大裂隙堵漏劑在神農(nóng)架礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)中的試驗(yàn)應(yīng)用

王政敏，張寶河，劉 鳴

(1.武警警種學(xué)院黃金系，北京 102202，2.武警黃金指揮部，北京 100055)

1 概述

神農(nóng)架礦區(qū)位于鄂西北地區(qū)，主要有大型的磷礦和鉛鋅礦。礦區(qū)的特點(diǎn)一是地貌類型復(fù)雜，主要有:山地地貌、流水地貌、喀斯特(巖溶)地貌和第四紀(jì)冰川形成的冰川地貌;二是地層非常復(fù)雜，溶洞、溶隙和裂隙非常發(fā)育，在鉆探施工中，鉆孔頻繁發(fā)生漏失、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，造成夾鉆、卡鉆、埋鉆、斷鉆等事故。致使鉆進(jìn)效率低，成本居高不下，嚴(yán)重影響了地質(zhì)找礦工作的正常進(jìn)行。雖然采取了多種方法堵漏和治理，效果始終不理想，每年一臺(tái)鉆機(jī)，施工不到1000 m，鉆孔質(zhì)量還難以保證。2009年，經(jīng)過(guò)調(diào)研，我們對(duì)大裂隙堵漏劑進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)踐應(yīng)用，并采取綜合治理的辦法，較成功地解決了該礦區(qū)的鉆進(jìn)難題，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 礦區(qū)地層

神農(nóng)架礦區(qū)在地層區(qū)劃上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地層區(qū)的大巴山—大洪山分區(qū)，主要的巖性組成為:礫巖、砂巖、頁(yè)巖、灰?guī)r、白云巖、硅質(zhì)巖和冰磧巖等。礦區(qū)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，由于受構(gòu)造的影響，礦區(qū)除溝谷中有第四系松散堆積物外，出露的地層主要為灰?guī)r、頁(yè)巖，巖層產(chǎn)狀較陡，夾層、互層頻繁，即薄～中厚層灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖。在施工中遇到的主要巖層和巖性如下:

頁(yè)巖:淺綠色～淡黃色～黑色，分鈣質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖等，巖石硬度小，可鉆性等級(jí)3～5級(jí)，研磨性弱，水敏性強(qiáng)，尤其泥質(zhì)、碳質(zhì)頁(yè)巖水敏性極強(qiáng)。

砂巖:灰～褐灰色，礦區(qū)主要為粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖，巖石硬度較小，研磨性較強(qiáng)?？摄@性等級(jí)3～5級(jí)。

灰?guī)r:灰～灰白，薄～中厚層，巖石結(jié)構(gòu)致密，硬度低，研磨性弱，可鉆性級(jí)別4～5級(jí)。

3 鉆進(jìn)中常遇到的問(wèn)題

(1)溶洞、溶隙和裂隙發(fā)育，導(dǎo)致漏失、斷鉆、跑斜、卡鉆、夾鉆比較突出。

(2)超徑嚴(yán)重，排渣困難。若突然停電或水泵故障時(shí)，易發(fā)生埋鉆事故;鉆進(jìn)中轉(zhuǎn)速過(guò)高、壓力過(guò)大時(shí)易發(fā)生斷鉆事故，且處理比較困難。

(3)遇斷層泥時(shí)出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象。

(4)在斷裂部位坍塌嚴(yán)重，需長(zhǎng)時(shí)間撈取巖粉。

(5)地層軟硬變化大，上部長(zhǎng)條狀掉塊易卡在斷層部位，鉆進(jìn)時(shí)遇阻易掃出盲孔，報(bào)廢進(jìn)尺。

(6)巖礦心采取率難以保證。特別是兩層礦均在斷裂帶內(nèi)，受斷裂影響非常破碎，有的孔礦層呈泥狀。

4 大裂隙堵漏劑的研究試驗(yàn)

從神農(nóng)架礦區(qū)的地層情況和施工中經(jīng)常遇到的主要問(wèn)題可以看出，解決此地層施工難題的首要任務(wù)是堵漏問(wèn)題。因此，我們對(duì)大裂隙堵漏劑的可行性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和模擬井堵漏試驗(yàn)。

