攔截式堵漏工具研發(fā)現(xiàn)狀及進(jìn)展

陳 勇

（新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

鉆孔漏失是地質(zhì)勘探工作中常遇的現(xiàn)象，當(dāng)鉆遇復(fù)雜地層，鉆孔沖洗液（泥漿）漏失，無(wú)法維持正常鉆進(jìn)。特別是西部地區(qū)嚴(yán)重缺水，復(fù)雜的地層條件使得鉆孔沖液和漏失現(xiàn)象更為嚴(yán)重。由于鉆孔漏失嚴(yán)重，堵漏無(wú)效，鉆探用水常常供應(yīng)不上，導(dǎo)致孔內(nèi)事故頻繁，輔助鉆進(jìn)時(shí)間增多，鉆進(jìn)效率低下，施工成本增高。由此可見，鉆孔漏失是影響西部地區(qū)快速高效地質(zhì)勘探的主要難題之一。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)礦產(chǎn)資源的迫切需求，近年來(lái)，地質(zhì)勘探工作的深度越來(lái)越深，施工的難度越來(lái)越大，如何實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效地鉆探，滿足地質(zhì)勘探工作的需要，這就對(duì)鉆探技術(shù)提出了更高的要求。鉆孔漏失判層監(jiān)測(cè)和快速堵漏技術(shù)是我國(guó)地質(zhì)勘查關(guān)鍵技術(shù)之一，在我國(guó)地質(zhì)調(diào)查和國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 堵漏措施研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)鉆孔（井）過(guò)程中的漏失及堵漏機(jī)理的研究較早，現(xiàn)已開發(fā)應(yīng)用了大量各種類型的常規(guī)堵漏劑和新型堵漏劑。美國(guó)、前蘇聯(lián)和西歐等國(guó)家不僅對(duì)大量常規(guī)堵漏劑各自的封堵性能及它們的混合應(yīng)用做了大量的分析研究，還研究出了許多新型堵漏劑。尤其是前蘇聯(lián)，因油氣鉆井和地質(zhì)勘探鉆井過(guò)程中的井漏問(wèn)題十分嚴(yán)重，長(zhǎng)期以來(lái)，開發(fā)了以脲醛樹脂、酚醛樹脂等為基礎(chǔ)的堵漏劑系列，丙烯類聚合物堵漏劑系列，以膠乳為基礎(chǔ)的堵漏劑漿液和聚氧乙烯水溶液、聚乙烯醇水溶液、低聚有機(jī)硅氧烷等與纖維填料組成的各具特殊性能的堵漏劑。在常規(guī)堵漏材料上，國(guó)外近年來(lái)又發(fā)展了各具特色的熱溶橡膠堵漏劑、膨脹團(tuán)粒堵漏劑、剪切稠化液堵漏劑、封包石灰堵漏劑、吸油固體材料堵漏劑、封包烯烴堵漏劑、吸水聚合物堵漏劑等堵漏材料。這些堵漏材料的應(yīng)用，有效地解決了滲透性及微裂縫地層的漏失問(wèn)題。但對(duì)于大溶洞、大裂縫的堵漏材料及堵漏工具，國(guó)外的研究應(yīng)用很少。在國(guó)內(nèi)，堵漏材料以橋堵材料為基礎(chǔ)，并借助化學(xué)反應(yīng)和復(fù)合方法，發(fā)展了高失水堵漏材料、軟硬塞堵漏材料、無(wú)機(jī)膠凝堵劑、暫堵材料、化學(xué)堵漏材料、高溫堵漏材料、復(fù)合堵漏材料等多種類型堵漏材料，對(duì)于一般鉆孔（井）漏失，能基本滿足現(xiàn)場(chǎng)堵漏需求，但對(duì)于深孔大裂縫等特種漏失，利用各式井下工具堵漏，不僅可以提高堵漏成功率和工作質(zhì)量，還能縮短時(shí)間和減少人力物力消耗，尤其是在一些比較復(fù)雜的井漏情況下，僅有好的堵漏漿液并不頂事，往往需要借助于井下工具，方能確保堵漏效果和質(zhì)量。目前，堵漏工具已成為對(duì)付大裂縫等特種漏失的一種重要手段，國(guó)外很重視其研究和推廣應(yīng)用[2-4]。

2 常規(guī)鉆井堵漏工具分類及工作原理

2.1 雙層網(wǎng)套封閉工具

均用于解除大裂縫和洞穴性巖層災(zāi)難性井漏，其原理是在漏失層段安放彈性網(wǎng)套(錦綸網(wǎng)套、尼龍網(wǎng)套、錦綸車胎網(wǎng)套、特編金屬絲網(wǎng)套等)，從地面注入含橋堵材料的堵漏漿液，橋堵材料堵住網(wǎng)套的孔眼，網(wǎng)套因此撐大，填塞住裂縫和洞穴，堵漏漿液凝固時(shí)，將網(wǎng)套與巖石粘固在一起[5]。

