‘壹’ 钻孔护壁堵漏技术措施
在复杂地层钻进中,平衡地层压力、保持孔壁稳定是钻孔施工成败的关键。目前护壁堵漏方法概括起来主要有以下几种:
(一)随钻泥浆法
随钻泥浆法一般适用于漏失速度小于3m3/h的低压渗漏地层。即让泥浆中添加的小粒径纤维类堵漏材料、刚性颗粒类堵漏材料及可变性颗粒类堵漏材料,在泥浆压差作用下渗入地层孔隙或微裂缝,起到架桥、填充和封堵作用,达到边钻进边堵漏的目的。与停钻堵漏相比,随钻泥浆法可节省较多的处理漏失时间,适用于高渗透砂层、砾石层、破碎煤层以及其他存在微裂缝的地层堵漏。常在泥浆中添加高分子化学处理剂、高黏度泥浆或随钻堵漏材料(801随钻堵漏剂等)。
(二)套管隔离法
对第四系松散地层或坍塌超径、老窿、溶洞、地下河等严重漏失地层,多采用钢制套管隔离。套管隔离一般用于1000m以浅孔段,在深部孔段则成本高,影响钻探工程整体效益。
(三)水泥灌注法
对裂隙不大,中等以上漏失地层,灌注水泥可取得较好的堵漏效果。施工中应根据具体漏失条件选用不同的孔壁固化方法。
1.纯水泥浆堵漏
纯水泥浆堵漏适用于地层裂隙小,地下承压水及地下水流动不大的情况。纯水泥浆中可加入三乙醇胺和食盐等速凝剂,常用配方为水泥∶三乙醇胺∶食盐=100∶0.5∶1,也可直接选用速凝早强水泥浆(灌注前应做地表试验,确定水泥浆初凝时间等参数)。深孔灌注须采用泥浆泵送浆,水灰比控制在0.5～0.6之间。在安徽霍邱重新集矿区、滁州琅琊山铜矿区破碎漏失孔段Φ91mm和Φ110mm口径中,均采用该方法堵漏成功。
2.水泥砂石浆堵漏
水泥砂石浆堵漏适用于地层裂隙大、钻孔超径、漏失量大的情况。水泥砂石浆由水泥、黄砂(或石英砂)、碎石(一般粒径为5～10mm)、速凝早强剂、水泥膨胀剂等组成。先判断钻孔漏失(或涌水)部位,裂隙大小及钻孔超径量,然后将石子、砂子投入漏失孔段,填充裂隙;配制水灰比0.5～0.6的水泥浆,加入0.5%～1%速凝早强剂和5%的水泥膨胀剂,用钻具透孔至投放砂石孔段底部0.5m处,泵入配制好的水泥浆,水泥浆量要超过漏失孔段体积的2～3倍,使水泥浆渗透到地层裂隙中填充的砂石中,形成混凝土胶结的新孔壁以达到堵漏目的。灌注后需等待72h方可透孔钻进。该方法曾应用于安徽庐江铁矿竖井工程3个地质勘查钻孔(孔深600～700m,终孔口径Φ110mm)的严重破碎、漏失孔段,灌浆后形成的水泥砂石孔壁强度高,对大裂隙具有良好的填充和堵漏效果。
(四)冻胶泥浆及化学絮凝法
该方法亦称弹塑性堵漏法,是往破碎裂隙地层充填胶黏,不形成固结强度高的刚性孔壁,只形成具有胶黏性的弹塑性孔壁。适用于钻孔承压、孔隙水较大、涌水、漏失及溶蚀性地层,水泥浆灌注难以结石的情况。
1.冻胶泥浆堵漏
冻胶泥浆由水泥(或熟石灰)、锯末、黏土粉、水玻璃(或氯化钙)等组成。配比是在1m3黏度50～60s的泥浆中加50kg水泥、15kg水玻璃和适量的锯末;或在上述泥浆中加100kg熟石灰、25kg水玻璃(亦可加40kg氯化钙)。
堵漏作业时,将锯末用40目筛网过筛后连同水泥(或石灰)加入泥浆中搅拌,用泵送至漏失部位。泵送时在吸水莲蓬处缓慢加入水玻璃。使浆液在孔内混合形成低强度的冻胶状胶结体填充裂隙。一般灌注后停待5～6h即可透孔钻进。堵漏成功后,必须采用低固相泥浆护壁钻进。该方法在安徽马鞍山当涂杨庄铁矿勘探孔(孔深850m,终孔口径Φ110mm)中应用取得了较好的堵漏效果。
