『壹』 鑽孔護壁堵漏技術措施
在復雜地層鑽進中,平衡地層壓力、保持孔壁穩定是鑽孔施工成敗的關鍵。目前護壁堵漏方法概括起來主要有以下幾種:
(一)隨鑽泥漿法
隨鑽泥漿法一般適用於漏失速度小於3m3/h的低壓滲漏地層。即讓泥漿中添加的小粒徑纖維類堵漏材料、剛性顆粒類堵漏材料及可變性顆粒類堵漏材料,在泥漿壓差作用下滲入地層孔隙或微裂縫,起到架橋、填充和封堵作用,達到邊鑽進邊堵漏的目的。與停鑽堵漏相比,隨鑽泥漿法可節省較多的處理漏失時間,適用於高滲透砂層、礫石層、破碎煤層以及其他存在微裂縫的地層堵漏。常在泥漿中添加高分子化學處理劑、高黏度泥漿或隨鑽堵漏材料(801隨鑽堵漏劑等)。
(二)套管隔離法
對第四系鬆散地層或坍塌超徑、老窿、溶洞、地下河等嚴重漏失地層,多採用鋼制套管隔離。套管隔離一般用於1000m以淺孔段,在深部孔段則成本高,影響鑽探工程整體效益。
(三)水泥灌注法
對裂隙不大,中等以上漏失地層,灌注水泥可取得較好的堵漏效果。施工中應根據具體漏失條件選用不同的孔壁固化方法。
1.純水泥漿堵漏
純水泥漿堵漏適用於地層裂隙小,地下承壓水及地下水流動不大的情況。純水泥漿中可加入三乙醇胺和食鹽等速凝劑,常用配方為水泥∶三乙醇胺∶食鹽=100∶0.5∶1,也可直接選用速凝早強水泥漿(灌注前應做地表試驗,確定水泥漿初凝時間等參數)。深孔灌注須採用泥漿泵送漿,水灰比控制在0.5～0.6之間。在安徽霍邱重新集礦區、滁州琅琊山銅礦區破碎漏失孔段Φ91mm和Φ110mm口徑中,均採用該方法堵漏成功。
2.水泥砂石漿堵漏
水泥砂石漿堵漏適用於地層裂隙大、鑽孔超徑、漏失量大的情況。水泥砂石漿由水泥、黃砂(或石英砂)、碎石(一般粒徑為5～10mm)、速凝早強劑、水泥膨脹劑等組成。先判斷鑽孔漏失(或涌水)部位,裂隙大小及鑽孔超徑量,然後將石子、砂子投入漏失孔段,填充裂隙;配製水灰比0.5～0.6的水泥漿,加入0.5%～1%速凝早強劑和5%的水泥膨脹劑,用鑽具透孔至投放砂石孔段底部0.5m處,泵入配製好的水泥漿,水泥漿量要超過漏失孔段體積的2～3倍,使水泥漿滲透到地層裂隙中填充的砂石中,形成混凝土膠結的新孔壁以達到堵漏目的。灌注後需等待72h方可透孔鑽進。該方法曾應用於安徽廬江鐵礦豎井工程3個地質勘查鑽孔(孔深600～700m,終孔口徑Φ110mm)的嚴重破碎、漏失孔段,灌漿後形成的水泥砂石孔壁強度高,對大裂隙具有良好的填充和堵漏效果。
(四)凍膠泥漿及化學絮凝法
該方法亦稱彈塑性堵漏法,是往破碎裂隙地層充填膠黏,不形成固結強度高的剛性孔壁,只形成具有膠黏性的彈塑性孔壁。適用於鑽孔承壓、孔隙水較大、涌水、漏失及溶蝕性地層,水泥漿灌注難以結石的情況。
1.凍膠泥漿堵漏
凍膠泥漿由水泥(或熟石灰)、鋸末、黏土粉、水玻璃(或氯化鈣)等組成。配比是在1m3黏度50～60s的泥漿中加50kg水泥、15kg水玻璃和適量的鋸末;或在上述泥漿中加100kg熟石灰、25kg水玻璃(亦可加40kg氯化鈣)。
堵漏作業時,將鋸末用40目篩網過篩後連同水泥(或石灰)加入泥漿中攪拌,用泵送至漏失部位。泵送時在吸水蓮蓬處緩慢加入水玻璃。使漿液在孔內混合形成低強度的凍膠狀膠結體填充裂隙。一般灌注後停待5～6h即可透孔鑽進。堵漏成功後,必須採用低固相泥漿護壁鑽進。該方法在安徽馬鞍山當塗楊庄鐵礦勘探孔(孔深850m,終孔口徑Φ110mm)中應用取得了較好的堵漏效果。
