陳勝林 朱文彩 劉 杰 彭 坤 秦 荷 任志勇

湖北省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì) 湖北 武漢 430051

地震是一種對(duì)人類(lèi)造成巨大損害的自然災(zāi)害,我國(guó)經(jīng)歷汶川和玉樹(shù)地震之后,更加重視地震監(jiān)測(cè)與地震預(yù)報(bào)研究工作,并進(jìn)一步落實(shí)地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與升級(jí)。近些年,我省重點(diǎn)項(xiàng)目,如“湖北數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”、“湖北省地震監(jiān)測(cè)中心”的實(shí)施,全省地震臺(tái)站觀測(cè)效果得到明顯改善,技術(shù)水平得到了顯著提高,實(shí)現(xiàn)了地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一體化,大大增強(qiáng)了地震監(jiān)測(cè)能力、速報(bào)能力、災(zāi)情數(shù)據(jù)獲取能力和應(yīng)急決策能力。

目前,江漢平原區(qū)地震觀測(cè)站以井下地震監(jiān)測(cè)為主,這樣可以有效降低地面噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的干擾,提高地震監(jiān)測(cè)的精確性,為地震速報(bào)和開(kāi)展地震研究工作提供科學(xué)、準(zhǔn)確的第一手資料。

因此,充分利用井下觀測(cè),可達(dá)到地震監(jiān)測(cè)精確目標(biāo),而地震監(jiān)測(cè)井鉆井及成井各項(xiàng)工藝可決定地震監(jiān)測(cè)精度和可信度。1地震監(jiān)測(cè)井技術(shù)指標(biāo)

1.1 井孔選址

(1)地震監(jiān)測(cè)井應(yīng)遠(yuǎn)離正在運(yùn)行的公路、鐵路、大中型工業(yè)廠礦等振動(dòng)源。

(2)避開(kāi)江漢油田開(kāi)采區(qū)區(qū)域。

(3)避開(kāi)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害區(qū),如:滑坡、崩塌、地面塌陷沉降及發(fā)生洪澇的地區(qū)。(4)滿(mǎn)足城鎮(zhèn)發(fā)展的總體規(guī)劃要求,交通便利,具備配套的電力及通訊要求。

1.2 井孔設(shè)計(jì)

1.2.1 井深結(jié)合江漢平原區(qū)地質(zhì)資料,查閱得知該地區(qū)第四系松散層較厚,要想減小地面噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的干擾,可采取加深孔深。參考國(guó)內(nèi)大多數(shù)井下地震臺(tái)站測(cè)震井的監(jiān)測(cè)曲線看,該區(qū)地震監(jiān)測(cè)井的設(shè)計(jì)深度≥250m。1.2.2孔斜每百米孔深,孔斜不得超過(guò)1°。

1.2.3 孔徑

為滿(mǎn)足下井管及管外固井要求,孔徑≥250 mm 為宜。

1.3 成井要求

(1)擬用DN40鋼管做井管,外徑為146mm ,管壁厚≥4.5mm。井管最下端采用同規(guī)格的無(wú)磁性管材,長(zhǎng)度≥8m。井管采用絲扣加焊接的連接方式,確保井管連接平滑無(wú)臺(tái)階、密封性較好、不滲水。(2)井管與孔壁之間環(huán)狀間隙,灌注PO42.5水泥漿,確保井管與地層固結(jié)為一體。(3)監(jiān)測(cè)井必須是干井,井壁內(nèi)側(cè)及井底清潔無(wú)雜質(zhì),井管底部應(yīng)采用止逆閥,PO42.5水泥漿封底,其有效長(zhǎng)度為2-5m。(4)監(jiān)測(cè)井及井臺(tái)完工后,建立井房,井臺(tái)的修筑根據(jù)井房,預(yù)留足夠高度,井管至少露出地表1.5m,井房周邊預(yù)留不少于30 m2的空地。

2 地震監(jiān)測(cè)井的成井技術(shù)

監(jiān)測(cè)井的鉆井與成井技術(shù),與井位區(qū)域的地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)對(duì)地震監(jiān)測(cè)井的技術(shù)把控分不開(kāi)。近十年來(lái),我院在武漢、黃岡、監(jiān)利、丹江口等多個(gè)地區(qū)施工完成多口地震井,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。此次結(jié)合本區(qū)域情況,將其鉆井及成井工藝進(jìn)行優(yōu)化提升。

