貴州巖溶裂隙地層鉆探施工堵漏工藝淺談

董震堃，胥 虹，朱金樂

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊，天津301800）

貴州巖溶裂隙地層鉆探施工堵漏工藝淺談

董震堃*，胥 虹，朱金樂

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊，天津301800）

根據(jù)在貴州甕安地區(qū)近三年于貴州甕安各區(qū)域施工的經(jīng)驗，分析貴州甕安地區(qū)巖溶裂隙地層的特點及對鉆探施工造成的影響，并提出能應(yīng)對具有這一地層特點并可提高鉆探施工效率、減少鉆探施工孔內(nèi)事故的鉆探堵漏工藝。

巖溶裂隙；堵漏；貴州甕安

1 貴州甕安巖溶裂隙發(fā)育地層特點

貴州甕安地區(qū)是典型的巖溶地貌區(qū)域，近年來隨著境內(nèi)磷礦業(yè)的發(fā)展，鉆探勘察施工工作量逐步進入頂峰。但由于甕安縣獨特的區(qū)域地質(zhì)條件和復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)，給鉆探施工帶來了巨大的困難。

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況簡述

甕安縣磷礦礦區(qū)主要分布于甕安縣—福全縣境內(nèi)，礦區(qū)位于川黔南北構(gòu)造帶的白巖—高坪背斜上，背斜褶皺呈近南北向展布，同時構(gòu)造過程中受到應(yīng)力場干擾發(fā)生蛇形偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)已施工鉆孔揭露，礦區(qū)內(nèi)橫縱斷裂構(gòu)造發(fā)育，在區(qū)體內(nèi)對地層產(chǎn)生了一定的改造破壞。部分區(qū)域出現(xiàn)具強烈擠壓特征，傾向及傾角都有較大偏轉(zhuǎn)。構(gòu)造巖主要為角礫巖和壓碎巖，鏡面及擦痕明顯。上部寒武系下統(tǒng)明心寺組多出現(xiàn)含泥質(zhì)填充物溶洞，寒武系燈影組內(nèi)多出現(xiàn)大型含水裂隙。

1.2 礦區(qū)巖溶裂隙發(fā)育地層成因及特點

1.2.1 成因

巖溶裂隙發(fā)育的條件可歸結(jié)為存在可溶性巖石，豐富的地下水及可供地下水流動的通道。

甕安地區(qū)常年多雨，具有豐富的地表水。地層構(gòu)造過程中產(chǎn)生的節(jié)理裂隙面為地下水進入地層深部提供了良好通道，進而地表水沿明心寺組及燈影組地層可溶性巖石的節(jié)理裂隙流動而不斷地進行溶蝕和侵蝕,形成溶面溶槽，同時向地下深部帶入一定量的泥質(zhì)、碎屑填充物。

鉆探施工已揭露白云巖地層普遍存在溶蝕造成的刀砍狀溶紋和溶蝕晶洞很好地佐證了該地區(qū)巖溶裂隙存在的事實。

1.2.2 特點

該地區(qū)巖溶裂隙地層特點主要表現(xiàn)為：

（1）厚度大，明心寺組可溶性碳酸巖厚達100～200m，而燈影組厚度達200～300m。

（2）發(fā)育程度高，可對鉆探施工帶來顯著影響的溶蝕通道每隔數(shù)十米甚至數(shù)米頻繁出現(xiàn)，且通道直徑現(xiàn)多數(shù)在2mm以上，施工中甚至出現(xiàn)15cm以上溶蝕通道。

（3）具有一定貫通性，可溶蝕地層本身存在相互貫通的部分通道，同時鉆探施工可將上下部巖溶裂隙水貫通。

（4）承壓水，鉆探施工中多數(shù)巖溶裂隙水由一定的承壓性，靜止水位高于漏失層的情況常見。

2 巖溶裂隙地層對鉆探施工造成的影響

2.1 地層因素的影響

（1）礦區(qū)地層傾角較大，鉆探施工過程中如果控制不當(dāng)，很容易產(chǎn)生偏斜。部分泥砂巖膠結(jié)松散。

（2）沖洗液沖刷過程中或鉆孔漏失造成孔壁失穩(wěn)情況下容易發(fā)生塌落剝蝕。

（3）鉆遇較大的巖溶裂隙通道和溶蝕晶洞過程中發(fā)生跳鉆的可能性增加。

2.2 巖溶裂隙水的影響

巖溶裂隙水的發(fā)育伴隨著大量溶蝕通道，極易出現(xiàn)嚴重漏失，給鉆探施工帶來鉆井液成本急劇升高、工人勞動強度增大、鉆進效率低下等施工難題。此外，由于嚴重漏失進而誘發(fā)燒鉆，埋鉆鉆孔事故的可能性大幅增加。

