廣東石寨礦區(qū)鉆孔護(hù)壁堵漏技術(shù)探討

楊 濤，方國慶，蔡 雋

（中國地質(zhì)調(diào)查局 長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長沙 410600）

1 引言

在地質(zhì)勘探過程中，鉆探是最直接、最有效的技術(shù)手段之一，通過采取地底下的巖心，將地表以下的地質(zhì)情況清晰地展現(xiàn)出來。但是，受限于地質(zhì)條件、施工技術(shù)等因素，往往在鉆進(jìn)過程中會遇到很多難題。石寨礦區(qū)地層裂隙發(fā)育，局部破碎，掉塊嚴(yán)重，失漏水頻繁，給鉆探施工帶來了諸多困擾，護(hù)壁堵漏工作是該礦區(qū)鉆探施工急需解決的問題。根據(jù)礦區(qū)地層條件，借鑒前人施工經(jīng)驗，對第四系覆蓋層采用套管護(hù)壁堵漏；對孔壁穩(wěn)定裂隙發(fā)育較小、漏失情況較輕的孔段采用泥漿護(hù)壁堵漏；對地層破碎、掉塊嚴(yán)重等孔段采用惰性材料或水泥封孔堵漏等技術(shù)措施，取得了較好的效果［1］。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)概況

石寨礦區(qū)位于郴州—懷集斷裂帶與陽山—乳源斷裂組交匯部位，地層主要巖性為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、細(xì)砂巖、砂質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)頁巖、砂礫巖，局部夾不穩(wěn)定煤線，礦區(qū)內(nèi)花崗巖體和灰?guī)r的接觸部位存在矽卡巖化和綠泥石化。泥頁巖質(zhì)地較軟，遇水軟化膨脹，呈泥狀，易造成鉆孔縮徑、掉塊、坍塌等，若處理不當(dāng)容易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

在收集礦區(qū)地質(zhì)資料后，對地層情況有了初步的了解，為確保鉆探施工的順利進(jìn)行，我們均采用四級成孔的鉆孔結(jié)構(gòu)。開孔采用Φ130 mm普通單管鉆具鉆進(jìn)，由于地層上部主要為第四系覆蓋物，結(jié)構(gòu)松散，采心困難，為確保巖心采取率，采用干鉆法，并盡量減少回次進(jìn)尺。穿過第四系覆蓋層，進(jìn)入基巖風(fēng)化層，下Φ127 mm套管，將第四系覆蓋層隔離，防止沖洗液沖刷孔壁，出現(xiàn)縮徑、掉塊、坍塌等事故；改用Φ110 mm孔徑鉆具施工，鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖后，下Φ108 mm套管，將風(fēng)化層隔開，保護(hù)井壁；之后用Φ95 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率，降低勞動強(qiáng)度，進(jìn)入完整基巖后，可視地層情況下Φ89 mm套管改用Φ75 mm繩索取心鉆具施工，直至終孔，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

2.3 鉆探機(jī)械及附屬設(shè)備

施工使用的主要設(shè)備有：HXY－42T塔機(jī)一體型巖心鉆機(jī)，鉆進(jìn)深度700～1 000 m，立軸最大扭矩3 200 N·m，最大起拔力80 kN，卷揚最大提升力30 kN；BW－125型泥漿泵，最大泵壓力6 MPa；康明斯發(fā)電機(jī)，額定功率90 kW；泥漿攪拌機(jī)，容積1 m3；Φ130 mm、Φ110 mm普通單管鉆具，Φ95 mm、Φ75 mm繩索取心鉆具兩套，配套的鉆桿、套管若干米，各個口徑硬質(zhì)合金鉆頭、金剛石鉆頭若干個。

2.4 施工中存在的問題

礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，局部破碎，夾雜不穩(wěn)定煤線，失漏水頻發(fā)；泥頁巖地層，遇水易軟化，縮徑、掉塊、孔壁坍塌等情況時有發(fā)生，不僅流失了大量的沖洗液，造成施工成本增加，同時還加大了工人的勞動強(qiáng)度，降低了鉆進(jìn)速度，嚴(yán)重影響了鉆探施工進(jìn)度。

