CN111365002B - 复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，包括(1)按照现有技术完成表土段固管、AB段和CD段的注浆工作，完成BC段的大段注浆作业，(2)用水泥对注浆BC段以下的注浆CD段进行封孔；(3)对破碎带BC段甩管；(4)对破碎带BC段固管；(5)对破碎带BC段进行小段高射孔作业；(6)对小段高射孔段进行注浆施工；(7)当小段高射孔段达到注浆结束标准后，采用卡瓦式止浆塞止浆；(8)然后再对破碎带BC段的小段高射孔的上一段继续进行小段高射孔作业和注浆施工，重复步骤(5)‑步骤(7)，直至完成破碎带BC段的射孔和注浆工作。射孔注浆工艺可以实现精确分段和小段高注浆，使得地面预注浆技术适用更多的地质条件。
Description
技术领域
本发明涉及钻井勘探技术领域。具体地说是复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法。
背景技术
井筒地面预注浆，是在井筒开凿之前，从地面利用钻机在井筒周围施工注浆孔，把配制好的浆液利用注浆泵通过输浆管路、经注浆孔压送到基岩含水层中，随着浆液的充塞和凝固，在井筒周围形成有效的注浆帷幕，达到堵水和加固地层的目的。1958年，我国在峰峰矿区薛村煤矿的主、副井筒第一次应用立井井筒地面预注浆技术，堵水率达96.3％。因地面预注浆在井筒开凿之前施工，不占建井工期，全部工作在地面进行，施工作业条件好，凿井速度快，井壁质量好，而后井筒地面预注浆技术在华北、华东、东北、西北逐步推广开来。云南昭通的铅锌矿、河北唐山的铁矿等非煤矿山也利用地面预注浆技术取得了理想的治水效果。而大段的破碎地层或软弱岩层采用地面预注浆治理后的效果不甚理想。
1井筒地面预注浆技术
1.1注浆钻孔的布置
井筒地面预注浆钻孔数一般根据井筒直径、井壁结构、浆液有效扩散距离、井筒涌水量、岩石裂隙的大小、发育情况、注浆压力、浆液种类等因素确定。钻孔布置，根据设计井径的大小，一般设计3个～8个钻孔。地面均匀布置，示意图见图1。
1.2注浆钻孔结构
在竖井井筒建设中，对于几米或几十米的表土不稳定含水层，可采用降低水位、板桩、帷幕和沉井等一般地下工程的施工方法，但厚度达百米以上的表土不稳定含水层，多采有冻结法和钻井法进行施工。而稳定基岩段含水层的治理多采用地面预注浆法，注浆钻孔设计为全直孔，表土段造孔完成后进行套管安装，然后进行基岩段的钻注施工，基岩段注浆钻孔设计为裸孔。全直注浆钻孔结构如图2所示。为缩短建井工期，将井筒地面预注浆的钻孔设计为S型，实现了下部注浆与上部冻结或钻井法施工、凿井施工的平行作业。S孔段套管以下为裸孔设计。S型注浆钻孔结构如图3所示。
1.3注浆材料
井筒地面预注浆常用的注浆材料是水泥浆和黏土水泥浆。大裂隙及岩溶地层一般选用塑性浆液或水泥-水玻璃浆液。微裂隙或孔隙性含水层，一般选用超细水泥浆或化学浆液。因化学浆造价较高，只针对局部层位进行定量注浆。如赵官煤矿副井和杨村煤矿风井地面预注化学浆。而除化学浆外的注浆材料均属颗粒性，浆液中固相颗粒会在钻孔中出现不同程度的沉积现象，而且钻孔越长，泵量越小，沉积速率越快。所以注浆时间越长，向地层中扩散浆液的段高越短，如图4所示。其中Ⅰ为注浆开始时的浆液流动状态；Ⅱ为连续注浆T1时孔内浆液流动状态；Ⅲ为连续注浆T2时孔内浆液流动状态(T2>T1)。
1.4注浆段高
注浆段高的划分取决于含(隔)水层的位置、厚度，岩层的岩性、裂隙发育特点，注浆泵的性能等诸多因素。根据不同的地质条件，段高划分遵循针对性、特殊性及一致性的原则。针对性是对已确定的含水层(段)进行注浆；特殊性是指注浆用于特殊的目的，如断层及破碎带的加固等；一致性是将具有相同的岩性及裂隙发育规律的一组或两组以上岩层划为同一注浆段高。涌水量大，裂隙较宽时段高较小，对于需要采用水泥浆进行治理的破碎地层，注浆段高一般为5m～10m。
1.5止浆技术
