江汉平原区地震监测井成井工艺探讨

陈胜林 朱文彩 刘 杰 彭 坤 秦 荷 任志勇

湖北省地质局水文地质工程地质大队 湖北 武汉 430051

地震是一种对人类造成巨大损害的自然灾害,我国经历汶川和玉树地震之后,更加重视地震监测与地震预报研究工作,并进一步落实地震观测网络建设与升级。近些年,我省重点项目,如“湖北数字地震观测网络”、“湖北省地震监测中心”的实施,全省地震台站观测效果得到明显改善,技术水平得到了显著提高,实现了地震监测数据一体化,大大增强了地震监测能力、速报能力、灾情数据获取能力和应急决策能力。

目前,江汉平原区地震观测站以井下地震监测为主,这样可以有效降低地面噪声对监测设备的干扰,提高地震监测的精确性,为地震速报和开展地震研究工作提供科学、准确的第一手资料。

因此,充分利用井下观测,可达到地震监测精确目标,而地震监测井钻井及成井各项工艺可决定地震监测精度和可信度。1地震监测井技术指标

1.1 井孔选址

(1)地震监测井应远离正在运行的公路、铁路、大中型工业厂矿等振动源。

(2)避开江汉油田开采区区域。

(3)避开严重地质灾害区,如:滑坡、崩塌、地面塌陷沉降及发生洪涝的地区。(4)满足城镇发展的总体规划要求,交通便利,具备配套的电力及通讯要求。

1.2 井孔设计

1.2.1 井深结合江汉平原区地质资料,查阅得知该地区第四系松散层较厚,要想减小地面噪声对监测设备的干扰,可采取加深孔深。参考国内大多数井下地震台站测震井的监测曲线看,该区地震监测井的设计深度≥250m。1.2.2孔斜每百米孔深,孔斜不得超过1°。

1.2.3 孔径

为满足下井管及管外固井要求,孔径≥250 mm 为宜。

1.3 成井要求

(1)拟用DN40钢管做井管,外径为146mm ,管壁厚≥4.5mm。井管最下端采用同规格的无磁性管材,长度≥8m。井管采用丝扣加焊接的连接方式,确保井管连接平滑无台阶、密封性较好、不渗水。(2)井管与孔壁之间环状间隙,灌注PO42.5水泥浆,确保井管与地层固结为一体。(3)监测井必须是干井,井壁内侧及井底清洁无杂质,井管底部应采用止逆阀,PO42.5水泥浆封底,其有效长度为2-5m。(4)监测井及井台完工后,建立井房,井台的修筑根据井房,预留足够高度,井管至少露出地表1.5m,井房周边预留不少于30 m2的空地。

2 地震监测井的成井技术

监测井的钻井与成井技术,与井位区域的地质情况和设计对地震监测井的技术把控分不开。近十年来,我院在武汉、黄冈、监利、丹江口等多个地区施工完成多口地震井,积累了丰富的经验。此次结合本区域情况,将其钻井及成井工艺进行优化提升。

2.1 地震监测井区域地质概况

该井位位于潜江市浩口镇宏博职业学校内,地处汉江与长江之间位置,地形平坦开阔,总体地势是西北部略高、东南部略低,西北部胡家湾一带地面高程35.2m,南部西大垸农场一带地面高程24.0m,平均地面高程在30m左右。地质形态为由长江、汉江、东荆河冲积堆积形成的一级阶地,一般前缘高出后缘数米,地貌景观总体为大平小不平。岩相颗粒由粗变细,岩性由粉砂,粉土渐变为粉土与粉质粘土共存,再渐变为淤泥质粘土、粉质粘土。构造属于扬子准地台江汉断拗,新华夏构造体系沉陷带的一部分,地势较为平缓,其主体框架在侏罗纪末期发生的燕山运动期间已成形。

综上所述,江汉平原区第四系地层沉积成因较为复杂,岩性由粉砂,粉土渐变为粉土与粉质粘土共存,再渐变为淤泥质粘土、粉质粘土,此类地层钻进快,但孔壁稳定性差。钻进中应据地层情况,合理调节泥浆性能,确保孔壁不发生坍塌或缩径,以保持孔壁的稳定性。