2.2 改進(jìn)型簡(jiǎn)易網(wǎng)袋式封隔工具

亦是雙網(wǎng)套封閉工具，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)煉、合理，效果更好。下入帶封閉工具的鉆桿柱以后，泵注含橋堵材料的堵漏漿液到封閉工具的彈性套袋內(nèi)，等候水泥凝固，將鉆桿與封閉工具斷開并隨即起出，繼續(xù)鉆進(jìn)。

2.3 不同直徑單網(wǎng)套封閉工具

其特點(diǎn)是只用單層網(wǎng)套，而網(wǎng)套設(shè)計(jì)成不同直徑的兩部分，直徑較小的上部以彈性拉條捆扎在篩管上，使網(wǎng)套下部平直地(無(wú)橫向褶皺)鋪置在篩管上，從而克服雙層網(wǎng)套橫向褶皺鋪置，導(dǎo)致其下部過(guò)早脫出保護(hù)殼體而不能很好適應(yīng)井眼形狀、每層網(wǎng)套孔眼堵塞不均衡而降低總的強(qiáng)度等缺點(diǎn)，提高堵漏質(zhì)量。

2.4 特制袋式封閉工具

為在有洞穴的層段和坍塌層解除井漏時(shí)防止注入井內(nèi)的水泥漿被水稀釋并流入漏層深部，可采用帆布、粗麻布以及其它材料制成的袋子注水泥[6]。

2.5 帶經(jīng)緯線編織網(wǎng)套的封閉工具

彈性網(wǎng)套采用經(jīng)線—緯線編法制成，并且經(jīng)線和網(wǎng)套基體以錦綸纖維絲制成，而緯線由聚氨基甲酸乙醋纖維絲制成。

2.6 攔截式堵漏工具

針對(duì)特種漏失層的特點(diǎn)，利用研究的攔截式堵漏工具及其工藝技術(shù)將堵漏漿液攔截在一定位置，對(duì)大裂隙漏失地層、溶洞性漏失地層進(jìn)行有效封堵，從而解決漏失問(wèn)題，以提高鉆探施工質(zhì)量和鉆探效率，降低鉆探成本，為鉆探工程特種漏失層段提供可靠科學(xué)方法。

3 傳統(tǒng)攔截式堵漏工具原理及不足

3.1 傳統(tǒng)攔截式堵漏工具工作原理

人為地將堵漏工具送入鉆孔中，利用攔截式堵漏工具將堵漏漿液中的顆粒型材料或凝固型材料限制在攔截袋內(nèi)，使多個(gè)單顆粒堵漏材料形成有效集結(jié)，從而在大裂縫中形成架橋；同時(shí)，減少凝固型材料因受到地層水或溶洞積液置換、稀釋的干擾的不利因素，為其有效凝固實(shí)現(xiàn)封堵提供保障，解決了常規(guī)堵漏材料、堵漏方法所不能解決的大裂隙漏失、溶洞性漏失等特種漏失問(wèn)題[7]。

3.2 傳統(tǒng)攔截式堵漏工具結(jié)構(gòu)

攔截式堵漏工具主要由攔截袋和堵漏工具兩部分組成，堵漏工具由外部部件和內(nèi)部部件構(gòu)成，包括脫落機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、卸壓機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。攔截袋的材質(zhì)厚度在0.5~2mm，具有較好的透水性、抗撕裂強(qiáng)度、柔韌性;內(nèi)外管材質(zhì)物理機(jī)械性能好;脫落機(jī)構(gòu)為灌注完畢后工具能夠順利地提上地面提供保障;控制機(jī)構(gòu)使攔截袋在內(nèi)外管之間按一定的次序褶皺壓縮式布置，在泵壓作用下能有序地從管內(nèi)出來(lái);卸壓機(jī)構(gòu)是為了保證泵壓在一定的范圍之類，使堵漏漿在攔截袋的限制下進(jìn)入漏失層達(dá)到最佳的封堵效果。

圖1 攔截式堵漏器具結(jié)構(gòu)圖

3.3 傳統(tǒng)攔截式堵漏工具的不足

傳統(tǒng)攔截袋式堵漏工具存在以下弊端：

（1）堵漏施工中堵漏材料（水泥漿液）到達(dá)攔截袋時(shí)間無(wú)法判斷，傳統(tǒng)攔截袋式堵漏工具將攔截堵漏材料置于地面存儲(chǔ)裝置里面，通過(guò)泥漿泵泵入鉆桿內(nèi)，由于孔深較深，堵漏材料（水泥漿）到達(dá)攔截袋時(shí)，地面泵幾乎沒(méi)有什么變化，不易判斷，只是根據(jù)大概時(shí)間進(jìn)行估計(jì)判斷，成功率低，事故率高。提鉆過(guò)早，水泥漿未到攔截袋，堵漏不成功；提鉆過(guò)晚水泥漿返至鉆具外環(huán)空，容易產(chǎn)生卡鉆事故。