2.1 地震監(jiān)測(cè)井區(qū)域地質(zhì)概況

該井位位于潛江市浩口鎮(zhèn)宏博職業(yè)學(xué)校內(nèi),地處漢江與長(zhǎng)江之間位置,地形平坦開(kāi)闊,總體地勢(shì)是西北部略高、東南部略低,西北部胡家灣一帶地面高程35.2m,南部西大垸農(nóng)場(chǎng)一帶地面高程24.0m,平均地面高程在30m左右。地質(zhì)形態(tài)為由長(zhǎng)江、漢江、東荊河沖積堆積形成的一級(jí)階地,一般前緣高出后緣數(shù)米,地貌景觀總體為大平小不平。巖相顆粒由粗變細(xì),巖性由粉砂,粉土漸變?yōu)榉弁僚c粉質(zhì)粘土共存,再漸變?yōu)橛倌噘|(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土。構(gòu)造屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)江漢斷拗,新華夏構(gòu)造體系沉陷帶的一部分,地勢(shì)較為平緩,其主體框架在侏羅紀(jì)末期發(fā)生的燕山運(yùn)動(dòng)期間已成形。

綜上所述,江漢平原區(qū)第四系地層沉積成因較為復(fù)雜,巖性由粉砂,粉土漸變?yōu)榉弁僚c粉質(zhì)粘土共存,再漸變?yōu)橛倌噘|(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土,此類(lèi)地層鉆進(jìn)快,但孔壁穩(wěn)定性差。鉆進(jìn)中應(yīng)據(jù)地層情況,合理調(diào)節(jié)泥漿性能,確?？妆诓话l(fā)生坍塌或縮徑,以保持孔壁的穩(wěn)定性。

2.2 成井技術(shù)

2.2.1 監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)(如圖1所示)

圖1 監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 監(jiān)測(cè)井?dāng)M采用設(shè)備及成孔鉆進(jìn)施工方法

擬采用XY-44N型巖心鉆機(jī),配相應(yīng)的TBW600(6A)型泥漿泵。監(jiān)測(cè)井成孔鉆進(jìn),首先采用回次取芯鉆進(jìn)方法,查明下伏地層請(qǐng)具體情況,確定實(shí)際監(jiān)測(cè)井成孔深后,再采用Φ250mm三翼復(fù)金剛石復(fù)合金片鉆頭擴(kuò)孔至終孔深度。具體成孔鉆進(jìn)技術(shù)要求:

1)確定孔位

按設(shè)計(jì)給的監(jiān)測(cè)井坐標(biāo),測(cè)量人員到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣,確定孔位。施工前,施工人員實(shí)地踏勘,核實(shí)清楚現(xiàn)場(chǎng)地下電纜、光纜、管道以及地面高壓電線分布情況。2)場(chǎng)地整平

施工場(chǎng)地達(dá)到“三通一平”標(biāo)準(zhǔn),在鉆塔工作區(qū)域內(nèi)不允許有障礙物。鉆塔所處的地基必須平整、堅(jiān)實(shí),塔基處盡可能減少填方,其填方面積不得大于規(guī)定要求的1/4。鉆探施工區(qū)附近設(shè)置警示牌。

3)開(kāi)孔驗(yàn)收

進(jìn)場(chǎng)鉆機(jī)等設(shè)備、地質(zhì)管材等材料需提供相關(guān)合格質(zhì)量檢驗(yàn)證書(shū),檢查現(xiàn)場(chǎng)的安全措施方案和設(shè)備安裝、鉆機(jī)試車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、安全標(biāo)志牌和工人安全帽佩戴情況,復(fù)核孔位,報(bào)請(qǐng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)和項(xiàng)目負(fù)責(zé)檢查,符合要求簽署開(kāi)工審批表,方可開(kāi)工。4)井孔施工施工技術(shù)要求:

(1)采用回次取芯鉆進(jìn)方法,開(kāi)孔采用Φ150mm硬質(zhì)合金鉆具開(kāi)孔,開(kāi)孔輕壓慢鉆,鉆進(jìn)中要確保鉆孔垂直,要做到經(jīng)常檢查、校正,確保立軸、天車(chē)、孔口中心在同一條鉛垂線上,鉆井過(guò)程中,若遇地層破碎坍塌掉塊嚴(yán)重?zé)o法穿越,可使用套管護(hù)壁,Φ110mm鉆具鉆至終孔。鉆進(jìn)參數(shù):鉆頭壓力8～10k N,轉(zhuǎn)速50～60轉(zhuǎn)/分,泵量100～160升/分;當(dāng)?shù)貙訛榛鶐r時(shí),鉆頭壓力10～15k N,轉(zhuǎn)速180～220轉(zhuǎn)/分,泵量160～200升/分。

擴(kuò)孔成井時(shí),采用Φ250mm三翼復(fù)金剛石復(fù)合金片鉆頭鉆進(jìn),組合鉆具要配帶扶正器。鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓150kg/cm2、轉(zhuǎn)速90-120r/min、泵量60-80L/min,

沖洗液為普通泥漿,泥漿粘度20-25s,比重1.05～1.2kg/cm3,含砂量≤4%。

(2)巖心管的長(zhǎng)度一般為1.5～2.0m,加在巖心管上相應(yīng)規(guī)格的取粉管長(zhǎng)度為1.5～2.0m。1回次進(jìn)尺不能超過(guò)巖心管的長(zhǎng)度,回次終了停水干鉆10～15cm取芯;

(3)校正孔深:對(duì)從孔內(nèi)提出的鉆具用鋼尺逐根丈量進(jìn)行孔深校正,孔深最大允許誤差不得大于1‰

(4)孔斜檢測(cè):每鉆進(jìn)50m,就必須用KXP-2D多點(diǎn)數(shù)字羅盤(pán)測(cè)斜儀測(cè)量一次,每百米孔斜不得超過(guò)1°。

(5)巖芯采取率要求:第四系松散砂卵石層≥60%;粉砂層≥80%,基巖≥95%。

(6)巖芯擺放:提鉆后將巖芯管中的巖土芯及碎塊敲出按順序排列,對(duì)取出的巖芯及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄,對(duì)地層的埋藏深度、厚度、巖芯長(zhǎng)度、巖性名稱(chēng)等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。巖芯的地質(zhì)描述應(yīng)客觀、詳細(xì)。

(7)簡(jiǎn)易水位觀測(cè):鉆進(jìn)過(guò)程中,時(shí)刻關(guān)注初見(jiàn)水位、靜止水位、穩(wěn)定水位、漏水和涌水及其它異常情況觀測(cè)工作。

(8)沖孔換漿:充分利用鉆機(jī)上的裝備,將鉆桿下放到近孔底,用大泵沖孔排巖碴,待孔內(nèi)巖碴排凈后,可使孔內(nèi)沖洗液的粘度降低到18～20s;密度降低到1.1～1.15g/cm3。

(9)探孔測(cè)定:下管前進(jìn)行探孔,探孔器直徑比孔徑小50～80mm,長(zhǎng)度為2.5～4.0m。經(jīng)探孔確認(rèn)鉆孔圓直、暢通無(wú)阻后,才可下管。

2.2.3 監(jiān)測(cè)井井管安裝方法

監(jiān)測(cè)井成孔工作完成后,井管安裝采用直接提吊法,為保證井管安裝質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求(管壁內(nèi)光滑、密封),連接采用外接箍焊接方式連接,焊接方法采用二氧化碳保護(hù)焊連接,管箍外套熱縮膠管,采用熱熔機(jī)將熱縮膠管密封。(如圖2井管連接示意圖)具體施工技術(shù)要求:

圖2 井管連接示意圖

1)井管采購(gòu)要求:井管規(guī)格、長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求,井管材質(zhì)要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2)井管吊放安裝前要下探孔器探孔,確定孔內(nèi)無(wú)阻礙后方能進(jìn)行井管安裝。

