CN105134219A - 软岩地层冻结井筒井壁施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，包括如下步骤：(1)井壁设计；(2)外壁施工；(3)内壁施工；(4)井壁注浆。本发明能够大大减少了井壁厚度，降低施工成本；加快成井速度，并且安全、可靠。

Description

软岩地层冻结井筒井壁施工工艺

技术领域

本发明涉及冻结井筒施工领域，特别涉及一种软岩地层冻结井筒井壁施工工艺。

背景技术

当前冻结井壁采用双层井壁结构设计，外层井壁荷载根据冻结压力计算、内层井壁荷载按照地面为静水位的水压设计，井壁总体荷载按照水土压力校核，特殊地层设计过程中适当考虑负摩擦力作用。根据这一设计原则，井壁厚度与深度和井径成正相关，由于近年来井筒深度的增加与井径的扩大，造成井壁厚度明显增大，施工成本大大提高，而且随着煤炭开采的深度不断加大，井壁厚度有不断增加的趋势，直至无法施工。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种能够大大减少井壁厚度且同时提高井筒断面的利用率的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，不仅可以降低施工成本，而且降低了施工成本，加快本发明提供了一种针对不同地层性质冻结井筒井壁结构与施工工艺方法，该结构与方法能够大大减少了井壁厚度，降低施工成本，从而使施工安全可靠。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，包括如下步骤：

(1)井壁设计；

(2)外壁施工；

(3)内壁施工；

(4)井壁注浆。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，所述步骤(1)包括如下步骤：

(a)对地质、设计部门提供的地质资料进行研究分析，形成针对地层性质的研究报告；

(b)根据步骤(a)中所得研究报告针对每个地层设计出适合所述地层的功能性井壁结构。现有冻结井壁设计大多采用双层复合井壁，即外壁+内壁，其中，外壁属于临时支护，按承载冻结压力设计，主要功能是抵抗冻结壁对井壁的压力，内壁属于永久支护，按照以地面标高为基准的静水压力设计，主要功能是为了抵抗地下水压，防止地下水涌入井筒内，但不同地层所适用的井壁结构也不相同，而现有冻结井壁通常采用整体设计，并不按照地层地质性质的差异设计井壁结构，在不影响正常施工进度的前提下，本工艺采用根据地层的地质性质设计适合该地层的功能性井壁结构，例如，含水层中井壁结构应具有承载冻结压力(临时荷载)、防水与永久承载地压(永久荷载)的功能，而隔水层中井壁仅具有承载冻结压力(临时荷载)与永久地压(永久荷载)的功能即可。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，步骤(2)包括如下步骤：

(i)按照步骤(b)设计出的井壁结构采用短段掘进工艺挖掘外壁；

(ii)在挖掘外壁的同时设置应力与应变传感器，测量外壁的应力与应变，并根据步骤(b)中设计井壁时所确定的外壁的应力与应变的阈值确定内壁施工时机；井段外壁的应力与应变随着井筒深度的变化而变化，而内壁需要对外壁产生有效支撑才能保证井筒质量，过早进行内壁施工，则外壁发生形变时会对内壁产生较大的挤压力，从而造成内壁的变形，甚至可能造成内壁崩塌，而过晚进行内壁施工，会造成无法对外壁产生有效支撑，导致外壁破坏。

(iii)在砌筑内壁的过程中，在隔水层位置埋设注浆管。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，步骤(3)包括如下步骤：

(I)根据步骤(a)中所得的研究报告选择隔水层并设置内壁接茬位置；

(II)按照步骤(b)设计出的井壁结构进行内壁砌筑施工；

(III)在砌筑内壁的同时，在内壁与外壁之间设置温度传感器，当外壁与内壁之间的温度为0～4℃时进行外壁与内壁之间的注浆施工。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，步骤(4)包括如下步骤：

(A)根据步骤(III)中所监测得到的数据，确定内壁与外壁之间以及隔水层的注浆时间；由于壁间注浆时间对注浆效果影响较大，主要表现在：注浆时间早，冻结壁化冻范围有限，注浆空间有限，效果差，注浆时间晚，冻结壁融化，井壁漏水将会影响后续施工，影响建井工期甚至危及井筒安全。通过埋设温度传感器，对冻结井筒自然融化规律进行实测分析后，选择合适的壁间注浆时间，本工艺优选外壁与内壁之间的温度为0～4℃时对内壁与外壁之间以及隔水层进行注浆；

(B)按照步骤(A)中所确定的注浆时间向内壁与外壁之间以及隔水层注浆。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，内壁施工时，所述内壁上设有壁后注浆管，所述壁后注浆管的一端设在地层与所述内壁之间，所述壁后注浆管的另一端设有阀门且位于所述内壁内侧。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，内壁施工时，所述内壁上设有壁间注浆管，所述壁间注浆管的一端设在所述内壁与所述外壁之间，所述壁间注浆管的另一端设有阀门且位于所述内壁的内侧。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，所述外壁的下端位于所述内壁下端的上方，所述外壁位于所述内壁与地层之间。

