西部地区钻井法凿井壁后充填模拟试验研究

姚直书,乔帅星,王 瑞,方 玉,王宗金,亓燕秋

(1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;3.中煤特殊凿井集团有限责任公司总工程师办公室,安徽 合肥 230001)

钻井法凿井虽在我国中东部地区矿井建设中得到推广应用,但在西部地区深厚含水软弱岩层中目前还没有成功应用[11]。与中东部地区地层条件不同,西部地区钻井法施工穿过的地层主要为白垩、侏罗系岩层,由于其自身稳定、围岩变形小、富含水,如果壁后充填不密实,井壁与围岩间的空隙就会像冻结孔环形空间一样形成导水通道[12-13],造成涌水淹井事故,严重威胁着矿井安全生产[14]。特别是随着钻井井筒深度的增加,壁后充填质量对今后井筒使用期间的防治水工作至关重要[15-16],也是目前井筒施工过程中亟待解决的技术难题。在钻井法凿井壁后充填技术研究方面,文献[17]针对西部地区含水软弱岩层钻井法凿井工程地质和水文条件,开展了充填层作用机理及材料配制研究。文献[18]结合实际工程案例,提出采用多管道均匀注浆和大功率水泥砂浆泵机充填的方法提升固井质量。文献[19]针对钾盐矿钻井法施工工程环境,进行了水泥浆壁后充填材料配合比试验。文献[20]提出在深井井筒施工中,深部壁后充填应采用井内注浆技术。文献[21]对钻井井筒壁后充填水泥砂浆进行了试验研究。文献[22]针对中东部地区深厚冲积层中水泥浆壁后注浆效果较差的问题,通过研究水灰比、砂灰比、外加剂和粉煤灰掺量对水泥砂浆的影响,配制的充填材料在信湖煤矿钻井井筒壁后充填局部段高进行了初步实验。

综上所述,虽然钻井法凿井壁后充填材料已有研究,并提出采用比重大、强度高和抗渗性的水泥砂浆作为深井钻井井筒的壁后充填材料[23-24],但目前这一新型充填材料在我国西部钻井法凿井工程中还没有得到应用。为此,本文以我国西部地区第一口采用钻井法施工的可可盖煤矿中央回风立井为工程原型,通过模拟试验方法,对钻井井筒壁后充填效果进行研究,以解决西部地区深立井钻井井筒壁后充填的技术难题,并为下一步的工程应用提供技术支持。

1 壁后充填模拟试验设计

1.1 相似准则求导

模拟试验以西部地区正在采用钻井法施工的可可盖煤矿中央回风立井为工程背景,这也是我国西部地区第一个采用钻井法施工的立井井筒。该钻井井筒深521m,净直径6.0m,井壁和充填层有效厚度分别为0.6m和0.35m。通过分析发现影响壁后充填效果的主要因素有井壁内外半径、充填层厚度及高度、泥浆及充填材料的参数等,具体如表1所示。

表1 模拟试验主要参数定义及其量纲

参数方程如下

F(RW、Rn、Dc、hc、hh、hn、ρh、ρn、ηh、ηn、g、Sc、Ph、Pn)=0

根据相似第二定理和量纲分析法[25],可求得相似准则组成的π方程(见表2)。

表2 不含要求模拟试验相似准则表

1.2 相似模型设计

钻井法凿井工程中的钻进深度往往达到数百米,其竖向尺寸比横向的直径大,如果对工程中整个深度的钻井井筒充填层采用同一几何相似比进行模拟,则会导致几何缩比过大、模型充填层厚度过小,无法进行模拟试验。因此,针对实际工程情况,采用变态相似的模型进行试验,其结果仍具有工程指导意义[26]。为此,基于推导的相似准则,本文采用变态试验模型,对最上部一段壁后充填进行模拟试验,根据实验室条件,设计模型高度为9.6m。

This research is conducted on the basis of Qingdao harbor, Dong Jiakou port, bulk grain project. on the basis of this situation, to do this research on conveyor head or tail frame′s forces as follow shown in Figure 1.

工程中充填层设计有效厚度为350mm,现设计模型充填层厚度为150mm,则几何相似比(CL)为2.333。工程中充填进料管直径为118mm,根据几何相似比可取为50mm。

同时,为了易于满足相似准则进行模拟试验,充填材料和护壁泥浆采用原材料,因此有

Cρn=Cρh=Cηn=Cηh=1

2 壁后充填模拟试验系统

2.1 模拟试验系统

在模拟试验过程中,为了便于观察试验中充填材料置换情况,试验钻孔采用亚克历材料的圆管进行模拟。同时,为方便模型制作、运输和安装,将9.6m高模型管分为6节,每节之间采用法兰盘连接。充填进浆管采用硬质PVC管,设计直径为50mm。实验室内构建的壁后充填模拟试验装置如图1所示。

