湖南常宁仙人岩矿区复杂地层钻探护壁堵漏技术

2018-06-20陈灿，王畅

钻探工程 2018年5期

陈灿，王畅

(湖南省有色地质勘查局二一七队，湖南衡阳 421001)

1 工程概述

仙人岩矿区地层十分复杂，主要地层依次为红土夹角砾、硅化破碎角砾岩、花岗闪长斑岩、矽卡岩、接触破碎角砾岩、铁帽等。岩层松散、破碎、软硬交替，极易出现钻进憋泵，井壁缩径、坍塌等各种情况，甚至引发严重孔内事故。为此，我队积极与科研院所，钻头、钻具及生产冲洗液材料的厂家进行合作攻关，经过8个月的攻关试验研究和反复摸索，形成了一套适合该矿区钻探事故护壁堵漏的技术体系。

2 钻孔护壁方法

2.1 冲洗液体系和配方设计

(1)一开、二开选择预水化膨润土冲洗液。

基本配方：生产水+5%～6%钠膨润土+0.1%Na2CO3+0.1～0.3%CMC。

处理添加剂：0.5%～0.8%NH4HPAN。

(2)三开选择钾基聚合物冲洗液。

基本配方：生产水+4%～5%膨润土+0.1%Na2CO3+0.1%NaOH+0.2%KHPAM+0.1%80A51+0.1%～0.3%CMC。

处理添加剂：0.5%～0.8%NH4HPAN。

(3)四开选择钾基聚合物防塌冲洗液。

基本配方：生产水+4%～5%膨润土+1%～2%KCl+0.1%Na2CO3+0.1%NaOH+0.2%KHPAM+0.1% 80A51+0.1%～0.3% CMC+1%～2% OSAMK+1%～2% SAS。

处理添加剂：0.5%～0.8%NH4HPAN。

所选的3种冲洗液性能参数如表1所示。

表1 所选3种冲洗液的主要性能

2.2 冲洗液的配制

(1)严选优质冲洗液材料的材料采购尽量要选择品质高，质量好的厂家，样品送到现场必须经过性能试验检测，例如增粘剂的粘度，膨润土的含砂量、造浆率等性能指标，须检测合格方可使用，对于不合格产品坚决不使用，否则会严重影响冲洗液的质量。

(2)根据冲洗液各材料的性能提前浸泡材料。由于各种材料的溶解原理不同，所需溶解的时间差异较大，所以必须根据各材料性能分别浸泡，才能发挥冲洗液的作用。

(3)严格按照设计冲洗液配比添加材料。材料添加要按照设计顺序依次添加，尽量避免出现絮凝等现象。

(4)搅拌充分。每加入一种材料都要充分搅拌保持10～15 min，使其能够充分接触融合，发挥冲洗液最大功效。

2.3 冲洗液性能维护

(1)做好冲洗液的监测，随时注意冲洗液的返量，及时做好增添。定时做好冲洗液各项参数指标的取样检测，发现问题及时解决，保证冲洗液性能的稳定。

(2)及时清理冲洗液中岩屑，保证冲洗液的性能。扫孔及正常钻进过程中，都会携带大量岩屑，必须及时进行清理，才能保证冲洗液携带岩屑能力，避免出现卡钻等事故发生。

(3)适当加长冲洗液循环槽的长度及沉淀池数量，能够有力于岩屑的沉淀，并且及时进行岩屑清除，有利于保证冲洗液性能稳定。

(4)做好冲洗液循环线路的防水设施，避免雨水及其他物质混入冲洗液中，破坏冲洗液的性能，进而影响孔壁的稳定。

3 钻孔堵漏

遇到小漏失地层时，采用锯末灰、谷壳、CMC或聚丙烯酰胺、膨润土混合而成堵漏材料来进行堵漏；遇到中等漏失地层时，采用锯末灰、谷壳、CMC或聚丙烯酰胺、海带等混合而成堵漏材料来进行堵漏；遇到大漏失地层时，采用树枝或稻草、谷壳、CMC或聚丙烯酰胺、海带、膨润土等混合而成堵漏材料来进行堵漏。在以上堵漏材料未达到效果，井内漏失情况不明或全漏失时，则采用水泥灌注方法进行堵漏。

