漏失地層瀝青堵漏的工藝實踐

龐惠龍，韓 輝

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊，安徽銅陵244033)

1 礦區(qū)概況

安徽銅陵銅金多金屬礦集區(qū)是長江中下游銅金多金屬成礦帶的重要組成部分，已探明冬瓜山、胡村、雞冠石、朝山等大中小型銅—金多金屬礦床十幾個，銅金屬含量合計約300萬t。安徽省銅陵市銅金多金屬礦集區(qū)普查為國家級地勘基金項目，分為長龍山銅硫礦段、刺山金礦段、胡村南銅鉬礦段三個礦段進行普查［1］。本區(qū)位于長江中下游南岸沿江丘陵平原區(qū)，區(qū)內(nèi)地形受北東向構造線控制。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，溫濕多雨。區(qū)內(nèi)地質(zhì)地層條件復雜，鉆孔施工多遇溶洞、裂隙發(fā)育，巖心破碎嚴重孔壁易坍塌。

勘查區(qū)地層巖性主要為大理巖、灰?guī)r，巖石堅硬—較堅硬，性脆，易坍塌、破碎。與灰?guī)r分布密切相關的主要地層自上而下為:分水嶺組(T2f)、南陵湖組(T2n)、塔山組上段(T1t3)、小涼亭組(T1x)、大隆組(P2d)、孤峰組(P1g)、棲霞組(P1q)。

2 ZK6616孔施工簡介

2．1 鉆孔設計及鉆遇地層

ZK6616孔設計孔深1300 m，傾角82°，方位角268°?？咨顝?～865 m地層巖性為大理巖、大理巖與角巖互層、大理巖夾矽卡巖等。從865～1300 m，地層巖性為含銅矽卡巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂巖、硅質(zhì)巖、大理巖夾含銅矽卡巖。從各層厚度可以計算出大理巖和含大理巖成分的巖層總計接近1000 m?；?guī)r溶蝕現(xiàn)象嚴重、構造裂隙發(fā)育。

2．2 鉆孔結構

2．3 施工過程及沖洗液漏失情況

從開孔至大理巖地層沖洗液就開始慢慢消耗，因消耗量不大，采取在沖洗液中添加堵漏劑頂漏鉆進。鉆進至435 m時，消耗量大增，采用水泥封堵，孔口返水。鉆至562 m時孔內(nèi)沖洗液全部消耗，幾經(jīng)水泥封堵無效，為減少回轉阻力，只有在鉆桿上涂抹黃油鉆進。鉆進至746 m時遇0.7 m溶洞，孔口不返水，采用水泥封堵。繼續(xù)鉆至830 m時，孔內(nèi)水位全部消失。長時間停泵后提起的內(nèi)管上有干黃銹跡，孔內(nèi)全孔無水。回轉阻力猛增，無法正常鉆進，若全孔鉆桿涂抹黃油則成本太高，決定再采取措施封堵裂隙。依次使用過水泥漿、水泥漿摻黃沙、碎石(瓜子片)注入孔底，同時也添加黃豆、海帶，將粗棕繩剪成10 cm的長段拆散，大量的電刨刨花用水沖至孔內(nèi)，水泥封堵仍然無效。用以上各種材料灌入孔內(nèi)后都是全部消失，探孔時一下到底，毫無阻擋。查此段20 m巖心，破碎有裂隙但無溶洞，證明孔內(nèi)漏失段裂隙發(fā)育貫通，存在地下水流動通道，各種堵漏材料注入孔內(nèi)后被迅速沖走，無法留存和固結。

3 漏失原因分析及堵漏方案的選定

筆者分析認為，銅陵地區(qū)是我國礦品種眾多的礦集區(qū)，獅子山地區(qū)有著中國著名的銅陵有色冬瓜山銅礦和大量的民營礦山，地下巷道立體縱橫交錯，目前冬瓜山銅礦最深的巷道已近1000 m。這些礦山常年抽取地下水，導致周圍地區(qū)的水位下降，ZK6616孔距離冬瓜山主井1400 m，離巷道和其他副井距離更短，加上孔內(nèi)裂隙溶洞發(fā)育，沖洗液必然會漏失。

