封孔注浆新理论新工艺的探讨

封孔注浆新理论新工艺的探讨

姜同升,胡章雄,翁克胜

(安徽省地矿局311、326地质队,安徽安庆246003)

摘󰀁要:随着我国深部找矿的逐步深入,绳索取芯钻进的普及,以及越来越多的深孔出现,长孔段水泥

封闭和绳索钻杆做为导管注浆已被施工单位所接受。根据多年施工经验并结合泥河矿区施工技术的特点,提出封孔注浆理论和施工工艺,经在泥河矿区及其它矿区的应用,封孔注浆效果显著。关键词:封孔工艺;重力平衡;泵压;不平衡注浆;替水量;慢速回转

中图分类号:P634󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1004󰀁5716(2011)06󰀁0097󰀁061󰀁问题的提出

安徽庐江泥河大型铁矿,矿体埋藏较深,施工的钻孔终孔深度在1100m左右,终孔口径75mm,该矿区封孔段长度大约在600m左右。矿区地层复杂,部分孔段岩石胶结性差,裂隙发育频繁、掉块、超径、缩径、涌、漏水情况较严重。

矿区19台钻机全部使用󰀁71󰀁5󰀁61mm规格的绳索取芯钻杆,终孔后封孔使用它作为注浆导管,因此近于同径封孔是该矿区一大技术难题。2007~2008年初,曾几次因封孔工艺方法不妥,造成卡、埋、粘、吸丢失钻杆的严重孔内事故以及封孔不到位空一段、实一段现象,严重影响封孔质量,造成较大经济损失且延误工期。

为此我们根据实践与理论相结合,总结出一套比较符合实际,又能满足地质要求的封孔方法及施工工艺。2󰀁有关封孔注浆技术参数的计算值2.1󰀁造浆能力的计算值(见表1)

表1󰀁造浆能力计算表

水灰比w/c0.600.550.500.450.400.35

每包水泥(50kg)造浆能力(m3)

0.0460.0440.0410.0390.0360.034

说明

表2󰀁不同水灰比下水泥浆比重(密度)计算表水灰比w/c0.600.550.500.450.400.35

浆液的比重(密度)(kg/m3)

1.7391.7821.8291.8831.9442.015

计算时请取小数三位以上有效数字

备注

*

2.3󰀁注浆导管钻杆有关参数的计算

泥河矿区勘探采用的绳索取芯钻杆规格为:󰀁71󰀁5󰀁61mm

导管的内容积:r2󰀁󰀁󰀁1=0.00292m3/m导管(钻杆)的体积:(R-r)󰀁󰀁󰀁1=0.00104m3/m

导管整体的体积:R󰀁󰀁󰀁1=0.00396m/m2.4󰀁施工钻孔超径系数的确定

钻孔超径,对于风化超径地层我们根据其长度凭经验适当增加水泥浆量(或水泥包数),对于漏失地层,根据漏失量和经验估计增加水泥浆量。

2.5󰀁常数比值K的确定与计算

K是指注浆时所用的导管(钻杆)内容积(m3/m),与导管外径和确定的钻孔直径之间环状容积之比值。

表达式为:

导管内容积(m3/m)K=

钻孔容积(m3/m)-导管体积(包括内容积)(m3/m)K为无纲量,它是随钻孔直径和所使用的导管规格不同而变化。K表达:导管内水泥浆每下降1m,其

2

3

2

2

水泥的比重取3.125,水的比重取1.000

2.2󰀁水泥浆液比重计算值(见表2)

*收稿日期:2010󰀁12󰀁21󰀁修回日期:2011󰀁03󰀁10

第一作者简介:姜同升(1963󰀁),男(汉族),山东招远人,高级工程师,现从事探矿技术管理工作。

󰀁98󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西部探矿工程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年第6期导管外水泥浆液就上升K米,反之亦然。2.6󰀁水泥浆用量的确定

