快速凝膠堵漏技術(shù)在山西腰站礦區(qū)ZK6004孔中的應(yīng)用

于保國

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊，河北 承德　067000)

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快速凝膠堵漏技術(shù)在山西腰站礦區(qū)ZK6004孔中的應(yīng)用

于保國

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊，河北 承德067000)

山西腰站礦區(qū)ZK6004孔在施工過程中存在對漏失無法實施有效封堵和鉆遇破碎地層塌孔問題。經(jīng)分析是由于漏失通道大、抽吸作用、孔內(nèi)溫度低等綜合因素導(dǎo)致這一復(fù)雜情況發(fā)生，而快速凝膠堵漏技術(shù)正好可以解決上述問題。經(jīng)過快速凝膠堵漏后的鉆孔，未再發(fā)生漏失及塌孔現(xiàn)象，堵漏護壁效果顯著。

鉆孔漏失；破碎；凝膠；堵漏；護壁

0　引言

山西腰站鐵礦ZK6004孔位于靈丘縣城東14 km腰站村、喬莊村一帶，海拔約1 700 m。本區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北地臺北緣、山西斷隆與燕山臺褶帶西端接壤地帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動頻繁，成礦地質(zhì)條件有利[1]。該孔施工期間一直有漏失發(fā)生，鉆遇比較破碎地層時，還伴有坍塌、掉塊現(xiàn)象。施工單位曾采用水泥封孔，但水泥候凝72 h后仍未凝固，封堵沒有取得效果。鑒于此情況，決定采用北京探礦工程研究所新研究的快速凝膠堵漏技術(shù)進行堵漏。

1　鉆孔概況

1.1地質(zhì)概況

礦區(qū)地層主要為中上元古界長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組、楊莊組，青白口系望狐組、侏羅系后城組地層。僅局部零星出露有上太古界五臺群石咀亞群金剛庫組變質(zhì)巖系[1]。ZK6004孔在第四系、侏羅系后城組、薊縣系霧迷山組、青白口系望狐組、薊縣系楊莊組內(nèi)主要存在亞砂土、沙石、砂礫石、礫巖、石英砂巖、細(xì)砂巖等；在長城系高于莊組內(nèi)主要存在砂礫屑白云巖、灰質(zhì)頁巖，并且較破碎、斷裂構(gòu)造發(fā)育；王臺群金剛庫組主要存在變粒巖、片麻巖、角閃巖夾磁鐵石英巖等，為主要控礦地層單元[2]。

1.2鉆孔概況

該孔采用繩索取心鉆探工藝，并已于2014年11月終孔，深度為1 520 m，孔內(nèi)?71 mm套管下至960 m。后為補采巖心，采用?59 mm金剛石鉆頭+?55.5 mm鉆桿的鉆具組合從套管底部造斜取心鉆進。

2　現(xiàn)場存在的主要問題及原因分析

2.1現(xiàn)場存在的主要問題

現(xiàn)場主要存在2個嚴(yán)重問題，一個是漏失嚴(yán)重，無法實施有效封堵，鉆進過程中基本無返漿；另一個是全孔地層比較破碎，容易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，施工效率低且容易發(fā)生卡鉆事故。

(1)鉆進過程中一直存在不同程度的漏失問題，鉆進至孔深1 050 m后，鉆進時沖洗液消耗，停泵后返吐，消耗量約為泵量的1/3，返吐量約為泵量的1/4，頂漏鉆進至1 110 m后，鉆進時井口基本失返，停泵后返吐量約為消耗量的1/3。

(2)在孔深1 103～1 105 m之間地層比較破碎，經(jīng)常發(fā)生掉塊現(xiàn)象，需要反復(fù)掃孔，由于掃孔時通泵會使破碎顆粒上返，易引起憋泵、卡鉆等現(xiàn)象，所以只能干鉆，鉆探效率非常低。

(3)在1 103～1 105 m段采用水泥封孔，但水泥漿候凝72 h后仍然沒有凝固，封堵無效。

2.2原因分析

根據(jù)上述問題，對其發(fā)生的原因進行了分析。

(1)鉆進過程中的沖洗液漏失與返吐現(xiàn)象是因為部分層位存在較大漏失通道，并且其中的部分層位承壓較低，循環(huán)壓力大時會發(fā)生漏失，循環(huán)壓力小時會發(fā)生沖洗液返吐。

