凝胶堵漏技术在阳山矿区漏失地层中的应用

2015-01-01石立明曹灶开

钻探工程 2015年9期

石立明，曹灶开

(1．吉林大学建设工程学院，吉林长春130026;2．武警黄金指挥部，北京100055;3．武警黄金十二支队，四川成都611732)

在地质构造强烈的地层中进行钻探施工时，常会遇到自然裂缝异常发育的地层，从而产生不同程度的冲洗液漏失。冲洗液漏失不仅消耗人力物力、导致工期延长，更会影响孔壁稳定，严重时甚至诱发卡钻、烧钻等孔内事故。甘肃省文县阳山矿区多数钻孔漏失严重，施工单位针对裂隙型漏失地层主要采用搓泥球、随钻堵漏、水泥灌注等方法进行堵漏，但由于裂隙型地层漏失成因复杂，影响因素多，特别是在碳酸盐岩地层出现恶性漏失时，常规堵漏方法效果甚微。笔者在深入分析阳山矿区地层漏失机理的基础上，试验应用了YS－1凝胶对该矿区碳酸盐裂隙型地层进行堵漏，并取得了较好效果。

1 矿区地质情况

阳山矿区地层产于泥盆系中统三河口组第三岩性段(D21S4)及第四岩性段(D21S5)，主要受安昌河－观音坝断层控制，区内褶皱、断层较为发育，破碎蚀变强烈，主要由第四系冲洪积物、碎裂岩、糜棱岩、钙泥质千枚岩、碳泥质千枚岩、板岩、灰岩、斜长花岗斑岩及硅质岩脉组成，其中，又以千枚岩和灰岩分布较为广泛。灰岩地层中裂隙较为发育，如图1，尤其以安坝－葛条湾矿段较为突出，在钻遇该层时，钻孔漏失现象较为普遍。

图1 灰岩裂隙

2 矿区钻孔漏失情况及原因分析

矿区每年施工钻孔20余个，其中漏失钻孔占60%。漏失地层主要为千枚岩破碎蚀变带，天然裂隙发育，部分钻孔多层位漏失，并有坍塌掉块现象。

矿区钻孔漏失主要有4个原因:一是地层中存在着漏失通道，如孔隙或者裂缝，或者有一定的地下空间容纳外来流体;二是冲洗液压力高于地层裂隙水压力，形成压差;三是冲洗液性能不适应地层，无法形成“封堵”;四是下钻时冲洗液在高速下落钻具的挤压下会产生很高的冲击动能，引起相当高的挤压压力，导致孔壁压裂，造成冲洗液漏失。其中第一个条件是地质自然因素形成的，这是钻孔漏失的必然条件;后3个条件主要是施工技术造成的。

钻孔在钻遇漏失层初期，泥浆漏失较小，一般在0.6 m3/h以下，多为中、小裂缝地层，裂隙宽度＜1.5 mm。表现为压力渗透性漏失与裂缝性漏失并存，通过搓泥球、灌水泥、投惰性材料等常用方法，能起到一定的效果。如继续钻进遇溶蚀孔，漏失量迅速增大，直至无冲洗液返出，测水位时，水位迅速下降，常规方法堵漏无任何效果。

3 凝胶堵漏机理

YS－1凝胶属于交联类堵漏材料，能吸水膨胀，形成亲水性三维空间网络状结构。凝胶吸水后表现出很好的粘弹性、柔软性和韧性，堵漏时不受漏失通道形状的限制，能够通过挤压变形进入裂缝和孔洞空间。当凝胶进入漏层后，YS－1凝胶能在岩石表面吸附，与漏失通道作用，产生较高的粘滞阻力，易于在漏层中驻留，从而可以解决桥塞堵漏、随钻堵漏等方法难以解决的漏失问题。另外，YS－1凝胶还具有“变形虫”的特殊作用，如果在某一孔道处未产生封堵，会在漏失压差下继续向前变形蠕动，至下一较小孔道处产生变形封堵，从而防止裂缝的压力传播和诱导扩展。

YS－1凝胶配合其它材料用于高渗透、特高渗透地层、裂缝型和大孔道地层堵漏，效果更好。当YS－1凝胶中添加了惰性桥堵剂后，惰性桥堵剂刚性好，能起骨架和支撑作用，凝胶则充填在骨架之间，使之封堵严密。

4 室内实验

实验采用高温高压漏失仪，在不同尺寸的人造裂缝中分别采用常规堵漏材料和YS－1凝胶堵漏剂进行室内实验。实验时反应温度为80±1℃，反应时间为4 h，pH值为10～11。实验结果见表1、表2，YS－1凝胶堵漏剂颗粒和溶液见图2、图3。

表1 常规堵漏材料实验现象

表2 YS－1凝胶堵漏剂实验现象

由表1、表2发现，常规堵漏材料对于＜1 mm的裂缝(a缝)，能达到堵漏效果，对于1～3 mm(b缝)有一定效果，当裂缝＞3 mm(c缝)时，裂缝则较难堵住。用YS－1凝胶堵漏剂能很好的封堵c缝，且强度比常规堵漏材料高。YS－1凝胶堵漏剂能在裂缝内外膨胀交联形成具有一定强度的高粘弹性凝胶，不受漏失通道的影响，能在挤压下进入微小裂缝及孔洞，充分封堵漏失通道。当YS－1凝胶堵漏剂加入惰性桥堵剂GPC(随钻堵漏剂)时，GPC能起骨架支撑作用，YS－1凝胶堵漏剂充填在骨架之间，镶嵌住GPC，因为GPC刚性好，可以承受较大压差，能让凝胶充分封堵裂缝。

5 工程实例

5．1 钻孔漏失情况

以阳山矿区施工的 ZK2232孔为列，该孔于2014年7月开始施工，设计孔深700 m，设计倾角82°，钻孔直径 95 mm，使用 XY－44A型钻机，BW250型泥浆泵。该孔施工至176 m时开始出现漏失，孔内不返水，无水位，属恶性漏失，投泥球无效，使用水泥封堵没有成功。顶漏钻进至207 m，地层变为破碎蚀变千枚岩，继续钻进至218 m，地层仍然为破碎蚀变千枚岩，通过观测，孔内水位稳定在207 m位置，表明已穿过该漏失层，漏失孔段位于176～207 m，长度31 m。因受地层条件影响，下入套管护壁的风险较大。通过取出岩心(见图4)可以看到，该漏失孔段地层岩性以灰岩为主，裂隙发育，岩心较为破碎，岩石裂隙表面上可看到明显的充填物(见图5)，根据充填物厚度推断裂隙宽度2～3 mm，该地层漏失类型属于典型的裂缝性漏失。