易強(qiáng)忠，李紹河，蓋海濤

(云南地質(zhì)工程第二勘察院勘探分院，云南楚雄675000)

0 引言

隨著礦產(chǎn)勘察市場的不斷擴(kuò)大，各勘察施工單位都大力普及生產(chǎn)效率和取心質(zhì)量較高的繩索取心工藝進(jìn)行施工，由于繩索取心鉆進(jìn)時(shí)環(huán)空間隙小，沖洗液循環(huán)阻力較大，施工中遇到鉆孔漏失機(jī)率大，堵漏十分困難，嚴(yán)重影響施工效率，造成施工成本升高。

針對(duì)繩索取心施工中遇到的漏失問題，通過幾年的工作實(shí)踐和學(xué)習(xí)總結(jié)。采用了新的堵漏材料，并經(jīng)過不斷地探索和改進(jìn)堵漏方法，較好地解決了繩索取心鉆進(jìn)中的漏失問題，節(jié)約了施工直接成本，大幅度地提高了機(jī)臺(tái)經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到繩索取心鉆進(jìn)工藝節(jié)能增效的目的，同時(shí)獲得單位及同行的好評(píng)。

1 鉆孔漏失原因及類型

鉆孔漏失是在鉆進(jìn)過程中沖洗液不同程度滲漏到地層中的現(xiàn)象，也是沖洗液在壓差作用下滲漏進(jìn)地層裂隙內(nèi)的孔內(nèi)施工復(fù)雜情況。鉆孔漏失是鉆探工程中最普遍、最常見的技術(shù)難題之一。

1．1 鉆孔漏失原因

(1)鉆孔中地層存在正壓差，孔內(nèi)沖洗液循環(huán)壓力和密度壓力大于地層孔隙、裂縫或溶洞中液柱壓力;

(2)地層中存在漏失通道及容納空間;

(3)漏失通道的裂隙尺寸大于沖洗液中的固相顆粒的直徑。

1．2 影響鉆進(jìn)地層沖洗液漏失的因素

(1)地層孔隙壓力大小;

(2)地層裂隙、溶洞的貫通狀況、漏失通道的大小、形狀及厚度(見圖1);

(3)沖洗液的固相顆粒、類型及性能;

(4)鉆孔漏失層位及泥皮質(zhì)量;

圖1 保山金廠河礦區(qū)裂隙貫通實(shí)物巖心

(5)采取的鉆孔施工方法及工藝。

1．3 鉆孔根據(jù)地層漏失量大小及裂隙劃分類型

不同的地層應(yīng)力受到鉆進(jìn)破壞后其漏失失穩(wěn)程度都有差別。根據(jù)地層漏失量大小及裂隙大小作如下分類:

(1)小漏，即輕微漏失，孔口返液量＞1/2進(jìn)液量，裂隙＜5 mm;

(2)中漏，即中等漏失，孔口返液量＜1/2進(jìn)液量或失返，但增大泵量會(huì)微返或不返(動(dòng)水位會(huì)升高)，裂隙在5～30 mm之間;

(3)大漏，即大漏失，孔口完全失返，增大泵量動(dòng)水位無變化，裂隙30～100 mm;

(4)特大漏，即溶洞，特大裂縫。

1．4 漏失情況及地層特征分析(見表1)

表1 漏失情況及地層特征分析

2 繩索取心與普通鉆進(jìn)漏失情況區(qū)別

采用繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，由于繩索取心鉆桿與孔壁間環(huán)空間隙明顯小于普通鉆進(jìn)的環(huán)空間隙，繩索取心鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速大大高于普通鉆進(jìn)，產(chǎn)生負(fù)壓及漩渦離心較大，所以繩索取心鉆進(jìn)中沖洗液漏失比較嚴(yán)重、復(fù)雜。進(jìn)行堵漏較普通鉆進(jìn)困難。2種鉆進(jìn)方法的環(huán)空間隙對(duì)比如表2所示。

