快速凝胶堵漏技术在山西腰站矿区ZK6004孔中的应用

2016-03-11于保国

地质装备 2016年4期

关键词：泵入孔壁钻具

于保国

(河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北承德　067000)

快速凝胶堵漏技术在山西腰站矿区ZK6004孔中的应用

于保国

(河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北承德067000)

山西腰站矿区ZK6004孔在施工过程中存在对漏失无法实施有效封堵和钻遇破碎地层塌孔问题。经分析是由于漏失通道大、抽吸作用、孔内温度低等综合因素导致这一复杂情况发生，而快速凝胶堵漏技术正好可以解决上述问题。经过快速凝胶堵漏后的钻孔，未再发生漏失及塌孔现象，堵漏护壁效果显著。

钻孔漏失；破碎；凝胶；堵漏；护壁

0　引言

山西腰站铁矿ZK6004孔位于灵丘县城东14 km腰站村、乔庄村一带，海拔约1 700 m。本区大地构造位置处于华北地台北缘、山西断隆与燕山台褶带西端接壤地带。区内地质构造发育，岩浆活动频繁，成矿地质条件有利[1]。该孔施工期间一直有漏失发生，钻遇比较破碎地层时，还伴有坍塌、掉块现象。施工单位曾采用水泥封孔，但水泥候凝72 h后仍未凝固，封堵没有取得效果。鉴于此情况，决定采用北京探矿工程研究所新研究的快速凝胶堵漏技术进行堵漏。

1　钻孔概况

1.1地质概况

矿区地层主要为中上元古界长城系高于庄组、蓟县系雾迷山组、杨庄组，青白口系望狐组、侏罗系后城组地层。仅局部零星出露有上太古界五台群石咀亚群金刚库组变质岩系[1]。ZK6004孔在第四系、侏罗系后城组、蓟县系雾迷山组、青白口系望狐组、蓟县系杨庄组内主要存在亚砂土、沙石、砂砾石、砾岩、石英砂岩、细砂岩等；在长城系高于庄组内主要存在砂砾屑白云岩、灰质页岩，并且较破碎、断裂构造发育；王台群金刚库组主要存在变粒岩、片麻岩、角闪岩夹磁铁石英岩等，为主要控矿地层单元[2]。

1.2钻孔概况

该孔采用绳索取心钻探工艺，并已于2014年11月终孔，深度为1 520 m，孔内∅71 mm套管下至960 m。后为补采岩心，采用∅59 mm金刚石钻头+∅55.5 mm钻杆的钻具组合从套管底部造斜取心钻进。

2　现场存在的主要问题及原因分析

2.1现场存在的主要问题

现场主要存在2个严重问题，一个是漏失严重，无法实施有效封堵，钻进过程中基本无返浆；另一个是全孔地层比较破碎，容易发生掉块现象，施工效率低且容易发生卡钻事故。

(1)钻进过程中一直存在不同程度的漏失问题，钻进至孔深1 050 m后，钻进时冲洗液消耗，停泵后返吐，消耗量约为泵量的1/3，返吐量约为泵量的1/4，顶漏钻进至1 110 m后，钻进时井口基本失返，停泵后返吐量约为消耗量的1/3。

(2)在孔深1 103～1 105 m之间地层比较破碎，经常发生掉块现象，需要反复扫孔，由于扫孔时通泵会使破碎颗粒上返，易引起憋泵、卡钻等现象，所以只能干钻，钻探效率非常低。

