杜铭辛，李训魁，赵向东，杨建立，李 刚

(中国煤炭地质总局第二水文地质队，河北邢台 054000)

随着开采需要，国内钻探逐渐向深、向水平的方向发展。由于各区域地质条件不同，面临的施工风险也各有不同，其中强涌水、涌砂、坍塌地层就是深井钻探的一大风险，尤其是在南方喀斯特地貌地区，构造、岩溶发育，涌水强度大，并伴随井内严重坍塌、强涌砂现象，局部区域还出现“上吐下泻”的涌漏现象[1-2]。在遇到强涌水、涌砂、坍塌地层时通常以常规方法封堵地层岩溶裂隙、保护井壁的方法很难解决问题，本次以香格里拉经济开发区地热井为例，基于施工过程中遇到的强涌水、涌砂、塌孔等复杂地质问题进行技术应用研究[3-5]。

1 地质及水文地质条件

香格里拉经济开发区地热勘探井地处虎跳峡和长江第一湾之间的金沙江西岸，区域地形起伏变化明显，外围周边山峰连绵，地形切割较强。区内主要由新生界第四系，中生界三叠系和古生界二叠系、石炭系、泥盆系组成，以中生界、古生界为主，第四系零星分布于金沙江河谷区。主要岩性有灰岩、白云岩、白云质灰岩、大理岩等碳酸盐岩类沉积岩，玄武岩、凝灰岩类岩浆岩及千枚岩、片岩、板岩类变质岩。区内断层发育，构造错综复杂。已知构造有F2、F4、F6逆断层，F1、DF1、DF2正断层(图1)。

图1 区域构造Figure 1 Regional tectonics

区内水文地质条件受构造、岩性、地形地貌等因素控制，地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类溶洞裂隙水、碎屑岩类裂隙水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙溶洞水、玄武岩类裂隙水及构造裂隙水。

2 地热井设计

2.1 井位确定

通过前期调查、地面物探工作，结合区域地质资料分析研究，区域内地热类型为褶皱-断裂型，地热井应选择构造发育地带附近，断裂带既是地下水导水通道，又是地下水富集存储地带。因此，从区域构造角度考虑，本次钻井布置在区域主控断裂F6、F2之间，DF3与F2派生断层(近东西向)交汇部位，这些断层交汇地带有利于地下水汇集(图1)。通过钻探施工揭露大地深层构造来提高终井水量、水温，从而达到地热资源可利用开采的目的。

2.2 钻遇地层

根据区域资料及前期勘探成果对本钻井揭露地层进行预计，钻遇地层自上而下表述如下：

1)第四系(Q)。为全新统坡积、洪积、冲积、崩塌堆积、湖积砾质土、黏土、碎石、块石、砂砾及泥炭层，较大范围内表层分布，预计厚度约10m。

2)二叠系玄武岩组(βP)。在施工的虎跳涧区未分段，为玄武岩、绿片岩化玄武岩夹凝灰岩、绿泥片岩及灰岩透镜体，预计厚度1 700m。按照断层倾向与井位布置关系推测，本井大约于1 270m处揭露F6、F2、DF3三个断层相交地带，区域地层破碎，推测可能为断层段富水区。

3)二叠系下统茅口组(P1m)。在施工的虎跳涧区为灰色大理岩(结晶灰岩)，预计揭露厚度600m，为本次施工的终井目的层位。

2.3 地热井参数设计

该井设计井深2 400m，直井，三开井身结构，设计终井口径φ152mm。预计该地热井出水量可达240～360m3/d。井口水温45℃左右。

3 地热井施工

香格里拉经济开发区地热井场地位于两山之间的冲沟北侧，开钻揭露30m卵砾石覆盖层，进入三叠系北衙组白云岩。一开钻进至56m时井内初见涌水，水量2m3/h左右，随之地层变软，进尺效率提高。在钻进期间因涌水逐渐增大钻井液逐渐被清水稀释，并出现井内垮塌现象，就此情况及时扩孔下入一开套管至71.50m，使用水泥固管封堵了涌水通道。

二开φ311mm牙轮钻进，扫开井底固井水泥后既开始涌水，由于地层破碎、松软，进尺效率较高，井内涌水量也随井深增加而增大。在钻进至228m时井内涌水量明显增大并伴随着大量涌砂，涌水压力约0.7MPa。由于涌水量大，水压高，无法使用泥浆冲洗液施工，井内出现坍塌掉块现象。期间多次使用水泥封堵涌水，裂隙封堵后继续钻进会再次涌水，井深278m时井底出现10m以上沉砂，无法正常加尺。现场通过捞砂桶捞砂、传统水泥注浆堵水、稠泥浆悬浮沉砂等方法均收效甚微，后扩孔下入φ325mm套管，开始进行下一阶段施工。