（2）堵漏材料配制量不好控制，堵漏材料配制過(guò)多浪費(fèi)材料；配制過(guò)少，堵漏材料會(huì)與鉆桿內(nèi)泥漿（水）混合，到達(dá)攔截袋時(shí)水泥漿不易凝固或凝結(jié)強(qiáng)度不夠。

4 新型可控式攔截堵漏工具

4.1 工作原理

現(xiàn)將配制好的水泥漿堵漏材料放置在儲(chǔ)料管中，儲(chǔ)料管上下兩端堵漏材料進(jìn)出口采用單向閥控制，單向閥采用彈簧單向閥，彈簧的抗壓強(qiáng)度根據(jù)孔深進(jìn)行調(diào)整，將整個(gè)堵漏工具下鉆至孔底40~60cm處，注入泥漿材料（或清水）進(jìn)入鉆桿內(nèi)，待鉆桿內(nèi)液體注滿后，泵壓開始逐漸升高，當(dāng)泵壓達(dá)到單向閥彈簧強(qiáng)度設(shè)定值時(shí)，單向閥自動(dòng)打開，存儲(chǔ)在儲(chǔ)料管中的堵漏材料通過(guò)中心管進(jìn)入攔截袋中，當(dāng)堵漏材料逐漸充滿攔截袋時(shí)，攔截袋就從攔截袋接頭和攔截袋連接件處脫落，同時(shí)堵頭也脫落，裝有水泥漿的攔截袋就掉到孔底大裂縫處堵住裂縫，水泥漿終凝一段時(shí)間后掃孔即可[8]。

4.2 新型可控式攔截式堵漏工具結(jié)構(gòu)

新型可控式攔截堵漏工具包括：堵漏材料儲(chǔ)存和控制裝置、攔截袋組件；堵漏材料儲(chǔ)存和控制裝置包括依次連接的進(jìn)口單向閥、儲(chǔ)料管、轉(zhuǎn)換接頭、出口單向閥；攔截袋組件是由單向閥接頭、中心管接頭、攔截袋接頭、攔截袋連接件、外套攔截袋、堵頭連接件、連接堵頭等組成。相對(duì)與傳統(tǒng)攔截式堵漏工具增加了堵漏材料儲(chǔ)存和控制裝置，便于精確控制堵漏材料到達(dá)攔截袋時(shí)間，及時(shí)提鉆，快速成功堵漏。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型可控式攔截式堵漏器具結(jié)構(gòu)圖

4.3 新型可控式攔截式堵漏工具的特點(diǎn)

（1）通過(guò)增加堵漏材料存儲(chǔ)和控制裝置，只要泵壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，單向閥自動(dòng)打開，堵漏材料（水泥漿）立即到達(dá)攔截袋，可以立即提鉆，攔截袋掉入孔底，快速堵漏，成功率高。

（2）堵漏材料存儲(chǔ)于攔截袋組件相連的裝置中，避免了堵漏材料與鉆桿內(nèi)泥漿（水）混合而被稀釋的問(wèn)題，有效保證了堵漏材料的產(chǎn)品性能。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著礦產(chǎn)勘探開發(fā)的深入，鉆井過(guò)程中遇到的地層越來(lái)越復(fù)雜，在鉆進(jìn)壓力衰竭地層、破碎或弱膠結(jié)地層、裂縫發(fā)育地層及多套壓力層系等時(shí)，井漏問(wèn)題非常突出，鉆井液就會(huì)從地層裂縫、溶洞中流失，從而影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行，特別是當(dāng)所遇裂縫、溶洞較大時(shí)，鉆井液將完全從裂縫、溶洞中流失，使鉆井工作無(wú)法正常進(jìn)行，此時(shí)必須對(duì)漏失地層進(jìn)行堵漏作業(yè)[2]。目前，采用攔截袋式堵漏方案是針對(duì)寬大裂縫、溶洞的最有效的堵漏措施，但由于傳統(tǒng)攔截堵漏工具的缺陷，可控式攔截堵漏工具是攔截式堵漏工具的發(fā)展趨勢(shì)，另外目前的攔截式堵漏工具主要針對(duì)孔底段大漏失，在孔底以上部分漏失還需要提前進(jìn)行架橋工作，因此攔截式堵漏工具發(fā)展方向應(yīng)是集成漏失探測(cè)功能、封堵大漏失地層裂縫功能，上部自動(dòng)架橋功能、堵漏材料儲(chǔ)存及精確控制堵漏材料到達(dá)攔截袋時(shí)間等功能。伴隨著井上鉆探裝備自動(dòng)化智能化的發(fā)展，井下攔截式堵漏工具也應(yīng)向多功能集成化、井下堵漏效果可控可視的方向發(fā)展。