通過以上對(duì)比，繩索取心鉆進(jìn)中漏失機(jī)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鉆進(jìn)。普通鉆進(jìn)中使用的普通堵漏泥漿在繩索取心鉆進(jìn)中無法使用，2014年我單位機(jī)臺(tái)在曲靖富源納佐煤礦ZK4－2孔S95 mm繩索取心試驗(yàn)施工中，施工138.50～361.80 m孔段時(shí)發(fā)生孔內(nèi)沖洗液多次失返，采用常規(guī)堵漏方法使用50 mm鉆桿普通鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)返漿不漏失，而換S95繩索取心后沖洗液立即失返，導(dǎo)致S95繩索取心鉆進(jìn)中鉆桿折斷事故頻繁發(fā)生而放棄繩索取心試驗(yàn)施工。以往在普通鉆進(jìn)中使用的水泥漿液堵漏、化學(xué)漿液堵漏、惰性材料堵漏及泡沫泥漿堵漏在繩索取心鉆進(jìn)中都不易實(shí)施且效果不佳，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以要解決好繩索取心鉆進(jìn)的漏失問題是提高繩索取心鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

表2 普通鉆進(jìn)和繩索取心鉆進(jìn)環(huán)空間隙對(duì)比

3 鉆孔漏失對(duì)繩索取心鉆進(jìn)的影響與危害

3．1 孔內(nèi)危害

鉆孔漏失導(dǎo)致孔內(nèi)情況復(fù)雜化，孔內(nèi)地層失去原有的平衡狀態(tài)，會(huì)破壞保護(hù)好的孔壁，輕者造成沖洗液大量漏失孔壁產(chǎn)生掉塊、縮徑現(xiàn)象。重則造成孔壁垮塌，使鉆孔堵塞，鉆進(jìn)負(fù)荷加劇，極易造成孔內(nèi)卡鉆、埋鉆。甚至因操作失當(dāng)而發(fā)生嚴(yán)重的燒鉆事故，更嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。

3．2 設(shè)備和鉆具危害

孔內(nèi)漏失會(huì)因沖洗液液面下降導(dǎo)致繩索取心回轉(zhuǎn)阻力增大、摩擦加劇、鉆桿鉆具磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重的產(chǎn)生設(shè)備損壞、鉆桿折斷等事故，導(dǎo)致無法順利施工。

3．3 成本的影響

繩索取心工藝在復(fù)雜的地層中鉆進(jìn)時(shí)，大多都選用無固相或低固相沖洗液。沖洗液配置成本較高，孔內(nèi)一旦漏失，沖洗液和潤滑成本成數(shù)倍增長。極大地增加了鉆探施工成本。

3．4 保山金廠河礦區(qū)施工的幾個(gè)案例(見表3)

4 繩索取心鉆進(jìn)采用Aus－Plug高效堵漏劑進(jìn)行有效堵漏的方法及原理

4．1 Aus－Plug高效堵漏劑封堵漏失原理

Aus－Plug高效堵漏劑是一種進(jìn)口的具有延時(shí)膨脹作用的無機(jī)堵漏材料。它具有吸水量大和快、膨脹速度快、膨脹體積大、無毒等特點(diǎn)。Aus－Plug呈顆粒狀，具有一定硬度，顆粒直徑0.05～0.5 mm。在水中浸泡隨時(shí)間延長而逐步膨脹，浸泡15 min時(shí)，可膨脹到20.5～25 mm，30 min后完全膨脹至20.5～35 mm(見圖2)。對(duì)縫隙、裂縫的輕微漏失、中等漏失起到密封作用，堵漏效果顯著，利用它對(duì)輕微漏失、中等漏失孔段處理效果成功率達(dá)到99%。

