楊樹偉,李國志

(內(nèi)蒙古自治區(qū) 115地質(zhì)隊(duì),內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137405)

科右中旗查干楚魯?shù)V區(qū)鉆探施工中護(hù)壁堵漏的幾點(diǎn)體會

楊樹偉,李國志

(內(nèi)蒙古自治區(qū) 115地質(zhì)隊(duì),內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137405)

介紹了科右中旗查干楚魯?shù)V區(qū)鉆進(jìn)中所采取的護(hù)壁堵漏技術(shù)措施。根據(jù)巖層及孔深情況采用了套管護(hù)壁堵漏、沖洗液護(hù)壁堵漏、水泥封孔護(hù)壁堵漏等,收到了良好的效果。特殊巖層護(hù)壁所采取的下飛管護(hù)壁安全可靠。羧甲基纖維素鈉(CMC)+水解聚丙烯酰胺(PHP)低固相泥漿形成的泥皮致密而堅(jiān)韌,對孔內(nèi)坍塌、掉塊具有較高的抑制功能。鉆桿內(nèi)灌入水泥漿封孔的方法,可根據(jù)需要合理調(diào)節(jié)水灰比及惰性材料的大小,保證了封孔的效益和質(zhì)量。各種護(hù)壁技術(shù)均效果明顯,可進(jìn)行推廣使用。

查干楚魯?shù)V區(qū);鉆探;套管;沖洗液;水泥;護(hù)壁堵漏

內(nèi)蒙古科右中旗查干楚魯?shù)V區(qū)地層較為復(fù)雜,第四系覆蓋層較厚,礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育,鉆探生產(chǎn)中常有掉塊、坍塌、嚴(yán)重漏失等現(xiàn)象發(fā)生,導(dǎo)致生產(chǎn)無法正常進(jìn)行,護(hù)壁堵漏工作便成為該礦區(qū)鉆探生產(chǎn)中的重要技術(shù)問題。施工中采取了封孔、下套管、調(diào)整沖洗液等技術(shù)措施,收到了較好的效果。

1 鉆探施工中存在的問題

科右中旗查干楚魯?shù)V區(qū)施工的鉆孔大多為 85°斜孔,深度為 500～1000 m,施工難度大。主要表現(xiàn)在該礦區(qū)第四系及風(fēng)化層較厚且松散,上部含有碎石層,開孔護(hù)壁堵漏較困難。200 m左右間含破碎帶,該層松軟,坍塌、掉快嚴(yán)重。400～480 m間含一層破碎帶,所取出巖心呈碎塊狀,最長巖心 50 mm,以不成柱狀粒徑 20～30 mm碎塊居多,達(dá) 70%以上。600 m左右處裂隙發(fā)育,最大裂隙達(dá) 20 mm,漏失嚴(yán)重(不返水)。

該項(xiàng)目為市場項(xiàng)目,鉆探總工作量 4000 m。2008年 8月 2臺個(gè)體鉆機(jī)曾在此施工,一臺鉆機(jī)施工至 182 m處遇破碎帶,當(dāng)時(shí)使用 HPAM無固相沖洗液,鉆至 202 m時(shí),提鉆換鉆頭后,孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重,下不到孔底,掃孔憋泵無法鉆進(jìn)。換用 HPAM低固相泥漿護(hù)壁勉強(qiáng)掃到孔底然后進(jìn)行封孔。透孔取出柱狀水泥心,水泥凝固較好。正常鉆進(jìn)了 36 m后,憋泵嚴(yán)重,以為鉆頭磨損嚴(yán)重所至,提鉆發(fā)現(xiàn)鉆頭正常,下鉆差 39 m下不到孔底,說明被封住的坍塌孔段再次發(fā)生坍塌。原因分析:該孔段正處在構(gòu)造帶上,該層松軟、巖石多呈泥碎石塊相裹狀,所灌注的水泥漿滲透不到孔壁巖石的深處,鉆孔內(nèi)所凝固的水泥透孔后只剩下較薄 (局部完整及縮徑等部位沒有水泥護(hù)層)無根基的水泥護(hù)層,清水鉆進(jìn)水泥護(hù)層很快被擊落,失去了保護(hù)作用,鉆孔再次坍塌。使用 HPAM無固相沖洗液掃孔,處理 3天成效不大,鉆桿內(nèi)所結(jié)泥皮較厚,最后只得放棄該礦區(qū)的施工。另一臺鉆機(jī)施工狀況與前鉆機(jī)施工相類似,鉆進(jìn)到410 m又遇破碎層,由于上部破碎層掉塊頻繁下部坍塌嚴(yán)重,也被迫終止了施工。

