廣東石寨礦區鉆孔護壁堵漏技術探討

楊 濤，方國慶，蔡 雋

（中國地質調查局 長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙 410600）

1 引言

在地質勘探過程中，鉆探是最直接、最有效的技術手段之一，通過采取地底下的巖心，將地表以下的地質情況清晰地展現出來。但是，受限于地質條件、施工技術等因素，往往在鉆進過程中會遇到很多難題。石寨礦區地層裂隙發育，局部破碎，掉塊嚴重，失漏水頻繁，給鉆探施工帶來了諸多困擾，護壁堵漏工作是該礦區鉆探施工急需解決的問題。根據礦區地層條件，借鑒前人施工經驗，對第四系覆蓋層采用套管護壁堵漏；對孔壁穩定裂隙發育較小、漏失情況較輕的孔段采用泥漿護壁堵漏；對地層破碎、掉塊嚴重等孔段采用惰性材料或水泥封孔堵漏等技術措施，取得了較好的效果［1］。

2 工程概況

2.1 地質概況

石寨礦區位于郴州—懷集斷裂帶與陽山—乳源斷裂組交匯部位，地層主要巖性為灰巖、泥質灰巖、細砂巖、砂質頁巖夾泥質頁巖、砂礫巖，局部夾不穩定煤線，礦區內花崗巖體和灰巖的接觸部位存在矽卡巖化和綠泥石化。泥頁巖質地較軟，遇水軟化膨脹，呈泥狀，易造成鉆孔縮徑、掉塊、坍塌等，若處理不當容易發生卡鉆、埋鉆事故。

2.2 鉆孔結構

在收集礦區地質資料后，對地層情況有了初步的了解，為確保鉆探施工的順利進行，我們均采用四級成孔的鉆孔結構。開孔采用Φ130 mm普通單管鉆具鉆進，由于地層上部主要為第四系覆蓋物，結構松散，采心困難，為確保巖心采取率，采用干鉆法，并盡量減少回次進尺。穿過第四系覆蓋層，進入基巖風化層，下Φ127 mm套管，將第四系覆蓋層隔離，防止沖洗液沖刷孔壁，出現縮徑、掉塊、坍塌等事故；改用Φ110 mm孔徑鉆具施工，鉆進至穩定基巖后，下Φ108 mm套管，將風化層隔開，保護井壁；之后用Φ95 mm繩索取心鉆具鉆進，提高鉆進效率，降低勞動強度，進入完整基巖后，可視地層情況下Φ89 mm套管改用Φ75 mm繩索取心鉆具施工，直至終孔，鉆孔結構如圖1所示。

圖1 鉆孔結構圖

2.3 鉆探機械及附屬設備

施工使用的主要設備有：HXY－42T塔機一體型巖心鉆機，鉆進深度700～1 000 m，立軸最大扭矩3 200 N·m，最大起拔力80 kN，卷揚最大提升力30 kN；BW－125型泥漿泵，最大泵壓力6 MPa；康明斯發電機，額定功率90 kW；泥漿攪拌機，容積1 m3；Φ130 mm、Φ110 mm普通單管鉆具，Φ95 mm、Φ75 mm繩索取心鉆具兩套，配套的鉆桿、套管若干米，各個口徑硬質合金鉆頭、金剛石鉆頭若干個。

2.4 施工中存在的問題

礦區構造發育，局部破碎，夾雜不穩定煤線，失漏水頻發；泥頁巖地層，遇水易軟化，縮徑、掉塊、孔壁坍塌等情況時有發生，不僅流失了大量的沖洗液，造成施工成本增加，同時還加大了工人的勞動強度，降低了鉆進速度，嚴重影響了鉆探施工進度。

3 護壁堵漏方法

針對地層條件及施工中存在的問題，技術部門通過收集研究相關資料，制定了一套適合本礦區的護壁堵漏方法。

3.1 跟管鉆進護壁技術

該礦區第四系覆蓋物結構松散，平均厚度為20 m，最大可達30 m。鉆進中由于地層松散巖心不成型，孔壁不穩定，常發生坍塌、掉塊、嚴重漏失等現象。對于松散第四系覆蓋物通常采用普通單管鉆進，而后下入套管護壁。但是，若覆蓋物厚度較大，則在提鉆后孔壁容易變形縮徑，往往造成下套管受阻。這種情況可采用跟管鉆進護壁技術，即一邊鉆進，一邊下套管。其原理是連接鉆桿的中心鉆頭和套在中心鉆頭外連接套管的同心管靴鉆頭共同鉆進，同時利用同心管靴的擴孔作用將套管帶入孔內，到相對穩定地層后，中心鉆頭退出，管靴鉆頭連接套管作為套管置于孔內，起到護壁作用。跟管鉆進技術在該礦區較厚第四系松散地層使用取得了較好的效果。

3.2 沖洗液護壁堵漏

3.2.1 PHP及KP共聚物無固相沖洗液

PHP是一種線型水溶性高分子，主要起降失水和增黏作用［2］。分子鏈中具有親水的酰胺基，具有很強的吸水性，衍生物離子性越強它的吸水特性越強［3］。溶液的PH較高時，聚丙烯酰胺發生水解反應產生?COO－，分子鏈在靜電斥力的作用下呈伸展狀態，黏度增大［4］。