止浆塞是在注浆工程中实现分段注浆、防止钻孔返浆、控制注浆范围、确保注浆质量的重要机具。注浆常用的止浆塞有卡瓦式止浆塞、水力膨胀式止浆塞、异径式止浆塞、双管式止浆塞。而后三种止浆塞的密封压力均不高，不能满足深立井井筒地面预注浆的要求。卡瓦式止浆塞是目前井筒地面预注浆的最常用止浆机具，但要求座封处的岩石完整、强度高。复杂地层不易座封，即使实现了座封止浆，浆液也容易通过裂隙串至止浆塞的上部，造成返浆事故，如图5所示。在地面预注浆施工过程中针对复杂地层只能采用大段注浆的方式，所以在井筒开挖过程中，仍有出水风险。
如图6所示，注浆段AB、BC、CD三段中，BC段破碎且段高较大。按照以往的施工工艺，因在BC段内不能实现有效止浆，只能将BC段合为一个注浆段进行大段注浆。注浆过程中，颗粒性浆液逐渐沉积，向地层中扩散浆液的段高逐渐缩短，即使通过多次复注，BC段下部进浆量少，浆液有效扩散距离达不到设计要求；地层中裂隙开度不均匀，浆液先进入宽大裂隙，只有注浆压力达到一定值后浆液方能进入微裂隙，BC段下部注浆结束压力低，浆液充填不密实，所以在凿井过程中，BC段最容易出现涌水情况。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，解决现有技术中存在的破碎且段高较大的复杂地层在注浆过程中不易座封、座封后容易发生返浆事故以及注浆结束后井筒开挖过程中有出水风险的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，包括如下步骤：
(1)按照现有技术中的方法完成表土段固管、AB段和CD段的注浆工作，并完成BC段的大段注浆作业，BC段为破碎带复杂地层；A为注浆起始点，B为破碎带起始点，C为破碎带结束点，D为注浆终止点；
(2)用水泥浆对BC段以下的CD段进行封孔；
(3)待CD段中的水泥浆终凝后，向BC段下入待射孔套管；
(4)待射孔套管甩管完成后，对待射孔套管进行固管；
(5)将待射孔套管由下及上分成第1射孔注浆段、第2射孔注浆段、第3射孔注浆段……第n射孔注浆段，n为自然数；
(6)对第1射孔注浆段进行射孔作业，然后向待射孔套管内下入止浆塞，止浆塞下边沿位于第1射孔注浆段和第2射孔注浆段交界处，最后对第1射孔注浆段进行注浆施工；
(7)当第1射孔注浆段达到注浆结束标准后，结束第1射孔注浆段的注浆施工；
(8)待第1射孔注浆段内浆液凝结后，取出止浆塞，按照步骤(6)和步骤(7)的操作对第2射孔注浆段进行射孔、下放止浆塞及注浆作业……直至完成第n射孔注浆段的注浆作业。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在步骤(3)中，钻孔内径与待射孔套管外径之差为15-25mm。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在步骤(4)中，对待射孔套管进行固管的方法如下：利用水灰比为0.6:1的水泥浆将待射孔套管与钻孔孔壁之间的环形空间进行充填封堵，凝固72h后再进行步骤(5)中的射孔作业。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在步骤(5)中，采用射孔枪对BC段中的待射孔套管进行分段射孔作业，所述射孔枪为聚能式射孔枪。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在步骤(5)中，射孔作业的步骤，包括：
(5-1)核实施工井位的情况，确定需要射孔的位置；
(5-2)施工准备，在工作区域设置安全警戒线；
(5-3)装配射孔枪；
(5-4)下放射孔枪；
(5-5)定位调整射孔枪的位置；
(5-6)起下活动管柱1次；
(5-7)投棒起爆；
(5-8)监测起爆；
(5-9)起出活动管柱；
(5-10)检查发射率；