表3 保山金廠河礦區(qū)施工案例

圖2 Aus－Plug堵漏劑膨脹前后對(duì)比

4．2 Aus－Plug高效堵漏劑的使用方法

我單位自2007年引進(jìn)使用Aus－Plug高效堵漏劑，Aus－Plug堵漏劑早期使用方法是根據(jù)孔內(nèi)漏失情況將Aus－Plug與清水或沖洗液混合后，用水泵送到漏失區(qū)域，鉆具提離孔底200～300 mm，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，往孔內(nèi)泵送沖洗液等泵壓逐步升高再有規(guī)律地關(guān)泵再開泵，直至泵壓升高至漏失前的數(shù)值，孔口返水正常后可直接鉆進(jìn)工作。但這種方法在施工中易造成堵漏材料浪費(fèi)較大，Aus－Plug鉆孔堵漏劑送至漏失層位時(shí)間難掌握、送達(dá)漏失部位的成功率不高，操作中不易掌握Aus－Plug堵漏劑是否準(zhǔn)確送到漏失部位。我單位根據(jù)各礦區(qū)、各鉆孔的漏失特點(diǎn)，采用了不同的堵漏方法及經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)總結(jié)出如下比較成功方法及經(jīng)驗(yàn)。

4．2．1 保證鉆孔堵漏成功率的前提條件

在繩索取心鉆進(jìn)中能成功進(jìn)行堵漏是保證順利施工的前提之一。為保證堵漏的成功率，施工中要注意的前提條件如下。

(1)要堅(jiān)持使用優(yōu)質(zhì)無固相沖洗液或低固相沖洗液，至于沖洗液配方則根據(jù)所鉆地層需要進(jìn)行調(diào)整。

(2)要注意觀察及分析孔內(nèi)沖洗液屬于正常消耗還是漏失。

(3)要堅(jiān)持觀察和掌握孔內(nèi)動(dòng)水位的變化情況。

(4)鉆遇漏失層后，堅(jiān)持及時(shí)進(jìn)行堵漏，不能貪圖進(jìn)尺無視漏失危害，鉆進(jìn)孔深超過漏失部位0.5 m后，則增加堵漏難度，鉆進(jìn)孔深超過漏失部位越多則堵漏效果越不理想。

4．2．2 繩索取心鉆進(jìn)中根據(jù)不同的漏失現(xiàn)象采取相應(yīng)的堵漏措施

4．2．2．1 小漏

繩索取心鉆進(jìn)中泵壓突然降低，孔口沖洗液返水量變小，循環(huán)池液面逐步降低，但孔口仍然返出部分沖洗液，鉆進(jìn)無異常變化。針對(duì)此種輕微漏失所采取的方法如下:孔內(nèi)出現(xiàn)輕微漏失后，立即停鉆提出內(nèi)管，查看并判斷所取巖心的結(jié)構(gòu)情況，檢查孔內(nèi)動(dòng)水位，若動(dòng)水位變化不大，將0.5 kg左右的Aus－Plug與2 kg鋸末用沖洗液原漿拌合好，從井口繩索取心鉆桿內(nèi)倒入，并立即合上立軸采取適當(dāng)泵量將堵漏材料送到漏失部位，同時(shí)慢慢回轉(zhuǎn)鉆具，使鉆具放至離孔底200～300 mm慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)。逐步觀察泵壓變化情況，在泵壓達(dá)到漏失前的數(shù)值時(shí)，停泵不停止鉆具回轉(zhuǎn)，等泵壓下降后又開泵，如此反復(fù)操作，使堵漏材料能充分漏失到裂隙當(dāng)中產(chǎn)生封堵作用，30～40 min后，待孔口返水正常，即可投內(nèi)管繼續(xù)鉆進(jìn)。

4．2．2．2 中漏

繩索取心鉆進(jìn)中泵壓突然下降，孔口不返或少量返出沖洗液，循環(huán)池液面下降很快，鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力增大，動(dòng)力機(jī)負(fù)荷加劇，已影響正常鉆進(jìn)。針對(duì)此種中等漏失采取的堵漏措施如下。