鉆進過程中PHP及KP共聚物長鏈分子隨著鉆進液進入孔壁裂隙，吸附在孔壁上，并在表面形成薄膜，較好地穩定了孔壁。巖粉顆粒隨沖洗液流入井壁的裂隙中，并在PHP及KP共聚物作用下絮凝吸附聚集于裂隙間，起到了堵漏作用。

礦區ZK0032號鉆孔，鉆至150 m處，地層裂隙發育，孔內出現漏失情況，繼續鉆進約5 m，返水量僅為1／4，且伴隨有掉塊現象。采用PHP和KP共聚物泥漿，返水量逐漸增多，鉆進3個回次后達到3／4，掉塊停止，護壁堵漏效果明顯。

3.2.3 膨潤土?聚合物泥漿體系

膨潤土的主要成分是蒙脫石，由于蒙脫石晶格四面體層中的部分四價硅離子可被三價鋁離子取代，八面體層中的三價鋁離子可被二價鐵、鎂、鋅等陽離子取代，使晶體帶負電［2］，因此，膨潤土具有很好的造漿能力。

ZKl508號鉆孔在鉆至150 m時，開始出現漏失的現象，根據取出的巖心，可見發育多組裂隙，局部破碎，呈塊狀。繼續鉆進10 m后，鉆孔漏失嚴重，已經出現不返水的情況，觀察取上來的巖心，發現深度在150～165 m的孔段地層裂隙發育，根據施工經驗判斷該段為主要漏失地層。為避免引起嚴重事故，采用膨潤土＋聚合物＋惰性材料的泥漿進行堵漏。具體措施是：將800 kg的水、40 kg的膨潤土、2 kg的氫氧化鈉加入水解聚丙烯酰胺和5 kg的羧甲基纖維素充分攪拌均勻配制成基漿，然后加入10 kg鋸末充分攪拌。將配制好的稠泥漿從鉆桿內灌入孔內，再泵入低固相堵漏泥漿循環。鉆進時降低轉速，減少鉆具振動，降低對孔壁的干擾。一定時間后，觀測孔口逐漸返水并且返水逐漸增多，利用膨潤土?聚合物?堵漏材料對于該裂隙發育的地層進行堵漏達到了較好的效果。

3.3 水泥護壁堵漏

在裂隙發育特別是破碎的地層，機械振動作用下易掉塊，使用一般泥漿護壁堵漏措施雖可降低泥漿漏失量，但無法解決孔壁掉塊情況。針對該地層，可采用水泥封孔護壁堵漏措施。一般采用0.6～0.8水灰比，在離封閉孔段底部約1 m位置開始灌注水泥漿，邊灌注邊上提鉆桿，水泥漿液全部泵入后，用清水替漿［5］。靜置約一天，待水泥漿固結后，掃孔鉆進至原孔深，此時孔壁基巖碎塊在水泥漿的固結作用下膠結成整體，起到了護壁堵漏作用。

在石寨礦區水泥封孔護壁堵漏是一種主要的技術措施，特別是在裂隙發育，局部破碎、掉塊嚴重的復雜地層，效果較為顯著，成功率在90%以上。這種護壁堵漏方法安全可靠，減輕了工人的勞動強度，提高了鉆進效率，進而降低了施工成本。

4 護壁堵漏效果對比

表1列舉了同一礦區施工的4個鉆孔護壁堵漏方法應用效果情況，其中，ZK1508為最先施工的孔，ZK1632為最后施工的鉆孔。ZK1508號鉆孔由于對礦區地質資料掌握不全，施工經驗不足，在使用套管護壁方法穿過第四系后一直使用單一的護壁堵漏方法，致使純鉆率僅為26.58%，鉆進效率較低，臺月進尺只有220 m，其大部分時間都浪費在掃孔、提鉆等輔助工作上；而ZK4032號鉆孔總結了前一個孔的施工經驗，在地層裂隙發育的地方增加了膨潤土護壁堵漏措施，鉆進效率得到了改善；在熟悉了礦區地層大致分布后，并結合前幾個鉆孔的施工經驗對ZK0032、ZK1632號鉆孔采取針對性的護壁堵漏措施，鉆進效率得到了進一步的提高。

表1 護壁堵漏方法應用效果

護壁堵漏的方法并不是一成不變的，不同的地層、孔段采取不同的護壁措施，在實際施工過程中靈活地應用護壁堵漏方法，對提高鉆進效率有著至關重要的作用。其他護壁堵漏的方法各有所長，如化學護壁堵漏，即利用化學試劑的化學反應產生膠體等物質，在孔壁上形成保護膜，從而達到保護孔壁的作用，但使用成本較高；井下鑄管護壁堵漏，即在孔內預設孔段，采用一定的技術在該孔段形成護壁管，如膨脹薄膜套管，波紋套管等。

5 結論

在巖心鉆探施工中，特別是對復雜地層的鉆進，護壁堵漏是極其重要的環節之一，它可以防止孔內事故的發生，決定鉆探施工能否順利進行，對鉆孔施工效率以及經濟效益起到相當大的作用。本文根據石寨礦區的地質情況，結合前人在復雜地層護壁堵漏的技術，制定一套適合該礦區的護壁堵漏方法，取得了較好的效果，具有一定的參考意義。