2009年 4月,我隊(duì)接手該鉆探項(xiàng)目,工作量為4000 m。根據(jù)以往的施工情況,決定投入 2臺XY-44型巖心鉆機(jī),BW-250型泥漿泵,使用 S75繩索取心金剛石鉆進(jìn)。采取了套管、水泥封孔及 KHMCMC+鋸末泥漿護(hù)壁堵漏等措施,收到了一定的效果。

2 套管護(hù)壁措施

套管護(hù)壁主要分為淺層第四系及風(fēng)化層護(hù)壁和深層技術(shù)套管護(hù)壁。淺層套管護(hù)壁主要考慮的問題:(1)套管級配要合理;(2)套管一定要下到穩(wěn)定完整的巖層中并在孔口固定牢固;(3)多層套管上部管頭間相互密封,以防止巖粉進(jìn)入套管間“吃套長”;(4)套管下入較長時(shí)接頭處三點(diǎn)焊接加固,套管與孔壁接觸部位涂黃甘油或稠聚丙烯酰胺液體(PHP),以便于起拔。

根據(jù)該礦區(qū)第四系及風(fēng)化層較厚的特點(diǎn),鉆孔選擇 “150 mm/“110 mm/“75 mm或 “150 mm/“110 mm/“91 mm/“75 mm的鉆孔結(jié)構(gòu)。套管級別為 “146 mm/“127 mm(飛管)/“108 mm或 “146 mm/“127 mm(飛管)/“108 mm/“89 mm。為提高第四系及風(fēng)化層巖心采取率,使用半合管取煤鉆具或底噴式鉆頭雙管單動(dòng)鉆具取巖心,然后再進(jìn)行擴(kuò)孔下套管,其巖心采取率均達(dá)到 70%以上。

對于較破碎,坍塌、掉塊嚴(yán)重,泥漿護(hù)壁較困難的巖層,采用跟管鉆進(jìn)的方法下入套管。跟管鉆進(jìn)分為同徑無內(nèi)出刃鉆頭跟管和異徑跟管兩種方法。施工中,第四系及風(fēng)化層的套管護(hù)壁措施獲得了理想的效果。套管起出率達(dá)到了 95%以上。

深層護(hù)壁套管,考慮到套管越長事故隱患就越高、起拔套管越難等問題,施工中采用了下飛管護(hù)壁的措施,達(dá)到了預(yù)期目的。

ZK0901鉆孔使用 S75繩索取心金剛石鉆進(jìn)至192 m處遇到構(gòu)造帶,該層松軟,巖石多呈泥、碎石塊相裹狀,鉆進(jìn)中坍塌、掉快、超徑、縮徑較為嚴(yán)重,水泥封孔無效。根據(jù)巖層特征,考慮到施工鉆孔深度為 800 m,鉆孔上部要做到穩(wěn)定,盡量為使用無固相沖洗液創(chuàng)造條件,使用了 KHM-CMC(泥漿粘度達(dá) 28 s)沖洗液護(hù)壁,“89 mm導(dǎo)正鉆具,“91 mm金剛石鉆頭擴(kuò)孔至192 m,換用 “91 mm金剛石普雙鉆具穿過構(gòu)造帶至完整硬巖層 2 m,構(gòu)造帶實(shí)際厚度為 8 m,打眼、磨孔,向孔內(nèi)灌入約 10 m高的水泥漿,其目的是加固套管,使之穩(wěn)定。套管絲扣連接部位用三焊點(diǎn)加固,避免套管絲扣處被打斷或反扣。采用鉆桿連接反絲接頭將飛管下入孔底的辦法,下入 12 m的飛管,將飛管下入預(yù)期位置。然后反出鉆桿及反絲接頭,待水泥固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度后透孔鉆進(jìn)。處理過程及停待用時(shí) 3個(gè)工作日。處理效果較理想,在以后的鉆進(jìn)中該部位未發(fā)生過任何事故。這種飛管護(hù)壁的方法在其它礦區(qū)的施工中也得以使用,均取得了滿意的效果。

3 水泥封孔護(hù)壁堵漏措施

水泥封孔護(hù)壁堵漏技術(shù)在該礦區(qū)施工中占護(hù)壁堵漏總量的 60%以上,常規(guī)的水泵灌注的封孔方法替漿量不好掌握,水灰比高,封孔成功率低,占用時(shí)間較長。本次施工中采用了鉆桿內(nèi)灌注的方法,取得了較好的效果。

