西部软岩全深冻结泥浆置换技术应用研究

高 伟

(1.天地科技建井研究院,北京市朝阳区,100013; 2.北京中煤矿山工程有限公司,北京市朝阳区,100013)

西部软岩全深冻结泥浆置换技术应用研究

高 伟1,2

(1.天地科技建井研究院,北京市朝阳区,100013; 2.北京中煤矿山工程有限公司,北京市朝阳区,100013)

针对西部白垩系、侏罗系软岩地层的冻结井筒,采用泥浆置换技术封堵环形空间漏水通道已成为全深冻结的一个必要工序。为防止因导水淹井事故发生,封堵冻结管与围岩间的环形空间,做到既不影响冻结管下放,又能使环形空间不透水,实验室应根据现场的条件进行试验,根据设计进行计算泥浆置换量和泥浆泵运转时间,确保缓凝水泥浆全部注入到钻孔孔底。实践证明泥浆置换施工过程中,严格按照设计程序进行,能够达到封水的效果,适用于西部白垩系、侏罗系地层封堵冻结钻孔环形空间的漏水通道。

冻结凿井法 软岩凿井 全深冻结 泥浆置换

近几年来,随着东部煤炭资源的枯竭,新建矿井多集中在内蒙古、陕西、甘肃、宁夏、新疆等西部地区,西部地区一般覆盖冲积层较少,甚至部分地区没有冲积层,冻结造孔基本在软岩中进行,大部分地区由于白垩系、侏罗系地层含水层采用普通法凿井难以通过,故采用冻结法施工井筒。近期西部个别井筒出现因全深冻结,即使进行了环形空间泥浆置换,仍因泥浆置换效果不好致使环形空间导水造成马头门开裂及淹井等事故。经过近几年环形空间泥浆置换技术的实施,个别专家学者对全深冻结提出异议,因此泥浆置换技术需进一步进行实践和研究。

1 泥浆置换的必要性

在西部地区,为确保井筒安全顺利施工,多选用全深冻结特殊凿井法,即冻结深度深入井筒以下10 m以上且进入稳定不导水基岩。全深冻结增加了环形空间导水的风险,但保证了井筒建井的工期,保证了马头门上下地层中凿井的安全。由于西部软岩地层蠕变较小等特殊的岩层特点,地层不能与冻结管紧密结合,从而造成地层与冻结管之间存在环形空间,环形空间增加了各层地下水相互导通的几率。全深冻结时冻结管穿过马头门及其他硐室,冻结壁自然解冻后大量涌水和泥砂可能通过冻结管与围岩间的环形空间涌入井底,严重时可能造成透水淹井事故。

为了保证施工安全,防止导水淹井事故发生,应在冻结孔施工时采取一定措施,封堵冻结管与围岩间的环形空间,做到既不影响冻结管下放,又能使环形空间不透水,环形空间泥浆置换逐渐成为西部软岩全深冻结造孔过程中的一个必要工序。目前各施工单位均根据自身技术水平进行缓凝水泥浆配比设计,泥浆置换的标准及效果也各不相同,开展环形空间泥浆置换的应用研究十分必要。

2 泥浆置换设计

根据井筒地质及水文条件和泥浆置换固结充填要求分析,冻结孔充填缓凝水泥浆材料需要具有稳定性高、凝结时间可控、流动性好、比重可调控等性能。同时为保证冻结孔固结充填的效果,浆液应具备结石率高、结石体物理力学性能好。一般要求缓凝水泥浆充填材料性能指标如下:浆液比重1.3～1.5 t/m3;2 h析水率≤5%;漏斗粘度≤30～35 s;初凝时间≥24 h;终凝时间＜7 d;结石率≥80%;结石体比重偏差≤5%;抗压强度≥3～5 MPa。

缓凝水泥浆置换需要有一定的高度以达到抵抗上部地层水压,起到封水作用。泥浆置换量与设计置换高度有直接关系,环形空间为冻结管与冻结钻孔之间的空间,其体积与冻结造孔时选用的冻结管及造孔钻头有关。全深冻结时需要泥浆置换的地层多为软岩地层,冻结钻孔形成后由于泥浆与地层水土压力基本保持平衡,岩体蠕变小,冻结孔基本不会出现缩颈现象。在冻结造孔期间,由于纠偏等反复上下钻杆势必造成冻结孔孔径比钻头直径稍大,泥浆置换时为保证置换高度,需适当考虑增加泥浆置换量。

环形空间泥浆置换缓凝水泥浆用量计算:

式中:V浆——设计缓凝水泥浆体积,m3;

α——调浆系数,取1.05～1.2;

R——钻头半径,m;

r——冻结管半径,m;

h——泥浆置换高度,m。

3 工程应用

3.1 工程地质概况

红庆梁煤矿风井场地内地表覆盖第四系松散沉积物厚度0.94 m,局部基岩出露。根据钻孔揭露,井筒地层由老至新为侏罗系中统延安组、侏罗系中统直罗组、侏罗系中统安定组、白垩系下统志丹群和第四系。根据地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构,井检场地地下水划分为白垩系下统志丹群孔隙裂隙潜水层、侏罗系中统碎屑岩类承压水含水层和侏罗系中统延安组碎屑岩类承压水含水层3层。

