李糧綱,周 奕,黎藝明,王鵬飛,吳朋青,邱 敏,易 威
(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074)
自汶川地震和玉樹地震之后,我國(guó)更加重視地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)研究工作,并進(jìn)一步加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)與升級(jí)。湖北省“十一五”期間,在地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)方面投入了近1億的資金,全面提升了地震臺(tái)網(wǎng)的軟硬件,對(duì)井下地震監(jiān)測(cè)做了重點(diǎn)研究。
新增的地震監(jiān)測(cè)井分為地聲觀測(cè)井和地層形變觀測(cè)井兩種類型。地聲觀測(cè)井可觀測(cè)極微震、超微震的變化規(guī)律;地層形變觀測(cè)井可進(jìn)行地層形變觀測(cè)、地應(yīng)力測(cè)量、水位、水溫、地溫及地下水化學(xué)成分測(cè)量等多種觀測(cè)項(xiàng)目。
井下地層形變(地傾斜、體應(yīng)變等)觀測(cè)可以擺脫地表的天然及人為干擾,如降雨、交通等等,使觀測(cè)數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反應(yīng)地層變化情況。
為了使地震監(jiān)測(cè)井達(dá)到精準(zhǔn)觀測(cè)的目標(biāo),首先必須保證鉆井的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足地震監(jiān)測(cè)的要求。因此地震監(jiān)測(cè)井的鉆井設(shè)計(jì)和施工工藝直接影響監(jiān)測(cè)數(shù)椐的精度和可信度。
在選擇地震監(jiān)測(cè)井點(diǎn)時(shí),應(yīng)避開振動(dòng)源和油田開采區(qū)或工業(yè)采水區(qū),避開滑坡和易發(fā)生洪澇的地區(qū)。一般根據(jù)干擾源的特性選取1~5 km的避開距離。避開距離最小值應(yīng)達(dá)到在深井實(shí)地測(cè)試時(shí)的最大干擾雙振幅要求。
地下流體綜合觀測(cè)井應(yīng)選在地應(yīng)力容易集中的地方。如活動(dòng)斷裂帶,特別是深大斷裂帶的端點(diǎn)、拐點(diǎn)、交匯點(diǎn)。由于這些斷裂帶切入地殼很深,形成了許多地下水的天然通道,當(dāng)巨大塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),斷裂帶是地下活動(dòng)最劇烈的地方,同時(shí)也是地下水最活躍的地方。
地下流體綜合觀測(cè)井還應(yīng)選在具有一定封閉條件的承壓含水地層。這種含水層受降雨、蒸發(fā)、滲透的影響很小,能客觀反映地殼的應(yīng)變狀態(tài)。
2.2.1 監(jiān)測(cè)井最佳深度
地聲監(jiān)測(cè)井的干擾幅度隨井孔深度的增加而減小;另一方面,由于表層介質(zhì)的放大作用,也使信號(hào)隨深度的增加而減小。若干擾和信號(hào)隨深度的減小都遵從指數(shù)規(guī)律,即:
式中:
S0、Sh—分別為地面和深度為h處的信號(hào);
R0、Rh—分別為地面和深度為h處的干擾;
λN、λS—分別為干擾和信號(hào)的衰減系數(shù);
信噪比為:
如果信噪比提高一個(gè)量級(jí),即:
令(Sh/Rh)/(S0/R0)=10,
取對(duì)數(shù)log((Sh/Rh)/(S0/R0))=1,可得出:
因干擾比信號(hào)隨深度衰減得快,即λN>λS,則有:
因此:
也就是使信噪比提高一個(gè)量級(jí)的起始深度為1/λN。
實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,在基巖地層的監(jiān)測(cè)井,設(shè)計(jì)井深為100m就足以滿足監(jiān)測(cè)要求。若在覆蓋層較厚的平原地區(qū),則井下儀器安放在地下300~500m深度,可得到良好的地震記錄。
2.2.2 監(jiān)測(cè)井的垂直度
對(duì)于地聲監(jiān)測(cè)井,其垂直度要求取決于傳感器的類型。一般要求監(jiān)測(cè)井中心線與垂直線的偏差不能超過3°,但隨著儀器精密度的提高,對(duì)垂直度的要求越來越高。如果在平原地區(qū),井深為500m,則要求每100 m不超過0.5°。這對(duì)于鉆井施工難度較大。