ZK0902孔鉆至 412 m時(shí)遇到破碎帶,換 PHPCMC優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁,由于掉快、漏失嚴(yán)重,所取巖心呈碎塊狀,不能正常鉆進(jìn),進(jìn)行封孔。封孔采用鉆桿灌入的方法,水泥漿組成:當(dāng)?shù)禺a(chǎn) 425普通水泥 +食鹽 +三乙醇胺;配方為:食鹽 1%,三乙醇胺 1%,水灰比為 0.4左右。光鉆桿下到距封孔位置上部 3 m左右,灌入前鉆桿內(nèi)放入 10 cm厚的衛(wèi)生紙,再灌入一水桶稠的 PHP液體,其目的是隔離水泥漿,避免水泥漿灌入流動(dòng)過程被水稀釋。手紙?jiān)谒薪菀欢〞r(shí)間便溶成紙漿,避免隔離物堵塞鉆桿而導(dǎo)致水泥漿無法流出鉆桿。將水泥漿灌入完畢后,用水泵泵清水將水泥漿壓入孔內(nèi)。停待 48 h后透孔鉆進(jìn),達(dá)到了預(yù)期效果。在其它大裂隙發(fā)育地層封孔堵漏時(shí),向水泥漿中加入了海帶、鋸末、纖維等惰性材料,也采用了此種封孔方法灌注,均收到了理想的效果,成功率達(dá)100%。

此方法的特點(diǎn):衛(wèi)生紙及稠的聚丙烯酰胺液體(PHP)形成一個(gè)隔離層,水泥漿可直接從鉆桿內(nèi)灌入,在下落的過程中不被鉆桿內(nèi)的水稀釋而被直接送到所封孔段內(nèi),衛(wèi)生紙?jiān)诠嘧⑦^程中逐漸軟化并溶成紙漿,避免堵塞鉆桿,導(dǎo)致水泥漿無法流出鉆桿。這一灌注水泥漿的封孔方法,可根據(jù)需要合理調(diào)節(jié)水灰比及惰性材料的多少,提高了封孔的效益和質(zhì)量。

采用此方法的特點(diǎn):

(1)降低水泥的水灰比,縮短凝固時(shí)間;

(2)避免孔內(nèi)流動(dòng)水對水泥漿的稀釋;

(3)避免了普通泵入灌注法替漿量掌握不好導(dǎo)致封孔失敗;

(4)對于深孔、大裂隙、漏失層流動(dòng)水強(qiáng)烈的地層封孔,可通過加大惰性材料量、降低水灰比等方法提高封孔成功率。

4 沖洗液護(hù)壁堵漏措施

4.1 沖洗液的選擇

礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育,鉆探生產(chǎn)中常有掉塊、坍塌、漏失等現(xiàn)象發(fā)生,根據(jù)礦區(qū)巖石堅(jiān)硬、破碎等特點(diǎn),選用了低固相、低粘度、低失水的沖洗液。處理劑分別為羧甲基纖維素鈉(CMC)、水解聚丙烯酰胺(PHP)和腐植醊鉀(KHm等常用的護(hù)壁劑,并加入皂化溶解油作為鉆具潤滑劑。粘度高時(shí)可采用腐植酸鉀作稀釋劑配。配制成的低固相沖洗液,性能控制標(biāo)準(zhǔn)為:密度 1.04～1.05 g/cm3,漏斗粘度 24 s,失水量<12 mL/30 min,泥餅厚度 <1 mm,pH值 9～10,膠體率 >98%。在使用過程中應(yīng)注意避免泥漿固相污染、自然增稠引起堵水、憋泵等情況。泥漿中還應(yīng)加入潤滑劑,以降低回轉(zhuǎn)阻力。

4.2 沖洗液的配制

原漿采用優(yōu)質(zhì)膨潤土加水充分?jǐn)嚢?水化 24 h以上。添加劑選用羧甲基纖維素鈉(CMC)、水解聚丙烯酰胺 (PHP),并加入皂化溶解油作為潤滑劑。羧甲基纖維素(CMC)是一種表面活性陰離子高分子化合物,具有增稠、懸浮、穩(wěn)定等作用,與鋸末或801隨鉆堵漏劑一起使用,對封堵巖石小裂縫有明顯效果。水解聚丙烯酰胺(PHP)既可以實(shí)現(xiàn)低固相沖洗液的粘度特點(diǎn),又可以實(shí)現(xiàn)對鉆進(jìn)混合液中劣質(zhì)巖屑的絮凝。皂化溶解油用于潤滑鉆具,減少鉆具回轉(zhuǎn)的阻力,提高鉆進(jìn)效率。