超径系数确定之后,其水泥浆用量就可计算了。V总=V1󰀁H1+V2󰀁H2+V3󰀁H3+V4+V0

式中:H1、H2、H3󰀁󰀁󰀁较破碎-破碎地段、完整-较完整地段、超径地段的长度,m;V1、V2、V3󰀁󰀁󰀁较破碎-破碎地段、完整-较完整地段、超径地段单位水泥浆用量,m3/m;

V4󰀁󰀁󰀁估算的漏失量,m3;V0󰀁󰀁󰀁地表损耗量,m3。3󰀁导管-重力平衡封孔注浆法

所谓导管-重力平衡封孔注浆法是指:孔内导管(钻杆)中的水泥浆在自重力作用下,流动所产生的动能,其能量平衡后,孔内水泥浆自形成的状态。这时,导管外埋深的水泥浆液面与导管内水泥浆在同一截面上重力相等。如图1中A点等于B点的重力(压强)。提导管时,在人工向导管内替入计算准确的水量的压力下,使孔内水泥浆液面A点渐渐上升,从而不冲击、不抽吸(破坏)不稳定的孔壁,进而避免卡、埋钻事故的发生。

3.1󰀁孔内水泥浆运动平衡后的状态及数学模式

因水泥浆量已确定,且是连续注入水泥浆(不能间断),其水泥浆注完后在孔内自形成的状态如图1所示。

L󰀁󰀁󰀁所计算的水泥浆用量全部注入导管后的计算长度,m;

K󰀁󰀁󰀁上述2.5节所述的常数比值;W󰀁󰀁󰀁导管在孔内水泥浆中的埋深,m;Z󰀁󰀁󰀁孔内水泥浆在导管内的长度,m;H󰀁󰀁󰀁下入孔内的导管长度,m;

3

󰀁󰀁󰀁󰀁所用浆液的比重(密度),kg/m。3.2󰀁应用举例3.2.1󰀁已知条件

某孔终孔深度1100m,地质要求封500m以下,即封孔段长600m,封孔后验收标准在孔深500m󰀁20m,使用导管规格󰀁71󰀁5󰀁61mm,水灰比w/c=0.6,地层情况:岩石较完整,取钻孔直径为:76.53mm。3.2.2󰀁计算所需水泥浆用量

由已知条件得:

V需用水泥浆总量=R2󰀁󰀁󰀁600m=0.0772󰀁󰀁󰀁600m=2.76m

确定水灰比为0.6,其每包水泥造浆能力为:0.046m3

V总

则3=59.999󰀁60包水泥干粉(每包0.046m/包

50kg)

考虑操作时的损耗和确保位置准确一般增加1~2包水泥。

3.2.3󰀁计算L值

计算实际水泥浆用量:60包󰀁0.046m3/包=2.76m

令将2.76m3水泥浆全部注入内径为61mm导管内其长度为:

2.763

L==944.409m

0.002922464098m3/m3.2.4󰀁K值的确定

已知:较完整地层钻孔直径取76.53mm,钻杆(导管)外径按71mm,导管(钻杆)内容积见2.3节取

图1󰀁孔内连续注浆完毕水泥浆平衡后形成的状态图

33

由此可导出公式:X=H-WY=H-Z

(L-Z)󰀁K=W

(Z-W)󰀁󰀁=X

式中:X󰀁󰀁󰀁孔内水泥浆液面距孔口的距离,m;

Y󰀁󰀁󰀁导管内水泥浆液面距孔口的距离,m;

0.00292m/m。

计算导管外径与钻孔直径之间环状每米容积:0.0765304320.0712[()-()]󰀁󰀁󰀁1=

22

0.00064081195m3/m

将:有关数值代入2.5节求K公式中得:K=0.002922464098m3/m=4.561

0.000640811095m/m

3.2.5󰀁计算注浆完毕后水泥浆自形成的状态及有关参数值

将有关数值代入3.1节方程组,H为导管长度取

3

3

2011年第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西部探矿工程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁99󰀁近似孔深1100m。

