云池口尾礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏技術(shù)的實(shí)踐

■王建民

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)安徽宿州234000）

云池口尾礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏技術(shù)的實(shí)踐

■王建民

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)安徽宿州234000）

長(zhǎng)期以來，復(fù)雜地層護(hù)壁堵漏為鉆探工程造成了極大的挑戰(zhàn)。文章通過介紹礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)情況，分析礦區(qū)漏失層的確定、礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏方法，對(duì)水泥護(hù)壁堵漏在ZK1孔中的應(yīng)用展開探討，旨在為相關(guān)人員基于礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)情況、礦區(qū)漏失層的確定及礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏方法的云池口尾礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏技術(shù)實(shí)踐研究適用提供一些思路。

云池口尾礦區(qū) 鉆孔 護(hù)壁堵漏

0 引言

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，淺層鉆探變得越來越少，鉆探工作不斷轉(zhuǎn)至深孔鉆探、海上鉆探等存在復(fù)雜情況的方向。鉆探工作作為一類風(fēng)險(xiǎn)性高，且隱蔽的工程，孔內(nèi)事故在鉆探期間不可避免。在地層復(fù)雜、環(huán)境多變的隱蔽空間，作業(yè)狀況極為惡劣，不論是哪一個(gè)變量轉(zhuǎn)變，均存在可能導(dǎo)致井內(nèi)事故。再加上，事故通常出現(xiàn)在井內(nèi)較深位置，無法展開直接觀察，僅可憑借經(jīng)驗(yàn)展開判斷、評(píng)估，況且過去很長(zhǎng)一段時(shí)間鉆探行業(yè)一直處于發(fā)展瓶頸階段，在人才、技術(shù)等相關(guān)方面均未做到很好的推陳出新，使得事故一經(jīng)出現(xiàn)總是猝不及防。文章自江西瑞昌地區(qū)某一相對(duì)復(fù)雜地層出發(fā)，就鉆探工作存在的護(hù)壁毒堵漏情況展開初步研究，針對(duì)各種地層情況，展開調(diào)查、測(cè)試，經(jīng)對(duì)相應(yīng)地層情況展開分類、分析，然后制定處理方案，進(jìn)而對(duì)處理對(duì)策展開對(duì)應(yīng)機(jī)理方面的技術(shù)探討。

1 礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)情況

云池口尾礦庫(kù)地處贛北瑞昌市白楊鎮(zhèn)云池口村，南距瑞昌市10公里。交通十分便利，公路、鐵路、水路在期間四通八達(dá)。云池口尾礦庫(kù)處在北礦帶東面近SEE方向溶蝕浸蝕溝地段，發(fā)現(xiàn)的斷層大致可分成6條，逐一是F1、F2、F3、F4、F5以及F6斷層。斷層、節(jié)理屬于巖層受到不良影響所形成的結(jié)構(gòu)，其使得巖石各向異性、不均勻性變得進(jìn)一步顯著，對(duì)鉆進(jìn)存在下述幾類影響：

（1）孔壁缺乏穩(wěn)定性，極易引發(fā)掉塊、坍塌現(xiàn)象，一旦護(hù)壁手段不得當(dāng)，便會(huì)造成鉆具回轉(zhuǎn)阻力大，泵壓高，鉆進(jìn)效率降低等問題，進(jìn)一步引發(fā)卡鉆、燒鉆及鉆具脫落、折斷等孔內(nèi)事故。

（2）斷層、節(jié)理的產(chǎn)生造成巖石孔隙度提升，各種水平地對(duì)鉆孔沖洗液進(jìn)行消耗。倘若斷層、節(jié)理屬于開放或連通的，便會(huì)轉(zhuǎn)變成沖洗液、地下水的活動(dòng)通道，在相互失衡狀況下，引發(fā)沖洗液、涌水很大程度漏失，使得鉆進(jìn)無法有序展開[1]。

尾礦庫(kù)場(chǎng)地地層由北朝南，分別包括泥盆系上統(tǒng)五通組，石灰系中統(tǒng)黃龍階，二疊系下統(tǒng)棲霞階，局部地段存在演講巖體外露。場(chǎng)地中、南面屬于覆蓋型灰?guī)r區(qū)，下伏基巖是二疊系、石炭系灰?guī)r，區(qū)域極易發(fā)生巖溶地面塌陷。北面為晚泥盆系五通組含礫石英砂巖、石英巖及晚志留系紗帽組砂巖。結(jié)合鉆孔得出，尾礦庫(kù)場(chǎng)地巖層、土層由上至下包括：耕土、礫砂、粘土、粉質(zhì)粘土、二疊系下統(tǒng)棲霞階灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)茅口階灰?guī)r、志留系上統(tǒng)紗帽組砂巖、泥盆系上統(tǒng)五通組砂巖[2]。

