钾盐矿钻井法施工中壁后充填材料试验研究

王建中，徐长磊，崔传杰

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

受成矿机理的影响，钾盐矿上覆地层主要为第四系覆盖层及强风化泥岩层、中等风化泥岩层、具有溶解性的盐岩层及易溶性光卤石层，围岩类别基本属于Ⅳ～Ⅴ级；其水文条件复杂，多为裂隙含水层或承压裂隙含水层，水质矿化度高，且随深度增加而提高，深部均为高浓度盐水。钻井法在淡水环境中的钻井掘进技术已非常成熟，在国内已完成150余条井筒的施工，但在高浓度盐水中的施工工艺尚无先例。通过本试验研究，可为钾盐矿采用钻井法凿井施工提供借鉴。

钻井法壁后充填是在预制井壁下沉到底后，采用充填材料将位于井壁与井帮之间的钻井洗井泥浆置换出来，为避免钾盐矿中的盐岩层被溶解，钾盐矿中的钻井洗井泥浆为富含盐的溶液。壁后充填有两个作用：①固定井壁，防止井壁倾斜及下部基岩施工时井壁下滑；②隔离上部含水层，保证下部工程在破底延深时的安全。基于上述原因，充填材料应有一定的强度以及较高的置换率，为保证壁后充填效果，充填材料相对密度不小于1.6，且须大于钻井洗井泥浆0.4以上[1]。

2 试验

2.1 试验目的

本试验主要研究盐水环境下壁后填充材料的力学性能和强度发展规律，其目的在于确定合适的钾盐矿钻井法壁后充填材料。

2.2 试验材料及设备

壁后充填材料主要有3种：水泥浆、水泥砂浆和抛石+注浆，3种材料各有优缺点。考虑到钾盐矿的特殊工况，以及水泥浆具有强度高、渗透性好、充填密实等优点，试验中选用水泥浆作为研究对象。

水泥浆的强度主要受水泥种类、拌和用水、养护条件和养护时间的影响，各影响因素见表1。

表1 水泥浆强度影响因素表

注：水泥强度等级为42.5，水灰比均为0.5。

表2 盐水配比表 %

注：溶液a、b、c为饱和盐水溶液。

按照表2中的盐水配方，试验中自制了6个盐水养护箱，试块采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的金属试模进行浇筑，见图1和图2。

图1 盐水养护箱

图2 标准试模

2.3 试验方案

钾盐矿钻井法壁后充填材料的主要作用是置换洗井液和固定井壁，要求该材料具有一定的强度和耐久性，据此确定试验的主要内容为：(Ⅰ)由淡水拌制的水泥浆试块在盐水养护和标准养护下的强度及其增长规律；(Ⅱ)由盐水拌制的水泥浆试块在标准养护下的强度及其增长规律。

试验(Ⅰ)中，共计7种养护条件，对应3、7d和28d的强度，海工水泥、普通水泥分别需要21组试验。

试验(Ⅱ)中，共计6种拌和盐水。但因为含有镁盐的c溶液和c′溶液与水泥浆的水化产物，主要发生以下化学反应[2]：

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

MgCl2+Ca(OH)2+2H2O=CaCl2·2H2O+Mg(OH)2

上述化学反应在30s内完成，同时释放出大量的热量，生成的氢氧化镁松软且无胶凝能力，氯化钙易溶于水，二水硫酸钙为膨胀性多孔固体。化学反应生产的混合物呈粘稠蓬松状难以搅拌的特性，见图3，入模静置一周后试块仍不能固结、拆模，因此不再继续进行镁盐溶液的试验。据此，参与试验(Ⅱ)的盐溶液只有4种，对应3、7d和28d的强度，海工水泥、普通水泥分别需要12组试验。

基于上述要素，对试验规划汇总，详见表3。

图3 MgCl2盐水与水泥浆搅拌30s时的状态图

3 试验及结果分析

3.1 试验数据

淡水水泥浆试验共计42组，对原始数据进行整理分析，试验结果见表4、图4和图5。

表3 水泥浆强度试验规划表

表4 淡水浇筑试块强度表 MPa

图4 淡水浇筑海工水泥强度增长图

图5 淡水浇筑普通水泥强度增长图

盐水水泥浆试验共计24组，对原始数据进行整理分析，试验结果见表5、图6和图7。

表5 盐水浇筑试块强度表 MPa

图6 盐水浇筑海工水泥强度增长图

图7 盐水浇筑普通水泥强度增长图

3.2 试验结果分析

分析表4、图4和图5可知，淡水水泥浆试块具有以下特点。

(1)标准养护条件下的试块强度。相较于盐水养护环境，标准条件养护下的试块强度基本为最大值。海工水泥的早期强度增速较低，普通水泥的后期强度增速较低，两者28d的强度接近，相差仅0.2MPa。

