得到良好的地震记录;若地层为基岩,则井深100 m就已经足够。

同时井下地震监测仪通过波的传播特性,还能探测出地层岩石孔隙度、孔隙密度和液体成分性质等多孔介质特性细微变化,为研究地壳运动提供基础资料。

2.2　地震观测井的技术要求

(1) 观测井深度。钻井井深>300 m,<400 m(实际井深由甲方根据乙方在井孔施工中揭露的地质情况确定)。

(2) 观测井内径与井孔斜度。开孔直径按设计方案执行。完井井管(套管)内径≥110 mm,保证井下地震监测仪器顺利下放。井孔每100 m斜度≤1°,确保地震观测井的观测精度。

(3) 观测井套管。①套管在地面以上的高度为0.6 m;②套管在地面以下的应满足封闭全部非观测层的要求,灌注高标号的水泥浆将套管与井壁紧密耦合;③套管采用螺纹连接,确保连接处不渗水;④套管与井壁围岩间隙应采用充填物固定套管;⑤套管内径≥110 mm、管厚≥6 mm的无缝钢管。

(4) 观测井过水断面的套管采用花管。

(5) 观测井顶部需为出露地面500 mm(长)×500 mm(宽)×500 mm(高)的井口并加井盖。

3　技术难点

地震观测井施工主要分为两个部分,分别为钻井阶段和完井阶段。钻井阶段主要是在井址点按要求钻出高精度高质量井孔,完井阶段主要是固井和洗井阶段。

在钻井成孔方面,本院具有较成熟的施工工艺技术,能按照要求钻出高精度高质量井孔。但是在完井阶段,由于其特殊用途,固井难度较大。主要原因是由于目的观测层的不确定,必须在钻井过程中根据实际岩心判断确定,针对这种孔深不确定的孔井,不能直接采用常规固井工艺施工(即先下套管将非观测层封固,然后变径钻穿观测层成井),通过多方论证,采用管外封隔固井,但受成本影响,故设计了二次注浆工艺,即利用单向阀、架桥塞、缓膨止水带、井管、挡泥环等五部分组成止水封隔器,完成观测目的层和非观测层位的封隔,然后进行第一次注浆,用于检测封隔效果和加强止水封隔器的承载力,保证第二次注浆的施工安全。最后进行第二次大注浆,直至水泥浆返出地面,压水替浆之后,固井结束。固井主要难点如下:

3.1　如何确保套管同心度及内壁光滑

套管下入孔内之后,以后还要下入各种仪器,假如套管径向变形,则仪器无法下到位,就意味着整个孔的报废。

3.2　套管能否顺利下入孔内

由于套管与孔壁之间理论间隙仅13 mm,安装止水封隔器之后,间隙仅1 mm,因此孔内不能有掉块、探头石,否则极易卡紧套管,造成卡套管等孔内事故。同时所有套管必须在缓膨止水带的缓膨期内顺利下管到位[2]。

3.3　　　　下管过程中能否保证缓膨止水带不被破坏,影响其效果

下管过程中,由于环空间隙比较小,难免与孔壁碰撞摩擦,极易损伤缓膨止水带,难以保证其封隔效果。

3.4　　　　缓膨止水带能否顺利膨胀,有效封隔观测层和非观测层

钻井工程中,地层复杂多变且各地层岩性不一,井径大小不一,膨胀橡胶带能否封隔地层,值得商榷[3]。

3.5　非观测层孔壁与套管的小间隙固井是最大的难点

套管与非观测层孔壁理论间隙13 mm,局部裂隙发育,间隙必须用水泥浆充填牢固,保证第一、二次固井界面的胶结强度,同时在固井过程中,必须保证整套施工工艺的连续连贯性。

4　钻孔结构

两口地下流体观测井都采用一径到底施工工艺(钻孔结构如图1所示),井斜度每百米不超过1°,满足设计要求,为后期固井施工作业打下良好的基础[4]。

图1　钻孔结构示意图Fig.1　Sketch map of drilling structure

5　固井过程及技术难点的解决

5.1　下套管前的准备工作[5]

(1) 认真检查管材规格质量,编号且丈量尺寸;

(2) 检查调整好设备提升系统,特别是泥浆泵及泵压表,以及套管夹持器等;

(3) 按要求组装好止水封隔器,并连接在花管与套管之间,在止水封隔器上方加焊挡泥环和缠绕干海带,在下放过程中能有效保护缓膨止水带。

5.2　下管

(1) 探孔。下管前用10 m长套管进行试下管,直到探到底后钻具提升、下降无阻碍为止;

(2) 按照设计要求依次先下入花管,膨胀管、套管等井管,且用强力密封胶和电焊,完全保证套管的密封性,在下管过程中,每根入孔管具都必须使用通井规通井,保证管具同心度和光洁度。

