泾川高平矿区堵漏工艺总结及应用实例分析

2014-03-24纪卫军蔡晓文付帆

地质装备 2014年2期

纪卫军，蔡晓文，付帆

（1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2.甘肃煤田地质局一四五队，甘肃张掖 734000）

泾川高平矿区位于甘肃省泾川县城东25km。该矿区钻孔设计孔深较深，地质条件复杂，施工过程中经常遇到钻孔漏失的情况。2012年该矿区施工的钻孔在黄土层段和白垩系都发生过不同程度的漏失，漏失严重的钻孔共有12个。由于钻孔漏失同时易引发孔壁掉块、坍塌等地层失稳现象，严重时会造成孔内卡钻、埋钻事故，最终导致钻孔报废。严重影响了钻探施工进度，增加了施工成本。因此，护壁堵漏便成为该矿区钻探施工中急需解决的技术问题。

我队在该矿区施工多年，遇到过多种不同程度的漏失，采用过多种堵漏方法，如套管堵漏、桥塞堵漏、水泥堵漏等。通过技术人员不断的摸索和实践，逐步形成多套完整成熟的堵漏工艺，实施效果十分显著。

1 工程地质概况

该区第四系黄土层厚度大约200～350m，白垩系地层厚度大约700～1000m，以砂岩、泥岩为主，砂质泥岩、泥岩互层，胶结松散。侏罗系地层厚度大约100～150m，以灰色泥岩、细砂岩、粉砂岩、炭质泥岩为主。钻孔漏失层大多位于黄土层和白垩系地层。

钻机采用XY-2000型岩芯钻机，配备NBB260／7型泥浆泵。该区钻孔全部使用Φ98钻头一径到底，采用普通单管钻进取芯工艺，设计孔深一般在1000～1500m之间。

2 施工中存在的问题

由于第四系黄土层较厚，该区黄土层段每个钻孔都有漏失现象，白垩系地层破碎带较多，裂隙发育明显，多个钻孔在这一层位发生冲洗液失返现象，漏失严重，如X4806、X5004、X5204、X5205等钻孔。

前期由于对本矿区地层情况不熟悉，漏失发生后通常不能对漏失性质、漏层位置等有一个准确的判断，所以堵漏成功率低、堵漏成本高，严重的影响钻探施工的进度和经济效益。

3 孔内漏失的危害性

钻孔孔内发生漏失后，如果堵漏不及时或不成功会给钻探工程带来较多的危害，具体如下：

（1）由于钻孔漏失，孔壁缺少了冲洗液液柱压力的支撑，对于坍塌压力大的地层极易发生掉块、坍塌等失稳现象，从而导致卡钻、埋钻等孔内复杂事故。

（2）由于钻孔漏失，冲洗液液面下降，钻具与孔壁直接接触的面积增大，从而增加了钻具的磨损，大幅降低了管材的使用寿命。

（3）由于钻孔漏失，冲洗液消耗量增大，造成冲洗液材料成本的不断增加。

（4）由于钻孔漏失，需要花费大量的时间和精力去堵漏，严重影响施工工期和施工质量。

4 常用堵漏工艺

钻孔漏失给现场施工造成极大的困扰，严重影响钻探施工进度，所以组织技术骨干力量针对本地区漏失问题进行研究攻关，并通过大量的实践，取得了比较成熟的经验，形成了从漏层情况判断、堵漏方法选择到堵漏现场实施一整套完整的堵漏工艺。

4.1 准确判断漏失情况

（1）记录发生漏失时的相关情况［1］

①确定孔内易发生漏失段的位置；

② 钻进中是否有钻速突然加快或有钻具放空现象；

③泵压变化情况和孔口返浆量；

④ 根据孔内冲洗液液面深度判断动水位和静水位。钻具全部提出后，观察钻杆湿痕计算水位。测绳能够测上时，用测绳测量孔内水位。

（2）漏失层岩心情况

（3）了解钻孔附近地质情况和邻孔钻进漏失情况

综合以上信息，判断漏失层位置、漏失通道大小、地层压力大小等相关情况。

4.2 泾川高平矿区处理孔内漏失的主要方法

（1）套管隔离法

该方法主要适用于钻孔上部黄土层的堵漏，在其他堵漏方法无效的情况下可采用。

（2）水泥堵漏法

水泥堵漏法具有货源广、成本低、使用方便、强度高等优点。尤其是对漏失层位较深，无法准确判断漏失层位置，该方法成功率较高。使用水泥堵漏时应注意水泥的流动性、初凝时间及替浆量的计算，防止钻杆被水泥浆固住。

（3）惰性材料堵漏法

本矿区常用的惰性材料有植物果壳、工业废料和某些矿物原料。经过粉碎，分选制成不同规格的粉状或纤维状材料。惰性材料堵漏法具有成本较低、操作简单、堵漏风险性较小等特点，对于一般性漏失，使用此方法成功率较高。