2 礦區(qū)漏失層的分析

要想處理好漏失情況，就必須要對(duì)礦區(qū)漏失層進(jìn)行分析確定。

第一步要對(duì)漏層頂部、底部所處區(qū)域展開分析。

第二步要對(duì)其是何種屬性特征展開分析。

第三步對(duì)完全鉆穿漏層可靠對(duì)策展開分析。

最后一步對(duì)堵漏計(jì)劃、技術(shù)策略進(jìn)行明確選取。

礦區(qū)漏失層的確定，可采取各式各樣的方法，現(xiàn)階段多應(yīng)用的是觀察法和物探法，應(yīng)用觀察法經(jīng)由對(duì)鉆進(jìn)情況進(jìn)行觀察，可判定自然形成的洞穴、裂縫等相關(guān)漏層方位，就好比經(jīng)對(duì)自然形成洞穴后，一般情況下鉆井液會(huì)出現(xiàn)突發(fā)漏失，同時(shí)存在扭矩?cái)U(kuò)大等現(xiàn)象。物探法在研究鉆孔漏失方面成效顯著，并積極促進(jìn)著基礎(chǔ)研究技術(shù)發(fā)展[3]。

此次物探勘察是為了對(duì)各方面地質(zhì)情況諸如地下巖溶、斷層破碎帶及隱伏構(gòu)造等進(jìn)行初步探明，作用于為相關(guān)試驗(yàn)開展帶來各項(xiàng)有價(jià)值數(shù)據(jù)參考。自礦區(qū)地質(zhì)情況、任務(wù)性質(zhì)出發(fā)，本次物探工作開展勘探主要選取地震波法、高頻大地電磁測(cè)深法及天然電場(chǎng)選頻法動(dòng)態(tài)信息等物探法，同時(shí)在鉆孔內(nèi)測(cè)試每一地層對(duì)應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)選取激電測(cè)井、全波聲波測(cè)井以及波速試驗(yàn)。其中，地震波法多用于消除基巖風(fēng)化程度、覆蓋層厚度以及破碎帶等相關(guān)問題，高頻大地電磁測(cè)深法主要探明地下巖溶、斷層破碎帶及隱伏構(gòu)造等[4]。

3 礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏方法

3.1 鉆孔漏失的原理

鉆孔漏失本質(zhì)原因?yàn)閷?duì)巖層而言孔內(nèi)液注出現(xiàn)了壓差，及巖石自身存在漏失通道。鉆孔漏失的原理可劃分成兩個(gè)方面。

3.1.1 地質(zhì)、水文地質(zhì)情況的鉆孔漏失原理

受地質(zhì)、水文地質(zhì)情況影響，巖層中伴隨裂縫、空隙及洞穴的大小、上腹巖層的含水情況等，為鉆孔漏失創(chuàng)造了客觀前提，同時(shí)漏失通道的存在及對(duì)應(yīng)情況是鉆孔漏失出現(xiàn)的重要原因。

3.1.2 技術(shù)方面的鉆孔漏失原理

鉆孔漏失受一系列技術(shù)因素影響，包括沖洗介質(zhì)、沖洗手段類型及參數(shù)選取是否科學(xué)，升降作業(yè)操作是否得當(dāng)，鉆具轉(zhuǎn)速、鉆井液沿環(huán)空流動(dòng)速度選取是否準(zhǔn)確等。這一系列因素同樣是鉆探事故中十分常見的事故原因。

3.2 堵漏設(shè)計(jì)方案選擇

3.2.1 采取科學(xué)鉆孔對(duì)策，改善鉆井液功能屬性

該種手段可應(yīng)用在對(duì)滲透性孔隙地層漏失進(jìn)行封堵，為了縮減地層出現(xiàn)漏失的可能，可選取對(duì)鉆孔技術(shù)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、對(duì)各方面技術(shù)參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整及縮減鉆井液密度等。

3.2.2 靜止堵漏

該種方法通常可應(yīng)用于鉆進(jìn)期間受作業(yè)操作不規(guī)范影響使得地層出現(xiàn)裂縫、鉆井液密度偏大使得液注壓力破裂地層、深孔孔段出現(xiàn)鉆孔流失等突發(fā)或不管什么原因引發(fā)的鉆孔漏失。此類方法應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是一經(jīng)出現(xiàn)鉆孔漏失便要即刻終止鉆進(jìn)，于漏失孔段把鉆具取出，靜止8～24小時(shí)范圍的時(shí)間；如果在技術(shù)套管中，無需取鉆井液進(jìn)行灌注，如果在裸眼井中，那么一定要適時(shí)取鉆井液進(jìn)行灌注，并確保液面始終維持于套管中[5]。