針對ZK6616孔地質(zhì)地層情況以及多次堵漏失敗的教訓，我們總結出要想堵住ZK6616孔的裂隙，需要一種投入孔內(nèi)時體積大、能有效在大裂隙中架橋并能經(jīng)受住地下水沖蝕的塑性堵漏材料。對比了幾種材料。

粘土球經(jīng)受不住具有流動性地下水的沖蝕，只能用于一般小裂隙和地下水無強烈運動的漏失地層，即使臨時堵住漏失也不能長時間經(jīng)受住強大水柱壓力和提下鉆造成的壓力“激動”。

脲醛樹脂水泥球也是一種方案，但銅陵地區(qū)沒有這種材料，需到外地訂購。而且水泥的凝固期長，確定配比需做實驗要很長時間。

最后選定使用瀝青球，經(jīng)過對瀝青的物理、化學性質(zhì)的了解，并在實驗室中進行反復配制和試驗，配制成一種鉆孔內(nèi)粘附力強、不溶于水且耐沖蝕的塑性瀝青堵漏材料［2］。

4 瀝青的特性

4．1 固體瀝青

瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的黑褐色復雜混合物，是一種防水防潮和防腐的有機膠凝材料。常溫下的瀝青呈固體，烈日暴曬時呈流塑狀態(tài)。屬于憎水性材料，相對密度(水的密度=1.0 g/cm3)1.15～1.25 g/cm3。沸點＜470℃，閃點204.4℃;引燃溫度485℃;爆炸下限%(V/V)為30(g/cm3);瀝青還具有觸變性、軟化點、感溫性、熱傳導性等［5］。

因瀝青常溫下呈固態(tài)，加溫后呈流塑狀，無法加工成球形，而且粘手粘手套，不易清洗，降溫后又呈堅硬的固態(tài)。所以不能直接用于鉆探施工的堵漏，需要對其進行改性，使其具有常溫下不粘手，能搓揉成球體的軟塑狀態(tài)，并使其在鉆孔內(nèi)可長時間保持這一特性。

4．2 液體瀝青

市面上可購買到的液體瀝青是用于屋面防漏和設備防銹防腐蝕。它是用化學溶劑溶解了少部分瀝青的混合液體，瀝青含量少，有強烈的異味。我們做配比試驗時也使用了這種瀝青，它價格低廉、無需長時間熬制、操作方便、快捷。

用液體瀝青制成瀝青球放置后可長期保持塑性，其性能也適合封堵裂隙(見圖1)，但其經(jīng)不起強水流的沖擊，因此不適合ZK6616孔。但這種瀝青球比粘土球粘性好，可替代粘土球堵漏，這也是配制堵漏材料的一個意外收獲。

圖1 液體瀝青制作的瀝青球

4．3 瀝青的改性

4．3．1 鉆孔堵漏對瀝青的要求

鉆孔堵漏要求瀝青在常溫下呈軟塑狀，便于制作成形并投放孔內(nèi)，易于擠壓，和巖壁具有良好的粘附性和粘結性，不溶于水且抗水流的沖蝕，并在一定的溫度范圍內(nèi)長時間保持其狀態(tài)不變。

4．3．2 瀝青的配制試驗

首先在實驗室進行了試驗。開始因?qū)σ后w瀝青的性能缺乏足夠的了解，認為無需熬制，加熱快，乳化后拌入粘土粉就可制作瀝青球。購買了防腐用液體瀝青，嘗試了各種配比制作出了瀝青球，但用水龍頭長時間沖刷后有散亂現(xiàn)象。分析認為是其中瀝青成分含量少導致粘結力不夠。

后購買了市面上屋頂防漏用袋裝固態(tài)瀝青，經(jīng)過不斷地試驗，確定了配制比例。所需輔料也方便選購:鈉基粘土粉、純堿、柴油、機油。

配比為:100 kg瀝青+100 kg鈉基粘土粉+2 kg純堿+25 kg柴油+25 kg機油。

其中，純堿起乳化作用，柴油和機油起增塑作用。

4．4 實際應用及注意事項

4．4．1 計算用量

ZK6616鉆孔需堵漏孔段孔徑77 mm，根據(jù)鉆進時的漏失和巖心的破碎情況推斷需封堵孔段20 m，計算需要0.09 m3的瀝青。經(jīng)計算，需瀝青50 kg、粘土粉50 kg、純堿 1 kg，柴油 12.5 kg，機油 12.5 kg。

