封隔注漿分層成井技術在水文地質勘查中的應用研究

王明明，解 偉，安永會，龔 磊，王文祥，崔虎群

(1.國土資源部地質環境監測技術重點實驗室，河北 保定 071051；2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

作為水文地質調查重要的技術手段，分層水文地質孔能夠通過分層抽水試驗了解不同深度含水層組的水文地質特征，實現目的含水層的單獨研究，為正確評價地下水資源提供科學依據[1]。

傳統的分層水文地質孔成井方法主要為海帶止水、膨脹橡膠止水和黏土球止水。海帶和膨脹橡膠止水均屬于臨時性止水，具有一定的止水效果，但成本高，工序繁雜，承壓性差，止水效果不穩定，不適用于永久性止水。黏土球止水是水文地質孔分層成井最常用的方法，成本低，止水效果好，但在細顆粒地層或鉆探結構不穩定地層進行分層成井極易出現鉆孔事故，影響分層成井質量，同時，黏土球水化時間短，也不適用于大深度水文地質孔分層成井[2-6]。因此，亟需開發一種新型分層成井技術實現水文地質孔高效快速分層成井。

在介紹封隔注漿分層成井技術原理和工藝流程的基礎上，本文進行了大量關于水泥漿性能的測試試驗，將封隔注漿分層成井技術應用于黑河流域HQ56水文地質孔分層成井，并對比分析了分層抽水試驗獲得的水文地質參數結果，提出了封隔注漿分層成井技術的優勢及使用推廣價值。

1 技術原理

1.1 成井原理

近年來，隨著油田的不斷勘探開發，油氣開采向著低壓低滲地層、深層、薄層等方向發展，為封隔不同的層位，進行有效的壓裂和分層開采等作業，地層封隔注水泥技術與工藝應運而生，已在國內多個油田中使用，技術比較成熟[7-9]。

在借鑒油氣開采領域地層封隔注水泥技術與工藝的基礎上，結合中國地質調查局水文地質環境地質調查中心自主研發的封隔設備(專利號：201721742572.2)，提出了封隔注漿分層成井技術，其原理(圖1)是在鉆進、下管、全孔填礫和洗井工藝結束后，通過注漿導管向井管內下入封隔器具，在注漿管與注漿窗口對齊后，在止水位置啟封雙封隔器，將注漿窗口隔離，使用泥漿泵將水泥漿通過注漿管注入止水段環狀間隙實現止水。

封隔注漿分層成井技術屬于原創性技術，具有施工成本低，工作效率高、止水可靠等優勢，適用于細顆粒地層或鉆孔結構不穩定地層管井快速分層成井。

1.2 工藝流程

封隔注漿分層止水是封隔注漿分層成井工藝的關鍵工藝，其施工流程見圖2，其核心工藝主要為：檢測注漿窗口位置、封隔注水和管內注水保壓。

圖2 封隔注漿分層止水施工流程Fig.2 Construction process of injecting cement to seal water

1.3 設備

封隔注漿分層成井技術主要設備為封隔器、泥漿攪拌機和泥漿泵等，其中核心設備為自主研發的K344擴張式封隔器，由短節、上接頭、中心管、膠筒及浮動頭組成，使用高壓氮氣(或惰性氣體)作為啟封介質，通過高壓氣管線連接至地表供壓設備，具有膨脹比大、有效膨脹作用段長、封隔時間長等優點，適用于松散地層管井和基巖地層裸孔封隔。

1.4 優勢

一般情況下，海帶止水和膨脹橡膠止水僅作為臨時性止水材料，文中不再討論。相比于黏土球止水，封隔注漿分層成井技術具有以下優勢。

(1)可大幅降低鉆孔分層成井事故率

黏土球止水成井工藝為鉆進→下管→分層填礫和止水→洗井，其關鍵工藝為“分層填礫和止水”，而該工藝也是分層成井過程中事故發生率最高的階段，極易發生孔內坍塌、測量回填位置不準確或無法測量礫料回填高度、礫料回填高度超過止水位置和鉆孔縮頸引起的黏土球“架橋”等事故，以上事故在細顆粒地層或鉆孔結構不穩定地層發生率更高，對鉆孔成井質量影響較大。

封隔注漿分層成井技術改變了傳統水文地質孔分層成井工藝流程，將成井工藝改為鉆進→下管→全孔填礫→洗井→封隔注漿分層止水，突破性地去除了“分層填礫和止水”這一鉆孔事故高發階段，同時，該技術是在下管、鉆孔填礫和洗井等工藝結束后實施，使得分層成井更加簡單安全，大幅降低鉆孔分層成井事故率。