2.化學絮凝堵漏
化學絮凝法主要採用黏土、高分子化學絮凝劑(高分子聚丙烯醯胺PHP、PAM)等材料。絮凝堵漏時,用泵往漏失孔段送黏度50～60s的泥漿,同時在吸水蓮蓬頭處緩慢加入分子量800萬～1000萬、水解度5%～10%的PAM液體,加入量控制在泥漿體積的2%(乾粉量)。若涌水地層可先用加重泥漿平衡涌水壓力,後投黏土球至漏、涌水孔段,下鑽具加壓搗實。黏土球中心放入PAM乾粉,這樣黏土球遇水膨脹後與PAM混合產生高分子與黏土交聯絮凝作用,填充吸附於岩層裂隙中起到止涌堵漏作用。該方法曾在安徽壽縣正陽關鐵礦異常驗證孔、霍邱周集深部找礦ZK1725試驗孔、華南於都-贛縣礦集區科學鑽探選址預研究NLSD-1孔、華東廬樅盆地科學鑽探選址預研究LZSD-1孔等多孔漏、涌地層中成功堵漏,既節約了堵漏時間,又可降低堵漏綜合成本。
廣東龍歸鹽礦某探采孔施工中遇到一嚴重漏失層,全孔不返泥漿。原中石油某普查大隊為堵漏花費近半年時間,用去100餘噸水泥未能解決問題,後轉交安徽省地礦局313地質隊。313地質隊通過分析,認識到前人失敗的原因在於採用普通水泥漿灌注鹽岩裂隙。因為水泥漿在裂隙中結石成剛性膠結,而鹽岩裂隙中進入水泥後結晶鹽也被溶蝕,即使水泥漿結石很好,在較短的時間內也會從裂隙中剝落,隨之裂隙繼續被溶蝕擴張。每用水泥灌注一次地層裂隙就擴張一次,造成漏失越來越大。所以,決定採用高分子絮凝彈塑性堵漏方案。即用飽和鹽水(或干鹽粉)拌黏土粉製作黏土球並包裹PAM乾粉投入孔內,再用鑽具搗實,在孔內水化後形成具有一定強度的高分子絮凝體堵塞鹽岩裂隙。該方法堵漏十分成功,終孔下套管用水泥固井時,泵漿壓力達16MPa仍未發現漏失。
該實例表明,黏土與高分子混合產生的絮凝彈塑體,能在高分子鏈作用下與鹽岩裂隙緊密交聯吸附,且絮凝體有一定的膨脹性,填充牢固,同時可形成鹽水結晶泥皮的保護層,阻止裂隙中鹽岩被溶蝕。
(五)惰性材料充填法
該方法藉助惰性材料在裂隙孔段形成「架橋」體、「懸浮」體和「填塞」體堵塞地層裂隙,適用於地層裂隙大、坍塌超徑的鑽孔。惰性堵漏材料主要有:
1)顆粒狀材料:如核桃殼、珍珠岩、石灰石、砂石、瀝青等,起架橋作用。
2)纖維狀材料:如鋸末、紙纖維、花生殼、棉籽殼等,起懸浮作用。
3)片狀材料:如雲母、稻殼等,起填塞作用。
堵漏時,應根據地層漏失情況按一定比例和級配使用上述三類材料。由於惰性材料密度低易漂浮在水上,所以需增加部分高分子聚合物或黏土起膠聯作用以利於送入孔內。同時,配合其他堵漏方法使用效果更好。
(六)復合堵漏法
在鑽探施工過程中,如遇到破碎、坍塌、漏、涌、噴現象同時出現的極復雜地層,往往單一堵漏方法很難奏效,必須多種方法並用才能解決。處理該類復雜地層的原則是「先治涌、噴,後堵漏,再護壁」。先採用加重泥漿平衡地層壓力,然後用惰性材料架橋堵塞裂隙通道,再用高分子絮凝堵漏或用水泥造壁封閉。復合堵漏護壁作業流程如圖5-14所示。
圖5-14 復合護壁堵漏作業流程
例如,霍邱周集鐵礦區深部找礦ZK1725試驗孔1050～1220m孔段岩心十分破碎,超徑、涌水、漏水嚴重,開泵時孔內不返泥漿,停泵時孔內涌水,水頭高出地表1～2m,致使無法鑽進。後採用復合堵漏法治涌堵漏成功,穿過復雜地層後用水泥固化孔壁,並在鑽至孔深1230m後下入Φ89mm套管護壁,使該孔順利鑽進至2706.68m終孔。