(a)壁后充填模拟试验系统 (b)模拟试验情形

2.2 护壁泥浆配制

护壁泥浆是钻井法施工中不可或缺的材料,在使用钻头钻进时,护壁泥浆可以清洁井底、排碴,避免重复切削、提高钻进效率;同时钻头高速旋转产生大量热量需要通过泥浆冷却并润滑钻头。井壁筒悬浮下沉后,井壁与钻进孔壁的环形空间内仍然充满着泥浆,需通过壁后充填工艺进行置换固井。根据可可盖煤矿钻井施工现场提供的泥浆参数,通过配制试验,得到与现场性能一致的护壁泥浆,其比重1.21,粘度32Pa·s,初始静切力2.4Pa,最终静切力2.3Pa。

2.3 充填材料配制

充填材料的性能关系到壁后充填的质量,壁后充填过程即充填材料置换护壁泥浆的过程。因此,充填材料应具有良好的流动性、较高的强度、适当的凝结时间和微膨胀特性。基于以上性能要求,并结合充填材料配制试验结果,本次试验采用的配合比为水泥∶水∶砂∶粉煤灰∶膨胀剂∶泵送剂=1∶0.47∶1.5∶0.2∶0.08∶0.0128,配制后浆体比重2.16,粘度300Pa·s,初始静切力12Pa,最终静切力6Pa。

3 试验结果及分析

高性能微膨胀充填材料置换护壁泥浆时,充填材料发生水化反应凝结、硬化形成壁后充填层。模拟试验在一定程度上反映了钻井井筒工程壁后充填层实际情况,为分析新型壁后充填材料置换效果,需要对固结后的壁后充填层进行物理力学性能研究。

3.1 模拟试验充填效果分析

充填材料置换泥浆后,选取充填层表观形态和充填材料置换泥浆的百分率作为充填效果的评价指标,并进行相关分析。试验结束并养护2d后,将充填管模型进行分段拆除。用清水冲洗掉充填层表面泥浆,从断面和表面观察各段的置换情况,具体如图2所示,将整个9.6m充填层固结体分成15段,并按照数字排序从高到底依次编号为1～15。由图2可知,从外观形态来看,采用高性能微膨胀充填材料置换护壁泥浆的总体充填效果良好,并且中下部整体置换效果明显比上部好,最上部较差。

图2 充填层拆除分段图

充填完成后,通过观察透明的亚克力管发现,在局部地方充填层表面存在白色残留泥浆,如图3(a)所示,位于第4段中。通过破除亚克力管,取出充填层固结体,采用钢丝刷刷掉泥浆,露出内部充填层,结果发现只有表面部分泥浆没有被充填置换,其余部分均为充填材料固结体,如图3(b)所示。出现这种情况的主要原因是充填材料从中间充填进料管进入泥浆中后,充填砂浆从中间向四周、再从下往上不断置换泥浆。由于模拟试验装置选择的亚克力管内表面具有一定的摩阻力,因此在其表面附着护壁泥浆不易被完全置换,但只在表面出现,没有影响充填置换效果。在实际工程中,钻孔侧壁常出现粗糙不平现象,但通常孔壁表面会吸附护壁泥浆的“泥皮”,这又减小了充填砂浆置换泥浆的摩阻力,使得侧壁粗糙度的影响主要局限在其表面,对整个充填层厚度的总体置换率影响很小。

(a)清理前

充填置换率是评价充填效果的重要指标之一,与充填材料与护壁泥浆的密度差相关。密度差越大,置换效果越好。为提高西部地区深立井钻井井筒壁后充填置换效果,防止井筒渗漏水,本次模拟试验采用了比重大的水泥砂浆代替过去工程中常用的水泥浆充填材料。因此,为分析新型充填材料对护壁泥浆的置换程度,以充填层固结体试验段密度与充填材料原密度之比表示该充填材料对泥浆的置换率,计算公式为

(1)

式中,K为充填材料的置换率,%;ρL为试验充填层取芯试件测量密度,g/cm3;ρc为充填材料原密度,为2.16g/cm3。当充填层的密度越接近充填材料原密度时,说明充填层中混入的护壁成分越少,充填固井效果越好,试验结果如表6所示。

表6 充填模拟试验各节段置换率

由表6可知,本次模拟试验置换率均达到了97%以上,平均置换率为99.0%。在泥浆未发生沉淀的1～8m段,充填材料的置换效果良好,而在9～9.6m段置换效果相对较差。为进一步分析,现将1～9m所有充填层试件密度绘制于图4。

图4 充填层1～9m密度变化趋势

由图4可知,充填段在初始段1m、4～5m以及9m处均出现其密度低于原始充填材料密度的情况,且在9m处的密度最低。这一现象对应在9m处试验充填时出现了少量泥浆沉淀、置换困难,而在最下层1m处也出现少量泥浆与砂浆混合,导致该处充填层密度下降。在充填模拟段底部1m处,所对应区域即为实际工程壁后充填段底部,通常该位置因为泥浆沉淀后比重较大,易形成较为粘稠的泥浆沉淀层,致使该处置换效果偏低,易对下一步的破锅底施工构成不利影响。因此,实际工程中在进行壁后充填前,应当调整泥浆参数、充分循环泥浆,使钻孔底部泥浆不出现沉淀、密度分布均匀,提高充填置换效果。