(5-11)起出射孔枪，结束射孔工作。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在步骤(5-3)中，所述射孔枪的长度为4m，所述射孔枪的孔密度为16孔/m，所述射孔枪的孔的相位为60°。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在步骤(5-4)中，所述下放射孔枪的传输方式为钻杆转输；在步骤(5-5)中，调整射孔枪的位置的测量方式为钻具丈量；在步骤(5-7)中，所述起爆的方式为投棒起爆；井口点火封井方式为投棒。
上述复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，在对每个射孔注浆段进行注浆作业时：
首先，使用浆液X以流量为99L/min～132L/min进行注浆，浆液X性能指标如下：水灰比为1：1的水泥浆，并在水泥浆中加入水玻璃、氯化钠和三乙醇胺，水玻璃、氯化钠和三乙醇胺的加量分别为水泥质量的4％、1％、0.05％，浆液初凝时间为7.42h，终凝时间为8.08h，72h抗压强度为10.2MPa，1h析水率为3％；
其次，注浆压力达到静水压力值的1.5倍时，使用浆液Y进行注浆，浆液Y性能指标如下：水灰比为0.75：1的水泥浆，浆液初凝时间为10.78h，终凝时间为20.60h，72h抗压强度为2.43MPa；
最后，注浆压力达到静水压力值的1.8倍时，使用浆液Z进行注浆，浆液Z性能指标如下：水灰比为1：1的水泥浆，浆液初凝时间为14.93h，终凝时间为24.45h，72h抗压强度为2.00MPa，至达到注浆结束标准。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
(1)采用不同的设备和工艺来实现对破碎且段高较大的复杂地层进行小段高地面预注浆，解决了现有技术中地面预注浆工艺很难在破碎且段高较大的复杂地层中实现小段高注浆的问题，地面预注浆技术能够在复杂地层应用小段高止浆方法，一次止浆成功率100％。
(2)保证了注浆质量和减少不必要的浆液浪费，降低了止浆的难度。
(3)解决了破碎且段高较大的复杂地层在注浆过程中不易座封、座封后容易发生返浆事故以及注浆结束后井筒开挖过程中有出水风险的问题。
(4)通过精确调整射孔作业距离，可以精确分段，得到小段高，从而实现小段高注浆。由于小段高注浆，高度小，注浆泵的泵量大，沉积速度慢，向破碎地层中扩散浆液的距离越长，破碎地层的裂隙被很好的封堵和加固，从而解决了止浆的问题，防止浆液通过裂隙串至止浆塞上部，造成返浆事故。射孔注浆工艺可以实现精确分段和小段高注浆，使得地面预注浆技术适用更多的地质条件。
附图说明
图1现有技术中注浆孔布置示意图；
图2现有技术中全直注浆孔结构示意图；
图3现有技术中S型注浆钻孔结构示意图；
图4注浆过程中固相沉积示意图；
图5复杂地层返浆事故示意图；
图6本发明的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法的钻孔射孔注浆示意图；
图7本发明的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法的射孔注浆工艺流程图；
图8射孔注浆工艺中的注浆工艺流程图。
具体实施方式
本实施例中的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，包括如下步骤：
(1)按照现有技术中的方法完成表土段固管、AB段和CD段的注浆工作，并完成BC段的大段注浆作业，BC段为破碎带复杂地层；A为注浆起始点，B为破碎带起始点，C为破碎带结束点，D为注浆终止点。
表土段可采用全直注浆钻孔方法或S型注浆钻孔方法。
本实施例采用全直注浆钻孔法，A为注浆起始点，B为破碎带起始点，C为破碎带结束点，D为注浆终止点。地面到注浆起始点A的高度为表土段，注浆起始点A至破碎带起始点B为注浆AB段，破碎带起始点B至破碎带结束点C为破碎带，破碎带结束点C至注浆终止点D为注浆CD段。AB段和CD段的地层为普通地带，采用现有技术而BC段为复杂地形的破碎地带且段高较大。先按照现有技术完成表土段的固管段，固管的套管直径为Φ168.3mm。如图6中(Ⅰ)所示。