2.2.3 完井與固井
完井和固井質(zhì)量對(duì)于地震監(jiān)測(cè)井十分重要。地聲監(jiān)測(cè)井和地層形變監(jiān)測(cè)井對(duì)固井和完井的要求有所不同。地聲監(jiān)測(cè)井完井和固井要求如下:
(1)采用直徑為146~180mm的無縫鋼管做井管,井管的連接采用特殊絲扣連接與焊接,確保井管內(nèi)壁連接平滑且密封不滲水;
(2)在井管與圍巖之間灌注高標(biāo)號(hào)的水泥漿,使井管與圍巖固結(jié)為一體;
(3)井底介質(zhì)應(yīng)為基巖或粘土層,并采用高標(biāo)號(hào)的水泥封底,井底水泥塞長(zhǎng)度為3~5m;
(4)固井后先清洗井管,然后排干井內(nèi)積水,最后用吸水海棉將井內(nèi)水吸干;
(5)井口處用高標(biāo)號(hào)水泥配制混凝土澆筑井臺(tái),井臺(tái)高出地面≮1m,面積約為4m×6m。井管高出水泥井臺(tái)面0.5m,并在井口標(biāo)刻方位刻度。
地下流體監(jiān)測(cè)井在完井和固井方面與地聲監(jiān)測(cè)井最大的不同點(diǎn)是:固井應(yīng)滿足封閉全部非觀測(cè)層的要求。即井的上部采用無縫鋼管做井管,并在井管與圍巖之間灌注高標(biāo)號(hào)的水泥漿固井;而井的下部則采用花管與觀測(cè)層連通。為了保證觀測(cè)精確度,井管盡可能不變徑。為此,需要采用特殊的成井和固井技術(shù)。
2.2.4 抽水試驗(yàn)與滲透系數(shù)計(jì)算
對(duì)于地下流體觀測(cè)井,抽水試驗(yàn)主要是為了查明地層滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、壓力傳導(dǎo)系數(shù)、給水度、越流系數(shù)、影響半徑等有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù),為地震觀測(cè)提供水文地質(zhì)資料。由于條件限制,地震觀測(cè)井往往采用單孔的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。
通過抽水試驗(yàn)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)于不同類型的觀測(cè)井采用不同的方法計(jì)算滲透系數(shù)。
潛水非完整井,單孔抽水試驗(yàn)采用以下方法計(jì)算滲透系數(shù)k:
式中:
k—滲透系數(shù)(m/d);
Q—抽水井涌水量(m3/d);
L—過濾器長(zhǎng)度(m);
S—抽水井水位下降值(m);
r—抽水井半徑(m)。
承壓水非完整井,單孔抽水試驗(yàn)則滲透系數(shù)k計(jì)算方法是:
式中:
k—滲透系數(shù)(m/d);
Q—抽水井涌水量(m3/d);
r—抽水井半徑(m);
S—抽水井水位下降值(m)。
2.2.5 地下氣體及同位素的測(cè)定
國(guó)內(nèi)外大量的觀測(cè)資料表明,地下氣體對(duì)現(xiàn)今地殼動(dòng)力過程的響應(yīng)是十分靈敏的,而且已經(jīng)成為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的重要手段之一。地下氣體不僅映震能力強(qiáng),而且震前異常特征也十分明顯。觀測(cè)的項(xiàng)目主要有:He、H2、Ar、O2、N2、CH4、CO2及氣體總量。
表1 地震臺(tái)網(wǎng)部分監(jiān)測(cè)井的概況Table 1 General situation of some monitoring wells in a seismic network
地震發(fā)生前后,常伴有流體元素和同位素地球化學(xué)異常。因而,將氫、氧、碳、鉛、惰性氣體等同位素作為地震前兆的指示劑,可以為震前監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)等方面的研究和應(yīng)用提供重要的信息。
地震監(jiān)測(cè)井的鉆井工藝與監(jiān)測(cè)井的類型以及鉆井的地質(zhì)環(huán)境條件緊密相關(guān)。在湖北省“十一五”地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)升級(jí)建設(shè)期間,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院與湖北省地震局及市縣地震局共同完成了多個(gè)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)井的建設(shè)工作(表1)??偨Y(jié)和研發(fā)了一套完整的鉆井工藝技術(shù),并取得了良好的工程應(yīng)用效果。