(3)在1 103～1 105 m段采用水泥封孔，但水泥浆候凝72 h后仍然没有凝固，封堵无效。

2.2原因分析

根据上述问题，对其发生的原因进行了分析。

(1)钻进过程中的冲洗液漏失与返吐现象是因为部分层位存在较大漏失通道，并且其中的部分层位承压较低，循环压力大时会发生漏失，循环压力小时会发生冲洗液返吐。

(2)孔内温度低(20 ℃左右)，并且水泥浆被孔内冲洗液或含水漏失层中的水稀释是造成水泥浆长时间不凝固，水泥封堵无效的主要原因。

(3)地层破碎、钻孔倾角大、提钻抽吸作用等是该钻孔孔壁不稳定，易发生塌孔的主要原因。采用绳索取心钻进及∅59 mm钻头+∅55.5 mm钻杆组合，环空间隙很小，造成循环钻进时环空压力急剧升高，泵压达4～4.5 MPa，漏失加重；同时地层被压裂，一旦停止循环被压裂的地层闭合导致返吐冲洗液，返吐冲洗液一方面会使地层缝隙中的原有胶结物或循环钻进时冲洗液填充到孔壁裂缝中的胶结物被冲蚀出来，另一方面返吐的冲洗液带有一定的流体压力从地层冲出孔壁，使破碎的孔壁不稳定趋势进一步加剧。孔深1 103 m以深地层岩体的承压能力较低，主孔钻进时采用“∅75 mm钻头+∅71 mm钻杆”钻具组合钻进时，泵压为3～3.5 MPa，孔壁稳定，未发生冲洗液返吐和孔壁塌孔现象。因此可以看出，该段地层发生塌孔的原因与环空间隙太小，提钻抽汲作用、地层被压裂及冲洗液返吐时的冲蚀作用关系密切。

3　快速凝胶堵漏技术作用原理及适应性分析

近年来国内外针对钻遇不同地层的不同漏失情况，在复杂漏失地层堵漏技术研究与应用方面开展了大量工作，取得了长足发展[3]。北京探矿工程研究所研制出一种新式快速凝胶堵漏技术，可以解决复杂地层中的严重漏失问题。

快速凝胶堵漏技术利用无机凝胶材料和有机凝胶本身的特性，及二者间可发生化学触变作用的特点，达到了实现快速、广谱堵漏的目的。其中，无机凝胶材料是以水泥为基础材料，并结合其他柔性材料及早强剂等，可调节固化速度控制堵漏时间，提高固化体的固结质量。有机凝胶是利用其隔水作用，避免固结材料与漏失通道中的水或钻孔内原有冲洗液接触，从而防止因堵漏浆液被稀释而无法固结。当漏失通道直径较大时，利用有机凝胶与无机凝胶材料之间的化学触变作用，即当无机凝胶材料与有机凝胶材料相遇时，迅速转变成凝胶而失去流动性，从而改变漏失通道特性，提高堵漏成功率。基于快速凝胶堵漏的上述特点，不仅可以很好地解决ZK6004孔的孔隙与缝隙类漏失[4-6]，还可以解决漏浆被孔内冲洗液或含水漏失层中的水稀释，不易凝固的问题，同时还可以固结破碎地层，稳定孔壁，解决塌孔问题[7-8]。

4　快速凝胶堵漏技术现场应用

采用有机凝胶与无机凝胶快速凝结相结合，即通过有机凝胶溶液与水冲洗液结合形成的胶凝物提高流动阻力，同时通过水冲洗液快速固结，使水冲洗液能够有效留在漏失通道内，并提高封堵效率。

4.1第一段快速凝胶堵漏的实施及效果

4.1.1漏失孔段裸眼体积

式中：V—漏失孔段裸眼体积，m3；

D—钻孔直径，59 mm；

L—漏失孔段长度，56 m；

K—扩径系数，1.1；

代入相关数据可得：V=0.17 m3。

4.1.2有机凝胶胶液、无机凝胶浆液与顶替浆用量及配方

(1)有机凝胶胶液(1#浆)：按“水+7.5%膨润土+10%有机凝胶(GNJ-2)”配比配制1.4 m3有机凝胶胶液。

(2)无机凝胶浆液(2#浆)：按“水泥浆(水灰比0.5～0.6)+2%速凝剂”配比配制1.5 m3速凝水泥浆。

(3)顶替浆(3#浆)：用量为钻杆及管汇内体积之和，钻杆内径为45 mm，顶替浆用量粗略按1 000 m钻杆容积计算，约为1.6 m3，实际配制1.8 m3，由1.5 m3密度为1.10 g/cm3的膨润土浆和0.3 m3清水混合而成。