X=1100-W󰀁Y=1100-Z󰀁(944.409-Z)󰀁4.561=W󰀁(Z-W)󰀁1.739=X

解方程得:Z=838.254m󰀁Y=261.746m󰀁W=484.126m󰀁X=615.874m

验证:(Z-W)󰀁P=G󰀁P=615.874=X,即此时图2中A=B点的压强。

即每提一导管立根前必须加水36.53kg,直到40导管立根,将1460kg全部加完(考虑水泥浆液有沿程阻力损失,可先替水多一些后少一些),到41导管立根以后可不加水,如估计不准可在提41~42立根时,多加几桶水将多余的水泥浆液冲出导管。3.2.8󰀁评述

导管-重力平衡封孔注浆法一般适用浅孔封孔注浆或中、深孔漏失、静水位差较大的地层中采用。

值得一提的是,有时候封孔段位置深,水泥浆少,因孔内涌水举力大,即使把导管上部加满水,其导管内水泥浆仍不能压出导管,即公式中L-Z<0无导管埋深W=负数。这种情况下就应该用下面所述的泵压法。

由3.1节方程组(1)和图1可知:只有在L-Z>0的情况下方程组才能成立,更强调一点是有一定的导管埋深才能在现场施工中实施。

根据实践经验和理论,我们提出每次提出一立根导管前导管埋深的安全保证必要条件是:若取导管立根长度为15m/立根长,则:

W导管埋深=K󰀁15m=4.561󰀁15=68.409m这样确保了一定的导管埋深,目的是不受提导管时产生抽吸和孔内水的影响,造成断柱。

(注:K值是变化的,随孔径、导管内外径的变化K也变化,其导管埋深W也变化)。

4󰀁泵压-体积相等重力相对平衡封孔注浆法

泵压-体积相等重力相对平衡封孔注浆法,它是建立在原泵压法理论的基础上的。所谓泵压-体积相等重力相对平衡注浆封孔法是指:利用注浆泵的压力迫使孔内水泥浆流出导管外的液面达到预计的封孔位置,在水泥浆液粘滞阻力作用下,使导管内高出导管外水泥浆液面的水泥浆体积等于导管埋入水泥浆中铁(钻杆)的体积量,而此时的重力见图3中A点和B点,B点的压力在粘滞阻力作用下,达到暂时相对平衡。

提导管前,人工向导管内加入提出孔内水泥浆液面的导管铁(钻杆)的体积相等量的水,即15.55kg(考虑粘滞阻力可加多一点)。即:若每导管立根长度为15m乘以导管铁的体积(m3/m)(见2.3节)则15m󰀁0.00104m3/m󰀁1000kg/m3=15.6kg,这时提动导管预计封孔位置水泥浆液面基本保持不动,保持平衡,从而不冲击,不抽吸(破坏)不稳定的孔壁,进而避免卡、埋钻事故的发生。

4.1󰀁孔内水泥浆运动后的状态及数学模型

因孔内冲洗液反力较大或孔较深背压大,必须借助于注浆泵的压力,迫使水泥浆沿导管连续下行,水泥浆液注完后,立即注水再迫使水泥浆液上升到预定的封孔

图2󰀁孔内连续注浆完毕水泥浆自形成的状态图(实例图)

未考虑粘滞阻力,根据󰀁钻探工艺等󰀁和󰀁水力学󰀁可知圆管中沿程阻力系数󰀁仅系雷诺数的函数且与Re成反比。故泥浆紊流󰀁可取0.02~0.025。

但考虑反相运动提动导管时,其阻力与提导管力相向,在水泥浆和替入水量重力下,其动态中影响更小,故可不计。

3.2.6󰀁替水量的计算

因孔内导管长度1100m,封孔段长度600m,故替水段长度:1100-600=500m。注意:替水段长度500m应减去静止水位深度,但若在注浆中孔口一直流水,可不减仍按500m计算。