地震觀測(cè)井對(duì)井孔的垂直度要求較高。因此,必須根據(jù)實(shí)際工程地層條件及設(shè)計(jì)要求,采用相應(yīng)的保直防斜鉆井技術(shù)以滿足地震觀測(cè)井的技術(shù)要求。
3.1.1 鉆機(jī)安裝與鉆具垂直校驗(yàn)
(1)安裝設(shè)備前,地基要平整、堅(jiān)實(shí)、填方部分不得超過1/3基臺(tái)木要水平、穩(wěn)固。
(2)對(duì)鉆機(jī)立軸進(jìn)行垂直度校驗(yàn),上對(duì)塔頂天車,下對(duì)設(shè)計(jì)井位。此外,在鉆進(jìn)過程中還要經(jīng)常檢查和校正立軸方向。
(3)要保證開孔時(shí)鉆具的垂直度,特別是粗徑鉆具要直。埋設(shè)井口管要牢固。
(4)換徑時(shí),應(yīng)采用帶導(dǎo)向的綜合式異徑鉆具。
3.1.2 合理的鉆具結(jié)構(gòu)
采用合理的鉆具結(jié)構(gòu),是為了增強(qiáng)鉆具的穩(wěn)定性和導(dǎo)正作用,以改善下部鉆具的彎曲形態(tài),提高鉆進(jìn)時(shí)的防斜能力。
鐘擺鉆具、偏重鉆具和滿眼鉆具等形式的組合鉆具對(duì)防止和糾正鉆井彎曲有明顯的效果。
(1)鐘擺鉆具
采用較短長(zhǎng)度的巖心管,約1.5~2m,其上連接鉆鋌。鉆鋌質(zhì)量大于孔底所需的鉆壓,中和點(diǎn)落在鉆鋌上。在鉆具與孔壁的切點(diǎn)以下,由鉆具質(zhì)量引起的橫向分力將鉆頭推向孔壁下方,此力稱為鐘擺力(減斜)Fd。
式中:
W—切點(diǎn)以下鉆鋌的質(zhì)量;
θ—鉆孔頂角;
L—孔底與切點(diǎn)的距離;
l—切點(diǎn)以下鉆具的重心與切點(diǎn)的距離。
根椐鐘擺力計(jì)算公式,當(dāng)鉆井頂角一定時(shí),增大減斜力的途徑是:加大切點(diǎn)以下鉆具的質(zhì)量,如選用厚壁鉆鋌等;在略高于切點(diǎn)的位置上裝一扶正器,提高切點(diǎn)的位置,或以增大切點(diǎn)以下鉆鋌長(zhǎng)度的方法來增大鉆具的質(zhì)量。此外,采用扶正器還可以減小下部鉆具的傾斜角和增斜力,從而進(jìn)一步加大鉆具的防斜能力。
(2)偏重鉆具
通過在普通鉆鋌的一側(cè)鉆若干淺孔,使鉆鋌重心偏移,而形成偏重鉆具。偏重鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力,離心力大小與轉(zhuǎn)速和偏心距成正比。鉆進(jìn)時(shí),當(dāng)偏重朝向井壁下側(cè)時(shí),離心力與鐘擺力方向一致,可以對(duì)井壁產(chǎn)生較大的沖擊糾斜力,使鉆井傾角逐漸減小。同時(shí),由于這種周期性的旋轉(zhuǎn)不平衡性,使下部鉆柱發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng),這種彈性的橫向振動(dòng),會(huì)增大鉆頭切削井壁下側(cè)的能力。此外,由于離心力的作用,使偏重鉆鋌的重邊在旋轉(zhuǎn)時(shí)永遠(yuǎn)貼向井壁,這樣就使下部鉆柱具有“公轉(zhuǎn)”的特性,消除了自轉(zhuǎn)對(duì)井斜的影響,在直井中更具有防斜作用。
為了發(fā)揮偏重鉆鋌的防斜作用,宜采用高轉(zhuǎn)速。同時(shí),在組合鉆具中,應(yīng)把質(zhì)量差集中在鉆具下部,盡量接近鉆頭,并使偏重鉆鋌的減重部分的質(zhì)量位于距軸線盡可能遠(yuǎn)的部分,才能有效發(fā)揮作用。鉆鋌重邊和輕邊的質(zhì)量差推薦為鉆鋌總重的0.5% ~5%。實(shí)踐表明,偏重鉆鋌的長(zhǎng)度一般在9m左右就能起到良好的糾斜作用。
(3)滿眼鉆具
滿眼鉆具是由3~5個(gè)直徑與鉆頭直徑相近的扶正器和外徑較大的鉆鋌(如方鉆鋌)組成,可以增大鉆具的剛度,減小鉆頭傾斜角,保持鉆具在井內(nèi)居中。因此,能限制由于鉆柱彎曲而產(chǎn)生的增斜力。
使用滿眼鉆具時(shí),要計(jì)算扶正器的安裝位置,并經(jīng)常檢查扶正器的磨損情況,一般應(yīng)保證扶正器與井壁的間隙小于1mm,若大于4mm則扶正器完全失去“滿眼”的作用。
滿眼鉆具用于垂直鉆井時(shí),雖然可以消除或減小工藝技術(shù)因素對(duì)井斜的影響,減弱地質(zhì)因素的促斜作用,但并不能完全避免井斜的發(fā)生。因此應(yīng)及時(shí)了解鉆進(jìn)過程中的井斜情況與防斜效果。
