湖南常寧仙人巖礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探護(hù)壁堵漏技術(shù)

陳 燦， 王 暢

(湖南省有色地質(zhì)勘查局二一七隊，湖南 衡陽 421001)

1 工程概述

仙人巖礦區(qū)地層十分復(fù)雜，主要地層依次為紅土夾角礫、硅化破碎角礫巖、花崗閃長斑巖、矽卡巖、接觸破碎角礫巖、鐵帽等。巖層松散、破碎、軟硬交替，極易出現(xiàn)鉆進(jìn)憋泵，井壁縮徑、坍塌等各種情況，甚至引發(fā)嚴(yán)重孔內(nèi)事故。為此，我隊積極與科研院所，鉆頭、鉆具及生產(chǎn)沖洗液材料的廠家進(jìn)行合作攻關(guān)，經(jīng)過8個月的攻關(guān)試驗研究和反復(fù)摸索，形成了一套適合該礦區(qū)鉆探事故護(hù)壁堵漏的技術(shù)體系。

2 鉆孔護(hù)壁方法

2.1 沖洗液體系和配方設(shè)計

(1)一開、二開選擇預(yù)水化膨潤土沖洗液。

基本配方：生產(chǎn)水+5%～6%鈉膨潤土+0.1%Na2CO3+0.1～0.3%CMC。

處理添加劑：0.5%～0.8%NH4HPAN。

(2)三開選擇鉀基聚合物沖洗液。

基本配方：生產(chǎn)水+4%～5%膨潤土+0.1%Na2CO3+0.1%NaOH+0.2%KHPAM+0.1%80A51+0.1%～0.3%CMC。

處理添加劑：0.5%～0.8%NH4HPAN。

(3)四開選擇鉀基聚合物防塌沖洗液。

基本配方：生產(chǎn)水+4%～5%膨潤土+1%～2%KCl+0.1%Na2CO3+0.1%NaOH+0.2%KHPAM+0.1% 80A51+0.1%～0.3% CMC+1%～2% OSAMK+1%～2% SAS。

處理添加劑：0.5%～0.8%NH4HPAN。

所選的3種沖洗液性能參數(shù)如表1所示。

表1 所選3種沖洗液的主要性能

2.2 沖洗液的配制

(1)嚴(yán)選優(yōu)質(zhì)沖洗液材料的材料采購盡量要選擇品質(zhì)高，質(zhì)量好的廠家，樣品送到現(xiàn)場必須經(jīng)過性能試驗檢測，例如增粘劑的粘度，膨潤土的含砂量、造漿率等性能指標(biāo)，須檢測合格方可使用，對于不合格產(chǎn)品堅決不使用，否則會嚴(yán)重影響沖洗液的質(zhì)量。

(2)根據(jù)沖洗液各材料的性能提前浸泡材料。由于各種材料的溶解原理不同，所需溶解的時間差異較大，所以必須根據(jù)各材料性能分別浸泡，才能發(fā)揮沖洗液的作用。

(3)嚴(yán)格按照設(shè)計沖洗液配比添加材料。材料添加要按照設(shè)計順序依次添加，盡量避免出現(xiàn)絮凝等現(xiàn)象。

(4)攪拌充分。每加入一種材料都要充分?jǐn)嚢璞３?0～15 min，使其能夠充分接觸融合，發(fā)揮沖洗液最大功效。

2.3 沖洗液性能維護(hù)

(1)做好沖洗液的監(jiān)測，隨時注意沖洗液的返量，及時做好增添。定時做好沖洗液各項參數(shù)指標(biāo)的取樣檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，保證沖洗液性能的穩(wěn)定。

(2)及時清理沖洗液中巖屑，保證沖洗液的性能。掃孔及正常鉆進(jìn)過程中，都會攜帶大量巖屑，必須及時進(jìn)行清理，才能保證沖洗液攜帶巖屑能力，避免出現(xiàn)卡鉆等事故發(fā)生。

(3)適當(dāng)加長沖洗液循環(huán)槽的長度及沉淀池數(shù)量，能夠有力于巖屑的沉淀，并且及時進(jìn)行巖屑清除，有利于保證沖洗液性能穩(wěn)定。