Q总替水量=替水段长度󰀁导管内容积(m/m)󰀁1000kg/m3

=500m󰀁0.00292m3/m󰀁1000kg/m3=1460kg3.2.7󰀁替水方法

设现场机台导管立根长度为15m/立根,封孔段长度600m,计算导管立根数n:

封孔段长度(m)600mn导管立根数===40立根

导管立根长度(m)15m

把总替水量Q=1460kg,均匀分给40立根中去,这样才能做到孔内水泥浆液面随提导管均匀上升,导管内水泥浆和水均匀下降。

计算每导管立根替水量g:

1460g==36.5kg

40

3

󰀁100󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西部探矿工程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年第6期位置。如图3所示;A点为预定的封孔位置。这时高出B点G段导管内的水泥浆体积等于W段导管埋深铁的体积。在粘滞阻力作用下,AB二点相对平衡。

由此导出公式:

(1)W导管埋深󰀁V导管埋深部分铁的体积(m3/m)=G段󰀁V导管内径容积(m/m)

W󰀁V环体积

即G=

V导管内容积

3

3

(1)

(2)W导管埋深󰀁V导管外径与钻孔直径之间的环状体积(m/m)=[L-(G+W)]󰀁V导管内容积(m3/m)

公式表达总量平衡相等或排出的水泥浆量相等。

得:G=L-W(1+

V环体积V导管内容积

)

(2)

图3󰀁孔内水泥浆泵压运动后的状态图

4.2󰀁应用举例

4.2.1󰀁已知条件及有关计算

为了便于理解举例同上,已知条件及有关计算见3.2.1~3.2.4节。因地层较完整取钻孔直径76.53mm,其钻孔直径与导管外径之间的环状体积为:

0.0765304320.0712

V=[()-()]󰀁=

22

0.00104m3/m

4.2.2󰀁泵压注浆完毕后孔内水泥浆形成的状态及有关参数值计算:

将W直接取值为预定封孔段长600m,代入上述式(1)中:

W󰀁V铁体积(m3/m)G=3V导管内容积(m/m)

600m󰀁0.0010367247(m3/m)==212.84m

0.002922464098(m3/m)

由图3可知:Z=W+G=600+212.84=812.84mY=H-Z=1100-812.84=287.16mX=H-W=1100-600=500m

将图3与图2比较可发现主要几点:

W由484.13m上升到600m,G由354.12m变成212.84m,图3导管上部装满了水,而图2导管上部是空的。

再用公式(2)验证总浆是否相等。

V环体积

G=L-W(1+)=944.408524793-600(1

V导管体积+0.000640811095)=212.846m0.002922464098可知图3正确。

4.2.3󰀁泵压替水量计算

泵压替水量Q1=287.16m󰀁0.00292m3/m󰀁1000kg/m3=838.5kg

施工中水泥浆压完后立即随之压入838.5kg水,

待全部完毕后,卸开主动钻杆,此时孔内状态如图3所示。

这时B点的重力在粘滞阻力下,与A点相对平衡,其孔内导管G段水泥浆的体积等于W段导管埋深铁的体积。即:

G段󰀁V导管内容积(m/m)=W段󰀁V导管埋深铁的体积3

(m/m)

33

212.846󰀁0.002922(m/m)󰀁0.622m4.2.4󰀁人工替水量的计算

从图3可知,当导管全部提出水泥浆液面后,其G段

212.84m导管内容积0.622m3,水泥浆全部补入导管埋深W=600m铁的体积。正好平衡。故人工替水量Q2=622kg。

因封孔段长度近似等于导管埋深W=600m,设现场机台导管立根长15m,故共有导管立根n=600m/15m=40根导管立根。

现将Q2=622kg水全部均匀分配到40根导管立根中去,每立根替水量g󰀁15.6kg水/每立根导管,即每提一导管立根前替15.6kg水,这样做到水泥浆均匀排出,其孔内水泥浆面A点不动。4.3󰀁评述