(2)孔內(nèi)溫度低(20 ℃左右)，并且水泥漿被孔內(nèi)沖洗液或含水漏失層中的水稀釋是造成水泥漿長時間不凝固，水泥封堵無效的主要原因。

(3)地層破碎、鉆孔傾角大、提鉆抽吸作用等是該鉆孔孔壁不穩(wěn)定，易發(fā)生塌孔的主要原因。采用繩索取心鉆進及?59 mm鉆頭+?55.5 mm鉆桿組合，環(huán)空間隙很小，造成循環(huán)鉆進時環(huán)空壓力急劇升高，泵壓達4～4.5 MPa，漏失加重；同時地層被壓裂，一旦停止循環(huán)被壓裂的地層閉合導(dǎo)致返吐沖洗液，返吐沖洗液一方面會使地層縫隙中的原有膠結(jié)物或循環(huán)鉆進時沖洗液填充到孔壁裂縫中的膠結(jié)物被沖蝕出來，另一方面返吐的沖洗液帶有一定的流體壓力從地層沖出孔壁，使破碎的孔壁不穩(wěn)定趨勢進一步加劇?？咨? 103 m以深地層巖體的承壓能力較低，主孔鉆進時采用“?75 mm鉆頭+?71 mm鉆桿”鉆具組合鉆進時，泵壓為3～3.5 MPa，孔壁穩(wěn)定，未發(fā)生沖洗液返吐和孔壁塌孔現(xiàn)象。因此可以看出，該段地層發(fā)生塌孔的原因與環(huán)空間隙太小，提鉆抽汲作用、地層被壓裂及沖洗液返吐時的沖蝕作用關(guān)系密切。

3　快速凝膠堵漏技術(shù)作用原理及適應(yīng)性分析

近年來國內(nèi)外針對鉆遇不同地層的不同漏失情況，在復(fù)雜漏失地層堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用方面開展了大量工作，取得了長足發(fā)展[3]。北京探礦工程研究所研制出一種新式快速凝膠堵漏技術(shù)，可以解決復(fù)雜地層中的嚴(yán)重漏失問題。

快速凝膠堵漏技術(shù)利用無機凝膠材料和有機凝膠本身的特性，及二者間可發(fā)生化學(xué)觸變作用的特點，達到了實現(xiàn)快速、廣譜堵漏的目的。其中，無機凝膠材料是以水泥為基礎(chǔ)材料，并結(jié)合其他柔性材料及早強劑等，可調(diào)節(jié)固化速度控制堵漏時間，提高固化體的固結(jié)質(zhì)量。有機凝膠是利用其隔水作用，避免固結(jié)材料與漏失通道中的水或鉆孔內(nèi)原有沖洗液接觸，從而防止因堵漏漿液被稀釋而無法固結(jié)。當(dāng)漏失通道直徑較大時，利用有機凝膠與無機凝膠材料之間的化學(xué)觸變作用，即當(dāng)無機凝膠材料與有機凝膠材料相遇時，迅速轉(zhuǎn)變成凝膠而失去流動性，從而改變漏失通道特性，提高堵漏成功率?；诳焖倌z堵漏的上述特點，不僅可以很好地解決ZK6004孔的孔隙與縫隙類漏失[4-6]，還可以解決漏漿被孔內(nèi)沖洗液或含水漏失層中的水稀釋，不易凝固的問題，同時還可以固結(jié)破碎地層，穩(wěn)定孔壁，解決塌孔問題[7-8]。

4　快速凝膠堵漏技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

采用有機凝膠與無機凝膠快速凝結(jié)相結(jié)合，即通過有機凝膠溶液與水沖洗液結(jié)合形成的膠凝物提高流動阻力，同時通過水沖洗液快速固結(jié)，使水沖洗液能夠有效留在漏失通道內(nèi)，并提高封堵效率。

4.1第一段快速凝膠堵漏的實施及效果

4.1.1漏失孔段裸眼體積

式中：V—漏失孔段裸眼體積，m3；

D—鉆孔直徑，59 mm；

L—漏失孔段長度，56 m；

K—擴徑系數(shù)，1.1；

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：V=0.17 m3。

4.1.2有機凝膠膠液、無機凝膠漿液與頂替漿用量及配方

(1)有機凝膠膠液(1#漿)：按“水+7.5%膨潤土+10%有機凝膠(GNJ-2)”配比配制1.4 m3有機凝膠膠液。

(2)無機凝膠漿液(2#漿)：按“水泥漿(水灰比0.5～0.6)+2%速凝劑”配比配制1.5 m3速凝水泥漿。

(3)頂替漿(3#漿)：用量為鉆桿及管匯內(nèi)體積之和，鉆桿內(nèi)徑為45 mm，頂替漿用量粗略按1 000 m鉆桿容積計算，約為1.6 m3，實際配制1.8 m3，由1.5 m3密度為1.10 g/cm3的膨潤土漿和0.3 m3清水混合而成。

4.1.3灌注工藝

(1)光鉆桿鉆具下至孔深950 m(套管下深960 m)；

(2)封住孔口，泵入1#漿至全部泵送完畢，接著泵入100 L清水作為隔離液，再依次泵入2#堵漏漿和3#頂替漿，頂替漿泵入1.4 m3后泵壓逐步上升至5 MPa，停泵；