經(jīng)計算，需配制0.107 m3的瀝青量可滿足堵漏需要。

4．4．2 現(xiàn)場熬制瀝青

現(xiàn)場熬制時取一只機臺常用0.2 m3的機油桶，按需要的大小從中間割開，用廢鉆桿制作一支架放置平穩(wěn)牢固，或直接用磚石堆砌，將桶放置其上，用柴草加熱，用電子秤或磅秤秤量所需材料，熬制瀝青時應穿好防護用品，防止瀝青在攪拌過程中飛濺造成燙傷。將瀝青塊加熱熬制成液態(tài)，加入純堿攪拌均勻后，依次加入柴油和機油，沸騰后停止加熱，待溫度稍降后一鍬一鍬地緩慢加入粘土粉，為加快攪拌速度，用手槍電鉆連接攪拌頭進行攪拌。瀝青熬制沸騰時體積迅速膨脹，漫出時四處流淌遇火即燃。所以現(xiàn)場熬制時要盡量遠離鉆機塔布和草木等易燃物，如遇燃燒可用沙土覆蓋或使用干粉滅火器滅火。

熬制固體瀝青和液體瀝青不同，固體瀝青沒有濃烈刺鼻的氣味，但地點最好選在下風口處。

攪拌均勻待降溫后即可加工瀝青球，期間降溫過程較慢，視室內(nèi)外溫度而定，一般需半天至一天，有條件的可用冷水循環(huán)降溫(見圖2)。

圖2 現(xiàn)場熬制的瀝青

4．4．3 投球

下入S75鉆桿距孔底40 m，要考慮瀝青球之間的占有空間，其在孔內(nèi)高度要遠大于孔內(nèi)堵漏所需的20 m。在孔口套上漏斗，也可用裝純凈水的大桶將桶底剪去，將桶口插入S75鉆桿。

將瀝青搓揉成直徑2～2.5 cm的圓球，隨著水流一個一個地投入鉆桿，投入間隔2～3 s。若是瀝青偏軟，搓球時可用手抓粘土粉一起搓，即可增加瀝青球的韌性又不粘手(見圖3)。制成的瀝青球的軟硬度以放置在地板上，瀝青球隨自身重量慢慢變形為宜(見圖4)。

圖3 工人制作瀝青球

圖4 瀝青球成品

開啟泥漿泵將水不停地注入鉆桿(見圖5、圖6)。

圖5 用機上鉆桿開泵將瀝青球沖入孔中

圖6 用水泵將瀝青球沖入孔中

注水的目的:一是減少瀝青球掛壁的可能，二是瀝青球架橋時管內(nèi)水位漫出預警。

淺直孔可直接投入孔內(nèi)，若孔內(nèi)情況復雜、深孔或斜孔需從繩鉆鉆桿中投入，為防止中途架橋，從鉆桿中投入時要分多次，每次間隔合機送水，可檢查瀝青球是否中途架橋，如有瀝青球中途架橋也可開低擋將其壓出鉆桿，若無法泵出可提鉆將瀝青球取出，查找出原因后重新將取出的瀝青搓球投入。

4．4．4 沖壓

沖壓時也可用鉆機液壓裝置來緩慢施壓。

正常鉆進進尺10 m后沖洗液又突然全部消失，查驗巖心同上段情況相同，又立即進行第二次瀝青封堵，只是用量減少一半，提鉆時鉆桿進水，封堵成功。

通過這二次瀝青球的使用，總結出若封堵的孔段長，瀝青球投入的多，熬制瀝青時要相應減少粘土粉用量，以增加瀝青球的柔軟度，便于壓入裂隙，如果瀝青球偏硬的話，沖壓的阻力太大，時間也較長，難以壓入裂隙。