(1)立即停鉆、提內(nèi)管，查看巖心情況，并檢查孔內(nèi)動(dòng)水位變化情況，若水位變化不大，則采用上述方法即可奏效。

(2)若水位變化較大時(shí)，則要做特殊的堵漏泥球進(jìn)行堵漏。此種堵漏泥球及配制方法為:粘土粉5～6 kg，植物膠干粉1.5 kg，聚丙烯酰胺干粉1.5 kg，鋸末3 kg。將幾種材料混合后加少量清水拌合，做成泥球的原料。再取0.5～1.0 kg的Aus－Plug高效堵漏劑及塑料薄膜，將Aus－Plug堵漏劑用塑料薄膜包裹在泥球內(nèi)搓成粒徑30～40 mm(75 mm口徑)、粒徑40～60 mm(95 mm口徑)的圓球備用。待泥球原料全部做成泥球后，做好各項(xiàng)堵漏準(zhǔn)備工作后，將包好的泥球逐步往孔內(nèi)投放，注意投放速度，避免在鉆桿內(nèi)架橋，必要時(shí)可邊投邊灌沖洗液。投完泥球后迅速合上立軸送沖洗液，將泥球逐步送到漏失部位，同時(shí)慢慢回轉(zhuǎn)鉆具，其余操作和上述方法一致，直到孔口返水正常，泵壓正常，即可恢復(fù)鉆進(jìn)。

4．2．2．3 大漏

繩索取心鉆進(jìn)中，泵壓突然降到零，孔口突然不返水，循環(huán)池液面迅速下降。鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)負(fù)荷突然加劇，孔內(nèi)已不能實(shí)施正常鉆進(jìn)。改為低速鉆進(jìn)孔內(nèi)負(fù)荷仍然較大。針對(duì)此種較大漏失情況采取堵漏措施如下。

(1)采取上述送高效堵漏劑泥球進(jìn)行封堵。

(2)若采取上述方法無效的前提下，可將大鉆提起。測量孔內(nèi)水位變化情況，若孔內(nèi)仍有水位時(shí)，采用往孔內(nèi)投放瓶裝堵漏劑的方法進(jìn)行堵漏，選5～6個(gè)65～70 mm的飲料瓶，準(zhǔn)備2 kg Aus－Plug高效堵漏劑，2 kg聚丙烯酰胺干粉，2 kg植物膠干粉、適量鋸末、棉籽殼、核桃殼等骨架材料及交聯(lián)材料。將幾種干粉材料混合均勻后，裝入選好的飲料瓶內(nèi)并封蠟，依次投入孔內(nèi)，循環(huán)池內(nèi)沖洗液粘度適當(dāng)提高，接著正常下入孔內(nèi)繩索取心鉆具，將裝堵漏材料的飲料瓶壓送至孔底。開泵送入沖洗液，并回轉(zhuǎn)鉆具逐步將飲料瓶掃通，掃碎，使堵漏材料充分滲入裂隙內(nèi)，產(chǎn)生骨架、交聯(lián)材料和高效堵漏劑同時(shí)膨脹封堵，一般經(jīng)40～50 min后泵壓會(huì)逐步升高，水位逐步升高到孔口直至返水。然后可恢復(fù)鉆進(jìn)。在采取此方法中，孔口返水量不夠時(shí)，可采用投堵漏泥球方法輔助以繼續(xù)堵漏，直到返水正常。

4．2．2．4 大裂隙、小洞隙

鉆進(jìn)中，突然全孔漏失、泵壓降至零、增大泵量已無明顯反應(yīng)，此時(shí)，停鉆反開立軸鉆桿后，孔內(nèi)有較大氣流倒吸現(xiàn)象，測水位后孔內(nèi)幾乎沒有水位，此種情況應(yīng)采取如下方法堵漏。

(1)將內(nèi)管提出后，做前述堵漏泥球和水泥球20～30 kg，用塑料薄膜包好泥球扎緊并投入繩索取心鉆桿內(nèi)。

(2)開泵用沖洗液將泥球全部壓送到孔底后提大鉆，確認(rèn)堵漏泥球要高于漏失通道。

(3)選擇同徑實(shí)心鉆頭，并在離鉆頭4～5 m連接1個(gè)無泵接手，然后下入孔內(nèi)至漏失層位邊鉆邊活動(dòng)，反復(fù)多次干鉆掃至孔底后，再開泵送泥漿掃15～30 min，泵壓會(huì)升高，孔口會(huì)逐漸返漿，堵漏成功后提鉆換繩索取心鉆具，下鉆掃至孔底恢復(fù)鉆進(jìn)。此堵漏方法成功率非常高，可達(dá)99%以上，已成為我單位有效的堵漏方法，圖3為堵漏效果圖。