(4)做好沖洗液循環(huán)線路的防水設(shè)施，避免雨水及其他物質(zhì)混入沖洗液中，破壞沖洗液的性能，進(jìn)而影響孔壁的穩(wěn)定。

3 鉆孔堵漏

遇到小漏失地層時，采用鋸末灰、谷殼、CMC或聚丙烯酰胺、膨潤土混合而成堵漏材料來進(jìn)行堵漏；遇到中等漏失地層時，采用鋸末灰、谷殼、CMC或聚丙烯酰胺、海帶等混合而成堵漏材料來進(jìn)行堵漏；遇到大漏失地層時，采用樹枝或稻草、谷殼、CMC或聚丙烯酰胺、海帶、膨潤土等混合而成堵漏材料來進(jìn)行堵漏。在以上堵漏材料未達(dá)到效果，井內(nèi)漏失情況不明或全漏失時，則采用水泥灌注方法進(jìn)行堵漏。

表2 堵漏配方

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

4.1 鉆孔堵漏研究情況

正常情況下我們按原設(shè)計對鉆孔漏失地層進(jìn)行堵漏，但在堵漏無效的情況下也采用了設(shè)計外的堵漏方式。新采用了北京探礦工程研究所提供的復(fù)合型堵漏劑及其他堵漏方式。

以ZK6A03孔為例，該鉆孔在29.20～32.4 m處有老窿，該礦區(qū)地板巖石較松動、破碎，經(jīng)常性出現(xiàn)垮孔，且全孔漏水，基本上每次鉆進(jìn)此處都要進(jìn)行掃孔，鉆頭的內(nèi)徑磨損很大。通過多次實踐后，采用以下方法可以取得不錯效果：先采用水泥將周圍的巖層加固，保持巖層的穩(wěn)定性，防止垮孔。取心時，采用繩索送入內(nèi)管方法進(jìn)行取心，當(dāng)內(nèi)管到位后，從井口用泵注入大排量的沖洗液，使管內(nèi)有足夠的沖洗液，投入脫卡器脫卡，達(dá)到脫卡的效果。穿過老窿10～15 m后，下入套管，注入水泥，封住套管底部后變徑施工。下入套管隔離后，又遇下部地層復(fù)雜，全孔漏水，繼而采用人工從鉆桿投入高泵壓掃壓的方法，將已配好的堵漏材料壓入裂隙，達(dá)到良好的堵漏效果。具體配料成分及比例：15 kg樹枝+80 kg谷殼+15 kg聚丙烯酰胺+30 kg海帶+40 kg膨潤土+20 kg水。

當(dāng)鉆進(jìn)施工地層為第四系高嶺土?xí)r，極易導(dǎo)致全孔漏水，采用“鋸木灰+谷顆+包被劑”方法進(jìn)行堵漏。此方法堵漏無效后采用灌注大排水泥灌注法。此灌注法必須將水泥的水灰比控制在0.4～0.5，通過水泵壓入井底，使水泥漿充分壓入孔壁間隙。采用灌注大排量水泥的方法進(jìn)行堵漏，該方法能夠達(dá)到不錯的效果。

ZK0603孔堵漏處理情況又不同，圖1為ZK0603孔部分巖心，該鉆孔鉆進(jìn)至150 m時，地層開始不斷的反復(fù)變化，在長7 m的巖心中，巖性就出現(xiàn)6種變化，增加了鉆孔的施工難度。在灌注水泥無明顯作用的情況下，我們采用了每班堵漏的辦法，堵住漏水層，使孔內(nèi)有循環(huán)液返上來，以減少井故發(fā)生的幾率。但是這種堵漏，不能再采用上述的辦法和材料，我們用一種帶有膨脹性質(zhì)的油溶性聚氨酯堵漏劑混合鋸末灰、稻谷的方式來堵漏，堵漏材料采用油溶性聚氨酯，油溶性聚氨酯具有很強(qiáng)的吸水膨脹性能,可膨脹至原體積的幾十倍,且時間快,有利于形成快速的封堵,油溶性聚氨酯與稻谷和鋸木灰形成的復(fù)合堵漏材料在承壓堵漏測量裝置中表明體系不僅能形成封堵而且能夠承受一定的壓差，非常實用，巖心的采取率得到顯著提高，破碎巖層處采取率達(dá)到將近80%。