上述软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，所述外壁的厚度小于所述内壁的厚度。

本发明的有益效果是：

1.本发明在相同的井径和井深条件下，能够大大减薄内壁厚度，减少土方开挖量，节约大量砼量，从而降低成本。

2.本发明通过改变井壁设计思路与井壁结构以及施工工艺，将传统的单一功能井壁设计改为按地层性质设计多功能井壁结构，可以降低施工成本并提高成井速度。

附图说明

图1为本发明软岩地层冻结井筒井壁施工工艺中外壁施工示意图；

图2为本发明软岩地层冻结井筒井壁施工工艺中内壁施工示意图；

图3为本发明软岩地层冻结井筒井壁施工工艺中外壁和内壁及井筒的结构示意图。

图中：1-含水层层；2-隔水层；3-外壁；4-内壁；5-壁间注浆管；6-阀门；7-冻结井筒；8-壁后注浆管。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

如图1～3所示，采用本发明对软岩地层地区的冻结井筒井壁进行施工，包括如下步骤：

(1)对地质、设计部门提供地质资料进行研究分析，确定地层中含水层1、隔水层2等地质层的分布状况以及各地质层的性质，依据井筒冻结段深浅形成针对地层性质的研究报告，研究报告中要对各个地层的性质进行详细说明，以供井壁设计需要，施工人员根据上述研究报告对冻结井筒井壁进行分段设计，设计出符合每段冻结井筒设计要求的井壁；现有冻结井壁设计大多采用双层复合井壁，即外壁+内壁，其中，外壁属于临时支护，按承载冻结压力设计，主要功能是抵抗冻结壁对井壁的压力，内壁属于永久支护，按照以地面标高为基准的静水压力设计，主要功能是为了抵抗地下水压，防止地下水涌入井筒内，但不同地层所适用的井壁结构也不相同，而现有冻结井壁通常采用整体设计，并不按照地层地质性质的差异设计井壁结构，在不影响正常施工进度的前提下，本工艺采用根据地层的地质性质设计适合该地层的功能性井壁结构，例如，含水层中井壁结构应具有承载冻结压力(临时荷载)、防水与永久承载地压(永久荷载)的功能，而隔水层中井壁仅具有承载冻结压力(临时荷载)与永久地压(永久荷载)的功能即可，例如适用于隔水层的功能性井壁结构中外壁3及内壁4的厚度以及施工用材料与其他地层的外壁3和内壁4的厚度及施工用材料存在差异，而针对不同地层设计不同的功能性井壁结构有利于降低井壁厚度，进而有利于减少砼量，加快施工进度；

(2)根据步骤(1)设计的冻结井筒井壁结构采用短段掘进工艺挖掘外壁3，并且在挖掘外壁3的同时设置应力与应变传感器，用所述应力与应变传感器和地面监控系统相结合对外壁3的应力与应变进行监控，并根据步骤(b)中设计井壁时所确定的外壁3的应力与应变的阈值确定内壁4施工时机，以确保内壁4对外壁3起到有效支撑，又能控制冻结井筒井壁的整体厚度，并且在砌筑内壁4的过程中，还要在隔水层2位置埋设壁后注浆管5，且所述壁后注浆管5的一端设在地层与内壁4之间，所述壁后注浆管5的另一端设有阀门6且位于内壁4内侧，所述壁后注浆管5用于外壁3、内壁4与地层间的注浆；其中，选择内壁4施工时机尤为重要，原因在于：井段外壁3的应力与应变随着井筒深度的变化而变化，而内壁4需要对外壁3产生有效支撑才能保证井筒质量，过早进行内壁4施工，则外壁3发生形变时会对内壁4产生较大的挤压力，从而造成内壁4的变形，甚至可能造成内壁4崩塌，而过晚进行内壁4施工，会造成无法对外壁3产生有效支撑，而且会导致外壁被破坏，在做好充分的研究分析以及完善的设计结构的基础上，通过应力与应变传感器对外壁3的应力与应变变化的实时监控，使得施工人员能够根据设计井壁时所确定的外壁3应力与应变阈值确定内壁4的施工时机；

(3)根据步骤(1)中所形成的地质研究报告选择隔水层2并设置内壁4接茬位置，然后砌筑内壁4，同时在内壁4与外壁3之间设置温度传感器，以对内壁4与外壁3之间的温度进行监测，然后根据实际施工环境的情况以及冻结井筒井壁性能及质量要求，确定内壁4与外壁3之间的注浆时间；并且在进行内壁4砌筑施工的同时，在内壁4上设置壁间注浆管8，且所述壁间注浆管8的一端设在内壁4与外壁3之间，所述壁间注浆管8的另一端设有阀门6且位于内壁4的内侧；