4.1 大裂隙堵漏劑產(chǎn)品簡(jiǎn)介

大裂隙堵漏劑產(chǎn)品是由多種高分子材料聚合而成的一種無(wú)毒、無(wú)腐蝕、無(wú)污染、新型高效的大裂縫堵漏劑。

(1)產(chǎn)品性能。該產(chǎn)品遇水后能迅速膨脹，形成不規(guī)則狀凝膠體，且能迅速擴(kuò)張至自身體積的400～500倍。其質(zhì)量指標(biāo)各項(xiàng)分別為:外觀白色透明顆粒，5～10目，pH值6～7，吸水倍率350～400，吸收速度35 s，膨脹倍數(shù)300～400，表觀密度0.55～0.64 g/cm3。

(2)產(chǎn)品用途。主要用于大裂隙性漏失的封堵。通過(guò)堵漏材料的快速膨脹、擴(kuò)張，對(duì)各種較大裂縫隙的漏失地層起到填充、溶脹、封堵作用，達(dá)到堵漏目的。堵漏保持時(shí)間長(zhǎng)，成功率高。

4.2 室內(nèi)膨脹查看試驗(yàn)

將1 g的大裂隙堵漏劑固體顆粒放入500 mL的容器中，加水至400 mL，停置1 h后觀察，如圖1所示。

圖1 膨脹后的大裂隙堵漏劑

(1)膨脹體積:實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖遣榭雌渑蛎洷稊?shù)。

該產(chǎn)品體積膨脹增長(zhǎng)至350～400 mL。按此膨脹倍數(shù)，1 kg堵漏劑可灌75 mm鉆孔8～10 m。

(2)單粒膨脹體積:實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖遣榭雌淠芊舛铝严兜拇笮　?/p>

取出其中的一粒，未浸水前只有細(xì)糖顆粒大，浸水膨脹后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量長(zhǎng)為20 mm，寬為15 mm，厚為10 mm，如圖2所示。

(3)膨脹顆粒韌性:該膨脹顆粒像果凍一樣有一定的彈性和韌性。

圖2 膨脹后的大裂隙堵漏劑顆粒

(4)承壓:每?？沙袎?00 g重力變形而不碎。

(5)高聚物連接:用2%的聚丙烯酰胺浸泡，可把每個(gè)大裂隙堵漏劑膨脹顆粒粘連在一起。

4.3 室外模擬井堵漏試驗(yàn)

用碎砂石壘一個(gè)中間有縫隙的擬井臺(tái)，倒入膨脹后的大裂隙堵漏劑聚丙烯酰胺溶液，插入水管，用泵送泥漿，把堵漏劑壓入碎石裂隙可發(fā)現(xiàn)裂隙漏失被堵，說(shuō)明堵漏劑發(fā)揮作用。

4.4 試驗(yàn)小結(jié)

初步的試驗(yàn)表明，大裂隙堵漏劑是通過(guò)自然水浸泡，使之吸水膨脹，達(dá)到膨脹堵漏的目的。膨脹材料浸入水后就開(kāi)始膨脹，并能快速持續(xù)膨脹至自身體積的400～500倍。膨脹后的凝膠韌度適中、保持時(shí)間長(zhǎng)、膨脹張力大、有一定承壓能力。

5 施工方案的確定

為確保鉆探施工順利進(jìn)行，在總結(jié)了2008年施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了三級(jí)成孔、套管隔離溶洞、頂漏鉆進(jìn)、大裂隙堵漏劑堵漏、植物膠沖洗液鉆進(jìn)的施工方案。

5.1 鉆探設(shè)備的確定

由于礦區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻，搬遷困難，鉆孔相對(duì)較淺，平均孔深360 m，最深孔480 m。選用XY－4型鉆機(jī)，SGX－13型斜塔，BW－125型泥漿泵。

1.3 規(guī)范化 規(guī)范化主要分為位置規(guī)范化、大小規(guī)范化和筆畫細(xì)化處理，位置規(guī)范化和大小規(guī)范化在紙質(zhì)文字轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像時(shí)，就已規(guī)范化，每個(gè)單體文字圖像像素為長(zhǎng)寬各130像素。對(duì)于細(xì)化方面，細(xì)化是指對(duì)于一個(gè)給定的模式圖像，抽取其“中心骨架”的過(guò)程，細(xì)化算法可分為非迭代算法和迭代算法，而迭代算法又分為串行算法和并行算法，本文的細(xì)化處理是在不破壞原有結(jié)構(gòu)配置和給定筆畫連接位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，采取迭代掃描并刪減邊界像素點(diǎn)來(lái)完成。筆畫細(xì)化方法中經(jīng)典的有基于標(biāo)記的并行細(xì)化算法〔14〕，改進(jìn)的有自動(dòng)矢量化算法〔15〕。細(xì)化后的文字消減了很多手寫字體的個(gè)性化特征，為特征提取創(chuàng)造了有利條件。

