單孔多層抽水試驗(yàn)綜合止水技術(shù)實(shí)踐

劉海濤，郭旭飛，艾小平

(1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司地質(zhì)研究院分公司，陜西 西安 710065；2.商洛西北有色七一三總隊(duì)有限公司，陜西 商洛 726000；3.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

分層抽水方法廣泛應(yīng)用于煤田水文孔抽水試驗(yàn)[1-3]。小莊煤礦位于陜西省彬州市義門鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)東西長6.5 km，南北寬7.0 km，面積45.824 7 km2，采礦權(quán)人為陜西省彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，生產(chǎn)規(guī)模為6.00 Mt/a，主采4號煤層，煤層頂板上覆洛河組砂巖孔隙-裂隙含水層、宜君礫巖、直羅組砂巖、延安組煤層及其頂板砂巖裂隙含水層。礦井主要充水含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，全區(qū)均有分布。為了礦井盤區(qū)順利接續(xù)和防治水安全生產(chǎn)工作，為礦井建設(shè)提供可靠的水文地質(zhì)資料，采用多層抽水試驗(yàn)綜合止水技術(shù)，調(diào)整水文孔施工工藝以及抽水順序，運(yùn)用先進(jìn)的止水工藝，使用膨脹橡膠止水材料進(jìn)行勘探。針對混合抽水等難點(diǎn)，通過邀請西安煤科院水文所專家現(xiàn)場指導(dǎo)抽水試驗(yàn)，以期證明此種方法具有施工可行性。

1 現(xiàn)有單孔技術(shù)及存在的問題

1.1 現(xiàn)有技術(shù)

按設(shè)計(jì)鉆探進(jìn)尺811.0 m，抽水試驗(yàn)3個層段(洛河組、直羅組、直羅延安組)，要求本次抽水共3層，自上到下，分層鉆進(jìn)進(jìn)行抽水試驗(yàn)。施工時，首先為一開φ113 mm鉆至設(shè)計(jì)洛河組底部546.5 m，進(jìn)行煤田常規(guī)測井，劃分地層，擴(kuò)孔φ252 mm，下表層套管φ219 mm護(hù)壁(保護(hù)黃土層及風(fēng)化基巖孔壁)，用水泥封堵環(huán)狀間隙進(jìn)行固管作業(yè)。接著，洗孔并對洛河組含水層試驗(yàn)段進(jìn)行抽水，近視穩(wěn)態(tài)測溫。然后，二開φ205 mm進(jìn)直羅組下段766.90 m，下入φ180 mm套管，采用水泥架橋法封閉安定組底部，進(jìn)行隔離止水檢查合格后，第2層直羅組抽水試驗(yàn)開始，最后進(jìn)行水文測井。隨后，三開φ165 mm進(jìn)入延安組底部下段停鉆，對鉆孔底部沉沙進(jìn)行沖洗并確認(rèn)止水效果后洗井，進(jìn)行直羅延安組抽水試驗(yàn)；并進(jìn)行水文測井。接著，四開φ113 mm鉆進(jìn)至4號底部下30 m，終孔。隨后，起拔套管以及抽水設(shè)備；采用標(biāo)號R42.5水泥與水按體積比2∶1配成的水泥漿由鉆孔底封閉至洛河組底部。最后，洗井，安裝水位長期觀測儀器，觀測洛河組全段水文變化情況及孔口裝置并做好孔口標(biāo)記，終孔。

1.2 存在的問題

現(xiàn)有技術(shù)存在分層鉆探施工工期較長，成孔效果不理想的問題[4-6]。此外，洛河組水量較大，需要大孔徑水泵，需變徑施工，多次擴(kuò)孔，易造成孔內(nèi)沉沙，造成孔內(nèi)事故，嚴(yán)重時可使鉆孔報(bào)廢。而且，下入套管后進(jìn)行小孔徑鉆探施工對鉆頭機(jī)械組合提出比較高的要求；當(dāng)止水位置較深時，由于止水管和孔壁間隙小，第2層抽水試驗(yàn)完成后，止水管拔出時容易卡鉆，嚴(yán)重時可使鉆孔報(bào)廢。

2 多層抽水試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

針對水文孔抽水水位埋深大、水泵揚(yáng)程功率技術(shù)發(fā)展存在的一定的瓶頸，在抽水設(shè)備能力有限的情況下，電纜電機(jī)均對孔徑有一定的要求[7-9]。因此，對小莊煤礦1907孔進(jìn)行的3次抽水試驗(yàn)作了相應(yīng)改進(jìn)和嘗試。

