涇川高平礦區(qū)堵漏工藝總結(jié)及應(yīng)用實(shí)例分析

紀(jì)衛(wèi)軍，蔡曉文，付帆

（1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.甘肅煤田地質(zhì)局一四五隊(duì)，甘肅 張掖 734000）

涇川高平礦區(qū)位于甘肅省涇川縣城東25km。該礦區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)孔深較深，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中經(jīng)常遇到鉆孔漏失的情況。2012年該礦區(qū)施工的鉆孔在黃土層段和白堊系都發(fā)生過不同程度的漏失，漏失嚴(yán)重的鉆孔共有12個(gè)。由于鉆孔漏失同時(shí)易引發(fā)孔壁掉塊、坍塌等地層失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成孔內(nèi)卡鉆、埋鉆事故，最終導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。嚴(yán)重影響了鉆探施工進(jìn)度，增加了施工成本。因此，護(hù)壁堵漏便成為該礦區(qū)鉆探施工中急需解決的技術(shù)問題。

我隊(duì)在該礦區(qū)施工多年，遇到過多種不同程度的漏失，采用過多種堵漏方法，如套管堵漏、橋塞堵漏、水泥堵漏等。通過技術(shù)人員不斷的摸索和實(shí)踐，逐步形成多套完整成熟的堵漏工藝，實(shí)施效果十分顯著。

1 工程地質(zhì)概況

該區(qū)第四系黃土層厚度大約200～350m，白堊系地層厚度大約700～1000m，以砂巖、泥巖為主，砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，膠結(jié)松散。侏羅系地層厚度大約100～150m，以灰色泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖為主。鉆孔漏失層大多位于黃土層和白堊系地層。

鉆機(jī)采用XY-2000型巖芯鉆機(jī)，配備NBB260／7型泥漿泵。該區(qū)鉆孔全部使用Φ98鉆頭一徑到底，采用普通單管鉆進(jìn)取芯工藝，設(shè)計(jì)孔深一般在1000～1500m之間。

2 施工中存在的問題

由于第四系黃土層較厚，該區(qū)黃土層段每個(gè)鉆孔都有漏失現(xiàn)象，白堊系地層破碎帶較多，裂隙發(fā)育明顯，多個(gè)鉆孔在這一層位發(fā)生沖洗液失返現(xiàn)象，漏失嚴(yán)重，如X4806、X5004、X5204、X5205等鉆孔。

前期由于對(duì)本礦區(qū)地層情況不熟悉，漏失發(fā)生后通常不能對(duì)漏失性質(zhì)、漏層位置等有一個(gè)準(zhǔn)確的判斷，所以堵漏成功率低、堵漏成本高，嚴(yán)重的影響鉆探施工的進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。

3 孔內(nèi)漏失的危害性

鉆孔孔內(nèi)發(fā)生漏失后，如果堵漏不及時(shí)或不成功會(huì)給鉆探工程帶來較多的危害，具體如下：

（1）由于鉆孔漏失，孔壁缺少了沖洗液液柱壓力的支撐，對(duì)于坍塌壓力大的地層極易發(fā)生掉塊、坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)復(fù)雜事故。

（2）由于鉆孔漏失，沖洗液液面下降，鉆具與孔壁直接接觸的面積增大，從而增加了鉆具的磨損，大幅降低了管材的使用壽命。

（3）由于鉆孔漏失，沖洗液消耗量增大，造成沖洗液材料成本的不斷增加。

（4）由于鉆孔漏失，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去堵漏，嚴(yán)重影響施工工期和施工質(zhì)量。

4 常用堵漏工藝

鉆孔漏失給現(xiàn)場(chǎng)施工造成極大的困擾，嚴(yán)重影響鉆探施工進(jìn)度，所以組織技術(shù)骨干力量針對(duì)本地區(qū)漏失問題進(jìn)行研究攻關(guān)，并通過大量的實(shí)踐，取得了比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，形成了從漏層情況判斷、堵漏方法選擇到堵漏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施一整套完整的堵漏工藝。

4.1 準(zhǔn)確判斷漏失情況

（1）記錄發(fā)生漏失時(shí)的相關(guān)情況［1］

①確定孔內(nèi)易發(fā)生漏失段的位置；

② 鉆進(jìn)中是否有鉆速突然加快或有鉆具放空現(xiàn)象；

③泵壓變化情況和孔口返漿量；

④ 根據(jù)孔內(nèi)沖洗液液面深度判斷動(dòng)水位和靜水位。鉆具全部提出后，觀察鉆桿濕痕計(jì)算水位。測(cè)繩能夠測(cè)上時(shí)，用測(cè)繩測(cè)量孔內(nèi)水位。