3.2.3 橋接材料堵漏法

該種方法指的是把各種尺寸、形狀的惰性材料，結(jié)合各種現(xiàn)象，采取相應(yīng)的堵漏材料級(jí)配及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)各種配方添加在鉆井液內(nèi)，借助擠壓法將漏層直接注入的一類堵漏策略。此類方法尤其適用于試壓期間發(fā)生的鉆孔漏失，堵漏成效十分明顯。現(xiàn)場(chǎng)選取橋接材料時(shí)，橋接材料級(jí)配及加量與漏層屬性相互關(guān)系，見表1。

表1 橋接材料級(jí)配及加量與漏層屬性相互關(guān)系

上述各類方法都屬于在復(fù)雜情況下有效的處理護(hù)壁堵漏事故方法，而鉆孔護(hù)壁堵漏方法的有效選取應(yīng)當(dāng)結(jié)合巖層情況、地下水情況、護(hù)堵材料及堵漏工具等實(shí)際情況展開。

4 水泥護(hù)壁堵漏在ZK1孔中的應(yīng)用

4.1 堵漏對(duì)水泥性能的要求

水泥的性能應(yīng)當(dāng)有著良好的可泵性、流動(dòng)性及可調(diào)性。水泥可泵性、流動(dòng)性與灌注方法、孔深及灌漿量等存在緊密的關(guān)聯(lián)，需要水泥可泵性能夠按照灌注方法、孔深及灌漿量等相關(guān)因素展開適當(dāng)區(qū)間的調(diào)整?？赏ㄟ^改變水灰比大小或者添加外滲劑，來調(diào)節(jié)水鉆井液的流變性。同時(shí)，水泥應(yīng)當(dāng)具備適當(dāng)?shù)哪Y(jié)時(shí)間，且同樣是可調(diào)節(jié)的，就符合灌注時(shí)間而言，伴隨孔深、孔內(nèi)溫度及灌注量等轉(zhuǎn)變，對(duì)初凝時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)方法包括添加水泥早強(qiáng)劑、速凝劑等。

因此，為了實(shí)現(xiàn)護(hù)壁堵漏全面工作開展，一定要結(jié)合施工實(shí)情選取適用的水泥種類，就好比常規(guī)硅酸鹽水泥等，施工作業(yè)期間選取各種水泥外加劑來對(duì)水鉆井液、固結(jié)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)或改變[6]。在護(hù)壁堵漏中較為常用的水泥有硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥以及油氣水泥等，水泥有著十分多的種類，現(xiàn)根據(jù)組成礦物、用途、成分性能等對(duì)水泥展開分類，見表2。

表2 水泥的分類

4.2 水泥配方

經(jīng)調(diào)查現(xiàn)階段市場(chǎng)上可購(gòu)買到的水泥外加劑，結(jié)合水泥配方試驗(yàn)參考摻量及相關(guān)方法開展試驗(yàn)，最初選定了由上海某企業(yè)生產(chǎn)的高效早強(qiáng)減水劑、廣西某企業(yè)生產(chǎn)的強(qiáng)力堵漏劑，選取常規(guī)R425硅酸鹽水泥用以實(shí)驗(yàn)材料。經(jīng)由采取分布均勻法得出結(jié)果，水泥干粉同高效早強(qiáng)減水劑、強(qiáng)力堵漏劑進(jìn)行勻稱相混，形成的水泥凈漿外加劑用于鉆孔護(hù)壁堵漏，當(dāng)高效早強(qiáng)減水劑摻量在5.0%之上時(shí)效果相對(duì)可觀，見表3。

表3 水泥配方實(shí)驗(yàn)方案表

4.3 工程實(shí)踐應(yīng)用

結(jié)合ZK1孔實(shí)情，決定選取水泥開展護(hù)壁堵漏，首先進(jìn)行水鉆井液攪制，調(diào)節(jié)0.6的水灰比，配比選取12.7%高效早強(qiáng)減水劑+21.3%強(qiáng)力堵漏劑，0.6水灰比鉆井液泵送漿關(guān)灌注。然后，展開通孔，在75.2～120米獲取全面灰心，有著相對(duì)高的強(qiáng)度。受灌注過程中灌漿量太高影響，使得此次水泥護(hù)壁不滿意，但是鉆孔內(nèi)塌陷、掉塊等情況得到一定消除，礦區(qū)相關(guān)管理人員心存僥幸，引發(fā)安全事故。經(jīng)對(duì)事故進(jìn)行處理之后，又一次展開水泥灌注，選取同一比例對(duì)水鉆井液進(jìn)行再一次調(diào)配，直至160米可獲取相對(duì)全面的灰心，巖心各方面強(qiáng)度相對(duì)較高，護(hù)壁滿意。