4.1.3灌注工艺

(1)光钻杆钻具下至孔深950 m(套管下深960 m)；

(2)封住孔口，泵入1#浆至全部泵送完毕，接着泵入100 L清水作为隔离液，再依次泵入2#堵漏浆和3#顶替浆，顶替浆泵入1.4 m3后泵压逐步上升至5 MPa，停泵；

(3)10 min后，泵压表逐渐稳定在3 MPa位置，孔口泄压，有少量浆液返出(约50 L)，开泵循环将钻具内残留水冲洗液清除；

(4)提钻，每提3～5根立柱回灌一次；清洗钻具，候凝。

4.1.4堵漏效果

候凝8 h后放在地表的水冲洗液样品已固结，下钻探水泥塞，孔深960 m(即刚出套管)处见水泥，但强度低无法托住钻具；扫孔至1 010 m(期间起下钻一次，累计候凝17 h)，水泥塞已能托住钻具；继续扫孔至1 100 m(累计候凝27 h)，返浆正常，泵压4.5 MPa；1 100 m以下，消耗量增大，只需冲孔即能下入。由此可以判断本次堵漏1 050～1 100 m孔段的漏层封堵成功，1 100 m未封住。由于1 100 m以上的漏失通道大，压力小，所以大部分堵漏浆没有到达底部漏失层，因此需要对1 100 m以下部分进行第二次堵漏。

4.2第二段快速凝胶堵漏的实施及效果

4.2.1漏失孔段裸眼体积

式中：V—漏失孔段裸眼体积，m3；

D—钻孔直径，59 mm；

L—漏失孔段长度，60 m；

K—扩径系数，1.1；

代入相关数据可得：V=0.18 m3。

4.2.2有机凝胶胶液、无机凝胶浆液与顶替浆用量及配方

(1)有机凝胶胶液(1#浆)：按“水+7%～8%膨润土+10%有机凝胶(GNJ-2)+3%核桃壳粉+3%橡胶颗粒”配比配制0.5 m3有机凝胶胶液。

(2)隔离液：按“水+ 5%膨润土+12.5%成膜堵漏剂(GCDL)”配比配制隔离液0.2 m3。

(3)无机凝胶浆液(2#浆)：按“水冲洗液(水灰比0.5～0.6)+3%～4%速凝剂”配比配制1.5 m3速凝水冲洗液。

(4)顶替浆(3#浆)：按“水+5%膨润土”配比配制顶替浆2 m3。

4.2.3灌注工艺

(1)光钻杆钻具下至孔深1 030 m；

(2)泵入1#浆，孔口有浆液返出后封住孔口；继续泵入1#浆直至全部泵入孔内，再依次泵入隔离液、2#堵漏浆及3#顶替浆，泵入顶替浆1 m3后泵压开始上升，最高升至8 MPa，最后稳定在6 MPa，共泵入1.7 m3后停泵；

(3)停泵0.5 h后压力稳定在2 MPa，孔口泄压，无冲洗液返出，提钻，清洗钻具，候凝。

4.2.4封堵效果

地表水泥样品候凝14 h后，已完全固结。候凝36 h(由于设备故障耽搁一定时间)后开始扫孔，1 020 m 处见水泥塞，扫孔速度较快，返浆正常；1 075 m 后，由于修理设备耽误时间，此时候凝已有85 h，进尺速度变慢；继续钻进至1 132 m，泵压4 MPa，返浆正常，无返吐冲洗液现象。后期钻进过程中没有再发生过漏失，达到了预期目的；解决了地层漏失问题；提高了地层承压能力，没有再次发生冲洗液返吐现象；固结强化了孔壁，没有发生坍塌、掉块现象。