3)下管前,應(yīng)檢查每一根管身有無(wú)損傷變形,底部止逆托盤(pán)的止逆閥密封情況。

4)井管安裝下放過(guò)程中如遇阻力,要查明原因及時(shí)排除后方可繼續(xù)下管,嚴(yán)禁強(qiáng)行墩、壓井管。

5)井管安裝時(shí)管端要按要求涂抹密封膠或油漆,外箍焊接時(shí)要專(zhuān)人檢查焊縫質(zhì)量,并在管內(nèi)注水檢查接頭密封情況。

6)井管每50米安裝一組對(duì)中器,確保固井注漿時(shí)管壁環(huán)狀間隙厚度均勻。

7)下部安裝儀器部位所用井管材料要保證無(wú)磁性,長(zhǎng)度8 m。

2.2.4 監(jiān)測(cè)井水泥固井方法

監(jiān)測(cè)井固井采用水泥壓力注漿方式注漿固井,水泥漿現(xiàn)場(chǎng)拌制,經(jīng)注漿泵和注漿管道填充監(jiān)測(cè)井管外部和孔壁的環(huán)狀間隙,達(dá)到固井的目的。詳見(jiàn)注漿示意圖,具體注漿固井技術(shù)要求:

1)井管安裝完畢后,在井管內(nèi)下放安裝注漿管(Φ50mm鉆桿),注漿管連接處加裝密封圈,防止注漿時(shí)漏漿。

2)注漿前,檢查注漿設(shè)備狀況確保注漿工作的連續(xù)性。

3)注漿時(shí)先注清水檢查注漿管和止逆托盤(pán)連接的密封情況,確定連接處不漏水時(shí)方可注入水泥漿。

4)注漿水灰比控制:原則上注漿漿液濃度由稀到稠,注漿正常后漿液水灰比0.5。

5)注漿量計(jì)算:V漿=(π/4)(D2-d2)hk

式中:V漿-固井所需注漿量m3。

D-鉆孔直徑m。

d-井管外徑m。

h-鉆孔深度m。

k-超徑系數(shù),松散層取1.3～1.5。

6)PO42.5水泥用量計(jì)算:m =1/(0.5+1/P水泥)

式中:m-單位體積水泥用量kg/cm3。

P水泥-干水泥密度kg/cm3,一般取3.1。

7)水泥漿拌制要有專(zhuān)人負(fù)責(zé),拌制的原漿要過(guò)篩,濾除水泥漿中好的雜質(zhì),防止堵塞注漿管。

8)在注漿過(guò)程中,如出現(xiàn)發(fā)生孔內(nèi)漏失注漿量超過(guò)理論注漿量時(shí),應(yīng)繼續(xù)注漿并調(diào)整水灰比,直至稠漿返出孔口方可停泵閉漿,候凝72 h 。

9)管外固井注漿結(jié)束后,反轉(zhuǎn)注漿管使其和止逆托盤(pán)脫離,進(jìn)行管內(nèi)封底注漿。(如圖3固井注漿示意圖)

圖3 固井注漿示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)采用井下進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)可以有效降低地面噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的干擾,提高地震監(jiān)測(cè)的精確性,為地震速報(bào)和開(kāi)展地震研究工作提供科學(xué)、準(zhǔn)確的第一手資料。

(2)地震監(jiān)測(cè)井的設(shè)計(jì)選址、井深、井徑、井斜、固井、井內(nèi)干燥等技術(shù)要求,應(yīng)該結(jié)合井位地質(zhì)情況合理設(shè)計(jì),并根據(jù)實(shí)際情況采用行之有效的鉆進(jìn)及成井工藝,以確報(bào)地震監(jiān)測(cè)井的施工技術(shù)要求。

(3)江漢平原區(qū)地震監(jiān)測(cè)井采用回次取芯鉆進(jìn)方法,確定實(shí)際監(jiān)測(cè)井成孔深后,再采用Φ250mm三翼復(fù)金剛石復(fù)合金片鉆頭擴(kuò)孔至終孔深度的工藝方法,可確保井孔垂直度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(4)水泥漿封底、管外固井是確保成井為干井且監(jiān)測(cè)井不滲水重要主措。井管底部8 m的無(wú)磁性鋼管,可防止對(duì)地震監(jiān)測(cè)儀的磁性干擾;井管間的連接采用外接箍焊接方式連接,焊接方法采用二氧化碳保護(hù)焊連接,管箍外套熱縮膠管,采用熱熔機(jī)將熱縮膠管密封,可有效防止了地下水的滲入;采用水泥漿固井技術(shù)來(lái)處理井管與孔壁之間環(huán)狀間隙,保證了井管的穩(wěn)定性,使井管與地層固結(jié)為一體,從而達(dá)到了優(yōu)良的固井質(zhì)量。