5.2 施工鉆具的確定

正常鉆進(jìn):為了保證巖礦心采取率，同時(shí)少提大鉆，采用S96和S75繩索取心鉆進(jìn)，S60繩索取心鉆進(jìn)作為備用鉆具。

5.3 鉆孔結(jié)構(gòu)確定

5.4 鉆孔沖洗液的確定

對(duì)于深部破碎漏失地層，在用大裂隙堵漏劑堵漏后，采用沖洗液護(hù)壁，配方為:3.5%植物膠+0.3%聚丙烯酰胺+0.15%纖維素+0.15%燒堿+0.3%腐植酸鉀。根據(jù)孔內(nèi)阻力酌量添加皂化油潤(rùn)滑劑。

6 大裂隙堵漏劑的試驗(yàn)應(yīng)用

6.1 大裂隙堵漏劑的試驗(yàn)過(guò)程

我們?cè)囼?yàn)的第一個(gè)鉆孔是ZK312孔，該孔設(shè)計(jì)孔深320 m，傾角88°。

6.1.1 第1次堵漏試驗(yàn)

6.1.2 第2次堵漏試驗(yàn)

6.1.3 溶洞鉆進(jìn)方法

該鉆孔鉆進(jìn)到29.60 m處遇第一個(gè)溶洞，經(jīng)研究決定，要求遇溶洞時(shí)將轉(zhuǎn)速調(diào)換為最低擋或停止回轉(zhuǎn)，壓力降到能下降即可，探到溶洞底部后，方可用最低擋回轉(zhuǎn)，禁止鉆具剛接觸到溶洞底部就加壓鉆進(jìn)，以防止鉆桿折斷，同時(shí)強(qiáng)調(diào)把溶洞底部必須當(dāng)作重新開(kāi)孔來(lái)操作，保持低壓慢轉(zhuǎn)，以防溶洞底部因不平，造成鉆孔位置發(fā)生漂移、錯(cuò)位，(尤其是溶洞密集時(shí)更加需要注意)以避免鉆桿、鉆具折斷或提下鉆不暢，鉆進(jìn)時(shí)要注意孔內(nèi)負(fù)荷及各儀表變化，以防溶洞內(nèi)充填物擠、卡、埋住鉆具。升降鉆具時(shí)要觀察鉆具升降是否順暢，孔內(nèi)有無(wú)掉塊，鉆具是否到底等情況，以便采取應(yīng)對(duì)措施。

在采用以上措施施工至60.10 m穿過(guò)最后一個(gè)溶洞后，在該地段共遇0.5 mm以上溶洞6個(gè)，最大溶洞2.40 m，最小溶洞間隔僅0.20 m。未發(fā)生一起孔內(nèi)事故，升降鉆具也比較順利。2009年3月20日當(dāng)S96繩索取心鉆具鉆進(jìn)至69 m，未再遇溶洞，且地層也較為穩(wěn)定，因不能開(kāi)高速，進(jìn)尺較慢，同時(shí)不能確定下方是否還有溶洞，因此決定用91 mm鉆桿當(dāng)套管下入后用S75繩索金剛石正常鉆進(jìn)。

6.1.4 第3次堵漏試驗(yàn)

2009年4月1日，當(dāng)鉆進(jìn)至215 m時(shí)，孔內(nèi)又一次發(fā)生嚴(yán)重漏失，孔內(nèi)阻力很大，開(kāi)不起轉(zhuǎn)速，將1 kg堵漏劑分成幾個(gè)簿塑料方便袋裝起來(lái)，同時(shí)加進(jìn)聚丙烯酰胺粘稠液，投入孔內(nèi)，下鉆擠壓到孔底搗碎后，上提鉆具5 m左右，停2 h，配制好優(yōu)質(zhì)泥漿，再用小泵量、慢轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，鉆進(jìn)約0.5 h，井口慢慢返水且逐漸增大，經(jīng)過(guò)2次堵漏，孔內(nèi)阻力明顯減少，鉆進(jìn)一段后，把轉(zhuǎn)速提高至574 r/min鉆進(jìn)。2009年4月10日該孔順利終孔。