根据不同的漏失情况，施工时可选用以下几种不同方法：

①循环堵漏法。该方法适用于深孔段的渗漏地层，将粒径小于3mm的惰性材料加入冲洗液中，加量为冲洗液总方量的2%～3%，随冲洗液循环起到堵漏作用。

②泵灌堵漏法。该方法主要针对中等漏失或大漏失地层。当孔口基本不返冲洗液时，则需要采用此方法停钻堵漏。先将光钻杆下到漏失层位上部5～10m，用泥浆泵将堵漏浆泵入漏失层，观察到返浆后，则将孔口封住，憋压2～6MPa，1～2h后提钻，最后加钻头下钻扫孔钻进。

③惰性材料加粘土球堵漏法。该方法主要针对大裂隙恶性漏失。首先把惰性材料与粘土或水泥混合制成粘土球，漏失层位比较浅时，可从孔口把风干的粘土球直接投入孔内，漏失层位较深时，则需要将粘土球装入岩芯管，用岩芯管送入漏失层才能起到堵漏效果。

（4）高粘堵漏剂堵漏法

高粘堵漏剂主要采用黄原胶、羟乙基纤维素和阳离子聚合物等高粘处理剂。一般在700mL清水中加入1.4g高粘堵漏剂，搅拌30min，测试其漏斗粘度达到100s以上。该堵漏剂进入漏失通道后能与孔隙岩石牢牢地粘附在一起，阻止冲洗液继续向深处流动。该堵漏剂具有较高粘度，其进入漏失通道后可形成胶冻状态，能够降低冲洗液的流速直至停止。这种方法在深孔段渗透性漏失地层中堵漏效果明显，对于大的孔隙或裂隙漏失也可加入锯末、果壳等惰性材料，效果会更理想。

（5）膨胀堵漏剂堵漏法

膨胀堵漏剂是一种白色颗粒，其吸水量是自身的质量50～100倍，膨胀量可达到是自身的体积的10～15倍，吸水膨胀时间约5～10min。该堵漏剂进入漏失层后能够吸水膨胀直至塞满封闭漏失通道，从而起到堵漏的作用，适用于大裂隙漏失。

5 具体施工实例

泾川高平矿区钻孔漏失最严重的钻孔主要分布在48线、50线和52线三条勘探线上。这里以具有代表性的X4806、X5004、X5205三个钻孔为例，对堵漏工艺进行介绍。

（1）X4806孔堵漏情况

X4806孔设计孔深1460m，施工日期2012年7月6日～2012年12月25日。该钻孔在前期施工的过程中由于堵漏方法不当，造成700m深的钻孔报废，耗时88天。挪孔钻进后，在黄土层再次遇到严重漏失，吸取前次教训，决定采用套管封隔法，将黄土层钻穿后，下入Φ160的套管封闭黄土层，彻底解决上部地层漏失问题。

当钻进到孔深568.52m时，钻具突然放空，孔口冲洗液失返，测不到水位。根据上述情况判断漏失层位于钻孔底部，属于大型裂隙漏失，决定采用水泥浆堵漏法。配制水灰比为0.6的水泥浆，并在水泥浆中加入2%的氯化钠，在钻穿漏层2m后，将水泥浆泵入孔内。采用这一方法堵漏效果明显，冲洗液返出量约为泵量的2／3。由于冲洗液消耗量依然较大，在冲洗液中补入高粘堵漏剂和锯末随钻循环堵漏，当钻进至孔深610.62m时，孔内冲洗液上返正常。

当继续钻进至孔深705.48m时，孔内又出现漏失，但是在该层位取的岩心非常完整。经过分析，该层位发生漏失可能性极小，漏失层应该还是位于孔深568.52m处的漏失层。最后研究决定进行扩孔施工，将孔径由原来的Φ113扩成Φ146，扩至孔深620m，在620m位置架桥，用高强度水泥加2%氯化钠配制成的水泥浆封堵至孔深500m的位置，水泥凝固后用Φ98钻头钻进。在后续的施工过程中，孔内再没有发生漏失，直至终孔。

（2）X5004孔堵漏情况

X5004钻孔设计孔深1420m，施工日期2012年10月5日～2012年12月29日。该钻孔钻进至孔深90m时发生漏失，顶漏钻进至孔深120m，冲洗液失返，采用惰性材料和粘土球堵漏法，经过五天的封堵，冲洗液返量正常。在白垩系地层中钻进时，冲洗液渗漏严重，把高粘堵漏剂和锯末补入到冲洗液中，采用随钻循环堵漏法封堵漏层，大大降低了冲洗液消耗量，取得了很好的效果。

（3）X5205孔堵漏情况

X5205钻孔设计孔深1350m，施工日期2012年9月13日～2012年12月5日。该孔钻进至孔深120m时发生漏失，顶漏钻进至孔深130m时冲洗液失返，采用孔口投干料的堵漏方法，封堵住了漏层，冲洗液返量正常。钻进至孔深230m时，孔内又发生了严重的失返漏失，经过反复堵漏，堵漏效果不太明显，为了防止黄土层坍塌造成事故，最后决定采用套管封隔黄土层。当钻进至孔深560.58m时，孔内又出现失返漏失。根据取上岩芯分析，该层位有大量裂隙存在，所以在冲洗液中加入锯末、果壳、石灰石粉等一些惰性材料配合膨胀堵漏剂，一起注入漏失层，返浆后把孔口封住，蹩压2h，压力3MPa，起钻加钻头扫孔钻进，冲洗液上返量基本正常，堵漏非常成功。