3 護(hù)壁堵漏方法

針對地層條件及施工中存在的問題，技術(shù)部門通過收集研究相關(guān)資料，制定了一套適合本礦區(qū)的護(hù)壁堵漏方法。

3.1 跟管鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)

該礦區(qū)第四系覆蓋物結(jié)構(gòu)松散，平均厚度為20 m，最大可達(dá)30 m。鉆進(jìn)中由于地層松散巖心不成型，孔壁不穩(wěn)定，常發(fā)生坍塌、掉塊、嚴(yán)重漏失等現(xiàn)象。對于松散第四系覆蓋物通常采用普通單管鉆進(jìn)，而后下入套管護(hù)壁。但是，若覆蓋物厚度較大，則在提鉆后孔壁容易變形縮徑，往往造成下套管受阻。這種情況可采用跟管鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)，即一邊鉆進(jìn)，一邊下套管。其原理是連接鉆桿的中心鉆頭和套在中心鉆頭外連接套管的同心管靴鉆頭共同鉆進(jìn)，同時利用同心管靴的擴(kuò)孔作用將套管帶入孔內(nèi)，到相對穩(wěn)定地層后，中心鉆頭退出，管靴鉆頭連接套管作為套管置于孔內(nèi)，起到護(hù)壁作用。跟管鉆進(jìn)技術(shù)在該礦區(qū)較厚第四系松散地層使用取得了較好的效果。

3.2 沖洗液護(hù)壁堵漏

3.2.1 PHP及KP共聚物無固相沖洗液

PHP是一種線型水溶性高分子，主要起降失水和增黏作用［2］。分子鏈中具有親水的酰胺基，具有很強(qiáng)的吸水性，衍生物離子性越強(qiáng)它的吸水特性越強(qiáng)［3］。溶液的PH較高時，聚丙烯酰胺發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生?COO－，分子鏈在靜電斥力的作用下呈伸展?fàn)顟B(tài)，黏度增大［4］。

鉆進(jìn)過程中PHP及KP共聚物長鏈分子隨著鉆進(jìn)液進(jìn)入孔壁裂隙，吸附在孔壁上，并在表面形成薄膜，較好地穩(wěn)定了孔壁。巖粉顆粒隨沖洗液流入井壁的裂隙中，并在PHP及KP共聚物作用下絮凝吸附聚集于裂隙間，起到了堵漏作用。

礦區(qū)ZK0032號鉆孔，鉆至150 m處，地層裂隙發(fā)育，孔內(nèi)出現(xiàn)漏失情況，繼續(xù)鉆進(jìn)約5 m，返水量僅為1／4，且伴隨有掉塊現(xiàn)象。采用PHP和KP共聚物泥漿，返水量逐漸增多，鉆進(jìn)3個回次后達(dá)到3／4，掉塊停止，護(hù)壁堵漏效果明顯。

3.2.3 膨潤土?聚合物泥漿體系

膨潤土的主要成分是蒙脫石，由于蒙脫石晶格四面體層中的部分四價硅離子可被三價鋁離子取代，八面體層中的三價鋁離子可被二價鐵、鎂、鋅等陽離子取代，使晶體帶負(fù)電［2］，因此，膨潤土具有很好的造漿能力。

ZKl508號鉆孔在鉆至150 m時，開始出現(xiàn)漏失的現(xiàn)象，根據(jù)取出的巖心，可見發(fā)育多組裂隙，局部破碎，呈塊狀。繼續(xù)鉆進(jìn)10 m后，鉆孔漏失嚴(yán)重，已經(jīng)出現(xiàn)不返水的情況，觀察取上來的巖心，發(fā)現(xiàn)深度在150～165 m的孔段地層裂隙發(fā)育，根據(jù)施工經(jīng)驗判斷該段為主要漏失地層。為避免引起嚴(yán)重事故，采用膨潤土＋聚合物＋惰性材料的泥漿進(jìn)行堵漏。具體措施是：將800 kg的水、40 kg的膨潤土、2 kg的氫氧化鈉加入水解聚丙烯酰胺和5 kg的羧甲基纖維素充分?jǐn)嚢杈鶆蚺渲瞥苫鶟{，然后加入10 kg鋸末充分?jǐn)嚢?。將配制好的稠泥漿從鉆桿內(nèi)灌入孔內(nèi)，再泵入低固相堵漏泥漿循環(huán)。鉆進(jìn)時降低轉(zhuǎn)速，減少鉆具振動，降低對孔壁的干擾。一定時間后，觀測孔口逐漸返水并且返水逐漸增多，利用膨潤土?聚合物?堵漏材料對于該裂隙發(fā)育的地層進(jìn)行堵漏達(dá)到了較好的效果。