圖1 ZK0603孔采集的巖心

4.2 鉆孔縮徑研究

一般縮徑地層，在雙聚成膜低固相沖洗液體系的支持下，加上XY-4型巖心鉆機(jī)扭矩大、起拔力大的特點(diǎn)能較好、較快地完成施工，但ZK6A04孔情況比較特殊。該孔在井深78 m處遇到了較強(qiáng)的水敏性地層，我們修改了計劃方案：用單管鉆進(jìn)，通過慢慢干鉆的方式通過這層水敏層，再下入套管隔絕，從而達(dá)到順利施工的目的。但是在具體的施工過程中，遇到了一個無法解決的問題，就是在縮徑的同時，還有地下粘土礦物的上涌。鉆進(jìn)中提鉆換鉆頭時鉆孔被地下粘土礦物重新填滿，經(jīng)過近一個月的嘗試，單管鉆進(jìn)和跟管鉆進(jìn)方法都沒有成效，始終沒有穿透水敏層。在鉆探工藝上沒有較好方法的情況下，我們嘗試采用化學(xué)沖洗液材料來降低失水量。

選擇的化學(xué)沖洗液材料來自于北京探礦工程研究所，并邀請沖洗液專家在現(xiàn)場指導(dǎo)沖洗液配比，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行沖洗液配方調(diào)整，最終確定沖洗液配方：0.5 m3水+25 kg成膜A劑+1 kg純堿+5 kg GFD-1劑+3 kg纖維素CMC+1 kg包被劑。

纖維素和包被劑需提前用水桶分開泡散，用專門設(shè)備來勻速攪拌，以使化學(xué)劑的性能達(dá)到使用要求和穩(wěn)定要求。

為達(dá)到使用效果，在沖洗液配置中，嚴(yán)格按操作流程配置沖洗液：(1)選擇合適的容器，對化學(xué)劑進(jìn)行稱量配比；(2)先放入攪拌所需用的清水，依次放入成膜A劑、純堿、GFD-1劑、纖維素、包被劑；(3)攪拌約30 min，使沖洗液充分?jǐn)噭?，而后投入使用?/p>

配好的沖洗液，在實驗中有一定的效果，可以很明顯地看出粘土礦物在沖洗液中泡12 h左右依舊沒有松散，在粘土的表層還形成了一層隔水膜。在實際使用過程中取得了一定效果，但未能完全處理好粘土礦物的上涌這一問題，在花費(fèi)大量人力、物力后該孔以合格鉆孔的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了終孔驗收。

5 結(jié)語

通過與各科研院所，鉆頭、鉆具及生產(chǎn)沖洗液材料的廠家進(jìn)行合作攻關(guān)，研究出適合該地區(qū)施工的沖洗液體系，在仙人巖礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探中取得一定的成效，并且獲得以下體會。

(1)重視沖洗液在鉆進(jìn)中起到的作用，明確了鉆孔漏失、縮徑等問題還需多從沖洗液入手。

(2)做好沖洗液實驗，根據(jù)不同地層選配好相應(yīng)的沖洗液配方，搭配適宜的鉆進(jìn)參數(shù)，才能達(dá)到良好的護(hù)壁效果。

(3)重視漏失地層的堵漏工作，準(zhǔn)確掌握漏失情況，對大、中、小型漏失和全漏失地層采用不同的堵漏方法。

(4)維護(hù)好沖洗液性能是保障鉆探施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。施工中，要堅持沖洗液專人負(fù)責(zé)制，嚴(yán)格設(shè)置沖洗液循環(huán)系統(tǒng)，嚴(yán)把沖洗液材料質(zhì)量關(guān)，重視現(xiàn)場管理。

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