3.2 冻结设计

风井井筒净直径7.2 m,最大开挖直径9.7 m,井筒深460 m,冻结设计采用单圈孔全深冻结方式,设计冻结深度472 m,冻结壁平均温度取－8℃。共布置34个冻结孔,冻结孔圈径13.8 m,冻结孔开孔间距1.273 m;3个测温孔,其中2个测温孔深为472 m,1个测温孔深为150 m;2个水文孔,其中1个孔的深度为125 m,另1个深度为300 m;环形空间封堵段高度120 m。

3.3 现场试验

进行缓凝水泥浆置换需先在实验室进行配比设计,根据配比设计进行施工,但由于现场条件与实验室条件相差太大,现场需根据实验室配比进行适当调整。采用复合硅酸盐水泥,缓凝剂选用磺化单宁,首先在实验室进行配比试验,再根据现场冻结造孔配制的循环泥浆情况进行现场试验。试验结果见表1。

3.4 现场实施

缓凝水泥浆在准备置换前半小时调制,以延长缓凝水泥浆在孔底的初凝时间。水泥浆液选用复合硅酸盐水泥、外加缓凝剂,按照水灰比1.7∶1、缓凝剂掺量6%的配比进行配置。为确保冻结管能够下放到孔底,缓凝水泥浆液的初凝时间必须大于下管所需时间的一倍以上。冻结孔472 m所需下管时间约为12 h,现场试验初凝时间为26 h,能够满足下管需要。根据式(1)计算实际泥浆置换所需的缓凝水泥浆浆液量,根据实际浆液量在配浆池中进行配制。将缓凝水泥浆压入管道内后再将抽浆管放入清水池内,根据管道及钻杆的长度计算出替水量,以确保缓凝水泥浆全部压至孔底。

表1 缓凝水泥浆配比

冻结钻孔施工完毕经测井验收合格后,冲扫孔保证孔内无岩粉沉淀,需将原来护壁泥浆由原来比重1.1×103kg/m3调轻至1.05×103kg/m3。然后将钻杆全部提出钻孔,必须将卸掉钻头的钻杆重新下放至钻孔孔底,然后采用TBW850泥浆泵将调制好的缓凝水泥浆注入孔底。缓凝水泥浆由钻杆内下行到孔底,排挤环形空间中的泥浆向上从钻孔口顺泥浆沟槽流出。当泵入足量的缓凝水泥浆后,按照计算的替水量注入清水,将钻杆提出进行下放冻结管的工作。利用冻结管自重排挤水泥浆上行,当浮力、摩擦力与冻结管的自重达到平衡时,需往冻结管内加入一定重量的水,保证冻结管下放顺利。

3.5 置换效果

在井筒转入巷道掘进后,开凿马头门时需将冻结管割除,割除过程中可以看到,缓凝水泥浆与冻结管结合紧密,与地层基本能够成为一个整体,冻结停机一年以上马头门处未出现淋水现象,泥浆置换达到了封水的效果。

4 结束语

(1)进行泥浆置换需根据实验室配比进行配比试验,根据试验配比进行现场配合比试验,置换之前需进行洗孔,将泥浆比重调轻,以方便泥浆置换及冻结管的下放。

(2)泥浆置换在终孔测斜后需将钻杆提至孔口,必须将钻头卸下重新下放至钻孔底部,以确保缓凝水泥浆与泥浆不充分接触,达到封水效果。

(3)为保证泥浆置换的效果,达到设计置换高度,在计算泥浆置换量时,需按1.05～1.2的系数进行调配泥浆量。

(4)在泥浆置换施工过程中,严格按照设计程序进行,能够达到封水的效果,全深冻结是可行的,适用于西部白垩系、侏罗系地层。

[1] 窦玉康.浅谈塔然高勒矿井建设的经验教训[J].煤炭工程,2012(1)

[2] 程志彬,吴晓山.缓凝水泥浆置换冻结孔泥浆封水技术[J].建井技术,2010(6)

[3] 吴王青,李栋伟等.白垩系地层冻结壁温度和压力实测分析[J].中国煤炭,2013(3)

[4] 陈军浩,陈飞敏.冻结孔偏斜对白垩系地层冻结凿井影响研究[J].中国煤炭,2013(2)

(责任编辑 张毅玲)

Research on the application of mud displacement technology in total depth freeze of western soft rock

Gao Wei1,2
(1.Institute of Mine Construction,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aimed at the western soft rock strata of Jurassic system and cretaceous system in freezing shaft,using the mud displacement technology to block off water leakage gallery of annular space had become a necessary process of total depth freeze.In order to prevent the flooding shaft accident caused by water diversion and block off the annular space between freezing pipe and surrounding rock,neither influence the placement of freezing pipes,nor make the annular space permeable,some experiments should be conducted in laboratory according to field conditions, which could calculate the mud replacement quantity and the running time of slime pump,ensure that the retarding cement paste could inject completely to the bottom of borehole.The practice proved that in the mud replacement progress,in strict with the design procedure,this technology could seal the water.It was suitable for blocking off the water leakage gallery of annular apace in freezing borehole in western cretaceous system and Jurassic system stratum.

freeze sinking method,soft rock sinking,total depth freeze,mud displacement

TD265.3

A

高伟(1982－),男,山东曹县人,助理研究员,主要从事冻结法施工与管理、建井技术开发与研究等工作。