水泥－粘土浆液护壁堵漏工艺研究及其工程应用

2015-01-01王李昌

钻探工程 2015年2期

王李昌，隆威

(1．中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083;2．中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南长沙410083)

0 引言

道真新民铝土矿矿床是务正道地区近年来探明的第4个大型铝土矿床，332+333铝土矿资源量超过数千万吨［1］。该矿床主要产于古风化壳之上的下二叠统大竹园组地层中［2］，矿区含矿岩系沉积序列由上至下大致具有如下规律:碳质泥页岩(顶板)—致密块状铝土矿(或铝土岩)—土状、半土状、碎屑状铝土矿—铝土质泥岩(底板)—含铁绿泥石岩［1］。道真新民铝土矿区地层极为复杂，自上而下为灰岩、碳质泥岩、铝土矿层。上覆灰岩地层风化强烈，并受挤压后断裂、裂隙和溶洞发育，岩石非常破碎，地层不稳定，岩心钻探中，冲洗液全孔漏失，钻孔频繁垮塌，容易发生卡钻和埋钻等孔内事故，甚至经常出现提钻后“封门”现象。在2010年4月20日—6月10日的钻探中完成钻孔13个，累计钻探工作量633.12 m，矿心采取率勉强达到地质设计要求的50%，台月效率不到100 m，报废钻孔7个。由此针对该矿区情况展开科研攻关，进行了矿区复杂地层水泥－粘土浆液优化配方及护壁堵漏工艺的研究。

1 钻进工艺研究

关于复杂地层的钻进工艺，国内外开展了广泛深入的研究，如通过改进钻孔结构、优选钻进方法、优化钻具和钻头设计、注重钻进操作等方面综合治理复杂地层［3－4］;利用特殊材料制成堵漏浆液处理复杂地层，如用水化膨胀材料复合体系进行堵漏［5］，用复合水泥浆液进行堵漏［6］，用脲醛树脂水泥球进行堵漏［7］等;采用套管隔离，钻进复杂地层［8］;复杂地层绳索取心钻探技术的研究［9］等。而本文主要是通过运用水泥－粘土浆液护壁堵漏，形成高效护壁堵漏工艺，优化钻进方法，钻进矿区复杂地层，达到更好的护壁堵漏效果。

目前地质岩心钻进基本以金刚石钻进［10］和硬质合金钻进［11］方法为主，一般对于在300 m以浅地层的浅孔采用普通钻具钻进，对于300 m以深地层宜采用绳索取心钻进工艺，以减少起下钻具的辅助作业时间，提高钻进效率［12］。针对本文所述矿区，先采用普通钻具钻进，再下套管护壁隔漏，在严重漏失地层采用水泥－粘土浆液堵漏，再钻进，待达到一定进尺，采用绳索取心钻进到底。

2 水泥－粘土浆液实验研究

普通钻孔堵漏注浆一般采用纯水泥浆［13］，针对该矿区上覆岩层风化强烈，岩石破碎，孔壁不稳，漏失严重，易垮孔卡钻，堵漏浆液应具有较低的析水率，可控的流动性和较短的凝结时间，本试验专门研制了水泥－粘土浆液进行护壁堵漏，即以水泥、膨润土［14］、减水剂、水玻璃为主要材料的水泥－粘土浆液。水泥－粘土浆液属于带屈服值的假塑性流体［15－16］，具有良好的稳定性，可调节的流动性，较高的粘度。为了确定水泥－粘土浆液的合理配方，进行了大量的室内实验研究。

2．1 浆液基本材料的选择

水泥:湖南印山实业公司“印山台牌”普通硅酸盐42．5 水泥。

膨润土:湖南常德的钙基膨润土，具有良好的触变性，悬浮性，滤失量小。其矿物成分为:蒙脱石78.3%，石英石16.5%，方解石5.2%。

水玻璃:长沙明瑞化工公司生产的高模数工业水玻璃，产品性能(厂家测定):波美度40，模数3.20，密度1.38 g/mL。

减水剂:湖南白银新材料公司生产的BY6型FDN高效能减水剂。

2．2 浆液配制方法

(1)将量好的水泥和水，边搅拌边加入水泥，再低速搅拌3 min，使水泥充分水化;(2)加入称量好的粘土，低速搅拌5 min，使其均匀;(3)再边搅拌边加入量好的减水剂(减水剂需溶解)，搅拌3 min;(4)搅拌状态下加入水玻璃，低速搅拌3 min，静置便可形成复合水泥浆液［12］。

2．3 浆液性能测试方法

(1)流动度:用金属截锥圆模和水平玻璃板(40 cm×40 cm，厚度为0.5 cm)、刮刀来测量。

(2)凝结时间:用维卡仪测定堵漏浆液的凝结时间，浆液的初、终凝时间测试方法均按行业标准进行。

(3)析水率:用量筒进行测定，析水体积与浆液总体积的百分比为析水率。

2．4 浆液性能的影响因素

通过室内试验研究可知，水泥－粘土浆液的性能主要受水灰比和膨润土、减水剂和水玻璃掺量的影响，其性能变化规律如表1所示。

由表1分析可知，水泥浆中加入膨润土，增加了浆液的触变性，降低了浆液的流动性，提高了浆液的稳定性，降低了浆液的析水率;减水剂的加入，延长了浆液凝结时间，提高析水率，增加了浆液的流动性;水玻璃的加入降低了浆液的流动度和析水率，缩短了浆液凝结时间，保证了堵漏工作的成功。