6.2 堵漏操作具體方法

經(jīng)過(guò)幾個(gè)孔的摸索試驗(yàn)，根據(jù)孔深情況和裂隙漏失量大小，總結(jié)了2種封堵方法，采用“投擲法”或“灌入法”進(jìn)行大裂縫隙性漏失的封堵。主要利用易粉碎物裝入或包入該產(chǎn)品，直接投至井底，通過(guò)下鉆碾壓，加極少量聚丙烯酰胺水溶液浸泡，通過(guò)粘附材料對(duì)其粘結(jié)在漏失通道內(nèi)，使之快速膨脹，達(dá)到封堵大裂縫隙漏失的目的。

6.2.1 “投擲法”操作要領(lǐng)

(1)選用簿塑料方便袋、普通紙袋、廢舊報(bào)紙、廢棄礦泉水瓶等若干個(gè)裝入本產(chǎn)品;(2)提出鉆具后，投入包裝后的本產(chǎn)品至漏失通道口，再下鉆進(jìn)行碾壓至裂縫隙中;(3)碾壓完成后馬上加入一定量的聚丙烯酰胺粘稠水溶液浸泡，停置≮1 h，使其完全膨脹;(4)完成上述操作后，用最小泵量灌入優(yōu)質(zhì)泥漿，測(cè)試堵漏是否成功(如未成功可重復(fù)上述操作，并加大用量);(5)堵漏成功后采用小排量、低泵壓、慢轉(zhuǎn)速、無(wú)進(jìn)尺鉆進(jìn)，返漿10 min后確認(rèn)無(wú)異常情況再轉(zhuǎn)為正常鉆進(jìn)，并逐漸提高轉(zhuǎn)速、泵壓。

6.2.2 “灌入法”操作要領(lǐng)

(1)當(dāng)遇到大裂縫隙漏失層時(shí)，應(yīng)頂漏鉆進(jìn)0.5 m后提出鉆具;(2)配制較高粘度的漿液灌入，并停置10 min，使其對(duì)漏失通道壁進(jìn)行粘結(jié)，達(dá)到粘附膨脹材料的目的;(3)配制中粘度漿液并快速加入膨脹材料攪勻下入井內(nèi)，要求漿液高出漏失通道2～3 m;(4)用易碎物品封鉆桿口，用鉆桿頂壓堵漏材料至漏失通道口上方0.5～1 m。使?jié){液和膨脹材料通過(guò)外力壓入漏失通道，保證堵漏材料的承壓力;(5)完成上述操作后，靜候1 h再進(jìn)行測(cè)試堵漏是否成功(如未成功可重復(fù)上述操作，并加大用量);(6)堵漏成功后采用小排量、低泵壓、慢轉(zhuǎn)速、無(wú)進(jìn)尺鉆進(jìn)，返漿10 min后確認(rèn)無(wú)異常情況再轉(zhuǎn)為正常鉆進(jìn)，并逐漸提高轉(zhuǎn)速、泵壓。

6.2.3 封堵中的注意事項(xiàng)

使用大裂隙堵漏劑必須與鉆進(jìn)施工技術(shù)相配合，才能充分發(fā)揮該材料應(yīng)有的性能，達(dá)到堵漏成功的目的。

(1)根據(jù)裂隙大小確定堵漏劑用量，1 kg堵漏劑可膨脹至300～400 L，灌注75 mm鉆孔5～7 m。

(2)向漏失裂隙內(nèi)壓入的堵漏劑，要有足夠的滲透深度。

(3)膨脹液用其300～400倍的水及濃度較高的適量的聚丙烯酰胺溶液。

(4)堵漏成功后采用較高粘度泥漿、小排量、低泵壓、慢轉(zhuǎn)速、無(wú)進(jìn)尺轉(zhuǎn)動(dòng)，返漿10 min后確認(rèn)無(wú)異常情況再轉(zhuǎn)為正常鉆進(jìn)，并逐漸提高轉(zhuǎn)速、泵壓。