而采用水泥封孔的方法，極大地增加施工的時間成本，且在漏失反復(fù)出現(xiàn)的地層中封孔反而增加了鉆孔事故的可能性。

綜上所述，解決巖溶裂隙地層鉆進問題的根本為制訂出一套有效應(yīng)對該地層特點的堵漏工藝。

3 巖溶裂隙發(fā)育地層堵漏工藝措施

3.1 巖溶裂隙地層漏失特點

漏失頻繁，在一個鉆孔施工中，在厚達幾百米的可溶性巖層內(nèi)，可能隨時發(fā)生漏失情況，這就要求所配置鉆井液具有一定的預(yù)防漏失效果。

漏失情況復(fù)雜，鉆探施工過程往往因為漏失層的巖溶裂隙水壓力小于鉆孔液柱壓力而發(fā)生壓差類型漏失。因此，應(yīng)對巖溶裂隙地層地區(qū)鉆探施工需要有良好預(yù)防漏失、穩(wěn)定孔壁的優(yōu)質(zhì)泥漿。而微泡沫泥漿在性能參數(shù)上可有效應(yīng)對此類地層。

3.2 應(yīng)對漏失的泥漿工藝措施

綜合巖溶裂隙地層漏失頻繁復(fù)雜等特點，需配置具有一定預(yù)防漏失且配置成本低廉的泥漿。

3.2.1 微泡沫泥漿在巖溶裂隙地層中的使用

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，微泡沫泥漿可有效地減少鉆孔漏失程度，節(jié)約漏失鉆探成本。

配方：膨潤土3%～4%，聚丙烯酰胺0.05%，纖維素0.5%，泡沫劑0.5%～1.5%。

性能：比重0.7～0.9；漏斗粘度：30～45s；表觀粘度30～65cp；動切力12～16Pa；失水量不大于10mL（30min）。

微泡沫泥漿中泡沫微觀狀態(tài)如圖1所示。

3.2.2 微泡沫泥漿的優(yōu)點

（1）微泡沫泥漿低速剪切粘度高。進入巖溶裂隙通道后鉆井液流速下降，粘度急劇上升，有效地減小漏失情況。

（2）微泡沫泥漿比重相較其他普通泥漿更小，能有效地平衡巖溶裂隙水之間的壓力差，減少漏失現(xiàn)象。

（3）在鉆孔液柱與巖溶裂隙水之間的壓力差促使微泡向漏失前緣移動，產(chǎn)生封隔效果，阻止濾液進入地層。

（4）由于微泡沫泥漿比重較小，孔底巖石在應(yīng)力釋放的趨勢下更易破碎。可有效增長鉆頭壽命增加鉆進效率。

（5）因沖洗液比重小對巖芯造成的沖蝕作用弱，能有效地增加破碎地層取芯效率。

（6）巖溶裂隙地區(qū)地下水富含鈣鎂離子，微泡沫泥漿可有效抵抗鈣鎂離子對泥漿性能的破壞。

圖1 微泡沫泥漿微觀狀態(tài)

3.2.3 泥漿調(diào)控的重要性

在巖溶裂隙地層施工的過程中，如果不能良好地控制保持泥漿性能指標(biāo)，往往會造成已經(jīng)封堵住的漏失層位發(fā)生二次漏失的情況。

在使用微泡沫泥漿的過程中，要隨時觀察測量泥漿各項性能，及時補充泡沫劑，確保壓力差隨時穩(wěn)定在穩(wěn)定范圍內(nèi)。同時由于泥漿比重較小，需要保持泥漿具有一定的粘度，地層掉塊剝落情況發(fā)生。

