于保國(guó)

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，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(guó)

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

山西腰站礦區(qū)ZK6004孔在施工過(guò)程中存在對(duì)漏失無(wú)法實(shí)施有效封堵和鉆遇破碎地層塌孔問(wèn)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(wèn)題。經(jīng)過(guò)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(hù)壁效果顯著。

鉆孔漏失；破碎；凝膠；堵漏；護(hù)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(tái)北緣、山西斷隆與燕山臺(tái)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(dòng)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(shí)，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(méi)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(jìn)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(zhǎng)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(tái)群石咀亞群金剛庫(kù)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(zhǎng)城系高于莊組內(nèi)主要存在砂礫屑白云巖、灰質(zhì)頁(yè)巖，并且較破碎、斷裂構(gòu)造發(fā)育；王臺(tái)群金剛庫(kù)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(bǔ)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(jìn)。

2　現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問(wèn)題及原因分析

2.1現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)主要存在2個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，一個(gè)是漏失嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)施有效封堵，鉆進(jìn)過(guò)程中基本無(wú)返漿；另一個(gè)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(jìn)過(guò)程中一直存在不同程度的漏失問(wèn)題，鉆進(jìn)至孔深1 050 m后，鉆進(jìn)時(shí)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(jìn)至1 110 m后，鉆進(jìn)時(shí)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(shí)通泵會(huì)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(méi)有凝固，封堵無(wú)效。

2.2原因分析

根據(jù)上述問(wèn)題，對(duì)其發(fā)生的原因進(jìn)行了分析。

(1)鉆進(jìn)過(guò)程中的沖洗液漏失與返吐現(xiàn)象是因?yàn)椴糠謱游淮嬖谳^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(shí)會(huì)發(fā)生漏失，循環(huán)壓力小時(shí)會(huì)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(zhǎng)時(shí)間不凝固，水泥封堵無(wú)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(jìn)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(jìn)時(shí)環(huán)空壓力急劇升高，泵壓達(dá)4～4.5 MPa，漏失加重；同時(shí)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(huì)使地層縫隙中的原有膠結(jié)物或循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)沖洗液填充到孔壁裂縫中的膠結(jié)物被沖蝕出來(lái)，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(shì)進(jìn)一步加劇?？咨? 103 m以深地層巖體的承壓能力較低，主孔鉆進(jìn)時(shí)采用“?75 mm鉆頭+?71 mm鉆桿”鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，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(shí)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(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(kāi)展了大量工作，取得了長(zhǎng)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(wèn)題。

快速凝膠堵漏技術(shù)利用無(wú)機(jī)凝膠材料和有機(jī)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(diǎn)，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)快速、廣譜堵漏的目的。其中，無(wú)機(jī)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(qiáng)劑等，可調(diào)節(jié)固化速度控制堵漏時(shí)間，提高固化體的固結(jié)質(zhì)量。有機(jī)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(wú)法固結(jié)。當(dāng)漏失通道直徑較大時(shí)，利用有機(jī)凝膠與無(wú)機(jī)凝膠材料之間的化學(xué)觸變作用，即當(dāng)無(wú)機(jī)凝膠材料與有機(jī)凝膠材料相遇時(shí)，迅速轉(zhuǎn)變成凝膠而失去流動(dòng)性，從而改變漏失通道特性，提高堵漏成功率。基于快速凝膠堵漏的上述特點(diǎn)，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(wèn)題，同時(shí)還可以固結(jié)破碎地層，穩(wěn)定孔壁，解決塌孔問(wèn)題[7-8]。

4　快速凝膠堵漏技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用有機(jī)凝膠與無(wú)機(jī)凝膠快速凝結(jié)相結(jié)合，即通過(guò)有機(jī)凝膠溶液與水沖洗液結(jié)合形成的膠凝物提高流動(dòng)阻力，同時(shí)通過(guò)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(shí)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(zhǎng)度，56 m；

K—擴(kuò)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(jī)凝膠膠液、無(wú)機(jī)凝膠漿液與頂替漿用量及配方

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

(2)無(wú)機(jī)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(jì)算，約為1.6 m3，實(shí)際配制1.8 m3，由1.5 m3密度為1.10 g/cm3的膨潤(rùn)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(kāi)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(jiàn)水泥，但強(qiáng)度低無(wú)法托住鉆具；掃孔至1 010 m(期間起下鉆一次，累計(jì)候凝17 h)，水泥塞已能托住鉆具；繼續(xù)掃孔至1 100 m(累計(jì)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(méi)有到達(dá)底部漏失層，因此需要對(duì)1 100 m以下部分進(jìn)行第二次堵漏。

4.2第二段快速凝膠堵漏的實(shí)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(zhǎng)度，60 m；

K—擴(kuò)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(jī)凝膠膠液、無(wú)機(jī)凝膠漿液與頂替漿用量及配方

(1)有機(jī)凝膠膠液(1#漿)：按“水+7%～8%膨潤(rùn)土+10%有機(jī)凝膠(GNJ-2)+3%核桃殼粉+3%橡膠顆粒”配比配制0.5 m3有機(jī)凝膠膠液。

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

(3)無(wú)機(jī)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(rùn)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(kāi)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(wú)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(shí)間)后開(kāi)始掃孔，1 020 m 處見(jiàn)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(shí)間，此時(shí)候凝已有85 h，進(jìn)尺速度變慢；繼續(xù)鉆進(jìn)至1 132 m，泵壓4 MPa，返漿正常，無(wú)返吐沖洗液現(xiàn)象。后期鉆進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有再發(fā)生過(guò)漏失，達(dá)到了預(yù)期目的；解決了地層漏失問(wèn)題；提高了地層承壓能力，沒(méi)有再次發(fā)生沖洗液返吐現(xiàn)象；固結(jié)強(qiáng)化了孔壁，沒(méi)有發(fā)生坍塌、掉塊現(xiàn)象。

5　結(jié)論

(1)對(duì)山西腰站鐵礦ZK6004孔發(fā)生的嚴(yán)重漏失、塌孔原因進(jìn)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(duì)快速凝膠堵漏技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其在該孔的適應(yīng)性進(jìn)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(shí)施效果證明，快速凝膠堵漏技術(shù)堵漏時(shí)間短，對(duì)封堵破碎性地層的復(fù)雜漏失情況具有良好的效果，同時(shí)護(hù)壁效果明顯。

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2016-05-25

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目(12120113097400)

于保國(guó)(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