5.3　小注浆器具的研发[6]

二次注浆工艺的优点就是保证工程质量安全。如果直接一次注浆固井,假设止水封隔器没有封隔好观测层和非观测层或者在注浆过程中,止水封隔器承受的管内外压力逐渐增大而坍塌,则使得观测层被水泥封固,极易造成工程报废。 因此下管完成之后,待止水封隔器完全膨胀封隔,必须检验封隔效果和提高止水封隔器(主要是架桥塞及管外缓膨止水带)的承载力。

采用定量注水泥加固法,通过特制注浆器(定量注浆器如图2所示),将一定量的水泥浆注入架桥塞所处的管内外,待水泥浆凝固之后,下管探测水泥塞面,根据塞面高低与注浆孔的高度差来判断止水封隔器封隔效果(高度差为正代表封隔效果好,为负则为封隔失败),然后再进行第二次大注浆。

图2　定量注浆器Fig.2　Quantitative filling device

由于定量注浆器容积一定,且直接下到预定深度注浆,保证注浆效率和精度,如果止水封隔器没有封隔好,因水泥浆一定,也不会造成钻孔报废,还有一定的补救措施。同时能封固自身注浆孔,保证第二次注浆孔的通畅性。

5.4　分隔器的组成及原理

二次注浆工艺技术的核心技术是在选定目的层进行管外分隔,然后进行第一次定量注浆和第二次管外大方量注浆。根据石油固井的管外分隔器得到启发,自行设计了符合地下观测井技术要求的管外分隔器(如图3所示)。

图3　分隔器结构示意图Fig.3　Sketch map the divider structure1.井管;2.单向阀;202.单向阀堵物图钉;204.单向阀固定橡胶皮;205.挡泥环;3.架桥塞;301.中心通道;302.钢凡尔活动室;303.钢凡尔;304.限位网;4.缓膨止水橡胶;5.井壁。

分隔器主要由单向阀(2)、架桥塞(30)、缓膨止水橡胶带(4)、井管(5)、挡泥环(205、401)等五部分组成。在井管上部做12个单向阀,然后再将架桥塞固定在单向阀下1 m位置,最后将缓膨止水带硫化或者粘贴在架桥塞下的井管外壁,并将挡泥环焊接在缓膨止水带的上下方,以保护缓膨止水带在下放过程中的刮碰损伤。

按照施工实际,选择好合适的封隔层位,下套管时将水文井固井一体化分隔器连接在正确的位置下入钻孔,钻孔中的地下流体通过架桥塞中心通道冲开钢凡尔(303)涌入管中,下完套管后,候凝48 h,让缓膨止水带充分膨胀封隔套管与孔壁间的小间隙,完成止水过程,然后再从孔口灌注水泥浆,水泥浆通过单向阀充填套管与井壁间的环形间隙直至返出地面。

固井结束后,待水泥浆充分凝固后,下钻钻塞并取出架桥塞。

5.5　注浆量的计算

第一次定量注浆:小注浆口距离架桥塞距离0.9 m,则第一次定量注浆理论值V1=π[(D/2)2-(d1/2)2]h+π(d2/2)2h=0.014 m3，考虑到孔径扩大率及其它因素,实际注浆量为0.030 m3。

第二次注浆:分别根据荆门和钟祥2个工地的地质情况及孔深(荆门地震台观测井孔深408.88 m,钟祥地震台观测井孔深349.93 m),综合实际要求观测层长度、地层岩性完整情况分别选择封隔层在295.4 m和272.44 m处,其第二次注浆口分别位于270 m和248 m,则其理论注浆量分别为:

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

考虑到井壁内漏失及灌注过程中的溶洞损耗,取安全系数1.5,按照水灰比0.45,选用42.5普通硅酸盐水泥,理想状态下的水泥浆质量:

G荆门=1.94 ×1.5 ×1.85=5.4 t

42.5普通硅酸盐水泥:

G水泥=G荆门×1/(1+w)=3.72 t

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

考虑到井壁内漏失及灌注过程中的溶洞损耗,取安全系数1.5,按照水灰比0.45,选用42.5普通硅酸盐水泥,理想状态下的水泥浆质量:

G钟祥=1.81 ×1.5 ×1.85=5.02 t

42.5普通硅酸盐水泥:

G水泥=G钟祥×1/(1+w)=3.46 t

5.6　固井注浆方法(如图4所示)[7]

