钻井法凿井壁后充填对竖向附加力的影响

　　摘　要　钻井法凿井由于它的工艺特点，井壁悬浮下沉安装后，与地层之间大部分隔着1层粘结性很差、强度很低的水泥浆充填物或呈饱和状态自然堆积的碎石与泥浆的混合物，它与井壁之间的摩阻力小于其它方法施工的井筒与地层之间的摩阻力。通过模型试验数据，论述了不同壁后充填条件下井壁与地层之间摩阻力的大小，提出了在充分考虑井筒延深或开凿马头门安全的前提下，应根据地层条件进行合理的充填段划分，并采用相应的充填材料和工艺，以减小地层下沉作用于井壁的竖向附加力。

　　关键词　钻井法凿井　壁后充填　竖向附加力　模型试验

　　钻井法凿井壁后充填起到隔断钻孔范围内各含水层之间的水力联系、固定井筒、防止在延深或开凿马头门时井筒下滑的作用，从钻井法凿井开始应用壁后充填以来，一直是人们研究的基本内容，从充填材料选择到充填工艺改进，都是围绕着这个目的进行的。20多年来，为了提高深井的壁后充填质量，先后研究改进了充填管的联接方式，钢丝绳导向下放充填管，传感器监视充填管折断等许多措施，以保证充填管完好到位；研究第1段高内管充填及工作面二次注浆充填来保证第1段高的充填质量，以及使用散装水泥为主体的充填机械化系统等。这些成果对提高钻井法凿井的成井质量起了关键的作用。

1　钻井法凿井壁后充填功能的新认识

　　近年来，徐淮地区用钻井法施工的少数井筒在投入正常使用后多年(最长的达15a)，井壁相继发生局部破裂现象。经研究探讨认为，该地区地层构造具有特殊性，表土含水地层与基岩有水力联系，巷道掘进后，表土层中水大量泄入井下，导致含水层水位下降，地层大面积下沉，土层与井壁之间产生相对滑移的阻力，并以竖向附加力的形式作用于井壁，它和自重、地层压力等荷载组合后，使井壁的某一方位的应力或应变超过材料强度极限值，使得井壁产生破裂。综合分析各井筒的井壁破裂情况，发现在同一地区，用钻井法施工的井筒井壁破裂的时间晚于冻结法施工的井筒，破坏程度也相对较轻。比较两者之间的条件差异，突出的一点是：钻井井壁与地层之间，除第1段高经工作面注浆的部分外，其余部分均隔着1层粘结性很差、强度很低的水泥浆充填物或呈饱和状态自然堆积的碎石与泥浆的混合物，它们与井壁之间有一定的摩阻力，但要小于冻结井筒井壁与土层间的摩阻力。竖向附加力的发现和分析，也使人们对钻井法凿井壁后充填层的作用有了更全面的认识。希望在保证井筒延深或掘凿马头门时井壁整体不产生下滑的前提下，尽量减小充填层与井壁、地层之间的摩阻力，以达到减缓因地层下沉作用于井壁的附加力。

2　充填层与井壁的材料摩擦系数

　　钻井法凿井壁后充填材料，由于它所处的条件甚为特殊，例如：碎石充填层是碎石和泥浆的混合体；其它充填材料与井壁之间都存在1层干湿不同的泥皮。这种条件下材料之间的摩擦系数和粘着力是难于在一般物理学和地基工程资料上查到的，只能根据物理学的基本方法试验求得。静摩擦力是两个相接触的物体，当其接触表面之间有相对滑动的趋势同时又保持相对静止时，彼此作用着的相对滑移阻力。其大小和方向随主动力的情况而改变，大小介于零和最大值之间，力的方向与相对滑移的方向相反。静摩擦力的最大值F_max和法向反力N的大小成正比，或者说和正压力的大小成正比，即

F_max=fN

(1)

式中：f为比例常数，称静滑动摩擦系数(简称静摩擦系数)，它与接触物体的材料及表面情况如粗糙度、温度和湿度有关，而与接触面的大小无关。根据这个原理，结合井壁与充填物之间的具体条件，曾采用倾角式测量架及牵拉式测量架进行多种条件下钻井法凿井壁后充填层与井壁、地层间的摩阻力测定。结果发现，牵拉式测量架更适合于壁后充填材料的测定。
　　牵拉式测量架(图1)由底盘、定滑轮、加载桶、牵拉线及加砂器等组成,底盘内放置试验物(1),并创造界面条件，上面放试验物(2)，固定牵拉线通过定滑轮(可调整适应牵拉线的方位)，另一端悬挂加载桶。

图1　牵拉式测量架

1—试验物(2)；2—试验物(1)；3—牵拉线；4—定滑轮；
5—加砂器；6—底盘；7—细砂；8—加载桶

　　试验时用加砂器缓慢向桶内加入细砂(标准砂)，直至试验物(2)开始向前滑动，分别称得试验物(2)实际重量Q(因试验时界面含水变化，可能改变试验物(2)的重量)和加载桶的总重量(含砂)W，如两物体之间无粘着力，由试验物(2)的水平力平衡方程可求得最大静摩擦力F_max等于开始滑动前的牵拉力(W)，即F_max=W，F_max=Qf,则所求摩擦系数为

f=W/Q

(2)

　　实际上试验中的摩阻力F包括摩擦力和粘着力两部分，试验采用以下方法分别求得：在同样的物体材料和界面条件下变换物体(2)的重量，使其分别为Q₁和Q₂。因此，力的平衡式有如下关系，即

(3)

式中：S为二物体之间的粘着力。

　　由式(3)得

f=(F₂-F₁)/(Q₂-Q₁)

(4)

再将f值代入联立方程之一，求得S值。试验结果见表1。

表1　摩阻力试验结果