4.2.1 繩索取心鉆進(jìn)使用的泥漿

1000 kg水 +50 kg膨潤土 +4%的火堿,充分?jǐn)嚢?待膨潤土完全溶解后,再加入 PHP 1000 mg/L攪拌均勻,最后加入 5 kg CMC,再次充分?jǐn)嚢琛_洗液性能為:粘度 24 s,密度 1.02 g/cm3,失水量 10 mL/30 min,泥皮厚度 1 mm,pH值 8～9。

該沖洗液的特點(diǎn):(1)潤滑性能好;(2)護(hù)壁性能好,并有一定的防漏和堵漏效用;(3)孔內(nèi)清潔,減少卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故;(4)降低鉆孔成本和減少環(huán)境污染;(5)性能穩(wěn)定,孔內(nèi)鉆進(jìn)平穩(wěn),孔壁比較穩(wěn)定。

4.2.2 擴(kuò)孔及普通雙管鉆進(jìn)使用的泥漿

1000 kg水 +100 kg膨潤土完全溶解,在攪拌池中充分?jǐn)嚢?待膨潤土完全溶解后,再加入 PHP 1000 mg/L,充分?jǐn)嚢?最后加入 5 kg CMC,其泥漿粘度 28 s。

4.3 沖洗液的調(diào)整和維護(hù)

(1)PHP稀釋到濃度 1%,邊攪拌邊加入泥漿內(nèi),最好在循環(huán)槽內(nèi)加入。

(2)CMC和 PHP要提前 24 h按要求加水浸泡,使其充分溶解后方能進(jìn)行配漿。

(3)保持泥漿清潔,防止水及雜物混入破壞泥漿的性能。

4.4 鉆進(jìn)中的具體措施

ZK0902鉆孔在鉆至 152 m時(shí),開始出現(xiàn)漏失的現(xiàn)象,所取出的巖心硬、脆、不完整,可以看到大小不一的裂隙存在。頂漏鉆進(jìn)到 190 m時(shí),鉆孔突然嚴(yán)重漏漿,基本不返水,從取上來的巖心觀察,發(fā)現(xiàn)在152～180 m裂隙發(fā)育,判定該鉆孔漏失主要由于地層裂隙發(fā)育引起。為避免引起嚴(yán)重事故,對該孔進(jìn)行堵漏。

根據(jù)施工礦區(qū)的地層情況和金剛石鉆進(jìn)工藝的特點(diǎn),采用 PHP—CMC—鋸末、海帶護(hù)壁堵漏方法。

根據(jù)漏失層位置,確定鉆桿底部下到漏失層底部后在漏失層上部 1 m左右的位置加一個(gè) “75.5 mm接箍(鉆桿直徑為 “71 mm),其目的是沖洗液循環(huán)時(shí)在接箍下部的漏失孔段間形成一個(gè)高壓區(qū),同時(shí)也阻止了堵漏材料上返流出漏失孔段,能較好地將惰性材料壓入裂隙中。

配置基漿2 m3加入 PHP、CMC,使粘度達(dá)到30 s左右,在上述泥漿中加入鋸末、海帶末、801堵漏劑等惰性材料。將配制好的泥漿從鉆桿灌入孔內(nèi)。灌入前先向鉆桿內(nèi)放入 10 cm厚的衛(wèi)生紙,再灌入一水桶稠的 PHP液體,目的是隔離和保護(hù)泥漿在向下流動(dòng)中不被水稀釋。再泵入低固相堵漏泥漿循環(huán)。

低固相泥漿配制:將 1000 kg水、50 kg膨潤土、2 kg氫氧化鈉配制成基漿,然后加入 2 kg鋸末、2 kg 801堵漏劑充分?jǐn)嚢?再依次加入水解聚丙烯酰胺(PHP)100 mg/L,和 0.5 kg的羧甲基纖維素(CMC)充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹埂?/p>

此時(shí)在阻流接箍的作用下,阻流接箍阻止下部及漏失層間形成一個(gè)高壓區(qū),同時(shí)泥漿中的堵漏材料阻隔在阻流環(huán)接箍下部的漏失層內(nèi),提高了堵漏材料的利用率。開始堵漏時(shí),鉆桿底部下到漏失層底部,泵入泥漿的同時(shí)鉆機(jī)低速空轉(zhuǎn),同時(shí)反復(fù)小幅度上下提動(dòng)鉆具,時(shí)停時(shí)泵送沖洗液。在泵的壓力作用下,將泥漿、PHP、CMC、鋸末、海帶末配成的膠質(zhì)漿液向孔內(nèi)巖石裂隙中壓入,因漿液顆粒細(xì)小,流動(dòng)性能較好,易被擠進(jìn)細(xì)小的裂隙中。聚丙烯酰胺分子鏈很長,可以將細(xì)小的粘土顆粒吸附到它的鏈節(jié)上,從而使泥漿經(jīng)過“橋接”后,在孔壁上形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并吸附在破碎帶上,達(dá)到降低失水量和保護(hù)孔壁穩(wěn)定的目的。CMC具有增稠、懸浮、穩(wěn)定等作用,可以懸浮鋸末、海帶末等惰性材料,使其能夠順利被壓入裂隙,從而封堵漏失通道。