表2 堵漏配方

4 现场应用效果

4.1 钻孔堵漏研究情况

正常情况下我们按原设计对钻孔漏失地层进行堵漏，但在堵漏无效的情况下也采用了设计外的堵漏方式。新采用了北京探矿工程研究所提供的复合型堵漏剂及其他堵漏方式。

以ZK6A03孔为例，该钻孔在29.20～32.4 m处有老窿，该矿区地板岩石较松动、破碎，经常性出现垮孔，且全孔漏水，基本上每次钻进此处都要进行扫孔，钻头的内径磨损很大。通过多次实践后，采用以下方法可以取得不错效果：先采用水泥将周围的岩层加固，保持岩层的稳定性，防止垮孔。取心时，采用绳索送入内管方法进行取心，当内管到位后，从井口用泵注入大排量的冲洗液，使管内有足够的冲洗液，投入脱卡器脱卡，达到脱卡的效果。穿过老窿10～15 m后，下入套管，注入水泥，封住套管底部后变径施工。下入套管隔离后，又遇下部地层复杂，全孔漏水，继而采用人工从钻杆投入高泵压扫压的方法，将已配好的堵漏材料压入裂隙，达到良好的堵漏效果。具体配料成分及比例：15 kg树枝+80 kg谷壳+15 kg聚丙烯酰胺+30 kg海带+40 kg膨润土+20 kg水。

当钻进施工地层为第四系高岭土时，极易导致全孔漏水，采用“锯木灰+谷颗+包被剂”方法进行堵漏。此方法堵漏无效后采用灌注大排水泥灌注法。此灌注法必须将水泥的水灰比控制在0.4～0.5，通过水泵压入井底，使水泥浆充分压入孔壁间隙。采用灌注大排量水泥的方法进行堵漏，该方法能够达到不错的效果。

ZK0603孔堵漏处理情况又不同，图1为ZK0603孔部分岩心，该钻孔钻进至150 m时，地层开始不断的反复变化，在长7 m的岩心中，岩性就出现6种变化，增加了钻孔的施工难度。在灌注水泥无明显作用的情况下，我们采用了每班堵漏的办法，堵住漏水层，使孔内有循环液返上来，以减少井故发生的几率。但是这种堵漏，不能再采用上述的办法和材料，我们用一种带有膨胀性质的油溶性聚氨酯堵漏剂混合锯末灰、稻谷的方式来堵漏，堵漏材料采用油溶性聚氨酯，油溶性聚氨酯具有很强的吸水膨胀性能,可膨胀至原体积的几十倍,且时间快,有利于形成快速的封堵,油溶性聚氨酯与稻谷和锯木灰形成的复合堵漏材料在承压堵漏测量装置中表明体系不仅能形成封堵而且能够承受一定的压差，非常实用，岩心的采取率得到显著提高，破碎岩层处采取率达到将近80%。

图1 ZK0603孔采集的岩心

4.2 钻孔缩径研究

一般缩径地层，在双聚成膜低固相冲洗液体系的支持下，加上XY-4型岩心钻机扭矩大、起拔力大的特点能较好、较快地完成施工，但ZK6A04孔情况比较特殊。该孔在井深78 m处遇到了较强的水敏性地层，我们修改了计划方案：用单管钻进，通过慢慢干钻的方式通过这层水敏层，再下入套管隔绝，从而达到顺利施工的目的。但是在具体的施工过程中，遇到了一个无法解决的问题，就是在缩径的同时，还有地下粘土矿物的上涌。钻进中提钻换钻头时钻孔被地下粘土矿物重新填满，经过近一个月的尝试，单管钻进和跟管钻进方法都没有成效，始终没有穿透水敏层。在钻探工艺上没有较好方法的情况下，我们尝试采用化学冲洗液材料来降低失水量。

选择的化学冲洗液材料来自于北京探矿工程研究所，并邀请冲洗液专家在现场指导冲洗液配比，根据现场实际情况进行冲洗液配方调整，最终确定冲洗液配方：0.5 m3水+25 kg成膜A剂+1 kg纯碱+5 kg GFD-1剂+3 kg纤维素CMC+1 kg包被剂。

纤维素和包被剂需提前用水桶分开泡散，用专门设备来匀速搅拌，以使化学剂的性能达到使用要求和稳定要求。

为达到使用效果，在冲洗液配置中，严格按操作流程配置冲洗液：(1)选择合适的容器，对化学剂进行称量配比；(2)先放入搅拌所需用的清水，依次放入成膜A剂、纯碱、GFD-1剂、纤维素、包被剂；(3)搅拌约30 min，使冲洗液充分搅匀，而后投入使用。

配好的冲洗液，在实验中有一定的效果，可以很明显地看出粘土矿物在冲洗液中泡12 h左右依旧没有松散，在粘土的表层还形成了一层隔水膜。在实际使用过程中取得了一定效果，但未能完全处理好粘土矿物的上涌这一问题，在花费大量人力、物力后该孔以合格钻孔的质量标准进行了终孔验收。