（2）漏失層巖心情況

（3）了解鉆孔附近地質(zhì)情況和鄰孔鉆進(jìn)漏失情況

綜合以上信息，判斷漏失層位置、漏失通道大小、地層壓力大小等相關(guān)情況。

4.2 涇川高平礦區(qū)處理孔內(nèi)漏失的主要方法

（1）套管隔離法

該方法主要適用于鉆孔上部黃土層的堵漏，在其他堵漏方法無效的情況下可采用。

（2）水泥堵漏法

水泥堵漏法具有貨源廣、成本低、使用方便、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)漏失層位較深，無法準(zhǔn)確判斷漏失層位置，該方法成功率較高。使用水泥堵漏時(shí)應(yīng)注意水泥的流動(dòng)性、初凝時(shí)間及替漿量的計(jì)算，防止鉆桿被水泥漿固住。

（3）惰性材料堵漏法

本礦區(qū)常用的惰性材料有植物果殼、工業(yè)廢料和某些礦物原料。經(jīng)過粉碎，分選制成不同規(guī)格的粉狀或纖維狀材料。惰性材料堵漏法具有成本較低、操作簡單、堵漏風(fēng)險(xiǎn)性較小等特點(diǎn)，對(duì)于一般性漏失，使用此方法成功率較高。

根據(jù)不同的漏失情況，施工時(shí)可選用以下幾種不同方法：

①循環(huán)堵漏法。該方法適用于深孔段的滲漏地層，將粒徑小于3mm的惰性材料加入沖洗液中，加量為沖洗液總方量的2%～3%，隨沖洗液循環(huán)起到堵漏作用。

②泵灌堵漏法。該方法主要針對(duì)中等漏失或大漏失地層。當(dāng)孔口基本不返沖洗液時(shí)，則需要采用此方法停鉆堵漏。先將光鉆桿下到漏失層位上部5～10m，用泥漿泵將堵漏漿泵入漏失層，觀察到返漿后，則將孔口封住，憋壓2～6MPa，1～2h后提鉆，最后加鉆頭下鉆掃孔鉆進(jìn)。

③惰性材料加粘土球堵漏法。該方法主要針對(duì)大裂隙惡性漏失。首先把惰性材料與粘土或水泥混合制成粘土球，漏失層位比較淺時(shí)，可從孔口把風(fēng)干的粘土球直接投入孔內(nèi)，漏失層位較深時(shí)，則需要將粘土球裝入巖芯管，用巖芯管送入漏失層才能起到堵漏效果。

（4）高粘堵漏劑堵漏法

高粘堵漏劑主要采用黃原膠、羥乙基纖維素和陽離子聚合物等高粘處理劑。一般在700mL清水中加入1.4g高粘堵漏劑，攪拌30min，測(cè)試其漏斗粘度達(dá)到100s以上。該堵漏劑進(jìn)入漏失通道后能與孔隙巖石牢牢地粘附在一起，阻止沖洗液繼續(xù)向深處流動(dòng)。該堵漏劑具有較高粘度，其進(jìn)入漏失通道后可形成膠凍狀態(tài)，能夠降低沖洗液的流速直至停止。這種方法在深孔段滲透性漏失地層中堵漏效果明顯，對(duì)于大的孔隙或裂隙漏失也可加入鋸末、果殼等惰性材料，效果會(huì)更理想。

（5）膨脹堵漏劑堵漏法

膨脹堵漏劑是一種白色顆粒，其吸水量是自身的質(zhì)量50～100倍，膨脹量可達(dá)到是自身的體積的10～15倍，吸水膨脹時(shí)間約5～10min。該堵漏劑進(jìn)入漏失層后能夠吸水膨脹直至塞滿封閉漏失通道，從而起到堵漏的作用，適用于大裂隙漏失。

5 具體施工實(shí)例

涇川高平礦區(qū)鉆孔漏失最嚴(yán)重的鉆孔主要分布在48線、50線和52線三條勘探線上。這里以具有代表性的X4806、X5004、X5205三個(gè)鉆孔為例，對(duì)堵漏工藝進(jìn)行介紹。

（1）X4806孔堵漏情況

X4806孔設(shè)計(jì)孔深1460m，施工日期2012年7月6日～2012年12月25日。該鉆孔在前期施工的過程中由于堵漏方法不當(dāng)，造成700m深的鉆孔報(bào)廢，耗時(shí)88天。挪孔鉆進(jìn)后，在黃土層再次遇到嚴(yán)重漏失，吸取前次教訓(xùn)，決定采用套管封隔法，將黃土層鉆穿后，下入Φ160的套管封閉黃土層，徹底解決上部地層漏失問題。