2.化学絮凝堵漏
化学絮凝法主要采用黏土、高分子化学絮凝剂(高分子聚丙烯酰胺PHP、PAM)等材料。絮凝堵漏时,用泵往漏失孔段送黏度50～60s的泥浆,同时在吸水莲蓬头处缓慢加入分子量800万～1000万、水解度5%～10%的PAM液体,加入量控制在泥浆体积的2%(干粉量)。若涌水地层可先用加重泥浆平衡涌水压力,后投黏土球至漏、涌水孔段,下钻具加压捣实。黏土球中心放入PAM干粉,这样黏土球遇水膨胀后与PAM混合产生高分子与黏土交联絮凝作用,填充吸附于岩层裂隙中起到止涌堵漏作用。该方法曾在安徽寿县正阳关铁矿异常验证孔、霍邱周集深部找矿ZK1725试验孔、华南于都-赣县矿集区科学钻探选址预研究NLSD-1孔、华东庐枞盆地科学钻探选址预研究LZSD-1孔等多孔漏、涌地层中成功堵漏,既节约了堵漏时间,又可降低堵漏综合成本。
广东龙归盐矿某探采孔施工中遇到一严重漏失层,全孔不返泥浆。原中石油某普查大队为堵漏花费近半年时间,用去100余吨水泥未能解决问题,后转交安徽省地矿局313地质队。313地质队通过分析,认识到前人失败的原因在于采用普通水泥浆灌注盐岩裂隙。因为水泥浆在裂隙中结石成刚性胶结,而盐岩裂隙中进入水泥后结晶盐也被溶蚀,即使水泥浆结石很好,在较短的时间内也会从裂隙中剥落,随之裂隙继续被溶蚀扩张。每用水泥灌注一次地层裂隙就扩张一次,造成漏失越来越大。所以,决定采用高分子絮凝弹塑性堵漏方案。即用饱和盐水(或干盐粉)拌黏土粉制作黏土球并包裹PAM干粉投入孔内,再用钻具捣实,在孔内水化后形成具有一定强度的高分子絮凝体堵塞盐岩裂隙。该方法堵漏十分成功,终孔下套管用水泥固井时,泵浆压力达16MPa仍未发现漏失。
该实例表明,黏土与高分子混合产生的絮凝弹塑体,能在高分子链作用下与盐岩裂隙紧密交联吸附,且絮凝体有一定的膨胀性,填充牢固,同时可形成盐水结晶泥皮的保护层,阻止裂隙中盐岩被溶蚀。
(五)惰性材料充填法
该方法借助惰性材料在裂隙孔段形成“架桥”体、“悬浮”体和“填塞”体堵塞地层裂隙,适用于地层裂隙大、坍塌超径的钻孔。惰性堵漏材料主要有:
1)颗粒状材料:如核桃壳、珍珠岩、石灰石、砂石、沥青等,起架桥作用。
2)纤维状材料:如锯末、纸纤维、花生壳、棉籽壳等,起悬浮作用。
3)片状材料:如云母、稻壳等,起填塞作用。
堵漏时,应根据地层漏失情况按一定比例和级配使用上述三类材料。由于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胶联作用以利于送入孔内。同时,配合其他堵漏方法使用效果更好。
(六)复合堵漏法
在钻探施工过程中,如遇到破碎、坍塌、漏、涌、喷现象同时出现的极复杂地层,往往单一堵漏方法很难奏效,必须多种方法并用才能解决。处理该类复杂地层的原则是“先治涌、喷,后堵漏,再护壁”。先采用加重泥浆平衡地层压力,然后用惰性材料架桥堵塞裂隙通道,再用高分子絮凝堵漏或用水泥造壁封闭。复合堵漏护壁作业流程如图5-14所示。
图5-14 复合护壁堵漏作业流程
例如,霍邱周集铁矿区深部找矿ZK1725试验孔1050～1220m孔段岩心十分破碎,超径、涌水、漏水严重,开泵时孔内不返泥浆,停泵时孔内涌水,水头高出地表1～2m,致使无法钻进。后采用复合堵漏法治涌堵漏成功,穿过复杂地层后用水泥固化孔壁,并在钻至孔深1230m后下入Φ89mm套管护壁,使该孔顺利钻进至2706.68m终孔。