地面預(yù)注漿技術(shù)在治理斷層破碎帶區(qū)域中的應(yīng)用分析

王曉冬 袁剛

摘 要：本文詳細(xì)分析具體案例，介紹了斷層破碎帶的地質(zhì)特征，分析了地面預(yù)注漿的基本原理和技術(shù)控制措施，并結(jié)合工程案例，探討了地面預(yù)注漿技術(shù)在治理斷層破碎帶中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地面預(yù)注漿；施工；斷層破碎帶

引言

根據(jù)其構(gòu)造巖的不同，斷層破碎帶呈現(xiàn)不同的特征，然而，斷層破碎帶在工程應(yīng)用中多表現(xiàn)出性能差這一特點(diǎn)，而實際工程中，又不可避免的面對斷層破碎帶。為了滿足工程的施工質(zhì)量和使用要求，當(dāng)遇到斷層破碎帶時需要采取措施對其進(jìn)行處理。地面預(yù)注漿技術(shù)就是經(jīng)常使用的措施之一。

1.斷層破碎帶的地質(zhì)特征

斷裂帶具有斷層核（fault core）和破碎帶（damage zone）典型的二元結(jié)構(gòu)。斷層核是指由滑動面（slip surfaces）、構(gòu)造透鏡體（lens）和斷層巖[斷層泥（gouge）、斷層角礫巖（breccia）、碎裂巖（cataclasite）和泥巖涂抹（clay smear）]組成的剪切帶[1，4-8]。破碎帶指斷層核兩側(cè)的低序次構(gòu)造（次級斷層、裂縫、變形帶和巖脈等）切割圍巖形成的滲透率異常區(qū)。Kim等將破碎帶分為圍巖破碎帶（wall damage zone）、連接破碎帶（linkage damage zone）和端部破碎帶（tip damage zone）。由于斷層核、破碎帶與母巖間的物性具有一定差異，使斷裂在低-非孔隙性巖石和高孔隙性巖石中的表現(xiàn)形式明顯不同，使其對儲層物性具有相反的改造作用。致密巖層（孔隙度小于15%）中發(fā)育的斷裂，斷層巖為斷層角礫巖和斷層泥，破碎帶發(fā)育大量裂縫，隨著離斷層核距離增加裂縫密度越來越小，當(dāng)裂縫密度與區(qū)域裂縫密度一致時，標(biāo)志著破碎帶終止[3]，無內(nèi)聚力的斷層角礫巖比母巖滲透率提高1～5個數(shù)量級，破碎帶比母巖滲透率提高1～7個數(shù)量級[15]；高孔隙性（孔隙度大于15%）巖石中的斷裂，斷層巖為碎裂巖系列，破碎帶中發(fā)育變形帶，即在局部壓實、膨脹或剪切的作用下，由顆?；瑒印⑿D(zhuǎn)以及破碎形成的帶狀微構(gòu)造，破碎帶內(nèi)變形帶的發(fā)育規(guī)律與低孔隙巖層中裂縫的發(fā)育規(guī)律相似，即隨著離斷層核距離增加變形帶密度越來越小，當(dāng)變形帶密度與區(qū)域變形帶密度一致時，標(biāo)志著破碎帶終止。變形帶與裂縫相比，其為流體運(yùn)移的遮擋物，而裂縫通常為流體運(yùn)移通道。斷裂的位移和斷裂帶厚度普遍表現(xiàn)為正相關(guān)，這種正相關(guān)性代表了一種生長趨勢，一個小位移斷層隨著位移的增大將會逐漸變寬。Childs等研究表明，位移為100m的斷層，伴生的破碎帶寬度可以達(dá)到1000 m以上，這意味著斷層圈閉范圍內(nèi)發(fā)育大量微構(gòu)造，對儲層具有極強(qiáng)的改造作用。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，儲層受力變形均產(chǎn)生裂縫，可以提高物性。實際上高孔隙性儲層中變形后發(fā)育的是變形帶，降低儲層物性。筆者以松遼盆地徐家圍子斷陷營城組致密火山巖和大慶長垣葡萄花油層高孔隙性儲層為例，系統(tǒng)剖析斷裂伴生微構(gòu)造類型及其對儲層反向改造作用。

斷層破碎帶根據(jù)其構(gòu)造巖的不同而具備不同的地質(zhì)特性，斷層泥的隔水性強(qiáng)，厚度變化大，巖體結(jié)構(gòu)面抗剪性能差，是抗滑穩(wěn)定分析中的控制因素；角礫巖分為有膠結(jié)和未膠結(jié)，有膠結(jié)的一般較堅牢，但軟弱泥化夾層工程性能較差，未膠結(jié)的巖塊之間為泥質(zhì)物填充，性質(zhì)很差。

2.地面預(yù)注漿的基本原理和技術(shù)控制措施

地面預(yù)注漿是通過一定的加壓設(shè)備將水泥漿液注入巖層，在巖層孔隙內(nèi)形成強(qiáng)度高、滲透性低的水泥和巖層的結(jié)合體。漿液的整個注入過程可以分為四個階段：（1）提高注漿壓力，當(dāng)注漿壓力超過靜水壓力和流動阻力之后，漿液開始進(jìn)入巖層中的孔隙；（2）漿液在巖層孔隙中流動，大裂隙開始縮小，小裂隙被填充，繼續(xù)提高注漿壓力，使?jié){液流動的更遠(yuǎn)；（3）由于注漿壓力大，漿液將巖層中的泥質(zhì)等不良填充體沖破，提高巖層填充體的性質(zhì)；（4）漿液完成充填、壓實、凝固等過程，形成全封閉裂隙。