4．4．5 清孔底

由于孔底還有4 m多未壓入裂隙的瀝青，若直接用鉆具掃孔就會堵塞內(nèi)管，所以先采用在鉆桿前接4.5 m廢鉆桿下入孔內(nèi)，直接壓入孔底，將瀝青取出。再下75 mm鉆具掃孔，距孔底5 m時開泵送水，待沖洗液沖到孔底后方可掃孔，否則孔底殘余瀝青進入內(nèi)管，孔壁與外管環(huán)狀間隙被瀝青封死，在泥漿泵的壓力下，進入內(nèi)管的瀝青會反向壓入內(nèi)管頂端，將進水通道堵死造成憋泵(見圖7)。提出孔口后可用螺紋鋼將瀝青掏出(見圖8)。

圖7 內(nèi)管中的瀝青

圖8 用螺紋鋼將瀝青掏出

4．4．6 注意事項

(1)發(fā)現(xiàn)漏失時要查看巖心，無裂隙時要停鉆，否則造成瀝青的浪費，且給后續(xù)工作造成不必要的麻煩。

(2)根據(jù)漏失巖層來計算瀝青等材料用量，以免在施工中因瀝青球不足量，造成多次重復施工。

(3)瀝青球的直徑應控制在鉆孔口徑的1/3～1/2較為合適。

5 瀝青堵漏方法的分析比較

鉆孔護壁堵漏的方法有很多，鉆探生產(chǎn)中常用的材料為堵漏劑、化學漿液、粘土球、水泥，現(xiàn)今有的鉆孔使用了脲醛樹脂水泥球，它堵漏效果良好，凝結時間可調(diào)，有著廣泛的適應性。但是使用脲醛樹脂水泥球過程中不能出現(xiàn)意外情況，一旦中途長時間停頓后，投入孔內(nèi)和未投完的水泥球?qū)⑷繄髲U，甚至造成鉆孔事故。脲醛樹脂在市面上不易零散購買，只有大量訂購。

而瀝青球原材料可隨處購買，價格低廉，零售批發(fā)均可，存放時間長，不失效。制作好的瀝青球也可以長時間存放，不變形不干裂。ZK6616鉆孔采用瀝青球堵漏鉆進2個星期后，掉入孔內(nèi)裂隙中的一個瀝青球隨巖心被打撈上來，與投入孔內(nèi)時的狀態(tài)一樣，粘度和軟硬度沒有絲毫的變化。同時，我們將熬制好的瀝青用塑料袋簡單包裹后放置室內(nèi)觀察，經(jīng)過一個冬天和夏天性能仍然沒有變化，可繼續(xù)使用。

同樣，我們在使用瀝青球堵漏也發(fā)現(xiàn)一些問題，熬制完成后不能立即制作，冷卻時間長，冬季冷卻的時間短，需8 h以上，夏季需過24 h。另外瀝青材料質(zhì)量參差不齊，有時含雜物多，有時質(zhì)量純凈，加入的粘土粉也需相應進行調(diào)整。

6 瀝青堵漏的應用前景

利用瀝青球長時間存放不變性的特點，將其應用于裂隙漏失情況嚴重的勘探區(qū)，提前熬制大量的瀝青存放，這種材料存儲包裝簡單，發(fā)現(xiàn)漏失時即可使用，節(jié)省了熬制和等待的時間，快捷方便。建議泥漿生產(chǎn)廠家組織力量進行研發(fā)，穩(wěn)定其性能，批量生產(chǎn)，滿足生產(chǎn)需求。

此外還可深入探索，改變其塑性，量化其軟硬度，將其應用于破碎復雜地層的護壁，利用其強大的粘附性將破碎層的碎塊結合在一起，在孔壁上形成完整而耐循環(huán)液沖刷的保護層，可以解決復雜地層的鉆進難題。

7 結語

瀝青球?qū)K6616孔的堵漏實踐證明，瀝青堵漏工藝簡單，自身粘結和粘附力強，抗水流沖蝕，抗抽吸，不限孔深和時間，適用于各種裂隙造成的漏失。既可單孔現(xiàn)場制作使用，又可提前大批量制作存放。且原材料和成品存放時間長，性能穩(wěn)定，對存儲條件和環(huán)境要求低，隨取隨用，是一種應用前景廣泛的堵漏材料。

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