周生偉，孫平賀*，蘇衛(wèi)鋒，周夢迪，夏余宏燁，周明明，左雷彬，王李昌

（1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.中國石油天然氣管道局工程有限公司，河北 廊坊 065000；4.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

近年來，隨著“一帶一路”的深入推進(jìn)，國內(nèi)外長輸管道的建設(shè)規(guī)模越來越大，水平定向鉆進(jìn)的應(yīng)用越來越廣，鉆進(jìn)過程中的泥漿漏失問題也得到越來越多的重視。泥漿漏失是鉆遇各類裂隙地層中普遍遇到的技術(shù)難題，不僅會(huì)延誤作業(yè)時(shí)間、延長鉆進(jìn)周期，還會(huì)耗費(fèi)大量泥漿材料，導(dǎo)致卡鉆、塌孔等一系列復(fù)雜問題的發(fā)生。漏失主要分為滲透性漏失、裂縫性漏失和孔洞性漏失3 種類型［1］。當(dāng)漏失發(fā)生時(shí)，使用堵漏材料是封堵地層漏失通道的最常用方法［2］。工程中常用的堵漏材料有橋接堵漏材料、復(fù)合堵漏材料、高失水堵漏材料、凝膠堵漏材料、膨脹型堵漏材料和隨鉆堵漏材料6 種。其中橋接堵漏材料和隨鉆堵漏材料主要用于封堵裂縫性漏失；復(fù)合堵漏材料主要應(yīng)用于高溫地層或油基鉆井液；高失水堵漏材料適用于大漏失通道；凝膠堵漏材料對(duì)漏失通道的適應(yīng)性好，因此多與其他堵漏材料配合使用；膨脹型堵漏材料主要針對(duì)嚴(yán)重漏失地層或頁巖地層鉆井中的裂縫性漏失［3］。堵漏材料的承壓能力是封堵裂隙的重點(diǎn)，堵漏材料的破碎率、粒徑、回彈性等性能對(duì)承壓能力的影響不斷被研究總結(jié)［4］。目前，堵漏材料逐漸向低成本、天然產(chǎn)物改性、抗高溫抗鹽等方向發(fā)展［5］。

纖維可分為天然纖維和化學(xué)纖維兩大類，玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料，在高溫條件下破碎熔融后經(jīng)拉伸形成的無機(jī)連續(xù)纖維［6］，屬于天然纖維的一種，使用過程中不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，是一種綠色環(huán)保材料，且我國纖維用玄武巖資源在四川等地有著十分開闊的開發(fā)利用前景［7］。玄武巖纖維具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性［8］；在力學(xué)性能方面，玄武巖纖維具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度［9］。針對(duì)玄武巖纖維國內(nèi)外專家學(xué)者有較多的研究，目前，在土木工程領(lǐng)域，玄武巖纖維主要用于改善混凝土［10］、水泥［11］、瀝青［12］和軌道板［13］等材料或部件的強(qiáng)度；在造紙領(lǐng)域，玄武巖纖維含量＜50%時(shí)可基本滿足紙張強(qiáng)度的加工和使用需求［14］；在航天領(lǐng)域，玄武巖纖維作為吸能填充材料應(yīng)用于空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中［15］；此外，玄武巖纖維還在防火隔熱［16］、改善復(fù)合材料［17］和樹脂基摩擦材料［18］的耐磨性等領(lǐng)域得到應(yīng)用。綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)玄武巖纖維應(yīng)用的研究主要集中在土木、航天和材料等方面，其作為隨鉆堵漏材料的研究較少。

該文結(jié)合西藏某地鉆遇花崗巖裂隙特征，選取玄武巖纖維作為裂隙封堵的主要材料，構(gòu)建玄武巖纖維堵漏體系，并在西藏某高海拔地區(qū)非開挖水平定向鉆進(jìn)現(xiàn)場得到了成功的應(yīng)用。

1 工程概況

該工程為中國石油管道局工程有限公司在西藏某地鋪設(shè)的輸氣管道水平定向穿越段。由于西藏地區(qū)山體復(fù)雜程度高、開挖鋪設(shè)成本高，因此該段管道采用水平定向鉆進(jìn)的方式鋪設(shè)，管道穿越長度為730 m，出入土點(diǎn)斜坡平均坡度均約為30°，高程約為3804 m。擬穿越場區(qū)地理位置概況見圖1。