(2)盐水对试块强度的影响。盐水中的试块强度增长规律与标养中的规律一致。表4中，“标养”和“盐水养护均值”的3、7d和28d强度，对于海工水泥，两者分别相差0.7、5.1MPa和4.1MPa；对于普通水泥，两者分别相差0.1、2.9MPa和3.4MPa。因此盐水对海工水泥的影响更大，但影响值在降低，影响趋势在减缓。分析认为这是因为海工水泥的早期强度较低，更容易受到盐水的侵蚀；但海工水泥具有较好的耐久性，更容易保证试块的后期强度。

(3)浓度不同的盐水对试块强度的影响。高浓度盐水对试块强度的影响更大，但除c溶液，即饱和MgCl2溶液外，两种水泥的差异不明显。c′溶液，即半饱和MgCl2溶液对海工水泥的影响更大，与标养下试块的强度相差7.5MPa，与普通水泥的28d强度相差5.7MPa；c溶液对两种水泥均产生了较大的影响，与7d强度相比，28d的试块强度均出现减小，其中海工水泥的试验无效(最大值为9.6MPa，最小值为16.8MPa)，普通水泥的强度减小了2.8MPa。

分析表5、图6和图7可知，盐水水泥浆试块具有以下特点。

(1)强度增长规律。两种水泥的强度基本呈线性规律增长，说明盐水对水泥浆的早期强度影响较大，而试块的后期强度在标养环境下快速增加。与盐水养护中的试块相比，半饱和溶液浇筑的试块在28d的强度：对于海工水泥，两者相差仅0.1MPa；对于普通水泥，两者相差仅0.55MPa。分析认为这主要是由养护条件和盐水侵蚀两方面的因素决定的。

(2)浓度相同的盐水对试块强度的影响。对于半饱和盐水，海工水泥的强度普遍大于普通水泥的强度，平均相差3.0MPa；对于饱和盐水，海工水泥的强度普遍小于普通水泥的强度，平均相差3.5MPa。这说明海工水泥更容易受到环境的影响，良好的养护环境对其强度增长有正面促进作用，盐水环境对其强度增长有负面抑制作用，这与海工水泥的颗粒细度更小，更容易发生充分的反应有关。

(3)浓度不同的盐水对试块强度的影响。饱和盐水对试块强度的影响很大，与半饱和试块相比，两者的差值比较一致，平均相差8.8MPa。

4 结语

综上所述，通过本试验得到以下认识。

(1)海工水泥虽然具有更好的耐久性，但其早期强度太低，相较于普通硅酸盐水泥更容易受到盐水的侵蚀，影响了水泥浆后期强度的进一步增长，因此提高海工水泥的早期强度可以有效预防盐水的侵蚀。

(2)混入水泥浆的高浓度盐水对其强度影响很大，低浓度盐水对其强度影响相对较小。因此在提高泥浆置换率的同时，降低护壁泥浆中的盐水浓度也可以有效地提高壁后充填材料的强度。

(3)除饱和MgCl2溶液(光卤石的主要成分)外，盐水养护环境对水泥浆短期强度的影响相对较小。水泥浆在饱和MgCl2溶液中，或MgCl2溶液混入水泥浆中，对水泥浆的最终强度都有很大的影响。因此钻井法的护壁泥浆不允许混入MgCl2溶液；同时在光卤石所对应的盐岩部位需采用有效的防腐措施以减小水泥浆的腐蚀。

(4)壁后充填材料既要有一定的强度，还应有可靠的耐久性。如具备条件，还应对充填材料的耐久性进行研究。

(5)受条件所限，试验结论尚待实际工程的验证。

[参考文献]

[1] 洪伯潜，刘志强，姜浩亮．钻井法凿井井筒支护结构研究与实践[M]．北京：煤炭工业出版社，2015.

[2] 汪 澜．水泥工程师手册[M]．北京：中国建材工业出版社，1997.