觀測孔口逐漸返水且返水逐漸增多,停泵后壓力表降至為零的時(shí)間逐漸緩慢,最終達(dá) 12 s,靜止 8 h后,使用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿鉆進(jìn),漏失速度僅 0.3 m3h,達(dá)到了較好的堵漏效果。

5 結(jié)語

由于金剛石繩索取心鉆進(jìn)長時(shí)間使用泥漿鉆進(jìn)會在鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮,嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。而科右中旗查干楚魯?shù)V區(qū)施工的鉆孔均為中、深孔,在處理事故時(shí)本著經(jīng)濟(jì)、便捷、穩(wěn)固的原則盡可能的為使用無固相創(chuàng)造條件。在特殊地層,如構(gòu)造帶中泥及碎石塊夾雜狀,一些蝕變帶,松軟地層等無法用封孔進(jìn)行護(hù)壁而施工時(shí)間較長不易使用泥漿護(hù)壁的地層,使用全孔套管或飛管護(hù)壁的方法,效果較佳。

采用繩索取心鉆桿內(nèi)灌注水泥漿的封孔方法既能降低水灰比,縮短凝固時(shí)間同時(shí)也避免了普通泵入灌注法替漿量掌握不好導(dǎo)致封孔的失敗。該方法簡單易行,可根據(jù)需要合理調(diào)節(jié)水灰比及惰性材料的大小,對于深孔、大裂隙、漏失層流動(dòng)水強(qiáng)烈地層的封孔更能顯示其優(yōu)越性。

沖洗液護(hù)壁堵漏,鉆具上放有阻流接箍,堵漏時(shí)在阻流接箍下部及漏失層間形成一個(gè)高壓區(qū),有利于惰性材料被擠入裂隙中并在孔壁上形成穩(wěn)定的保護(hù)層,該方法經(jīng)濟(jì)、有效。

[1] 劉維平,胡遠(yuǎn)彪.牡丹江金廠礦區(qū)鉆井液選用與堵漏技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(6):13-15.

[2] 李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1989.

[3] 王文臣,等.無固相鉆井液的研制與護(hù)壁作用機(jī)理 [J].地質(zhì)與勘探,1990,(4).

[4] 石立明.復(fù)雜地層巖心鉆探綜合治理技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(2)

[5] 劉廣志.金剛石鉆探手冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

Some Experience ofWall Protection and Leaking Stoppage in Drill ing Construction of QaganquluM in ing Area in Keerqiyouyizhong Banner

YANG Shu-wei,LI Guo-zhi(115 Geological Brigade of InnerMongolia Autonomous Region, Ulanhot InnerMongolia 137405,China)

The paper introduced the wall protection and leaking stoppage technical measures while drilling in Qaganqulu MiningArea of KeerqiyouyizhongBanner.According to the rock strata condition and the hole depth,wall protection and leaking stoppage by casing,drilling fluid and cementingwere adopted with good effect and movable casingwas safe and reliable for special rock formations.The tightmud cake formed with low solid-phase mud of sodium carboxymethyl cellulose (CMC)+hydrolyzed polyacrylamide(PHP)could stop block falling.Water cement ratio and inertmaterials amountwere rationally regulated for hole sealing by grouting cement slurry inside the drillpipe to ensure the sealing efficiency and quality.The above variouswall protection technologies show obvious effects,they can be widely popularized.

Qaganqulu mining area;drilling;casing;washing fluid;cement;wall protection and leaking stoppage

P634.6

A

1672-7428(2010)07-0018-04

2010-02-05;

2010-05-20

楊樹偉(1965-),男(漢族),內(nèi)蒙古人,內(nèi)蒙古自治區(qū) 115地質(zhì)隊(duì)工程師,探礦工程專業(yè),從事巖心鉆探及鉆井工程技術(shù)與管理工作,內(nèi)蒙古興安盟烏蘭浩特市八里八,yangshuwei2008@163.com。