圖3 彌渡金寶山礦區(qū)5ZK308孔堵漏巖心效果圖

5 Aus－Plug高效堵漏劑及堵漏方法應(yīng)用的成功案例

5．1 保山金廠河礦區(qū)

在保山金廠河礦區(qū)，2008～2010年已施工的55個(gè)鉆孔中，使用Aus－Plug高效堵漏劑及上述堵漏方法施工的鉆孔有40個(gè)，都能按期順利完成施工。在沒有采用上述方法進(jìn)行施工的15個(gè)鉆孔都不同程度受到挫折，有的鉆孔甚至施工到一半就無法施工，導(dǎo)致中途鉆孔報(bào)廢。如ZK22－5鉆孔設(shè)計(jì)孔深750 m鉆遇多層漏失層，該機(jī)臺(tái)只采取單一的鋸末堵漏措施，導(dǎo)致多次堵漏效果不佳，施工至660.60 m時(shí)，孔內(nèi)產(chǎn)生埋鉆事故無法處理而提前終孔。

金廠河礦區(qū)ZK4－9鉆孔設(shè)計(jì)孔深690 m，鉆穿0～15 m第四系覆蓋層，下127 mm套管隔離后，用95 mm繩索取心鉆進(jìn)，15～145 m為灰?guī)r及板巖，其中鉆遇4段中漏及大漏(漏失孔深分別為25.65、31.08、87.23、95.67 m)，每次漏失后頂漏鉆進(jìn)0.3～0.4 m，再采用投堵漏泥球和水泥球成功將漏失堵住，順利施工至145 m時(shí)遇0.5 m的溶洞，鉆穿溶洞后下入108 mm套管隔離，95 mm繩索取心繼續(xù)施工至295.5 m時(shí)，下入89 mm技術(shù)套管，用75 mm繩索取心鉆進(jìn)至691.60 m，從295.5～691.60 m施工中鉆穿板巖、大理巖、矽卡巖，遇到5次中漏及大漏情況(孔深分別為350.20、365.89、535.50、550.05、625.60 m)，采用投堵漏泥球及瓶裝堵漏劑的方法成功封堵漏失段。該孔開孔至終孔歷時(shí)54 d，鉆穿不同的復(fù)雜漏失地層，順利施工完孔。并被評(píng)為優(yōu)質(zhì)孔。

2009年9月9日開工的ZK30－7鉆孔，整個(gè)孔段鉆穿灰?guī)r、板巖、大理巖、矽卡巖，11個(gè)漏失部位、10層破碎帶、1個(gè)300 mm溶洞、2個(gè)斷層帶都采用Aus－Plug高效堵漏劑按上述方法成功封堵住漏失部位，歷時(shí)55 d，成功施工至859.36 m，被評(píng)為優(yōu)質(zhì)孔。

5．2 金平縣長安金礦區(qū)

2011～2013年在金平縣長安金礦施工的40余個(gè)鉆孔(30°～75°斜孔)，每個(gè)鉆孔都有全孔不返水的情況多次發(fā)生，但分別使用了上述堵漏方法后，其堵漏成功率達(dá)到98%以上。

5．3 彌渡金寶山鉑鈀金礦5ZK308鉆孔

2014年，在彌渡金寶山鋇鈀金礦施工5ZK308孔，鉆孔口徑97 mm施工至640.50～664.65 m為元古界哀牢山組片巖－片麻巖斷裂帶，在這24.15 m孔段的施工中共發(fā)生13段全孔漏失，水位從15～20 m降至130～140 m，13段全孔惡性漏失全部采用上述堵漏方法成功堵住鉆孔漏失，從而利用繩索取心工藝順利鉆進(jìn)至1200.05 m終孔。