表1 水泥－粘土浆液性能

2．5 浆液的优化设计

通过上述室内试验研究分析，了解了膨润土、减水剂及水玻璃对水泥－粘土浆液性能的影响规律，本试验采用正交设计试验，得出水泥－粘土护壁堵漏浆液的优化配方。根据试验结果确定出浆液材料各组分掺量取值范围。

正交试验采用四因素三水平正交表安排试验，四个影响因素为水灰比(A)，膨润土掺量(B)，减水剂掺量(C)，水玻璃掺量(D)，影响因素掺量见表2。选用L9(34)正交表进行试验，试验结果见表3。

表2 掺加剂因素与水平值 %

表3 浆液性能参数结果和因素分析

根据极差分析，流动度最佳组合是C2A3D1B3，凝结时间最佳组合是A1C1D2B3，析水率最佳组合是D3A1C1B3。根据矿区选用护壁堵漏浆液的性能要求及室内试验研究，确定出浆液材料各组分参考掺量范围为:水灰比为A2(0.55)、膨润土B3(8%)、减水剂为0.5% ～1.3%、水玻璃为1.8% ～2.2%。其性能参数为:析水率4% ～8%、初凝时间4.67～5.33 h、终凝时间6.50～7.40 h、流动度180～220 mm。

3 现场应用

3．1 现场试验设备

(1)XY－44型立轴钻机;(2)BW－250型泥浆泵;(3)泥浆搅拌机;(4)9 m高四角钻塔;(5)国产普通材质的S95绳索取心钻杆;(6)146 mm套管。

3．2 现场护壁堵漏工艺

该矿区其中一报废孔是2010年4月20日开钻，2010年6月10日结束，使用泥浆配方(1 m3):50 kg膨润土+2 kg火碱+2 kg PAM+5 kg防塌剂。该孔施工中，200 m左右钻孔出现缩径、坍塌，孔内渣多，后跟管钻进至230 m下89 mm套管，施工到360 m左右钻孔出现缩径、掉块现象，用泥浆护壁，效果不佳，到380 m左右，钻孔出现“封门”现象，后经处理无效，报废，总耗时近50 d。

从上述报废孔旁移孔2 m进行重打，运用本文所述工艺方法钻进并使用试验研究的水泥－粘土浆液护壁堵漏，形成了适合该矿区的水泥－粘土浆液护壁堵漏工艺。

3．2．1 钻孔结构设计

根据该孔地层条件、孔深、地质对钻探质量要求及机台现有条件，该孔采用150 mm口径开孔钻进穿过表土层进入灰岩10 m，下入146 mm孔口管;考虑到灰岩漏水严重且厚度大，堵漏工作量大费时耗材，决定用S95绳索取心钻具顶漏钻进至180 m，下入89 mm套管隔离灰岩漏水层;用S75绳索取心钻进直至580.45 m终孔。

3．2．2 水泥－粘土浆液应用

根据钻孔结构，结合地层情况，决定180 m以浅采用无粘土冲洗液顶漏钻进，其配方为:0.035%PAM+0.5%高效润滑剂，该冲洗液主要起润滑作用，提高钻进效率，PAM的加入起孔内排粉、地面絮凝沉降岩粉作用。顺利钻进至180 m穿过灰岩漏水地层后，下入89 mm套管隔离灰岩漏水层。根据现场实际情况，针对180～400 m漏失较严重的地层，采用室内实验研制的水泥－粘土浆液进行护壁堵漏，堵漏浆液配方为:0.55水灰比+92%水泥+8%膨润土+1.2%减水剂+2%水玻璃，运用水泵钻杆注入法注入堵漏浆液，注入后待达初凝时间即拔出钻杆，待到终凝时间后，用S75绳索取心钻进一径到底，采用冲洗液配方:4.5%膨润土+5%Na2CO3+0.5%纤维素+1.5%KHm+0.5%润滑剂，该段地层中碳质泥页岩易水化膨胀，钻孔缩径坍塌，KHm的加入抑制了岩石水化膨胀，保证了钻孔的稳定;润滑剂的加入保证了钻具的高速钻进从而提高效率。

3．2．3 现场试验结果

按照上述护壁堵漏工艺，根据钻进工艺及地层情况选取金刚石绳索取心钻进工艺参数进行钻进，该孔总耗时28 d施工到580.45 m顺利终孔，岩心采取率达90%以上，钻探台月效率达600 m左右，验收等级为甲级(取得岩心如图1所示)。全孔钻进中未出现孔内事故，证明水泥－粘土浆液护壁堵漏工艺适合于本矿区复杂地层钻进。