石立明，曹灶開

(1．吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026;2．武警黃金指揮部，北京100055;3．武警黃金十二支隊(duì)，四川成都611732)

在地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈的地層中進(jìn)行鉆探施工時(shí)，常會(huì)遇到自然裂縫異常發(fā)育的地層，從而產(chǎn)生不同程度的沖洗液漏失。沖洗液漏失不僅消耗人力物力、導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，更會(huì)影響孔壁穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至誘發(fā)卡鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故。甘肅省文縣陽(yáng)山礦區(qū)多數(shù)鉆孔漏失嚴(yán)重，施工單位針對(duì)裂隙型漏失地層主要采用搓泥球、隨鉆堵漏、水泥灌注等方法進(jìn)行堵漏，但由于裂隙型地層漏失成因復(fù)雜，影響因素多，特別是在碳酸鹽巖地層出現(xiàn)惡性漏失時(shí)，常規(guī)堵漏方法效果甚微。筆者在深入分析陽(yáng)山礦區(qū)地層漏失機(jī)理的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)應(yīng)用了YS－1凝膠對(duì)該礦區(qū)碳酸鹽裂隙型地層進(jìn)行堵漏，并取得了較好效果。

1 礦區(qū)地質(zhì)情況

陽(yáng)山礦區(qū)地層產(chǎn)于泥盆系中統(tǒng)三河口組第三巖性段(D21S4)及第四巖性段(D21S5)，主要受安昌河－觀音壩斷層控制，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層較為發(fā)育，破碎蝕變強(qiáng)烈，主要由第四系沖洪積物、碎裂巖、糜棱巖、鈣泥質(zhì)千枚巖、碳泥質(zhì)千枚巖、板巖、灰?guī)r、斜長(zhǎng)花崗斑巖及硅質(zhì)巖脈組成，其中，又以千枚巖和灰?guī)r分布較為廣泛?；?guī)r地層中裂隙較為發(fā)育，如圖1，尤其以安壩－葛條灣礦段較為突出，在鉆遇該層時(shí)，鉆孔漏失現(xiàn)象較為普遍。

圖1 灰?guī)r裂隙

2 礦區(qū)鉆孔漏失情況及原因分析

礦區(qū)每年施工鉆孔20余個(gè)，其中漏失鉆孔占60%。漏失地層主要為千枚巖破碎蝕變帶，天然裂隙發(fā)育，部分鉆孔多層位漏失，并有坍塌掉塊現(xiàn)象。

礦區(qū)鉆孔漏失主要有4個(gè)原因:一是地層中存在著漏失通道，如孔隙或者裂縫，或者有一定的地下空間容納外來(lái)流體;二是沖洗液壓力高于地層裂隙水壓力，形成壓差;三是沖洗液性能不適應(yīng)地層，無(wú)法形成“封堵”;四是下鉆時(shí)沖洗液在高速下落鉆具的擠壓下會(huì)產(chǎn)生很高的沖擊動(dòng)能，引起相當(dāng)高的擠壓壓力，導(dǎo)致孔壁壓裂，造成沖洗液漏失。其中第一個(gè)條件是地質(zhì)自然因素形成的，這是鉆孔漏失的必然條件;后3個(gè)條件主要是施工技術(shù)造成的。

鉆孔在鉆遇漏失層初期，泥漿漏失較小，一般在0.6 m3/h以下，多為中、小裂縫地層，裂隙寬度 ＜1.5 mm。表現(xiàn)為壓力滲透性漏失與裂縫性漏失并存，通過(guò)搓泥球、灌水泥、投惰性材料等常用方法，能起到一定的效果。如繼續(xù)鉆進(jìn)遇溶蝕孔，漏失量迅速增大，直至無(wú)沖洗液返出，測(cè)水位時(shí)，水位迅速下降，常規(guī)方法堵漏無(wú)任何效果。