6 Aus－Plug高效堵漏劑及堵漏方法成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

6．1 沖洗液性能

繩索取心鉆進(jìn)施工要求有良好的沖洗液性能，堵漏后沖洗液的性能要求有較小的失水量和合適的粘度，沖洗液失水量過大和粘度較低則可能發(fā)生二次漏失。

6．2 水位觀測和巖心檢查

(1)繩索取心鉆進(jìn)施工過程中保持動(dòng)水位和沖洗液消耗量的觀測，根據(jù)發(fā)生漏失前后測量的水位差可以判斷漏失量大小、漏失的嚴(yán)重程度，再選擇上述適當(dāng)?shù)亩侣┓椒ā?/p>

(2)繩索取心鉆進(jìn)施工過程中發(fā)生漏失后鉆進(jìn)進(jìn)尺≯0.5 m，采心后提出內(nèi)管檢查巖心裂隙大小及漏失原因，再選擇相應(yīng)的堵漏劑和堵漏方法。圖3顯示的是彌渡金寶山礦區(qū)5ZK308孔653.40 m孔深處堵漏成功后所取的巖心。

6．3 堵漏方法操作成功的關(guān)鍵

繩索取心鉆進(jìn)堵漏成功的關(guān)鍵是將堵漏材料按質(zhì)、按量送至漏失通道內(nèi)，繩索取心鉆進(jìn)孔壁與鉆桿間環(huán)空間隙小，沖洗液上返流速快，堵漏材料不容易完全進(jìn)入漏失通道內(nèi)，如鉆孔較深、水位深則堵漏材料必須包裹塑料薄膜才能按質(zhì)按量送至漏失層位，不至于中途被稀釋懸浮于孔內(nèi)失去堵漏性能。

大裂隙堵漏則要采用實(shí)心鉆頭(見圖4)將送達(dá)漏失部位的堵漏材料在稀釋前被擠壓到漏失通道內(nèi)，Aus－Plug堵漏劑在漏失通道內(nèi)膨脹從而達(dá)到橋塞、封堵漏失通道的作用。

圖4 95mm硬質(zhì)合金鑲焊的實(shí)心鉆頭

7 Aus－Plug高效堵漏劑及堵漏方法成本與效率分析

7．1 成本顯著降低

堵漏成本較低，材料節(jié)約，每次堵漏使用材料的直接成本在500元以內(nèi)。堵漏材料的制作采用手工，無需機(jī)械，一次性堵漏成功率高，避免重復(fù)堵漏而導(dǎo)致的材料浪費(fèi)。

7．2 效率明顯提高

堵漏方法簡便易行、操作性強(qiáng)、時(shí)間短(小漏、中漏無須提鉆即可完成堵漏工作，大漏則須提一次大鉆即可完成堵漏工作)、堵漏成功率高，大大提高了繩索取心工藝在復(fù)雜地層中施工的鉆進(jìn)效率。

8 結(jié)語

Aus－Plug高效堵漏劑及堵漏方法在金廠河礦區(qū)、長安金礦和彌渡金寶山鉑鈀金礦等礦區(qū)和機(jī)臺(tái)的推廣使用，為我單位創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，施工周期縮短，施工質(zhì)量提高，施工成本節(jié)約，機(jī)臺(tái)經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，解決了繩索取心鉆進(jìn)中鉆孔漏失的技術(shù)難題，對(duì)普及繩索取心新工藝奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Aus－Plug高效堵漏劑不足之處(顆粒直徑的變化d＜0.05 mm和d＞0.5 mm)，有待于進(jìn)一步研究和摸索。

隨著勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，礦山勘察對(duì)勘探技術(shù)和質(zhì)量的要求越來越高，加之勘探隊(duì)伍自身的發(fā)展要求，迫使繩索取心鉆進(jìn)等新工藝普及速度大大加快。在使用新工藝中為了獲得更高的效益，也迫使我們在新工藝使用中要不斷探索、不斷創(chuàng)新，在施工中經(jīng)過不斷實(shí)踐和完善總結(jié)，應(yīng)對(duì)復(fù)雜漏失地層的堵漏施工技術(shù)日趨成熟，使繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)得以快速地發(fā)展。

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