此种注浆封孔工艺适应于地下任何孔深,任何口径和导管的注浆封孔。

应当指出:不论使用什么方法注浆封孔其总替水量:

Q总=1460.5kg水=泵压替水量838.5kg+人工替水量622kg。

这种替水方法目的是在提导管过程中,每提一立根导管(15m)加15.6kg水,在其压力作用下,迫使孔内导管底部排出与提出水泥浆液面导管铁的体积相等的水

3

2011年第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西部探矿工程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁101󰀁󰀁泥浆,这样可使孔内水泥浆液面即A点保持基本不动。5󰀁泵压-不平衡注浆封孔法

所谓不平衡注浆封孔法,主要适用于坍塌超径的钻孔,在未知水泥浆用量的情况下,通过经验估算水泥浆用量,采用泵压水泥浆后再泵入水量,将水强行压至预定的必封闭孔段上部某一点上的一种注浆封孔工艺。它的应用在生产施工中常出现3种情况,如图4~6所示。

图6󰀁孔内水泥浆量注浆过量图

图4󰀁孔内水泥浆量注浆不足图

图4所示水泥浆量估计不足(超径大)操作中泵压小于洗孔时泵压。必须二次再封孔。

图6表示水泥浆量估计太多,操作时泵压比洗孔时的泵压大,必须立即停止压水,提钻。此时卸开主动钻杆导管内有返水现象。5.1󰀁实例说明

泥河铁矿ZK3007孔,孔深在712~720m处出现白色高岭土化岩层且坍塌、掉块、超径局部又缩径,处理近一个月无法施工。在机台多次注浆封孔未果的情况下,我们采用此方法一举成功。使该孔顺利施工到1150.56m而终孔。ZK3007孔封孔施工工艺及过程:

估计水泥用量10包,水灰比w/c=0.6,并按规定加三乙醇胺和NaCl,确定必封封闭段705~720m,确定压水点为700m处。先用无泵干抓孔内坍塌物至722m,上提钻杆(󰀁71󰀁5󰀁61mm)至721m,钻孔口径󰀁75mm。

计算泵压替水量:700m󰀁0.0292m3/m󰀁1000kg/m3=2044kg。

在水泥浆全部压入后,继续压水接近后期时,泵压升高(比洗孔前泵压高),令立即停止压水立即提钻,此时卸开主杆后孔内导管内返水。

此全过程如同图6所示,水泥浆量估计太多。5.2󰀁评述

因是不平衡封孔,注浆和压水中,导管应同时慢速转动,防止水泥浆冲击,伤害本身就不稳定的孔壁,造成卡、埋钻。

6󰀁施工工艺及注意事项

(1)认真设计精心计算各种参数,做到水泥浆在孔内提导管时基本静止或慢慢地上升。(下转第105页)

图5󰀁孔内水泥浆量注浆正常图

图5所示水泥浆量估计正好,操作中泵压比洗孔时泵压稍大。

2011年第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西部探矿工程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁105󰀁󰀁盐地层,钻井液密度由1.2g/cm3提至1.7g/cm3维持井下安全。可针对古近系含盐地层提前转换钻井液体系和性能,确保安全快速钻进。

二叠系、石炭系地层可提前加入防塌效果较好的低荧光高软化点沥青,减少井下复杂,降低钻井液密度,提高钻井效率。

(3)井身结构优化。麦盖提1区在地质认识深化的基础上,精确卡准鹰山组地层,避免进入鹰山组发生井漏。适时对井身结构进行优化,如针对盐膏层发育情况调整上部套管层次等,进一步提高钻井效率。