3 凝膠堵漏機(jī)理

YS－1凝膠屬于交聯(lián)類堵漏材料，能吸水膨脹，形成親水性三維空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。凝膠吸水后表現(xiàn)出很好的粘彈性、柔軟性和韌性，堵漏時(shí)不受漏失通道形狀的限制，能夠通過(guò)擠壓變形進(jìn)入裂縫和孔洞空間。當(dāng)凝膠進(jìn)入漏層后，YS－1凝膠能在巖石表面吸附，與漏失通道作用，產(chǎn)生較高的粘滯阻力，易于在漏層中駐留，從而可以解決橋塞堵漏、隨鉆堵漏等方法難以解決的漏失問(wèn)題。另外，YS－1凝膠還具有“變形蟲”的特殊作用，如果在某一孔道處未產(chǎn)生封堵，會(huì)在漏失壓差下繼續(xù)向前變形蠕動(dòng)，至下一較小孔道處產(chǎn)生變形封堵，從而防止裂縫的壓力傳播和誘導(dǎo)擴(kuò)展。

YS－1凝膠配合其它材料用于高滲透、特高滲透地層、裂縫型和大孔道地層堵漏，效果更好。當(dāng)YS－1凝膠中添加了惰性橋堵劑后，惰性橋堵劑剛性好，能起骨架和支撐作用，凝膠則充填在骨架之間，使之封堵嚴(yán)密。

4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓漏失儀，在不同尺寸的人造裂縫中分別采用常規(guī)堵漏材料和YS－1凝膠堵漏劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)反應(yīng)溫度為80±1℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h，pH值為10～11。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2，YS－1凝膠堵漏劑顆粒和溶液見(jiàn)圖2、圖3。

表1 常規(guī)堵漏材料實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

表2 YS－1凝膠堵漏劑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

由表1、表2發(fā)現(xiàn)，常規(guī)堵漏材料對(duì)于＜1 mm的裂縫(a縫)，能達(dá)到堵漏效果，對(duì)于1～3 mm(b縫)有一定效果，當(dāng)裂縫＞3 mm(c縫)時(shí)，裂縫則較難堵住。用YS－1凝膠堵漏劑能很好的封堵c縫，且強(qiáng)度比常規(guī)堵漏材料高。YS－1凝膠堵漏劑能在裂縫內(nèi)外膨脹交聯(lián)形成具有一定強(qiáng)度的高粘彈性凝膠，不受漏失通道的影響，能在擠壓下進(jìn)入微小裂縫及孔洞，充分封堵漏失通道。當(dāng)YS－1凝膠堵漏劑加入惰性橋堵劑GPC(隨鉆堵漏劑)時(shí)，GPC能起骨架支撐作用，YS－1凝膠堵漏劑充填在骨架之間，鑲嵌住GPC，因?yàn)镚PC剛性好，可以承受較大壓差，能讓凝膠充分封堵裂縫。

5 工程實(shí)例

5．1 鉆孔漏失情況

以陽(yáng)山礦區(qū)施工的 ZK2232孔為列，該孔于2014年7月開始施工，設(shè)計(jì)孔深700 m，設(shè)計(jì)傾角82°，鉆孔直徑 95 mm，使用 XY－44A型鉆機(jī)，BW250型泥漿泵。該孔施工至176 m時(shí)開始出現(xiàn)漏失，孔內(nèi)不返水，無(wú)水位，屬惡性漏失，投泥球無(wú)效，使用水泥封堵沒(méi)有成功。頂漏鉆進(jìn)至207 m，地層變?yōu)槠扑槲g變千枚巖，繼續(xù)鉆進(jìn)至218 m，地層仍然為破碎蝕變千枚巖，通過(guò)觀測(cè)，孔內(nèi)水位穩(wěn)定在207 m位置，表明已穿過(guò)該漏失層，漏失孔段位于176～207 m，長(zhǎng)度31 m。因受地層條件影響，下入套管護(hù)壁的風(fēng)險(xiǎn)較大。通過(guò)取出巖心(見(jiàn)圖4)可以看到，該漏失孔段地層巖性以灰?guī)r為主，裂隙發(fā)育，巖心較為破碎，巖石裂隙表面上可看到明顯的充填物(見(jiàn)圖5)，根據(jù)充填物厚度推斷裂隙寬度2～3 mm，該地層漏失類型屬于典型的裂縫性漏失。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)取出的灰?guī)r地層巖心

圖5 裂縫中填充的巖屑

5．2 現(xiàn)場(chǎng)凝膠堵漏工藝

根據(jù)ZK2232孔的漏失特性，制定交聯(lián)聚合物凝膠堵漏方案:使用膨潤(rùn)土+橋堵劑+交聯(lián)劑配置前置漿，而后使用膨潤(rùn)土+聚合物+YS－1凝膠堵漏劑配置堵漏漿，最后使用膨潤(rùn)土+聚合物配成頂替漿，按照前置漿、堵漏漿、頂替漿的順序使用泥漿泵連續(xù)泵入孔內(nèi)進(jìn)行封堵。