圖1 場區(qū)地理位置示意Fig.1 Geographic location of the site

穿越區(qū)坡面基巖陡立，坡體表面風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面呈閉合-微張狀，巖體破碎，呈碎裂狀及塊狀，局部分布有塊石、碎石，整段巖土體透水性較強(qiáng)。在實(shí)際鉆進(jìn)和回拖管線作業(yè)過程中，該場區(qū)漏失嚴(yán)重，回流漿液因外部涌水稀釋導(dǎo)致粘度下降幅度極大，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在轉(zhuǎn)速為600 r/min 時(shí)的讀數(shù)遠(yuǎn)小于初始泥漿的150 mPa·s，存在卡鉆和塌孔的風(fēng)險(xiǎn)。

2 鉆遇地層裂隙分析

堵漏材料尺寸的選擇不當(dāng)易導(dǎo)致裂隙處形成壓力差，導(dǎo)致堵漏失敗［19］。因此為合理確定玄武巖纖維堵漏體系的配方，需進(jìn)行穿越段裂隙尺寸的確定。在綜合考慮巖體裂隙特征統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，本文采用近景攝影測量技術(shù)對(duì)西藏某地鉆遇的巖體裂隙進(jìn)行測量分析。近景攝影測量技術(shù)是采用相機(jī)在不同位置或時(shí)刻獲得相同目標(biāo)的圖像，在分析圖像間幾何約束關(guān)系的基礎(chǔ)上算出目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)信息，最終建立拍攝目標(biāo)的三維模型［20］。目前，近景攝影測量技術(shù)已在監(jiān)測礦山巖體相似材料模型［21］、煤礦沉陷模型［22］和平面地表變形［23］等方面得到應(yīng)用。相對(duì)其他常用方法而言，該方法具有精度高、累積誤差小和工作效率高等［24］優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合三維建模能獲取詳實(shí)且便于保存的裂隙幾何信息。選取現(xiàn)場鉆遇的巖體樣品裂隙如圖2 所示。

圖2 巖體樣品裂隙Fig.2 Fractures in a rock sample

通過手持拍攝法和支架拍攝法的順時(shí)針和逆時(shí)針拍攝實(shí)驗(yàn)，最終選擇圖像平均覆蓋率和清晰度最高的逆時(shí)針方向手持拍攝法獲取圖像，首先完成所得圖像的特征點(diǎn)標(biāo)記工作并對(duì)無效特征點(diǎn)進(jìn)行剔除；其次，對(duì)各圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行分析匹配，建立點(diǎn)云圖；之后在點(diǎn)云圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行三角網(wǎng)格的劃分；最后生成具備紋理的3D 模型（如圖3 所示）。

圖3 巖體樣品3D 模型Fig.3 3D model of a rock sample

在已有三維坐標(biāo)系的模型中利用PMS 軟件提取特征點(diǎn)，并通過多圖像特征點(diǎn)關(guān)聯(lián)進(jìn)行定位測距得到裂隙尺寸，經(jīng)識(shí)別測量，裂隙尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1 可得，通過近景攝影測量技術(shù)得到現(xiàn)場鉆遇地層樣品的裂隙長度在20.3～112.7 mm 之間、寬度在0.4～3.2 mm 之間，因此確定該區(qū)域內(nèi)裂隙寬度最大為3.2 mm，隨鉆堵漏實(shí)驗(yàn)可采用4 mm 縫板以確保堵漏材料配方在現(xiàn)場的適用性。

表1 裂隙尺寸數(shù)據(jù)Table 1 Fracture sizes

3 堵漏材料室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 堵漏材料配方設(shè)計(jì)

通過近景攝影測量技術(shù)確定區(qū)域內(nèi)裂隙寬度在4 mm 以內(nèi)，預(yù)實(shí)驗(yàn)中彈性橡膠粒粒徑為3～6 mm、核桃殼①目數(shù)為6～8 目、核桃殼②目數(shù)為10～16目、云母片目數(shù)為20 目。在DL-2 型中壓堵漏材料測定儀上分別進(jìn)行核桃殼與彈性橡膠?；旌喜牧虾秃颂覛ぁ椥韵鹉z粒與云母片混合材料的堵漏性能評(píng)價(jià)，測量其自由漏失量和最大承載壓力等參數(shù)。DL-2 型中壓堵漏材料測定儀配套有1～5 mm 的縫板和0～25 MPa 的氮?dú)庠?，分別用來模擬不同寬度的裂隙地層和不同的地層壓力。