然后完成AB段和CD段的注浆工作，由于BC段为复杂地形的破碎地带且段高较大，不适合小段高注浆作业，所以BC段为大段注浆作业。
(2)用水泥浆对BC段以下的CD段进行封孔；
(3)待CD段中的水泥浆终凝后，向BC段下入Φ114.3mm待射孔套管；钻孔内径与待射孔套管外径之差为15-25mm；如图6中的(Ⅱ)所示。
(4)待射孔套管甩管完成后，对Φ114.3mm待射孔套管进行固管；对Φ114.3mm待射孔套管进行固管的方法如下：利用水灰比为0.6:1的水泥浆将Φ114.3mm待射孔套管与钻孔孔壁之间的环形空间进行充填封堵，凝固72h后再进行步骤(5)中的射孔作业。
(5)将待射孔套管由下及上分成第1射孔注浆段、第2射孔注浆段、第3射孔注浆段……第n射孔注浆段，n为自然数；采用射孔枪对BC段中的待射孔套管进行分段射孔作业。
射孔枪按作用原理分为子弹式、鱼雷式(炮弹式)和聚能式3种，子弹式和鱼雷式射孔枪在起爆过程中威力均较大，具有***性，对套管和钻孔的破坏性较大；而聚能式射孔枪能射穿套管并进入岩层，但不会影响钻孔安全，因此本发明选用聚能式射孔枪。射孔工艺参数如下表1所示。
表1射孔工艺参数表
| 传输方式 | 钻杆转输 |
| 起爆方式 | 投棒起爆 |
| 井口点火封井方式 | 投棒 |
| 测量方式 | 钻具丈量 |
| 孔密度(孔/m) | 16 |
| 相位 | 60°相位 |
| 射孔枪长度(m) | 4 |
射孔作业的步骤包括：
(5-1)核实施工井位的情况，确定需要射孔的位置；
(5-2)施工准备，在工作区域设置安全警戒线；
(5-3)装配射孔枪；所述射孔枪的长度为4m，所述射孔枪的孔密度为16孔/m，所述射孔枪的孔的相位为60°。
(5-4)下放射孔枪，所述下放射孔枪的传输方式为钻杆转输；
(5-5)定位调整射孔枪的位置，调整射孔枪的位置的测量方式为钻具丈量；
(5-6)起下活动管柱1次；
(5-7)投棒起爆，所述起爆的方式为投棒起爆；井口点火封井方式为投棒；
(5-8)监测起爆；
(5-9)起出活动管柱；
(5-10)检查发射率；
(5-11)起出射孔枪，结束射孔工作。
(6)对第1射孔注浆段进行射孔作业，然后向待射孔套管内下入止浆塞，止浆塞下边沿位于第1射孔注浆段和第2射孔注浆段交界处，最后对第1射孔注浆段进行注浆施工；在对每个射孔注浆段进行注浆作业时：
首先，使用浆液X以流量为99L/min～132L/min进行注浆，浆液X性能指标如下：水灰比为1：1的水泥浆，并在水泥浆中加入水玻璃、氯化钠和三乙醇胺，水玻璃、氯化钠和三乙醇胺的加量分别为水泥质量的4％、1％、0.05％，浆液初凝时间为7.42h，终凝时间为8.08h，72h抗压强度为10.2MPa，1h析水率为3％；
其次，注浆压力达到静水压力值的1.5倍时，使用浆液Y进行注浆，浆液Y性能指标如下：水灰比为0.75：1的水泥浆，浆液初凝时间为10.78h，终凝时间为20.60h，72h抗压强度为2.43MPa；
最后，注浆压力达到静水压力值的1.8倍时，使用浆液Z进行注浆，浆液Z性能指标如下：水灰比为1：1的水泥浆，浆液初凝时间为14.93h，终凝时间为24.45h，72h抗压强度为2.00MPa，至达到注浆结束标准。
(7)当第1射孔注浆段达到注浆结束标准后，结束第1射孔注浆段的注浆施工；
(8)待第1射孔注浆段内浆液凝结后，取出止浆塞，按照步骤(6)和步骤(7)的操作对第2射孔注浆段进行射孔、下放止浆塞及注浆作业……直至完成第n射孔注浆段的注浆作业。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (7)
1.复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按照现有技术中的方法完成表土段固管、AB段和CD段的注浆工作，并完成BC段的大段注浆作业， BC段为破碎带复杂地层；A为注浆起始点，B为破碎带起始点，C为破碎带结束点，D为注浆终止点；