2.2 成井技术

2.2.1 监测井结构(如图1所示)

图1 监测井结构图

2.2.2 监测井拟采用设备及成孔钻进施工方法

拟采用XY-44N型岩心钻机,配相应的TBW600(6A)型泥浆泵。监测井成孔钻进,首先采用回次取芯钻进方法,查明下伏地层请具体情况,确定实际监测井成孔深后,再采用Φ250mm三翼复金刚石复合金片钻头扩孔至终孔深度。具体成孔钻进技术要求:

1)确定孔位

按设计给的监测井坐标,测量人员到现场测量放样,确定孔位。施工前,施工人员实地踏勘,核实清楚现场地下电缆、光缆、管道以及地面高压电线分布情况。2)场地整平

施工场地达到“三通一平”标准,在钻塔工作区域内不允许有障碍物。钻塔所处的地基必须平整、坚实,塔基处尽可能减少填方,其填方面积不得大于规定要求的1/4。钻探施工区附近设置警示牌。

3)开孔验收

进场钻机等设备、地质管材等材料需提供相关合格质量检验证书,检查现场的安全措施方案和设备安装、钻机试车运转情况、安全标志牌和工人安全帽佩戴情况,复核孔位,报请现场技术负责和项目负责检查,符合要求签署开工审批表,方可开工。4)井孔施工施工技术要求:

(1)采用回次取芯钻进方法,开孔采用Φ150mm硬质合金钻具开孔,开孔轻压慢钻,钻进中要确保钻孔垂直,要做到经常检查、校正,确保立轴、天车、孔口中心在同一条铅垂线上,钻井过程中,若遇地层破碎坍塌掉块严重无法穿越,可使用套管护壁,Φ110mm钻具钻至终孔。钻进参数:钻头压力8～10k N,转速50～60转/分,泵量100～160升/分;当地层为基岩时,钻头压力10～15k N,转速180～220转/分,泵量160～200升/分。

扩孔成井时,采用Φ250mm三翼复金刚石复合金片钻头钻进,组合钻具要配带扶正器。钻进参数:钻压150kg/cm2、转速90-120r/min、泵量60-80L/min,

冲洗液为普通泥浆,泥浆粘度20-25s,比重1.05～1.2kg/cm3,含砂量≤4%。

(2)岩心管的长度一般为1.5～2.0m,加在岩心管上相应规格的取粉管长度为1.5～2.0m。1回次进尺不能超过岩心管的长度,回次终了停水干钻10～15cm取芯;

(3)校正孔深:对从孔内提出的钻具用钢尺逐根丈量进行孔深校正,孔深最大允许误差不得大于1‰

(4)孔斜检测:每钻进50m,就必须用KXP-2D多点数字罗盘测斜仪测量一次,每百米孔斜不得超过1°。

(5)岩芯采取率要求:第四系松散砂卵石层≥60%;粉砂层≥80%,基岩≥95%。

(6)岩芯摆放:提钻后将岩芯管中的岩土芯及碎块敲出按顺序排列,对取出的岩芯及时进行地质编录,对地层的埋藏深度、厚度、岩芯长度、岩性名称等内容进行详细描述。岩芯的地质描述应客观、详细。

(7)简易水位观测:钻进过程中,时刻关注初见水位、静止水位、稳定水位、漏水和涌水及其它异常情况观测工作。

(8)冲孔换浆:充分利用钻机上的装备,将钻杆下放到近孔底,用大泵冲孔排岩碴,待孔内岩碴排净后,可使孔内冲洗液的粘度降低到18～20s;密度降低到1.1～1.15g/cm3。