4.4 相關(guān)注意事項(xiàng)

水泥護(hù)壁堵漏在ZK1孔中的應(yīng)用，有著多方面的注意事項(xiàng)。

4.4.1 灌注期間灌漿量太高注意事項(xiàng)

就灌注期間灌漿量太高使得此次水泥護(hù)壁效果不佳而言，可于要進(jìn)行注漿的孔段處制作一個(gè)假孔底，并封住灌漿管底部，下入至假孔底上方10～20厘米位置，一旦灌注水鉆井液到達(dá)相應(yīng)程度后可自行開啟，于鉆孔內(nèi)不斷由水鉆井液灌入，并將其填滿。等到該項(xiàng)工作開展結(jié)束后，把灌漿管提至水鉆井液上方位置，自井口灌入約20升的濃PHP和鋸末混合物，后選取孔口封閉方法進(jìn)行加壓[7]。

4.4.2 孔壁坍塌注意事項(xiàng)

受孔壁坍塌影響，使得孔徑變大，孔壁產(chǎn)生大空腔，特別為產(chǎn)狀陡立式大空腔時(shí)，水鉆井液無將空腔內(nèi)的鉆井液充分排除，造成大多孔壁坍塌部分無法獲取水泥的固結(jié)，導(dǎo)致注入的水泥出現(xiàn)鉆孔過深或護(hù)壁成效不佳情況，大溶隙巖溶地層，水泥護(hù)壁堵漏不適用于此類地層。

4.4.3 大裂隙引發(fā)惡性漏失注意事項(xiàng)

就大裂隙引發(fā)惡性漏失而言，可選取水泥+高效早強(qiáng)減水劑+強(qiáng)力堵漏劑進(jìn)行護(hù)壁堵漏，尤其是針對(duì)存在地下水活動(dòng)的漏失通道，堵漏成效更為顯著[8]。選取水泥+高效早強(qiáng)減水劑+強(qiáng)力堵漏劑堵漏需要充分結(jié)合漏失通道的特征、所處部位，同時(shí)要明確準(zhǔn)確的注漿壓力、注漿量最大值。

5 成果與總結(jié)

總而言之，鉆探工作作為一類風(fēng)險(xiǎn)性高，且隱蔽的工程，孔內(nèi)事故在鉆探期間不可避免。在地層復(fù)雜、環(huán)境多變的隱蔽空間，作業(yè)狀況極為惡劣，不論是哪一個(gè)變量轉(zhuǎn)變，均存在可能導(dǎo)致井內(nèi)事故。再加上，事故通常出現(xiàn)在井內(nèi)較深位置，無法展開直接觀察，僅可憑借經(jīng)驗(yàn)展開判斷、評(píng)估，況且過去很長(zhǎng)一段時(shí)間鉆探行業(yè)一直處于發(fā)展瓶頸階段，在人才、技術(shù)等相關(guān)方面均未做到很好的推陳出新，使得事故一經(jīng)出現(xiàn)總是猝不及防。相關(guān)人員務(wù)必要不斷鉆研研究、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，明確認(rèn)識(shí)護(hù)壁堵漏的基質(zhì)，全面分析護(hù)壁堵漏一系列類型地層中的特征，制定科學(xué)合理的技術(shù)處理對(duì)策，積極促進(jìn)鉆探技術(shù)有序健康發(fā)展。

［1］占樣烈，徐力生，李月良.SM植物膠鉆井液的流變性分析與探討［J］.地質(zhì)與勘探，2010，46（2）：343-347.

［2］Abdel Rahman，K：Katter.Facing the drilling and blasting challenges at the Helena quarry in Egypt［J］.Journal of Explosives Engineering，2008，（25）：14-16.

［3］肖豐偉，鄭曉良，李超，戴紅專，廖曦文，高志儉.嵩縣槐樹坪大型金礦復(fù)雜地層泥漿及護(hù)壁堵漏技術(shù)［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2014，（2）：29-32.

［4］首照兵，陳禮儀，張統(tǒng)得，李德新，徐朝偉，楊剛.攀西釩鈦磁鐵礦整裝勘查復(fù)雜地層鉆探護(hù)壁堵漏技術(shù)［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2012，39（2）：31-34.

［5］王勝，汪靖扉，陳禮儀，張川，萬宇豪，劉建成.硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥基鉆孔護(hù)壁堵漏材料的研制［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2015，（33）：162-163.

P624[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-470-2

劉向前（1984～），地質(zhì)礦產(chǎn)工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)生產(chǎn)。