(4)根据步骤(3)中所监测得到的数据，确定内壁4与外壁3之间以及隔水层2的注浆时间；由于壁间注浆时间对注浆效果影响较大，主要表现在：注浆时间早，冻结壁化冻范围有限，注浆空间有限，效果差，注浆时间晚，冻结壁融化，井壁漏水将会影响后续施工，影响建井工期甚至危及井筒安全。通过埋设温度传感器，对冻结井筒自然融化规律进行实测分析后，选择合适的壁间注浆时间，本工艺优选外壁3与内壁4之间温度为0～4℃时进行内壁4与外壁3之间以及隔水层2进行注浆。

而为了使内壁4对外壁3产生有效的支撑，外壁3的下端位于包裹该段外壁3的内壁4的下端的上方，即外壁3与内壁4的接茬位置设在隔水层2上。选择隔水层2作为设置外壁3和内壁4接茬位置所在地层，可以减少井筒内的漏水量，进而有利于后续施工的进行。而且根据施工需求，外壁3的厚度可以小于同深度的内壁4的厚度，以便外壁3发生变形时外壁3的变形量不会对内壁4产生较大的影响。

对于软岩地层冻结井筒井壁的施工，首先要对冻结井筒所处位置的地层条件进行充分调研，并依据调研结果以及冻结井筒的井筒净直径和埋深来确定井壁的设计结构及其形式和砌壁工艺。而本发明基于对冻结井筒开挖地层充分研究，设计出符合该冻结井筒的井筒净直径与埋深的井壁结构，该井壁结构随着井筒深度的变化而不同，使得该井壁结构在保证冻结井筒井壁质量以及冻结井筒整体质量的同时，还能减薄井壁厚度，从而降低施工成本并提高成井速度。

通过实际施工统计，采用本发明软岩地层冻结井筒井壁施工工艺对软岩地层进行井筒钻进和井壁砌筑，井壁厚度下降了8～15％，成本降低了10～20％，而施工速度则提高了5～10％，采用本发明进行软岩地层冻结井筒井壁施工，可以有效减薄冻结井筒的井壁，节约大量的砼量，从而降低井壁的砌筑成本。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)井壁设计；

(2)外壁施工；

(3)内壁施工；

(4)井壁注浆。

2.根据权利要求1所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，所述步骤(1)包括如下步骤：

(a)对地质、设计部门提供的地质资料进行研究分析，形成针对地层性质的研究报告；

(b)根据步骤(a)中所得研究报告针对每个地层设计出适合所述地层的功能性井壁结构。

3.根据权利要求2所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：

(i)按照步骤(b)设计出的井壁结构采用短段掘进工艺挖掘并砌筑外壁(3)；

(ii)在挖掘外壁(3)的同时设置应力与应变传感器，测量外壁(3)的应力与应变，并根据步骤(b)中设计井壁时所确定的外壁(3)的应力与应变的阈值确定内壁(4)施工时机；

(iii)在砌筑内壁(4)的过程中，在隔水层(2)位置埋设注浆管。

4.根据权利要求3所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，步骤(3)包括如下步骤：

(I)根据步骤(a)中所得的研究报告选择隔水层(2)并在隔水层(2)设置内壁(4)与外壁(3)的接茬位置；设置内壁(4)接茬位置；

(II)按照步骤(b)设计出的井壁结构进行内壁(4)砌筑施工；

(III)在砌筑内壁(4)的同时，在内壁(4)与外壁(3)之间中设置温度传感器，当外壁(3)与内壁(4)之间的温度为0～4℃时进行外壁(3)与内壁(4)之间的注浆施工。

5.根据权利要求4所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，步骤(4)包括如下步骤：

(A)根据步骤(III)中所监测得到的数据，确定内壁(4)与外壁(3)之间以及隔水层(2)的注浆时间，先进行壁间注浆然后再进行壁后注浆；

(B)按照步骤(A)中所确定的注浆时间向内壁(4)与外壁(3)之间以及隔水层(2)注浆。

6.根据权利要求2～5任一所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，内壁(4)施工时，所述内壁(4)上设有壁后注浆管(5)，所述壁后注浆管(5)的一端设在地层与所述内壁(4)之间，所述壁后注浆管(5)的另一端设有阀门(6)且位于所述内壁(4)内侧。

7.根据权利要求2～5任一所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，内壁(4)施工时，所述内壁(4)上设有壁间注浆管(8)，所述壁间注浆管(8)的一端设在所述内壁(4)与所述外壁(3)之间，所述壁间注浆管(5)的另一端设有阀门(6)且位于所述内壁(4)的内侧。

8.根据权利要求7所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，所述外壁(3)的下端位于所述内壁(4)下端的上方，所述外壁(3)位于所述内壁(4)与地层之间。

9.根据权利要求8所述的软岩地层冻结井筒井壁施工工艺，其特征在于，所述外壁(3)的厚度小于所述内壁(4)的厚度。