(9)探孔测定:下管前进行探孔,探孔器直径比孔径小50～80mm,长度为2.5～4.0m。经探孔确认钻孔圆直、畅通无阻后,才可下管。

2.2.3 监测井井管安装方法

监测井成孔工作完成后,井管安装采用直接提吊法,为保证井管安装质量达到设计要求(管壁内光滑、密封),连接采用外接箍焊接方式连接,焊接方法采用二氧化碳保护焊连接,管箍外套热缩胶管,采用热熔机将热缩胶管密封。(如图2井管连接示意图)具体施工技术要求:

图2 井管连接示意图

1)井管采购要求:井管规格、长度符合设计要求,井管材质要符合国家标准。

2)井管吊放安装前要下探孔器探孔,确定孔内无阻碍后方能进行井管安装。

3)下管前,应检查每一根管身有无损伤变形,底部止逆托盘的止逆阀密封情况。

4)井管安装下放过程中如遇阻力,要查明原因及时排除后方可继续下管,严禁强行墩、压井管。

5)井管安装时管端要按要求涂抹密封胶或油漆,外箍焊接时要专人检查焊缝质量,并在管内注水检查接头密封情况。

6)井管每50米安装一组对中器,确保固井注浆时管壁环状间隙厚度均匀。

7)下部安装仪器部位所用井管材料要保证无磁性,长度8 m。

2.2.4 监测井水泥固井方法

监测井固井采用水泥压力注浆方式注浆固井,水泥浆现场拌制,经注浆泵和注浆管道填充监测井管外部和孔壁的环状间隙,达到固井的目的。详见注浆示意图,具体注浆固井技术要求:

1)井管安装完毕后,在井管内下放安装注浆管(Φ50mm钻杆),注浆管连接处加装密封圈,防止注浆时漏浆。

2)注浆前,检查注浆设备状况确保注浆工作的连续性。

3)注浆时先注清水检查注浆管和止逆托盘连接的密封情况,确定连接处不漏水时方可注入水泥浆。

4)注浆水灰比控制:原则上注浆浆液浓度由稀到稠,注浆正常后浆液水灰比0.5。

5)注浆量计算:V浆=(π/4)(D2-d2)hk

式中:V浆-固井所需注浆量m3。

D-钻孔直径m。

d-井管外径m。

h-钻孔深度m。

k-超径系数,松散层取1.3～1.5。

6)PO42.5水泥用量计算:m =1/(0.5+1/P水泥)

式中:m-单位体积水泥用量kg/cm3。

P水泥-干水泥密度kg/cm3,一般取3.1。

7)水泥浆拌制要有专人负责,拌制的原浆要过筛,滤除水泥浆中好的杂质,防止堵塞注浆管。

8)在注浆过程中,如出现发生孔内漏失注浆量超过理论注浆量时,应继续注浆并调整水灰比,直至稠浆返出孔口方可停泵闭浆,候凝72 h 。

9)管外固井注浆结束后,反转注浆管使其和止逆托盘脱离,进行管内封底注浆。(如图3固井注浆示意图)

图3 固井注浆示意图

3 结语

(1)采用井下进行地震监测可以有效降低地面噪声对监测设备的干扰,提高地震监测的精确性,为地震速报和开展地震研究工作提供科学、准确的第一手资料。

(2)地震监测井的设计选址、井深、井径、井斜、固井、井内干燥等技术要求,应该结合井位地质情况合理设计,并根据实际情况采用行之有效的钻进及成井工艺,以确报地震监测井的施工技术要求。

(3)江汉平原区地震监测井采用回次取芯钻进方法,确定实际监测井成孔深后,再采用Φ250mm三翼复金刚石复合金片钻头扩孔至终孔深度的工艺方法,可确保井孔垂直度满足设计要求。

(4)水泥浆封底、管外固井是确保成井为干井且监测井不渗水重要主措。井管底部8 m的无磁性钢管,可防止对地震监测仪的磁性干扰;井管间的连接采用外接箍焊接方式连接,焊接方法采用二氧化碳保护焊连接,管箍外套热缩胶管,采用热熔机将热缩胶管密封,可有效防止了地下水的渗入;采用水泥浆固井技术来处理井管与孔壁之间环状间隙,保证了井管的稳定性,使井管与地层固结为一体,从而达到了优良的固井质量。