當(dāng)鉆進(jìn)到孔深568.52m時(shí)，鉆具突然放空，孔口沖洗液失返，測(cè)不到水位。根據(jù)上述情況判斷漏失層位于鉆孔底部，屬于大型裂隙漏失，決定采用水泥漿堵漏法。配制水灰比為0.6的水泥漿，并在水泥漿中加入2%的氯化鈉，在鉆穿漏層2m后，將水泥漿泵入孔內(nèi)。采用這一方法堵漏效果明顯，沖洗液返出量約為泵量的2／3。由于沖洗液消耗量依然較大，在沖洗液中補(bǔ)入高粘堵漏劑和鋸末隨鉆循環(huán)堵漏，當(dāng)鉆進(jìn)至孔深610.62m時(shí)，孔內(nèi)沖洗液上返正常。

當(dāng)繼續(xù)鉆進(jìn)至孔深705.48m時(shí)，孔內(nèi)又出現(xiàn)漏失，但是在該層位取的巖心非常完整。經(jīng)過分析，該層位發(fā)生漏失可能性極小，漏失層應(yīng)該還是位于孔深568.52m處的漏失層。最后研究決定進(jìn)行擴(kuò)孔施工，將孔徑由原來的Φ113擴(kuò)成Φ146，擴(kuò)至孔深620m，在620m位置架橋，用高強(qiáng)度水泥加2%氯化鈉配制成的水泥漿封堵至孔深500m的位置，水泥凝固后用Φ98鉆頭鉆進(jìn)。在后續(xù)的施工過程中，孔內(nèi)再?zèng)]有發(fā)生漏失，直至終孔。

（2）X5004孔堵漏情況

X5004鉆孔設(shè)計(jì)孔深1420m，施工日期2012年10月5日～2012年12月29日。該鉆孔鉆進(jìn)至孔深90m時(shí)發(fā)生漏失，頂漏鉆進(jìn)至孔深120m，沖洗液失返，采用惰性材料和粘土球堵漏法，經(jīng)過五天的封堵，沖洗液返量正常。在白堊系地層中鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液滲漏嚴(yán)重，把高粘堵漏劑和鋸末補(bǔ)入到?jīng)_洗液中，采用隨鉆循環(huán)堵漏法封堵漏層，大大降低了沖洗液消耗量，取得了很好的效果。

（3）X5205孔堵漏情況

X5205鉆孔設(shè)計(jì)孔深1350m，施工日期2012年9月13日～2012年12月5日。該孔鉆進(jìn)至孔深120m時(shí)發(fā)生漏失，頂漏鉆進(jìn)至孔深130m時(shí)沖洗液失返，采用孔口投干料的堵漏方法，封堵住了漏層，沖洗液返量正常。鉆進(jìn)至孔深230m時(shí)，孔內(nèi)又發(fā)生了嚴(yán)重的失返漏失，經(jīng)過反復(fù)堵漏，堵漏效果不太明顯，為了防止黃土層坍塌造成事故，最后決定采用套管封隔黃土層。當(dāng)鉆進(jìn)至孔深560.58m時(shí)，孔內(nèi)又出現(xiàn)失返漏失。根據(jù)取上巖芯分析，該層位有大量裂隙存在，所以在沖洗液中加入鋸末、果殼、石灰石粉等一些惰性材料配合膨脹堵漏劑，一起注入漏失層，返漿后把孔口封住，蹩壓2h，壓力3MPa，起鉆加鉆頭掃孔鉆進(jìn)，沖洗液上返量基本正常，堵漏非常成功。

6 結(jié)語

（1）鉆孔漏失不僅嚴(yán)重影響巖心鉆探施工的正常進(jìn)行，增加鉆探施工的難度和成本，降低鉆進(jìn)效率，還容易引發(fā)嚴(yán)重孔內(nèi)事故，甚至造成鉆孔報(bào)廢，危害性極大。

（2）在巖心鉆探施工中，應(yīng)高度重視鉆孔的防漏、堵漏問題。發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)漏失，應(yīng)綜合分析孔內(nèi)情況，采用合理堵漏方法，及時(shí)進(jìn)行有效的處理，以預(yù)防由此而引發(fā)的孔內(nèi)事故。

（3）通過在涇川高平礦區(qū)的成功堵漏實(shí)踐證明上述堵漏工藝針對(duì)該礦區(qū)是非常有效的，可以進(jìn)行推廣示范。

［1］鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［2］陶士先.復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)［M］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009.

［3］王發(fā)明，石永泉，韓永昌.大裂隙巖溶地層的有效鉆孔堵漏方法［J］.探礦工程，2007（3）：15-17.

［4］路學(xué)忠，李春光，蔡記華.寧夏彭陽草廟地區(qū)煤田鉆探防漏堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.探礦工程，2009（2）：1-4.