3.3 對堵漏方法的革新

3.3.1 常規(guī)水泥封孔存在的問題

實際施工中，如在巖溶裂隙地層鉆遇大型巖溶裂隙通道時，往往采用常規(guī)水泥封孔效果并不顯著。封入孔內(nèi)的水泥由于比重過大很快漏進漏失通道中，造成封孔失敗。而單純利用早強水泥或使用泡沫水泥封孔往往會降低水泥封孔成功率，造成二次漏失。

所以在巖溶裂隙地層封孔需要準(zhǔn)確地計算鉆孔內(nèi)液柱與漏失層位巖溶裂隙水的壓力關(guān)系，并按照計算結(jié)果調(diào)節(jié)水泥漿漿液的性能，兩者盡量達到平衡。促使水泥漿在凝固過程中處于基本平衡狀態(tài)。

3.3.2 對水泥封孔堵漏的更新

（1）封孔前的準(zhǔn)備：確認漏失位置，判斷漏失孔徑大小，準(zhǔn)確測量鉆孔漏失后安定水位。并通過計算分析漏失位置承壓大小，反復(fù)沖洗封孔段。

（2）簡易相關(guān)計算：

漏失位置巖溶裂隙水壓強：T=Pg（H-h）

替水量計算公式：G替=K(H-h)Q+G地

壓力差計算公式：T=T1+T2

綜合上述公式可得出封孔所需水泥漿密度計算公式為：

式中：Ρ水泥——需配置水泥的密度；

P1——巖溶裂隙水密度；

h——安定水位深度；

H——漏失位置深度；

k——壓水系數(shù)，淺孔取0.95，深孔取0.9；

q——鉆具每米容積；

G——地面管路容積；

Q——鉆孔理論一米容積；

r——鉆孔超徑系數(shù)。

根據(jù)上式計算不同巖溶裂隙水壓力情況下所需配置的水泥漿溶液，隨后根據(jù)計算結(jié)果加入調(diào)節(jié)材料在允許的水灰比范圍內(nèi)合理調(diào)節(jié)水泥漿性能，可大幅增加水泥封孔成功率。

3.4 結(jié)論和存在的問題

在長期施工過程中，我隊總結(jié)出以優(yōu)質(zhì)泡沫泥漿為初步抑制漏失手段，配合以常規(guī)惰性材料堵小漏，以計算輔助確定大型巖溶裂隙通道封孔水泥漿性能的一套堵漏工藝。在該地區(qū)取得了較好的效果。

但上述堵漏工藝措施存在一定的局限性。首先，微泡沫泥漿由于比重小的原因在應(yīng)對少數(shù)易發(fā)生嚴重掉塊或塌孔的構(gòu)造孔效果較差。其次，微泡沫泥漿在使用普通BW系列泥漿泵循環(huán)過程中，如水泵密封不好，極大地增加了燒鉆的可能性。再次，使用水泥封孔在遇到反復(fù)漏失段地層極大地增加了時間成本，需要尋求更好的堵漏手段。

4 結(jié)語

在巖溶裂隙地層中進行鉆探施工，能否解決漏失問題，直接關(guān)系到鉆探施工的效率快慢和成本高低。經(jīng)實踐施工證明經(jīng)過統(tǒng)計，采用微泡沫泥漿，施工臺月效率由678.5m/（臺·月）上升至895.3m/（臺·月）。每米泥漿成本由14.8元/m下降至9.36元/m。提高了施工效率，節(jié)約了施工成本，減小了工人勞動強度。

經(jīng)過經(jīng)驗對比，使用微泡沫泥漿比采用常規(guī)低固相泥漿或無固相泥漿漏失率下降了65%，經(jīng)過計算后采用材料處理過的水泥漿封孔成功率提高了50%。

充分了解巖溶裂隙地層特點，分析鉆探施工中所遇問題與地層特性之間的關(guān)系，是尋求更好應(yīng)對巖溶裂隙地層方法的制勝法寶。

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1004-5716(2015)01-0029-03

2014-02-28

2014-02-28

董震堃（1988-），男（漢族），河北陽原人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆探施工技術(shù)工作。