對(duì)于易斜地層,當(dāng)采用上述方法仍不能控制井斜的情況下,可采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)研制的隨鉆測(cè)斜垂鉆系統(tǒng)。
對(duì)于地震地下流體觀測(cè)井,為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)觀測(cè)層地下流體的變化情況,必須嚴(yán)格把觀測(cè)層和非觀測(cè)層隔離開來,避免觀測(cè)數(shù)據(jù)受降雨和淺層抽水等影響。此外,為了保證觀測(cè)精確度,采用的井管盡可能保持直徑不變徑。因此,需要采用特殊的成井和固井技術(shù)。
3.2.1 分層注漿工藝
分層注漿是向非觀測(cè)層注入水泥漿并保證水泥漿不進(jìn)入觀測(cè)層。通過分層注漿把觀測(cè)層與非觀測(cè)層的流體隔離開來,阻止非觀測(cè)層的流體流入觀測(cè)層而影響觀測(cè)的準(zhǔn)確性。分層注漿的固井工藝如下:
(1)井管連接及吊放
按照鉆井的實(shí)際井深和非觀測(cè)層與觀測(cè)層的厚度確定井管和花管的長(zhǎng)度,采用特殊絲扣依次連接并吊放到井內(nèi)。
(2)井內(nèi)架橋
在井管與花管的連接處井管外纏綁水敏性膨脹橡膠;在該段套管內(nèi)設(shè)置臨時(shí)封堵塞,并安放在井內(nèi)非觀測(cè)層與觀測(cè)層分界處。膨脹橡膠遇水后體積脹大,并與井壁產(chǎn)生一定的接觸壓力,形成密實(shí)的充填隔離,將鉆井分隔成上下兩段。
(3)定量注漿及固井
使用定量注漿器向分隔處灌注水泥漿,形成一定長(zhǎng)度的封堵水泥柱(如圖1所示)。封堵柱達(dá)到一定強(qiáng)度后,將鉆桿下放至井內(nèi)架橋的位置,進(jìn)行水下注漿固井。注漿過程中密切注意注漿壓力的變化。
圖1 分層注漿工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram showing technology of layered grouting
(4)清掃井管
注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,采用壓漿活塞將井管內(nèi)水泥漿壓至環(huán)空間隙,待環(huán)空間隙的水泥漿凝固5~8d后,采用比井管直徑小一級(jí)的鉆具清掃井管內(nèi)的封堵物,直至井底。
分層注漿最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是井內(nèi)架橋。所采用的水敏性膨脹橡膠既有普通橡膠制品的各種性能,又有遇水膨脹的性能。這種橡膠浸入水中,體積會(huì)膨脹增大,膨脹后的體積是原來體積的2~3倍。其膨脹率不受水質(zhì)的影響,不含有害物質(zhì),無析出物,不污染環(huán)境,而且具有抗老化和抗腐蝕性能。膨脹后的橡膠仍保持原來的彈性和延伸性。
在使用這種膨脹橡膠時(shí),還須注意以下幾點(diǎn):
①對(duì)選用的水敏性膨脹橡膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定其實(shí)際性能。
②使用前切忌遇水受潮,以免材料過早膨脹影響使用效果。應(yīng)放置在干燥的室內(nèi),避免陽(yáng)光直射。
③與水敏性膨脹橡膠接觸的管材表面應(yīng)平整并處理干凈,無浮灰、油污、雜物和松動(dòng)。
④膨脹橡膠止水條對(duì)接時(shí),接口需平整,相互接觸。應(yīng)避免在急彎或陰陽(yáng)角附近對(duì)接。
⑤施工過程中往往因遇雨使止水條或基面潮濕,導(dǎo)致止水條過早膨脹??蛇x擇緩膨型水敏性膨脹橡膠膠止水條。
3.2.2 固井水泥
為了保證井管與地層較好的耦合,在固井水泥中摻入一定量的水泥膨脹劑,使水泥漿內(nèi)導(dǎo)入一定的膨脹應(yīng)力即壓應(yīng)力,部分或全部補(bǔ)償水泥石干縮、冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力,從而阻止或減小水泥石的收縮,避免水泥石的收縮值超過其極限拉伸值,防止或減少水泥漿凝固后的開裂,達(dá)到抗裂防滲的效果。水泥膨脹劑是一種由各類鹽混合而成的水泥添加劑。膨脹劑一般不含鈉鹽,不會(huì)引起混凝土堿骨料反應(yīng)。
膨脹劑種類繁多,膨脹源各異,如 AFt、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Fe(OH)3等。常見的膨脹劑類型如下:
(1)CaO類型的膨脹劑(CEA);
(2)MgO類型的膨脹劑;