(2)測量結果準確

黏土球止水使用測繩測量礫料或黏土球回填高度，存在測量不到回填高度或測量結果不準確問題，會對分層成井質量產生較大影響。

封隔注漿分層成井技術僅需注漿前檢查注漿窗口與注漿管是否對應，可通過物探測井、丈量井管與注漿導管確定，測量結果非常準確。

(3)施工效率高

正常情況下，黏土球止水單層施工時間在16 h以上(僅指濾料和黏土球回填工序)，受鉆孔深度、礫料投放速度、測量濾料回填位置和鉆孔事故等因素影響，而且影響較大，甚至時間可能長達15～30 d。

封隔注漿分層成井技術則不受其他因素影響，單層施工時間約3～5 h(包括下入注漿鉆具、攪拌水泥漿、注漿和提鉆等工序)，安全高效。

(4)適用于深孔分層成井

對于孔壁較為穩定地層，采用黏土球分層成井最大深度為300 m，而在細顆粒或鉆孔結構不穩定地層，由于極易出現孔內坍塌、縮頸和無法測量濾料回填高度等問題，最大止水深度非常不穩定，可能僅有幾十米。

封隔注漿分層成井技術是在全孔填礫后管內分層成井，不受地層影響，其最大分層成井深度取決于封隔器性能，安全高效，可輕松實現深部鉆孔分層成井。

2 水泥漿初凝時間測定試驗

封隔注漿分層成井技術屬于原創性技術，可借鑒的前人經驗較少，需要進行試驗獲得數據支撐封隔注漿分層成井技術應用。

試驗目的：(1)通過試驗了解水泥漿初凝時間，及時對封隔器卸荷，提出鉆具，防止鉆具被凝固在井內引發鉆孔事故，同時，盡可能延長封隔時間，使注入水泥漿盡可能進入地層，減少掉入孔內水泥漿量，實現綠色鉆探；(2)通過試驗獲得水灰比、水泥添加劑、攪拌時間最優配比，為封隔注漿分層成井技術實際應用提供理論支撐。

此次試驗從水灰比、水泥添加劑、水泥種類和攪拌時間4個方面優選。

(1)水灰比

采用就地取材，從施工地附近采購，同時，為保證水泥流體性能和強度，水灰比設置為0.5、0.55和0.6。

(2)添加劑

主要作用為防止水泥凝固后收縮，根據前期試驗經驗，當添加劑含量超過5%時，攪拌和抽送水泥漿比較困難，因此，添加劑用量設置為2%、3%和4%。

(3)攪拌機

采用JJ-1精密定時電動攪拌器，功率100 W，調速范圍100～2 500 r/min，根據鉆機使用的泥漿攪拌機性能，將攪拌轉速設為600 r/min。

(4)維卡儀

測試水泥漿初凝時間。水泥漿初凝時間測定試驗采用四因素三水平表，見表1。

表1 水泥漿試驗因素水平表

根據表1制定水泥漿初凝時間測定試驗方案，試驗方案及結果見表2。

表2 正交試驗方案及結果

采用極差分析法對正交試驗結果進行計算和分析，首先需要計算Kjm、kjm和Rj，再判斷因素主次、優水平和優組合。

Kjm為第j列因素m水平所對應的試驗指標和，kjm為Kjm平均值，由kjm大小可以判斷第j列因素優水平和優組合。Rj為第j列因素的極差，反映了第j列因素水平波動時，試驗指標的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。根據Rj大小，可以判斷因素的主次順序。正交試驗結果分析見表3。

表3 正交試驗結果分析

根據表3正交試驗結果分析，可知極差RC>RA>RD>RB，因此，對水泥初凝時間影響的主次順序依次為主→次：CADB，同時，根據kjm計算數據分析，A2、B2、C1、D1分別為A、B、C、D因素的優水平，因此，最優方案為：C1A2D1B2，即425“戈壁”水泥，水灰比0.55，攪拌時間20 min，水泥添加劑用量3%。