2.1 含水層抽水順序變換

2.1.1 上部含水層組分析

上部含水層組為洛河組底深553 m，為穩(wěn)定的裂隙砂巖含水層，其上覆黃土層和基巖強(qiáng)風(fēng)化帶下有φ219 mm表層護(hù)壁套管279 m，洛河組上覆地層為第四系全新統(tǒng)沖，洪積層孔隙潛水含水層，據(jù)煤礦回風(fēng)立井檢查孔第四系和新近系混合抽水試驗(yàn)成果，單位涌水量0.002 11 L/s·m，滲透系數(shù)0.003 596 4 m/d，富水性弱，礦化度1.05 g/L，水質(zhì)類型SO4·HCO3-Na型，但華池組相對隔水層有效阻隔了上覆含水層的影響。因此，抽水試驗(yàn)時不需要再下止水套管；抽水試驗(yàn)較簡單，不會對其下工序產(chǎn)生不利影響，所以在鉆到第1含水層組底界時停鉆，進(jìn)行第1次抽水試驗(yàn)。

2.1.2 中部含水層組分析

中部含水層組為直羅組砂巖裂隙弱含水層，深度達(dá)到682.92～704.66 m。抽水試驗(yàn)前應(yīng)下止水套管對洛河組(第1含水層組)進(jìn)行隔離止水，一旦止水套管與孔壁間發(fā)生掉塊或縮徑現(xiàn)象，止水套管將難以拔出，造成孔內(nèi)事故[10-14]。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含水層抽水試驗(yàn)示意

2.1.3 技術(shù)優(yōu)化

針對技術(shù)難點(diǎn)，現(xiàn)場技術(shù)人員采取了變更抽水順序的措施。具體為，用水文2000鉆機(jī)φ60 mm鉆桿小徑(φ133 mm)直接鉆至終孔，常規(guī)水文測井后擴(kuò)孔至安定組(中部含水層組)底界，下放安置φ180 mm止水套管(外焊止水托盤)對直羅組含水層進(jìn)行變徑隔離止水，對套管與孔壁環(huán)狀間隙采用黃豆與大米混合臨時填堵；由于洛河組砂巖地層資料顯示水量較大，故對第2含水層組下φ165 mm，長度21.74 m花管，這樣做既保護(hù)了井壁，又能保證對直羅組進(jìn)行抽水試驗(yàn)時不受到上層洛河組水的影響，如若孔天頂角以及方位不理想，采用勻速控制扭矩下置水文套管，特別要求現(xiàn)場加工焊接肋片，沿鋼套管外表面圓形每隔120°，焊接一個肋片，長度不宜過大，其縱向間距要求共20 m，安裝4組，共12片。對下部兩含水層組的抽水試驗(yàn)采用先下后上的原則。首先對侏羅系中統(tǒng)直羅和延安組(第3含水層組)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，利用φ60 mm鉆桿既作出水管，又兼作止水管(煤田鉆機(jī)φ60 mm鉆桿和測管外部焊接一個環(huán)狀膨脹止水器)對直羅組底部隔離臨時止水。抽水試驗(yàn)結(jié)束后，起拔設(shè)備至用水泥漿對延安組進(jìn)行封閉，然后對直羅組第2含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

2.2 膨脹止水器的應(yīng)用

在進(jìn)行第3層組抽水試驗(yàn)時，利用φ60 mm鉆桿接手處(鉆桿連接位置)外部焊接環(huán)狀膨脹止水器對其上覆直羅組含水層進(jìn)行隔離止水。預(yù)先在隔水管(選擇φ108 mm)底部約2 m處焊接鋼制止水托盤(外徑127 mm)，厚度為12～20 mm，在托盤下部安裝止水橡膠，需注意安裝托盤下放時需考慮孔斜，提前預(yù)留多余的套管內(nèi)徑，保障膨脹止水器下放至止水直羅組底部位置。抽水試驗(yàn)結(jié)束，起拔抽水設(shè)備，利用鉆機(jī)鉆桿將止水器從φ165 mm花管提升(拉拔時需控制鉆機(jī)扭矩拉拔力，均勻提升)。由于此次施工的為水文孔，在操作過程中，為了確保環(huán)狀可壓縮止水器在孔內(nèi)的順利下入及起拔，對孔斜要求較高，鉆孔偏斜率應(yīng)小于或等于1.0%，達(dá)到甲級要求，如果孔斜達(dá)不到甲級孔設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)行擴(kuò)孔矯正孔斜并進(jìn)行測井工作。

2.3 抽水試驗(yàn)與止水效果檢驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)方法

按水文地質(zhì)規(guī)范要求，該孔運(yùn)用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，計(jì)算公式選用承壓完整井裘布依公式。3個試驗(yàn)段洛河組進(jìn)行3次降升抽水，直羅組和直羅延安組混合抽水均作一個最大降升抽水。其中洛河組單位涌水量0.20 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.09 m/d，其余兩組含水層單位涌水量均小于0.001 L/(s·m)。抽水試驗(yàn)過程嚴(yán)格根據(jù)水文規(guī)范要求，對多層抽水止水位置原則上選取泥巖段或者相對隔水層。本次洛河組抽水試驗(yàn)q-s曲線如圖2所示，如若反常，應(yīng)該查明原因，現(xiàn)場排除后重新試驗(yàn)。規(guī)范推薦運(yùn)用“水位壓差法”檢驗(yàn)止水效果，本次抽水下入止水器前，進(jìn)行探孔作業(yè)，確認(rèn)孔內(nèi)無縮徑等問題后，方可正常下入。