(1)計(jì)算漏失孔段裸眼體積。

(2)前置漿配制。按水+膨潤(rùn)土150 kg/m3+橋堵劑20 kg/m3+交聯(lián)劑50 kg/m3的比例配前置漿1.2 m3。性能參數(shù):密度1.06 g/cm3，漏斗粘度26 s，失水量 10 mL/30 min，pH 值 10。

(3)堵漏漿配置。配制堵漏漿1 m3，配方為:0.8 m3水+50 kg鈉膨潤(rùn)土+30 kg GPC+150 kgYS－1凝膠堵漏劑。性能參數(shù):密度1.08 g/cm3，漏斗粘度31 s，失水量8 mL/30 min，pH 值11。

(4)頂替漿配制。配制頂替漿1 m3，配方為:50 kg膨潤(rùn)土+15 kg GPC。性能參數(shù):密度1.04 g/cm3，漏斗粘度24 s，失水量12 mL/30 min，pH值10。

(5)下鉆至172 m。

(6)卸掉吸水管蓮蓬頭以防堵塞，采用2擋排量依次泵入前置漿和堵漏漿，泵壓逐漸上升到1.0 MPa。待堵漏漿全部泵入孔內(nèi)后，再泵入0.5 m3頂替漿，泵壓逐漸升高至1.3 MPa。

(7)上提鉆具至100 m，再繼續(xù)泵入頂替漿，泵入約0.3 m3時(shí)孔口有泥漿返出。

(8)采用2擋排量循環(huán)加壓1.5 h(起初20 min內(nèi)消耗泥漿0.2 m3，之后不再有泥漿消耗)后，靜止30 min。

(9)再次開2擋循環(huán)泥漿，無(wú)消耗;開3擋循環(huán)5 min仍無(wú)泥漿消耗;隨后將排量提高到4擋，泵壓升至2 MPa，返出的泥漿量依然正常。停止循環(huán)泥漿，靜止2 h。

(10)下鉆至套管底部，開始掃孔，并順利掃至孔底，泥漿無(wú)消耗。

(11)采用正常鉆進(jìn)用的泥漿替換孔內(nèi)泥漿，并充分循環(huán)清洗孔壁。

(12)投放內(nèi)管，恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

凝膠堵漏前每班(8 h)消耗泥漿8 m3，成功堵漏后每班(8 h)消耗泥漿不到0.2 m3。使鉆進(jìn)得以順利進(jìn)行。

本次堵漏成本總費(fèi)用在1000元左右。排除非正常因素，從漿液配制到掃孔結(jié)束，整個(gè)堵漏過(guò)程所需時(shí)間約8 h，而使用灌注水泥堵漏水泥凝固+掃孔時(shí)間通常都要在48 h以上。

6 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)山礦區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐證明，聚合物凝膠堵漏劑與其他惰性橋堵劑配合使用，對(duì)封堵惡性漏失層具有良好的效果。它能很好地解決沖洗液返出量小的裂縫性、孔洞性、破碎性地層及用常規(guī)堵漏方法無(wú)法解決的漏失問(wèn)題，堵漏時(shí)間少、成本低，尤其對(duì)多層位漏失鉆孔，優(yōu)點(diǎn)更為明顯。

［1］ 錢志偉，王平全，白楊．鉆井堵漏用特種凝膠的適用性［J］．鉆井液與完井液，2012，29(2)．

［2］ 譚愈榮．復(fù)合膠質(zhì)無(wú)固相鉆井液與凝膠固壁堵漏［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994．

［3］ 王平全，聶訓(xùn)勇，張新民．特種凝膠在處理“井漏井噴”中的應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2008，28(6)．

［4］ 張祖培，殷琨，蔣榮慶，等．巖土鉆掘工程新技術(shù)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2003．

［5］ 鄢捷年．鉆井液工藝學(xué)［M］．山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2001．

［6］ 王文臣．鉆孔沖洗與注漿［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1996．

［7］ 黃建寧，劉文革．渭北煤田澄合礦區(qū)復(fù)雜地層鉆孔施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6)．

［8］ 鄭軍，何濤，王琪，等．地下合成凝膠堵漏性能研究［J］．鉆采工藝，2011，23(4)．