3.2 充填层单轴抗压强度试验

为研究充填层固结体的抗压强度与充填高度的变化特征,对模拟试验的充填层固结体进行钻取芯样,并加工成φ50mm×100mm的圆柱体试件进行单轴抗压强度试验,采用1 000kN单轴试验机,加载速率设为1mm/min,单轴抗压强度试验结果如图5所示。

(a)3d 抗压强度

由图5可知,模拟试验充填层固结体抗压强度在初始段1m、2m处,中间段5m处以及9m处强度较低,这是由于充填过程中的泥浆置换不彻底,充填层固结体中混有微量泥浆所致。与前面充填层密度分析相对应,在密度较低的充填段抗压强度也相对较低。泥浆的主要成分为膨润土,具有较强的吸水能力,如果充填材料中混有泥浆,将影响水泥的水化反应,使固结体早期强度发展缓慢,水泥石生成不足而影响其强度;而在水化反应后期,随着水分不断减少,泥浆沉淀中的膨润土失水后收缩,充填层产生孔隙,密实度降低,从而也会降低充填层的强度。因此,钻井井筒壁后充填工作中充填置换效果十分重要。

3.3 充填层渗流试验结果及分析

考虑到实际工程中充填层同时受到自重应力、围岩压力以及地下水作用,仅采用单轴试验并不能真实反映充填层的实际受力状态。为此,本研究利用TAW-2000三轴试验机进一步分析充填层的流固耦合作用特性。

由可可盖煤矿地质勘查资料可知,钻井井筒最底部为侏罗系中统延安组砂岩孔隙裂隙承压含水层,埋深约500m,以该处围岩压力和水压作为流固耦合试验加载值。同时,为了简化试验量,选取充填层段1m、3m、6m、9m处的4组试件进行流固耦合作用试验。对充填层固结体取芯后,放入养护箱进行养护,到达28d期龄后进行试验。试件加载前,先施加1kN轴力固定好试件,再加载围压,最后加载水压。试验主要研究充填层试件在渗透水压与围压耦合作用下的抗渗性能和抗压强度,抗渗性能采用渗透系数表示,试验结果如图6所示。

(a)三轴抗压强度

由图6(a)可知,在1m、9m处的充填层强度较低,与前面单轴抗压强度结果基本一致。这是因为在最上段加入的充填材料量少,与护壁泥浆难以形成较大压力差,置换效果不好;而在最下段,泥浆出现少量沉淀,比重增大,充填材料与护壁泥浆压力差减小,置换效果也不好,充填层中混合有少量泥浆,而泥浆中的膨润土强度较低,这就导致了充填层在1m和9m处的强度降低。同时,充填层中混合的泥浆膨润土后期产生收缩,且膨润土颗粒的粘附性较差,在水压作用下,水的渗流不断带走膨润土颗粒,从而导致混有泥浆的充填段试件渗透率较高,而置换效果较好的3m处渗透率较低,抗渗效果较好,如图6(b)所示。

为了更好地对比高性能微膨胀充填材料与传统充填材料(水泥浆)的抗渗性能,将水灰比为0.6的水泥浆制成φ50mm×100mm的圆柱体试件,进行相同围压和水压条件的流固耦合试验,结果表明,其28d三轴抗压强度为26.3MPa,渗透系数为2.82×10-6m/d;由此可见,高性能微膨胀充填材料的三轴抗压强度均大于40MPa,渗透系数远小于常用的水泥浆,其充填固井和防水性能优于传统的水泥浆充填材料。

根据可可盖煤矿中央回风立井井筒检查孔勘探资料可知,该井筒穿过的白垩系、侏罗系岩层的强度低,局部地层岩石单轴抗压强度只有10～25MPa,其渗透系数约为4.0×10-6～2.5×10-5m/d。而本次模拟试验充填层固结体抗压强度达到了30～41MPa,其渗透系数约为3.1×10-7～4.7×10-7m/d。由此可见,不论是抗压强度,还是渗透性,砂浆充填材料固结体的性能都优于富水弱胶结围岩,密实的壁后充填层对井壁受力和防水都十分有利。

4 结论与展望

以可可盖煤矿中央回风立井钻井井筒为研究对象,基于相似理论原理构建了模拟试验系统,采用高性能微膨胀充填材料进行了钻井井筒壁后充填模拟试验。研究发现,高性能微膨胀充填材料各段置换率均达到97%以上,平均置换率为99.0%;高性能微膨胀充填材料固结体的3d抗压强度大于10MPa,28d抗压强度大于30MPa,其强度高、充填固井效果好,相较于传统水泥浆充填材料有更高的抗压强度和更好的抗渗性能,适宜作为深立井钻井井筒壁后充填材料。

本文通过模拟试验研究发现在模型最下部的泥浆沉淀区域置换效果相对较差,在材料选择上也仅选了高性能微膨胀水泥砂浆,具有一定的局限性。后期可以着重研究如何提高底部泥浆置换率,同时研究不同充填材料对置换泥浆效果的影响。