在實際工程中，通過調(diào)節(jié)一些注漿參數(shù)來對預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行幾個技術(shù)控制。具體參數(shù)如下：（1）擴(kuò)散半徑：主要與巖層性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)前主要參考壓水實驗的相關(guān)參數(shù)（2）注漿漿液：主要是指填充地層裂縫、孔隙的物質(zhì)，并且是實現(xiàn)地層加固的關(guān)鍵。（3）注漿壓力：實現(xiàn)漿液的擴(kuò)散、充實是注漿壓力的主要作用。注漿壓力主要與凈水壓力、過流斷面尺寸、漿液粘滯性、裂縫及孔隙的粗糙度等因素有關(guān)。（4）漿液注入量：為了保證工程的經(jīng)濟(jì)性，需要提前預(yù)估漿液的注入量，而漿液擴(kuò)散半徑和地層的裂隙率是兩個主要的參考參數(shù)。一般用公式來預(yù)估漿液注入量。其中：Q是漿液注入量；A是注漿消耗系數(shù)，不同類型的漿液不同；R是擴(kuò)散半徑；H是注漿段長度，需要根據(jù)實際工程確定；n為裂隙率，一般根據(jù)實際工程確定；B是漿液填充系數(shù)；是漿液結(jié)實率。（5）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)一般可分為兩個，一是最終吸漿量（即漿液注至最后的允許吸漿量），另一個是達(dá)到設(shè)計壓力時的持續(xù)時間。一般而言，注漿終壓達(dá)到設(shè)計要求，吸漿量為20L/min～60L/min，穩(wěn)定20min～30min，即可認(rèn)為達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3.案例介紹

3.1工程基本情況

為了某礦1#副井井筒施工中遇到的大量涌水的惡劣環(huán)境，加快施工進(jìn)度，采用了地面預(yù)注漿技術(shù)施工，工程共布置8個注漿孔，孔深714m，采用環(huán)形注漿的方法對井筒周圍進(jìn)行注漿，50m為一次注漿段高。以6#注漿孔為例，其中破碎帶有兩段，第一段：600m-618m共18m的破碎帶；第二段628m-635m 共 7m的破碎帶。通過對鉆孔巖芯的分析發(fā)現(xiàn)，斷層破碎帶是散體―裂隙破碎狀，高角度節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，也是主要的過水通道。此外，鉆孔塌落嚴(yán)重，從破碎帶中取出的巖芯RQD值基本可以認(rèn)為是0。這些情況都表明，僅僅依靠設(shè)計的段高內(nèi)一次性注漿結(jié)束方式已經(jīng)不能達(dá)到穩(wěn)定效果，需要進(jìn)行其他來增強(qiáng)巖體強(qiáng)度。

3.2施工流程

經(jīng)選擇采取分壓法為主，間歇法輔助的注漿方法。采用下行式小泵量注漿，小于200L/min。采用相對高濃度的漿液（原粘土水泥漿粘度24s，比重1.27-1.34），1m3粘土水泥漿配200kg～250kg水泥，30L水玻璃。

3.3施工工藝

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，由于兩段破碎帶在一個注漿段高600m-650m，經(jīng)優(yōu)化方案決定采取分壓法為主，間歇法輔助的注漿方法，以堵住涌水，保證注漿效果。鉆孔分為3次先后進(jìn)行分壓注漿，第一次注到終壓的50%；第二次注到終壓的80%，第三次注到要求終壓。（注：最好不超過3次）

3.4注意事項

1）注漿開始時，根據(jù)壓水實驗壓力，確定初始漿液比例。2）注漿過程中，如發(fā)現(xiàn)壓力長時間無變化，甚至有下降的現(xiàn)象，可視為跑漿，應(yīng)采取間歇注漿或者加骨料（鋸末），如跑漿嚴(yán)重，需注入10m？到15m？單液漿，制止跑漿現(xiàn)象。3）3次注漿的復(fù)注間隔時間應(yīng)逐漸加大，起止?jié){塞后，養(yǎng)護(hù)時間12-24小時，然后掃孔，等待復(fù)注。

3.5效果分析

檢查預(yù)注漿的效果，分別采取了取巖芯分析、井筒巖石穩(wěn)定性分析、巖―漿復(fù)合體分析。通過分析結(jié)果表明：斷層破碎帶中的裂隙填充飽滿，加固效果明顯；注漿后井筒掘進(jìn)時圍巖中涌水量幾乎為零。

4.結(jié)語

在遇斷層破碎帶時，地面預(yù)注漿技術(shù)是一種非?？尚械姆椒?。在實際過程中要嚴(yán)格按照預(yù)注漿的施工程序，嚴(yán)格進(jìn)行施工控制，保證施工質(zhì)量，為后續(xù)工程提供保證。

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