（2）用水泥浆对BC段以下的CD段进行封孔；
（3）待CD段中的水泥浆终凝后，向BC段下入待射孔套管；
（4）待射孔套管甩管完成后，对待射孔套管进行固管；
（5）将待射孔套管由下及上分成第1射孔注浆段、第2射孔注浆段、第3射孔注浆段……第n射孔注浆段，n为自然数；
（6）对第1射孔注浆段进行射孔作业，然后向待射孔套管内下入止浆塞，止浆塞下边沿位于第1射孔注浆段和第2射孔注浆段交界处，最后对第1射孔注浆段进行注浆施工；
（7）当第1射孔注浆段达到注浆结束标准后，结束第1射孔注浆段的注浆施工；
（8）待第1射孔注浆段内浆液凝结后，取出止浆塞，按照步骤（6）和步骤（7）的操作对第2射孔注浆段进行射孔、下放止浆塞及注浆作业，直至完成第n射孔注浆段的注浆作业；
在对每个射孔注浆段进行注浆作业时：
首先，使用浆液X以流量为99L/min～132L/min进行注浆，浆液X性能指标如下：水灰比为1：1的水泥浆，并在水泥浆中加入水玻璃、氯化钠和三乙醇胺，水玻璃、氯化钠和三乙醇胺的加量分别为水泥质量的4%、1%、0.05%，浆液初凝时间为7.42h，终凝时间为8.08h，72h抗压强度为10.2MPa，1h析水率为3%；
其次，注浆压力达到静水压力值的1.5倍时，使用浆液Y进行注浆，浆液Y性能指标如下：水灰比为0.75：1的水泥浆，浆液初凝时间为10.78h，终凝时间为20.60h，72h抗压强度为2.43MPa；
最后，注浆压力达到静水压力值的1.8倍时，使用浆液Z进行注浆，浆液Z性能指标如下：水灰比为1：1的水泥浆，浆液初凝时间为14.93h，终凝时间为24.45h，72h抗压强度为2.00MPa，至达到注浆结束标准。
2.根据权利要求1所述的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，在步骤（3）中，钻孔内径与待射孔套管外径之差为15-25mm。
3.根据权利要求2所述的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，在步骤（4）中，对待射孔套管进行固管的方法如下：利用水灰比为0.6:1的水泥浆将待射孔套管与钻孔孔壁之间的环形空间进行充填封堵，凝固72h后再进行步骤（5）中的射孔作业。
4.根据权利要求3所述的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，在步骤（5）中，采用射孔枪对BC段中的待射孔套管进行分段射孔作业，所述射孔枪为聚能式射孔枪。
5.根据权利要求4所述的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，在步骤（5）中，射孔作业的步骤，包括：
（5-1）核实施工井位的情况，确定需要射孔的位置；
（5-2）施工准备，在工作区域设置安全警戒线；
（5-3）装配射孔枪；
（5-4）下放射孔枪；
（5-5）定位调整射孔枪的位置；
（5-6）起下活动管柱1次；
（5-7）投棒起爆；
（5-8）监测起爆；
（5-9）起出活动管柱；
（5-10）检查发射率；
（5-11）起出射孔枪，结束射孔工作。
6.根据权利要求5所述的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，在步骤（5-3）中，所述射孔枪的长度为4m，所述射孔枪的孔密度为16孔/m，所述射孔枪的孔的相位为60°。
7.根据权利要求5所述的复杂地层中小段高井筒地面预注浆方法，其特征在于，在步骤（5-4）中，所述下放射孔枪的传输方式为钻杆转输；在步骤（5-5）中，调整射孔枪的位置的测量方式为钻具丈量；在步骤（5-7）中，所述起爆的方式为投棒起爆；井口点火封井方式为投棒。
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