4󰀁结论

(1)针对巴什托区块钻井难点,主要通过优选钻头,应用高效PDC钻头,提高深部地层机械钻速;优化钻井液性能,增强钻井液抑制性和润滑性,维护井壁稳定,减少卡钻等复杂情况;巴楚组采用随钻堵漏,增强钻井液

封堵性;采用低荧光防塌剂,在安全前提下,尽可能降低钻井液密度,减少钻井液对地层的压持效应,提高机械钻速。

(2)针对小海子区块钻井难点,上部研磨性强、机械钻速低,可通过应用气体、雾化、泡沫钻井技术,提高上部大井眼的速度;针对二叠系地层稳定性差,垮塌、掉快严重,开展低荧光、高效防塌剂的研制及欠平衡钻井技术的应用研究;巴探5井三开在奥陶系地层通过使用高速涡轮+孕镶金刚石钻头的钻井方式,提速效果显著,后续可优选动力钻具,研发新型钻头,形成该区块深部地层钻井配套技术;开展寒武系深部盐膏层优快钻井工艺研究,引进高效扩眼工具。

(3)针对麦盖提1区块钻井难点,在地质认识深化的基础上,通过优化井身结构,优选动力钻具,优化钻井液性能,进一步提高该区块钻井效率。

(上接第101页)

󰀁󰀁(2)不论用什么方法封孔注浆,提导管的安全保证必要条件是:W埋管深度󰀁导管立根长度󰀁K常数比值。

(3)封孔完毕后提导管的速度要慢,切不可过快,造成抽吸回砂、掉块,防止卡埋钻具杆和断柱。

(4)操作中,技术人员要密切注意孔口返水情况,注浆中孔口返水量与泵量基本相等,说明正常(估计正确),若不返水,或返水量变小,先查明原因,可能孔内漏失量严重,如超过预计的漏失量,必须立即加水泥浆量(凭经验)。

(5)选择水灰比:根据当时气温、水温和堵漏等特殊要求时的情况,选择适当的水灰比,长孔段封闭一般选择稍大水灰比(0.6即可)。

(6)时间控制:0.5~0.6水灰比初凝时间在3~4h,终凝时间在8h左右。故正常操作时间应控制在3h左右。

(7)泵压水泥浆和替水量时,机上主动钻杆必须下入孔内一半,这样随时可慢转导管,防止卡、埋钻杆。

(8)采用导管注浆其孔口漏斗中应加设过滤网,防止未搅拌开的水泥团块堵塞导管。

(9)认真做好三控制:󰀁事前控制:检查钻机、高压胶管、水泵、搅拌机,特别是水泵必须完好,吸水管干净无杂物,备好孔口用替水漏斗、水桶,加工与钻杆同径的合金封孔钻头,将封孔钻头和钻杆下到距离封闭层底部0.5~1m处。先开泵送水,待确认管路畅通无阻后,再泵送水泥浆液。󰀁事中控制:水灰比、替水量必须符合设计要求,准确作好记录。灌注时动作要迅速,有人统一指挥,人员

分工明确,有专人清理莲蓬头、专人搅动水泥浆液,并注意孔口返水情况,做到有条不紊。

󰀁事后控制:水泥浆液灌注完毕,立即泵送计算好的泵压替水量,然后卸开主杆提钻,再从孔口钻杆内加入人工替水量。替水完毕后需对水泵及管路冲洗,检查导管立根数量、资料整理、归档。7󰀁结束语

上述3种注浆封孔方法,我们在安徽省泥河矿区数10个钻孔中试验,成功率为100%,深受中国五矿集团安徽公司和安徽省地调院领导的好评。

它的应用主要解决以下两大难题:

(1)避免了因封孔注浆工艺方法不妥,造成卡、埋钻具杆的重大孔内事故,节约了成本,更节约了时间。

(2)避免了过去封孔的不到位,空一段、实一段的现象,提高了工程注浆封孔的质量,位置准确。

参考文献:

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