(3)明礬石[K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3]類型的膨脹劑(EA-L);
(4)硫鋁酸鹽礦物(UEA、CSA)和鋁酸鹽礦物(AEA)類型的膨脹劑;
(5)復(fù)合膨脹劑。
為了選擇適合地震測(cè)井用的水泥膨脹劑,在實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種型號(hào)的膨脹劑進(jìn)行了不同配合比的實(shí)驗(yàn),確定膨脹水泥的膨脹率。
膨脹率實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由三部分構(gòu)成,即釜體裝置、溫度控制系統(tǒng)、PVT壓力控制系統(tǒng)。
釜體裝置主要用來放置被測(cè)試的水泥漿(石)試樣,提供一個(gè)密閉的高溫高壓環(huán)境。溫度控制系統(tǒng)用來設(shè)定不同的升溫時(shí)間和目標(biāo)溫度,達(dá)到模擬井下環(huán)境溫度的要求。PVT壓力控制系統(tǒng)用來準(zhǔn)確控制釜體壓力。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確計(jì)量在給定的壓力下某時(shí)刻推動(dòng)活塞位移的水泥漿體積變化量以及任一時(shí)刻流入/流出釜體的水泥漿體積累積量。
對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)椐進(jìn)行分析計(jì)算,繪制膨脹率發(fā)展變化曲線,確定膨脹率,最終優(yōu)選出合適的水泥膨脹劑種類及添加量。
3.2.3 井管連接絲扣密封膠
井管的連接密封對(duì)于安裝測(cè)震儀的監(jiān)測(cè)井是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。
在實(shí)際工程中,井管的螺紋連接處都采用了性能良好的密封膠,即第三代液態(tài)生料帶密封。這種“液態(tài)生料帶”,具有以下性能:
(1)膠液100%反應(yīng),固化后略膨脹,從而填充整個(gè)螺紋間隙達(dá)到鎖緊密封作用;
(2)密封壓力高,固化后可耐69MPa以下的壓力,耐腐蝕,保護(hù)金屬螺紋;
(3)耐高溫(-55℃ ~+150℃),耐老化、耐大多數(shù)介質(zhì)、耐油等等;
(4)用于金屬螺紋,其固化速度與金屬的活性和溫度成正比。
在使用過程中,膠液與空氣接觸時(shí),膠液保持液態(tài),將膠液涂在螺紋上形成圓周并裝配閉合時(shí),在金屬螺紋內(nèi)因缺氧并在金屬離子的催化作用下,產(chǎn)生固化反應(yīng),填充整個(gè)螺紋間隙,形成高強(qiáng)度,耐腐蝕,耐高溫(150°),耐老化(壽命超過鋼材),密封鎖固性極強(qiáng)的熱固性塑料。用這種新方法保證了井管的連接密封防水抗?jié)B。
(1)采用井下地震監(jiān)測(cè)方法可以減小地面噪聲干擾,提高地震監(jiān)測(cè)精度和儀器放大倍數(shù),取得可靠、連續(xù)、完整的地震記錄圖,準(zhǔn)確測(cè)定地震基本參數(shù)(發(fā)震時(shí)刻、震級(jí)、震中位置、震中距離和震源深度)。深井地下流體觀測(cè)可以擺脫地表的天然及人為干擾,如降雨、抽水、交通等等,使觀測(cè)數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反應(yīng)地層變化情況,為預(yù)報(bào)地震和開展各項(xiàng)研究工作提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料。
(2)地震監(jiān)測(cè)井的選址、井深、井徑、井斜和固井等參數(shù)有其特殊的技術(shù)要求,應(yīng)合理地設(shè)計(jì)并采用相應(yīng)的鉆井技術(shù)措施,使地震監(jiān)測(cè)井達(dá)到優(yōu)良的質(zhì)量指標(biāo)。
(3)固井是保證地震監(jiān)測(cè)井工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。良好的固井工藝可以保證井管的穩(wěn)定性,防止地下水滲入地聲監(jiān)測(cè)井內(nèi),同時(shí)保證地震監(jiān)測(cè)儀與地層很好的耦合。地下流體觀測(cè)井采用專門設(shè)計(jì)的注漿器具和分層注漿固井新工藝,提高了地下流體觀測(cè)井的建井質(zhì)量。
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