三开φ295mm牙轮钻进，在钻进至315m时涌水、涌砂、塌孔、沉砂现象再次发生，针对井内复杂情况，现场通过水泥注浆、气举反循环返砂、27m长捞砂桶捞砂、短节钻杆配合稠泥浆悬浮沉砂加尺等工艺，快速钻进至678m，在此井深加尺换钻具时井底沉砂开始逐渐上涨，最后提钻探砂面，井底已有30m以上沉砂。为解决沉砂问题，在此阶段实施了多种返砂方案，均未见明显效果，导致无法正常加尺钻进，施工停滞不前。

4 注浆方案分析确定

针对施工中出现的问题，考虑终井井径要求，我们首先通过井下电视仪了解到井下地层岩溶发育，发现完整井壁段极少。于是，排除下管方案。由于井内一直处于涌水、涌砂状态，继续下部施工很大可能会再次揭露涌水、涌砂地层，在不能建立完整返砂通道的前提下，临时返砂的多种措施方案均不能解决根本问题。借鉴北方煤矿区域治理经验，决定采用水泥注浆的方式建立完整井壁，并通过注水泥封堵涌水通道达到减水效果。

4.1 注浆液

在强涌水、强径流的深井注浆，采用常规水泥压力注浆多会被径流水稀释。采用水玻璃、水泥双液压力注浆，又存在输送距离长、注浆量大、井下情况不直观、水泥凝固快不易操作等安全风险。结合以上两种注浆方式利弊，现场展开对水泥、水玻璃、三乙醇胺等速凝材料制成的混合浆液配比试验，经现场23组试验数据对比，选出了较适用于本井的速效水泥混合浆液配比方案。

4.2 制浆方法

速效水泥混合浆液按照试验选定的配比方案进行制浆。首先按照水玻璃20kg/t(水泥)，三乙醇胺1kg/t(水泥)的比例，将水玻璃、三乙醇胺、水泥等添加至备用水箱充分搅拌溶解，再打至制浆机组供水水箱，并将水泥仓下灰阀门调至合适位置，同时开启制浆机，开始连续制浆作业。制浆过程要不间断的监测浆液密度，通过调节下灰阀开合度，使水泥浆液的密度始终控制在1.50～1.65g/cm3。

4.3 注浆配套设备

本次注浆因采用速效水泥混合浆液，其有初凝快的特性，且单次注浆量大，为保证制浆高效，注浆连续，现场增配了100t水泥仓、促凝材料调配水箱、制浆机组、井口防喷器等配套设施，详见图2。

图2 注浆配套设备Figure 2 Grouting compatible equipments

5 注浆工艺及效果

5.1 压力注浆

将单根钻具下入井内，利用井口防喷器夹持封闭，泥浆泵连接至钻具向井内持续注浆，注浆泵压达到6MPa后(本井注浆水泥量一般在25～60t)，换用清水进行替换压浆，使水泥浆液接近并进入涌水段、扩径段，既要保证封闭效果，还要考虑减少后续扫水泥时间。替浆完成后泵压一般可达到11MPa以上，随后立即关闭钻具顶部阀门。憋压候凝5h左右泄压观察井内情况，如出现涌水大于5m3/h以上，既开始重复注浆封堵。如井内水位稳定，既下钻探孔进行扫水泥作业。

5.2 扫水泥

由于水玻璃、三乙醇胺材料的特效作用，速效水泥混合浆液替浆结束后候凝5h就可达到一定强度，及时扫除上部完整井段多余水泥，可减少后续扫水泥时间，也可防止水泥候凝时间过长，水泥强度过高引起的钻井轨迹偏斜。如果扫水泥过程中遇到涌水段附近水泥还较软，可视情况继续候凝。扫水泥时，要适当加大泵量，及时更换循环液，排除水泥残渣、混浆，防止黏钻、埋钻事故的发生。

5.3 注浆效果

通过速效水泥注浆的实施，井壁情况有所稳定，且起到减水的作用。为此现场继续采用速效水泥混合浆液注浆的工艺来应对难题，以此方法反复进行了多次注浆。通过大量注浆工艺的实施，较大程度的降低了井内强涌水、涌砂、掉块塌孔现象。经使用井下电视仪观察井壁情况，发现水泥充填了大部分现有的“大肚子”扩径段、岩溶孔洞，初步建立了井深678m以上较为完整的井壁，使井底大量沉砂上返，井内地层的涌砂也可直接上返出井口，为继续钻进施工提供了有利条件(图3)。

1—套管；2—涌水通道；3—塌井段；4—充砂岩溶洞；5—井底沉砂；6—水泥体图3 注浆前后对比示意Figure 3 Schematic diagram of comparison before and after grouting

6 结语

通过采用速效水泥混合浆液注浆技术方案的实施，顺利通过了岩溶、断层等构造发育井段，解决了本井面临的主要施工难题，最终安全完成了设计井深。涌水量达736m3/d，水温60℃，抽水成果远超设计要求。