選擇4 mm 的縫板進(jìn)行核桃殼與彈性橡膠?；旌喜牧虾秃颂覛?、彈性橡膠粒與云母片混合材料的堵漏預(yù)實(shí)驗(yàn)，固相含量控制在20%以內(nèi)，以保證泥漿的流變參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定［25］。預(yù)實(shí)驗(yàn)的堵漏基漿配方為5%鈉化膨潤土、0.3%無水碳酸鈉、0.6%羧甲基纖維素鈉。預(yù)實(shí)驗(yàn)一的核桃殼的質(zhì)量百分比為8%，彈性橡膠粒質(zhì)量百分比為1%；預(yù)實(shí)驗(yàn)二在預(yù)實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上增加了質(zhì)量百分比2%的云母片。最終測得預(yù)實(shí)驗(yàn)一的自由漏失量為800 mL，最大承載壓力為0.9 MPa；預(yù)實(shí)驗(yàn)二的自由漏失量為600 mL，1 MPa 漏失量為300 mL，最大承載壓力為1.8 MPa。由預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，僅使用橋接顆粒在加載壓力為0.9 MPa 時(shí)封堵層被完全破壞，堵漏效果較差；添加云母片之后，自由漏失量降低了25%，加載壓力可達(dá)到1.8 MPa，承壓能力仍較小。在兩次預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行玄武巖纖維堵漏體系的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)以提高堵漏材料的堵漏效果。彈性橡膠粒、核桃殼和云母片的粒徑與預(yù)實(shí)驗(yàn)相同，堵漏材料配方設(shè)計(jì)如表2 所示。實(shí)驗(yàn)所用的橋接堵漏材料和玄武巖纖維如圖4、圖5 所示。

圖4 橋接堵漏材料Fig.4 Bridging and plugging materials

圖5 不同尺寸玄武巖纖維Fig.5 Basalt fibers of different sizes

表2 堵漏材料配方Table 2 Leakage plugging material formula %

3.2 隨鉆堵漏實(shí)驗(yàn)

根據(jù)近景攝影測量技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場水平定向鉆進(jìn)段地層壓力，本實(shí)驗(yàn)采用4 mm 縫板和4 MPa氮?dú)庠磯毫M(jìn)行加壓堵漏實(shí)驗(yàn)，以探究堵漏材料的堵漏效果。實(shí)驗(yàn)基漿配方為5%鈉化膨潤土、0.3%無水碳酸鈉和0.6%羧甲基纖維素鈉，單次實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{用量4 L。

4 堵漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用DL-2 型中壓堵漏材料測定儀測試各堵漏配方的漏失時(shí)間、漏失量和固相漏失量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

由表3 可得，對(duì)于4 mm 縫板，摻入單一尺寸玄武巖纖維的堵漏泥漿的堵漏效果在纖維長度為3 mm 時(shí)漏失時(shí)間為90 s、漏失量為750 mL、固相漏失量為45.1 g，其堵漏效果最好；纖維長度增加至9 mm 時(shí)，漏失時(shí)間和固相漏失量增加至173 s 和60.6 g，達(dá)到最大；纖維長度增加至12 mm 時(shí)，漏失量達(dá)到最大的1650 mL，由此可得，使用單一尺寸玄武巖纖維對(duì)4 mm 縫板進(jìn)行堵漏時(shí)，隨著纖維長度的不斷增加，其堵漏效果不斷降低。由縫板封堵現(xiàn)象分析，纖維長度和縫板寬度較接近時(shí)，進(jìn)入縫板的纖維的量更多，參與架橋和形成網(wǎng)狀受力結(jié)構(gòu)的概率更大，纖維長度大于縫板寬度時(shí)，堵漏材料會(huì)積聚在縫板端口處，形成封門堵漏，堵漏效果不理想，且泥漿漏失量較大。

表3 漏失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Leakage experiment data

為研究玄武巖纖維種數(shù)對(duì)堵漏效果的影響，分別計(jì)算單一尺寸玄武巖纖維和2 種、3 種尺寸玄武巖纖維共同作用的平均漏失時(shí)間、平均漏失量和平均固相漏失量，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 漏失實(shí)驗(yàn)平均數(shù)據(jù)Table 4 Average of leakage experiment data

由表4 可得，隨著玄武巖纖維種數(shù)的增加，平均漏失時(shí)間、平均漏失量和平均固相漏失量分別由單一尺寸玄武巖纖維堵漏時(shí)的129.3 s、1205 mL 和51.8 g 降至106 s、790 mL 和46.7 g；綜合考慮平均漏失時(shí)間、平均漏失量和平均固相漏失量可得，3 種尺寸的玄武巖纖維共同使用時(shí)的堵漏效果最好。縫板堵漏的實(shí)際效果如圖6 所示。

由圖6 可得，當(dāng)使用3 種尺寸的玄武巖纖維進(jìn)行堵漏時(shí)，3 mm 的纖維與彈性橡膠粒、核桃殼和云母等橋接顆粒更多的進(jìn)入縫板，形成了封堵縫板的基本骨架；6 和9 mm 的玄武巖纖維則起到了一定強(qiáng)度的“加筋”作用，加大了封堵層的機(jī)械強(qiáng)度，使封堵效果達(dá)到最好。