3.3 水泥護(hù)壁堵漏

在裂隙發(fā)育特別是破碎的地層，機(jī)械振動作用下易掉塊，使用一般泥漿護(hù)壁堵漏措施雖可降低泥漿漏失量，但無法解決孔壁掉塊情況。針對該地層，可采用水泥封孔護(hù)壁堵漏措施。一般采用0.6～0.8水灰比，在離封閉孔段底部約1 m位置開始灌注水泥漿，邊灌注邊上提鉆桿，水泥漿液全部泵入后，用清水替漿［5］。靜置約一天，待水泥漿固結(jié)后，掃孔鉆進(jìn)至原孔深，此時孔壁基巖碎塊在水泥漿的固結(jié)作用下膠結(jié)成整體，起到了護(hù)壁堵漏作用。

在石寨礦區(qū)水泥封孔護(hù)壁堵漏是一種主要的技術(shù)措施，特別是在裂隙發(fā)育，局部破碎、掉塊嚴(yán)重的復(fù)雜地層，效果較為顯著，成功率在90%以上。這種護(hù)壁堵漏方法安全可靠，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了鉆進(jìn)效率，進(jìn)而降低了施工成本。

4 護(hù)壁堵漏效果對比

表1列舉了同一礦區(qū)施工的4個鉆孔護(hù)壁堵漏方法應(yīng)用效果情況，其中，ZK1508為最先施工的孔，ZK1632為最后施工的鉆孔。ZK1508號鉆孔由于對礦區(qū)地質(zhì)資料掌握不全，施工經(jīng)驗不足，在使用套管護(hù)壁方法穿過第四系后一直使用單一的護(hù)壁堵漏方法，致使純鉆率僅為26.58%，鉆進(jìn)效率較低，臺月進(jìn)尺只有220 m，其大部分時間都浪費在掃孔、提鉆等輔助工作上；而ZK4032號鉆孔總結(jié)了前一個孔的施工經(jīng)驗，在地層裂隙發(fā)育的地方增加了膨潤土護(hù)壁堵漏措施，鉆進(jìn)效率得到了改善；在熟悉了礦區(qū)地層大致分布后，并結(jié)合前幾個鉆孔的施工經(jīng)驗對ZK0032、ZK1632號鉆孔采取針對性的護(hù)壁堵漏措施，鉆進(jìn)效率得到了進(jìn)一步的提高。

表1 護(hù)壁堵漏方法應(yīng)用效果

護(hù)壁堵漏的方法并不是一成不變的，不同的地層、孔段采取不同的護(hù)壁措施，在實際施工過程中靈活地應(yīng)用護(hù)壁堵漏方法，對提高鉆進(jìn)效率有著至關(guān)重要的作用。其他護(hù)壁堵漏的方法各有所長，如化學(xué)護(hù)壁堵漏，即利用化學(xué)試劑的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膠體等物質(zhì)，在孔壁上形成保護(hù)膜，從而達(dá)到保護(hù)孔壁的作用，但使用成本較高；井下鑄管護(hù)壁堵漏，即在孔內(nèi)預(yù)設(shè)孔段，采用一定的技術(shù)在該孔段形成護(hù)壁管，如膨脹薄膜套管，波紋套管等。

5 結(jié)論

在巖心鉆探施工中，特別是對復(fù)雜地層的鉆進(jìn)，護(hù)壁堵漏是極其重要的環(huán)節(jié)之一，它可以防止孔內(nèi)事故的發(fā)生，決定鉆探施工能否順利進(jìn)行，對鉆孔施工效率以及經(jīng)濟(jì)效益起到相當(dāng)大的作用。本文根據(jù)石寨礦區(qū)的地質(zhì)情況，結(jié)合前人在復(fù)雜地層護(hù)壁堵漏的技術(shù)，制定一套適合該礦區(qū)的護(hù)壁堵漏方法，取得了較好的效果，具有一定的參考意義。