下完套管待膨胀橡胶充分膨胀后,按照设计量将水泥浆注入定量注浆器,下钻至架桥塞上部,选择低泵量注浆,待胶塞封住出浆孔时,泵压突然上升,快速停泵起钻(如图4-b所示)。待水泥浆凝固之后,下钻探塞,探得荆门和钟祥2个工地第一次注浆塞长分别为1.0 m和1.2 m,缓膨止水带有效封隔了上下两个观测层,第一次注浆完全封固了套管内外空隙,提高了止水封隔器的承载力,达到第二次注浆要求。

第二次注浆时,首先用清水压通第二次注浆通道,待循环一周之后,压入前置液,按照设计水灰比,配浆灌注(如图4-c所示),待水泥浆返出地面以后,泵入隔离液,压入清水替浆(如图4-d所示)。荆门工地替浆2.7 m3,泵量90 L/min,替浆时间30.6 min,钟祥工地替浆2.5 m3,泵量90 L/min,替浆时间27.8 min。

图4　二次注浆示意图Fig.4　Sketch map of secondary grouting

荆门和钟祥两个工地实际施工使用水泥量分别达55 t和50 t,与理想状态的水泥量相差甚远。根本原因在于固井段地层裂隙发育(如图5所示),且在钻孔施工过程中,尽可能没有使用膨润土粉及化学堵漏材料进行护壁堵漏。为了保证观测效果,完全封固观测层上部地层,阻隔地下流体串联,根据固井技术质量要求,需压力灌注,彻底堵死封固好封固井段裂隙,直至水泥浆返出地面为止。因此实际水泥使用量远高于理论值。

5.7　钻塞

水泥浆凝固以后,按照工程设计要求,钻通套管内架桥塞(如图6),在钻塞过程中,采用低钻速钻进取塞,防止震坏二次交界面,影响固井质量,不能有效地封隔上下地层之间流体。

图5　钟祥工地部分岩芯实景Fig.5　Real scenes of cores of parts of construction site in Zhongxiang

图6　架桥塞及固井水泥塞图Fig.6　Pictures of bridge plug and cement plug

5.8　固井质量

完成第二次大方量注浆之后,按照设计要求候凝48 h,然后进行探塞作业。荆门地下流体观测井塞面深234.9 m,钟祥地下流体观测井塞面深216.3 m,分别高于注浆口35.1 m和23.7 m,理论上达到固井质量要求(见表1)。钻塞之后,2口地下流体观测井经过后期测试表明,非观测层流体完全被隔离,达到了工程技术要求,固井质量合格,达到验收标准。

6　工艺效果及创新成果

二次注浆工艺技术较好地解决了地震地下流体观测井这类特殊工艺井固井的技术难题。相比于石油工程中的高投入,其固井技术中使用的管外封隔器最低达万元以上,而在地下流体观测井工程中,二次注浆工艺中用于制作膨胀管所使用的材料价格仅几百元,在经济效益方面更胜一筹。

表1　固井质量参数对比表Table 1　Contrast table of parameters of cementing quality

这两个项目的成功实施,极大地完善了二次注浆工艺技术,验证了该技术的稳定性,且其核心元件《止水压浆与固井多功能一体化分隔器》获批国家实用新型专利(图7)。

图7　分隔器专利证书Fig.7　Separator patent certificate

7　结语

随着地震监测预警系统的完善,地下流体观测井

的施工任务越来越多,面对激烈的市场竞争,本文总结使用了一套低投入的二次注浆工艺技术对整个工程有着十分重要的指导意义。

该工艺技术的核心专利元件《止水压浆与固井多功能一体化分隔器》有针对性地解决了小间隙固井的难题,花钱不多,经济实用,完全满足止水、压浆与固井施工要求,成功率100%,可以在以后类似工程(如供水井、水文井、地热井等)的固井作业中借鉴参考。

参考文献：

[1]汪发文,魏鹏飞.金矿巷道靶向孔特种钻探的关键技术探讨与实践[J].资源环境与工程,2012,26(2):73-76.

[2]李粮纲,蔡亚先,张乾,等.井下地震监测的钻井技术[J].探矿工程,2007(10):25-28.

[3]汪发文,魏鹏飞.地温空调在医院供暖(冷)工程中的应用[J].资源环境与工程,2011,25(6)：74-77.

[4]吴文飞,欧汉森.浅析复杂覆盖层钻探工艺技术及应用[J].资源环境与工程,2013,27(4)：153-154.

[5]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2009.

[6]汪发文,徐俊,张少锋.钟祥市人民政府地震办公室客店陈湾温泉地下流体地震观测点迁点还建钻井工程竣工技术报告[R].武汉:湖北省地矿建设工程院,2013.

[7]汪发文,徐俊,张义浩.荆门地下流体观测站建设工程项目钻井竣工技术报告[R].武汉:湖北省地矿建设工程院,2013.