圖6 多級(jí)配纖維泥漿堵漏后縫板Fig.6 Joint plate after multi-grade fiber slurry plugging

綜上所述，當(dāng)縫板寬度為4 mm 時(shí)，3 種尺寸的玄武巖纖維堵漏泥漿的平均漏失時(shí)間、平均漏失量和平均固相漏失量與單一尺寸的玄武巖纖維相比分別降低了18.0%、34.4%和9.8%，其堵漏效果高于單一尺寸玄武巖纖維的泥漿；原因?yàn)槎喑叽缧鋷r纖維中的小尺寸纖維可在縫板部位產(chǎn)生掛阻并“架橋”，形成堵漏的基本骨架，大尺寸纖維被夾在骨架中，可起到一定的“加筋”作用，二者共同作用提高了多尺寸玄武巖纖維的封堵效果。其中3、6 和9 mm三種尺寸的玄武巖纖維共同作用的堵漏效果最明顯，漏失時(shí)間、漏失量和固相漏失量分別為86 s，630 mL 和43.2 g，均達(dá)到最低。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中3 種尺寸玄武巖纖維共同作用時(shí)的堵漏效果最好，選擇多級(jí)配纖維堵漏泥漿進(jìn)行堵漏以提高堵漏效果。本次實(shí)驗(yàn)在擴(kuò)孔鉆頭回拉至距離入土點(diǎn)270 m 處進(jìn)行，泥漿體系為正電膠泥漿體系。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)堵漏泥漿中3 種尺寸的玄武巖纖維含量均為0.1%，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中提高玄武巖纖維含量以提升堵漏效果，6 mm 和9 mm 玄武巖纖維各添加210 kg（1.05%），12 mm 玄武巖纖維添加200 kg（1%）。在現(xiàn)場采用水槍輔助添加和泥漿罐處直接添加兩種加料方式，每加入50 kg 玄武巖纖維需攪拌6 min；攪拌均勻后開始泵入地層。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證玄武巖纖維的隨鉆堵漏效果，分別對(duì)玄武巖纖維處理前后的現(xiàn)場返漿進(jìn)行取樣，對(duì)比分析除砂、烘干后泥漿中固相含量的變化如表5 所示。分析結(jié)果表明，泥漿中固相含量由原始的13.69%增加至15.49%，泥漿固相含量下降幅度減少了13.14%，說明隨鉆泥漿封堵體系有效減少了泥漿的漏失，保障了非開挖鉆進(jìn)作業(yè)的順利實(shí)施。

表5 室內(nèi)固相含量測試結(jié)果Table 5 Indoor solid phase content test results

同時(shí)，部分纖維在泥漿循環(huán)過程中返至地表，如圖7 所示。說明玄武巖纖維能夠在鉆孔中有效循環(huán)，減少自身的漏損量，在綠色封堵的同時(shí)，能夠提高裂隙地層堵漏的經(jīng)濟(jì)效果。

圖7 地表返漿中的纖維Fig.7 Fibers in mud return at surface

6 結(jié)論與展望

（1）西藏高海拔地區(qū)花崗巖地層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，以現(xiàn)場鉆遇的地層樣品作為研究對(duì)象，應(yīng)用近景攝影測量技術(shù)得到實(shí)際巖體裂隙寬度的范圍為0.4～3.2 mm，最終確定區(qū)域內(nèi)裂隙寬度為4 mm 以內(nèi)。

（2）對(duì)于4 mm 縫板，3 mm 的玄武巖纖維單獨(dú)作用時(shí)，其漏失時(shí)間為90 s，漏失量為750 mL，固相漏失量為45.1 g，在單一尺寸的玄武巖纖維中堵漏效果最好；3 種尺寸的玄武巖纖維混合使用的平均漏失時(shí)間、平均漏失量和平均固相漏失量分別為106 s、790 mL 和46.7 g，均小于單種和兩種玄武巖纖維的堵漏效果，原因?yàn)槎喾N長度的玄武巖纖維既可形成堵漏的基本骨架，也可發(fā)揮一定的“加筋”作用，提高堵漏效果。

（3）在室內(nèi)玄武巖纖維堵漏體系優(yōu)選實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇6、9 和12 mm 的玄武巖纖維堵漏體系在現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用，該體系使泥漿漏失段的泥漿固相含量下降幅度減少了13.14%，堵漏效果較好。

本文進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，只研究了不同配方的玄武巖纖維堵漏材料對(duì)4 mm 縫板的堵漏效果，實(shí)驗(yàn)條件具有一定的局限性。今后可研究玄武巖纖維堵漏材料對(duì)不同尺寸縫板的堵漏效果以拓寬玄武巖纖維堵漏材料的應(yīng)用范圍。