(3)10 min后，泵壓表逐漸穩(wěn)定在3 MPa位置，孔口泄壓，有少量漿液返出(約50 L)，開泵循環(huán)將鉆具內(nèi)殘留水沖洗液清除；

(4)提鉆，每提3～5根立柱回灌一次；清洗鉆具，候凝。

4.1.4堵漏效果

候凝8 h后放在地表的水沖洗液樣品已固結(jié)，下鉆探水泥塞，孔深960 m(即剛出套管)處見水泥，但強度低無法托住鉆具；掃孔至1 010 m(期間起下鉆一次，累計候凝17 h)，水泥塞已能托住鉆具；繼續(xù)掃孔至1 100 m(累計候凝27 h)，返漿正常，泵壓4.5 MPa；1 100 m以下，消耗量增大，只需沖孔即能下入。由此可以判斷本次堵漏1 050～1 100 m孔段的漏層封堵成功，1 100 m未封住。由于1 100 m以上的漏失通道大，壓力小，所以大部分堵漏漿沒有到達底部漏失層，因此需要對1 100 m以下部分進行第二次堵漏。

4.2第二段快速凝膠堵漏的實施及效果

4.2.1漏失孔段裸眼體積

式中：V—漏失孔段裸眼體積，m3；

D—鉆孔直徑，59 mm；

L—漏失孔段長度，60 m；

K—擴徑系數(shù)，1.1；

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：V=0.18 m3。

4.2.2有機凝膠膠液、無機凝膠漿液與頂替漿用量及配方

(1)有機凝膠膠液(1#漿)：按“水+7%～8%膨潤土+10%有機凝膠(GNJ-2)+3%核桃殼粉+3%橡膠顆?！迸浔扰渲?.5 m3有機凝膠膠液。

(2)隔離液：按“水+ 5%膨潤土+12.5%成膜堵漏劑(GCDL)”配比配制隔離液0.2 m3。

(3)無機凝膠漿液(2#漿)：按“水沖洗液(水灰比0.5～0.6)+3%～4%速凝劑”配比配制1.5 m3速凝水沖洗液。

(4)頂替漿(3#漿)：按“水+5%膨潤土”配比配制頂替漿2 m3。

4.2.3灌注工藝

(1)光鉆桿鉆具下至孔深1 030 m；

(2)泵入1#漿，孔口有漿液返出后封住孔口；繼續(xù)泵入1#漿直至全部泵入孔內(nèi)，再依次泵入隔離液、2#堵漏漿及3#頂替漿，泵入頂替漿1 m3后泵壓開始上升，最高升至8 MPa，最后穩(wěn)定在6 MPa，共泵入1.7 m3后停泵；

(3)停泵0.5 h后壓力穩(wěn)定在2 MPa，孔口泄壓，無沖洗液返出，提鉆，清洗鉆具，候凝。

4.2.4封堵效果

地表水泥樣品候凝14 h后，已完全固結(jié)。候凝36 h(由于設(shè)備故障耽擱一定時間)后開始掃孔，1 020 m 處見水泥塞，掃孔速度較快，返漿正常；1 075 m 后，由于修理設(shè)備耽誤時間，此時候凝已有85 h，進尺速度變慢；繼續(xù)鉆進至1 132 m，泵壓4 MPa，返漿正常，無返吐沖洗液現(xiàn)象。后期鉆進過程中沒有再發(fā)生過漏失，達到了預(yù)期目的；解決了地層漏失問題；提高了地層承壓能力，沒有再次發(fā)生沖洗液返吐現(xiàn)象；固結(jié)強化了孔壁，沒有發(fā)生坍塌、掉塊現(xiàn)象。

5　結(jié)論

(1)對山西腰站鐵礦ZK6004孔發(fā)生的嚴(yán)重漏失、塌孔原因進行了分析，結(jié)果表明地層破碎漏失通道大、提鉆抽汲作用、孔內(nèi)溫度低等綜合因素導(dǎo)致了該孔復(fù)雜情況的發(fā)生。

(2)對快速凝膠堵漏技術(shù)特點進行了介紹，并對其在該孔的適應(yīng)性進行了分析，表明其可以解決該孔存在的復(fù)雜情況。

(3)快速凝膠堵漏的實施效果證明，快速凝膠堵漏技術(shù)堵漏時間短，對封堵破碎性地層的復(fù)雜漏失情況具有良好的效果，同時護壁效果明顯。

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2016-05-25

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項目(12120113097400)

于保國(1979-)，男(滿族)，河北承德人，工程師，從事探礦工程技術(shù)管理、礦產(chǎn)地質(zhì)勘查及安全生產(chǎn)管理工作，Tel：15231427063。

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1009-282X(2016)04-0033-03