圖2 XZ1907鉆孔洛河組抽水試驗(yàn)q-s曲線

2.3.2 結(jié)果檢驗(yàn)

本次止水位置，綜合鉆探與測井資料顯示巖性為相對隔水層砂質(zhì)泥巖與粉砂巖互層，長度均在5～10 m。止水位置采用水文套管保證井管無滲漏現(xiàn)象，最終通過管內(nèi)外，穩(wěn)定觀測10 h，總時長24 h，水位差值波動幅度穩(wěn)定在0.2 m。本次止水為臨時性止水并非永久性，未用水泥封閉止水(水泥止水大概率導(dǎo)致套管不能拔出)，止水位置放置于各封閉含水層頂面3 m以內(nèi)。

2.4 技術(shù)難點(diǎn)

該方法在對中部含水層進(jìn)行穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)時，首先要對直羅組上部安定組底部進(jìn)行隔離止水，還要對下部延安組進(jìn)行止水，應(yīng)用膨脹橡膠已避免上下含水層發(fā)生滲流，影響數(shù)據(jù)采集。對下部混合含水層抽水試驗(yàn)工作結(jié)束后，需拔出止水器，需要考慮膨脹橡膠與止水器不會因?yàn)榭讖阶兓?。如不能成功拔出，?yán)重時可能導(dǎo)致止水套管不能順利拔出，對下一步洛河組長觀孔觀測造成影響。

3 抽水試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)小莊煤礦鉆孔實(shí)際鉆探水文資料及單孔設(shè)計(jì)要求，本孔對白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)直羅和延安組(J2z+J2y)共3個含水巖組進(jìn)行了多層抽水試驗(yàn)，結(jié)果見表1。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)以及水文報(bào)告分析，直羅組與延安組混合抽水試驗(yàn)，其單位涌水量0.000 076 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 073 m/d，屬弱富水性。直羅組單位涌水量0.000 054 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 203 m/d，屬弱富水性，水質(zhì)類型Cl·SO4-Na·Mg，礦化度1.889 g/L，水溫28 ℃。洛河組單位涌水量0.192 5～0.214 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.078 058～0.105 064 m/d，水位標(biāo)高912.904～840.614 m，屬富水性中等含水層。

表1 XZ1907鉆孔抽水成果統(tǒng)計(jì)

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

按常規(guī)施工方法，本次單孔抽3層水需進(jìn)行3次測井工作，并進(jìn)行重復(fù)鉆探擴(kuò)孔以及洗井工作。運(yùn)用此方法，節(jié)省施工時間預(yù)計(jì)7 d。綜合止水技術(shù)主要針對多層單孔抽水試驗(yàn)，中部含水層上下部止水的復(fù)雜問題。利用技術(shù)對上部含水層下變徑法水文套管加環(huán)狀間隙充填，下部則利用膨脹橡膠止水器技術(shù)保障止水效果，減少深部水文孔止水，起拔過程中容易出現(xiàn)的水文管卡鉆問題，該方法簡化了施工程序，節(jié)省了施工工期以及費(fèi)用支出。

4 結(jié)論

(1)綜合止水技術(shù)主要針對大孔徑抽水環(huán)境下，對上下部兩層含水層同時進(jìn)行止水，現(xiàn)場技術(shù)的應(yīng)用改進(jìn)了施工工藝，降低了施工成本。

(2)開展大孔徑一孔多層抽水試驗(yàn)工作，改變抽水工藝，通過與天津、山西等水泵廠家進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究交流，研制了耐磨損、抗拉強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定的40QB15-500-45kW-Φ145 mm型不銹鋼潛水泵，抽水能力達(dá)到15 m3/h，揚(yáng)程480 m，能夠良好匹配大多數(shù)空壓機(jī)，減少了因孔徑問題不能正常下放水泵的問題。

(3)水文孔洗井過程中在鉆具組合方面設(shè)計(jì)鉆桿加入逆止閥進(jìn)行負(fù)壓洗井作業(yè)，可使套管內(nèi)保持沙清水靜；本次一孔分層抽水試驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用過程中，下部直羅延安組含水層混合抽水試驗(yàn)工作時，在煤層段抽水前下至治水管時，重點(diǎn)要穩(wěn)壓、勻速，控制對煤層的污染，包括水泥漿的深度控制。

(4)抽水試驗(yàn)可加入瓦斯數(shù)據(jù)的提取工作，設(shè)計(jì)與抽水設(shè)備同步數(shù)據(jù)提取設(shè)備，堅(jiān)持科學(xué)試驗(yàn)多數(shù)據(jù)研究，可以節(jié)省重復(fù)勘探造成的資源浪費(fèi)。