采用該最優配方攪拌的水泥漿，初凝時間達到3.5 h，為封隔注漿分層成井技術野外應用提供了參考依據。

3 應用實例

3.1 工作背景

本次研究區位于酒泉金塔盆地，區域地層顆粒較細，表現為亞砂土、黏土、中粗砂、細沙、砂礫石互層，地下水類型為潛水和承壓水，含水層為多層結構[10-12]。

在前期實施分層水文地質孔過程中，孔內坍塌、測量回填位置不準確或無法測量礫料回填高度、礫料回填高度超過止水位置和鉆孔縮頸引起的黏土球“架橋”等事故發生非常多。考慮到項目后期工作區主要為細顆粒地層，孔壁不穩定，分層成井過程中同樣會出現以上孔內事故，不適合采用傳統分層成井方法實施分層水文地質孔。

通過不斷調研和改進，結合已有的封隔器等相關產品，將封隔注漿分層成井技術應用至HQ56水文地質孔分層成井。

3.2 HQ56鉆孔概況

以HQ56鉆孔為例，該鉆孔位于酒泉市金塔縣三合鄉榆樹溝村，巖性以砂礫石、粗砂、粉細砂和粉質黏土為主，成井深度設計為274.5 m，要求揭穿第四系地層，鉆孔分為3層，止水位置分別設計為115.2～128.2 m和192.2～205.2 m。考慮到該鉆孔地層顆粒較細，止水層數多，止水位置深，因此，采用封隔注漿分層成井技術實施分層成井，圖3為HQ56鉆孔成井結構。

圖3 HQ56鉆孔成井結構示意圖Fig.3 Diagram showing the structure of well HQ56

根據圖3可知，HQ56鉆孔實際止水位置為119.6～124.85 m和198.4～202.6 m，長度分別為5.25 m和4.2 m，比設計注漿量(6 m)略少，但完全可以滿足成井止水要求。

同時，根據成井結束后物探測井結果，發現與注漿窗口位置相比，實際止水段位置靠下端，可見水泥漿運移位置主要是朝下，并不是均勻分布，該水泥漿運移規律的發現可指導注漿窗口位置選擇，尤其適用于止水厚度較薄地層分層成井。

3.3 分層抽水試驗

在鉆孔分層成井結束后，利用潛水泵型雙封隔器分層抽水系統實施了同徑封隔分層抽水試驗，圖4為上、中、下三層抽水試驗設備連接示意圖。

圖4 分層抽水試驗設備連接示意圖Fig.4 Sketch diagram showing the connecting equipment for stratified pumping test connection

3.4 數據分析

根據水文地質規范要求并結合鉆孔富水性實際情況，對HQ56水文地質孔進行上、中、下三層抽水試驗，每層自小流量到大流量進行3個落程，流量大小通過變頻控制柜來調節。獲得的抽水試驗數據和采集水樣分析見表4和表5。

表4 HQ56鉆孔分層抽水試驗數據

表5HQ56鉆孔各層離子濃度和TDS

Table 5 Total dissolved solids and ionic concentrations of different aquifers toxpped by well of HQ56/(mg·L-1)

根據表4，HQ56鉆孔上部含水層富水性極強，遠高于中下部含水層，中部含水層富水性略高于下部含水層。

根據表5，HQ56鉆孔上部含水層TDS最高，達到752.4 mg/L，中部含水層TDS最低，為330.6 mg/L，下部含水層TDS高于中部含水層，為384.1 mg/L。

通過對表4和表5中HQ56鉆孔的單位涌水量和TDS進行對比分析，發現獲得的各含水層水文地質參數及水質類型存在一定差別，從側面反映出采用封隔注漿分層成井技術進行分層成井安全可靠，止水效果良好。

4 結論

(1)封隔注漿分層成井技術改變了傳統水文地質孔分層成井工藝流程，去除了“分層填礫和止水”這一鉆孔事故高發階段，有效降低了鉆孔分層成井事故發生率，并且將分層成井時間縮短為3～5 h，提高了分層成井深度，使得水文地質孔分層成井簡單、高效和便捷，對于細顆粒地層或鉆孔結構不穩定地層快速分層成井具有極高的借鑒應用價值。

(2)采用封隔注漿分層成井技術進行分層成井時，發現實際止水段并非在注漿窗口位置兩側均勻分布，而是比注漿窗口位置靠下，該水泥漿運移規律的發現可指導注漿窗口位置選擇，對于止水厚度較薄地層分層成井更具有指導意義。

(3)通過對比分析HQ56鉆孔分層抽水試驗及水質化驗相關數據，發現各含水層水文地質參數及水質類型存在一定差別，說明采用封隔注漿分層成井技術進行水文地質孔分層成井，止水效果是非常可靠的，值得在水文地質調查工作中推廣。