(5)應(yīng)避免因起下鉆速度太快造成的抽吸和壓力“激動(dòng)”作用，防止堵漏劑從漏失裂隙中被強(qiáng)行吸回孔內(nèi)，造成堵漏深度不夠而不能承受井內(nèi)液柱的壓力而被壓裂。

(6)在堵漏劑中加入一定量的惰性堵漏材料，能提高堵漏的成功率和承壓力。

7 鉆孔施工的綜合治理措施

在鉆進(jìn)中除嚴(yán)格遵守操作規(guī)程外，應(yīng)用好大裂隙堵漏劑的同時(shí)，還應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。

(1)灰?guī)r地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)特別注意預(yù)防溶洞及大的溶隙，發(fā)現(xiàn)溶洞時(shí)，及時(shí)停車，探明溶洞(溶隙)的準(zhǔn)確位置、大小及沖洗液的漏失情況，然后根據(jù)孔內(nèi)情況，確定繼續(xù)鉆進(jìn)或采取其他措施。如出現(xiàn)全泵量漏失，漏失部位位于鉆頭底部，則必須堵漏后(即沖洗液能夠返到鉆頭上部后)方可繼續(xù)鉆進(jìn);如溶洞(溶隙)較大，必須采用擴(kuò)孔下套管控制孔壁，然后恢復(fù)正常鉆進(jìn);如小溶洞(溶隙)采用大裂隙堵漏劑處理后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。擴(kuò)孔時(shí)，如孔內(nèi)水位低于擴(kuò)孔鉆頭位置，必須使用帶導(dǎo)正的擴(kuò)孔鉆具，且擴(kuò)孔鉆具的加工要保證送入的沖洗液能夠冷卻到擴(kuò)孔鉆頭和鉆具，否則極易引起擴(kuò)孔燒鉆事故。

(2)在小裂隙(小溶隙)中鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)漏失，如確定沖洗液在孔底可以冷卻鉆頭和鉆具，可以用沖洗液頂漏鉆進(jìn)過(guò)漏失層后用大裂隙堵漏劑封堵，封堵見(jiàn)效果后再鉆進(jìn)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)施工人員要按照規(guī)程操作，精力集中，注意鉆進(jìn)中進(jìn)尺變化、機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)聲音變化、沖洗液循環(huán)情況等，防止燒鉆、斷鉆、擠夾、憋泵等事故的發(fā)生。

(4)嚴(yán)格檢查所使用的設(shè)備、管材、工器具、打撈器的性能。如:每次提大鉆后應(yīng)嚴(yán)格檢查鉆桿、鉆具、鉆頭、擴(kuò)孔器的磨損情況;嚴(yán)格檢查水泵抽水情況;檢查提引器、打撈工具的聯(lián)結(jié)情況等。

(5)礦區(qū)地層大致分兩部分，上部為中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾粉砂質(zhì)灰?guī)r，存在溶洞和溶隙及裂隙;下部為薄層灰?guī)r夾粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)頁(yè)巖，易坍塌、縮徑。因此，在使用套管護(hù)壁時(shí)，必須考慮貯備1～2級(jí)套管控制鉆孔下部的坍塌層。

8 達(dá)到的效果及取得的認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)神農(nóng)架礦區(qū)復(fù)雜嚴(yán)重漏失地層采取大裂隙堵漏劑的封堵，以及采取的綜合措施，使神龍架礦區(qū)的鉆探施工得以順利進(jìn)行，每臺(tái)鉆機(jī)的年實(shí)進(jìn)尺從原來(lái)的1000 m不到，提高到1800 m。臺(tái)月效率從原來(lái)的320 m，提高到410 m，井故率從原來(lái)的40%降到了15%，礦區(qū)施工的4臺(tái)鉆機(jī)保質(zhì)保量完成了全年任務(wù)。

實(shí)踐表明，大裂隙堵漏劑通過(guò)自身的400倍快速膨脹、擴(kuò)張及粘稠液的粘連，泥漿的護(hù)壁，對(duì)各種(0.1～10 mm)有較大裂縫隙的漏失地層起到填充、溶脹、封堵作用，達(dá)到了漏失地層的堵漏目的，結(jié)合施工中采取綜合治理的措施，提高了鉆進(jìn)效率，降低了鉆探成本，該大裂隙堵漏劑在鉆探施工嚴(yán)重漏失地層中，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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