地質鉆探堵漏新技術的應用

郭冬冬

（中國建筑材料工業地質勘查中心黑龍江總隊， 哈爾濱 150040）

1 引言

地質鉆探是一項重要的工作。此項工作的復雜性高、專業性強，因而在地質鉆探工作中，地層漏失的出現頻次相對較高。這一問題如若得不到及時有效的處理，將會打亂鉆井液的循環作業，孔內壓力的平衡狀態被打破，所引起的鉆井事故更會引起嚴重的人員傷亡和經濟損失。現階段，隨著地質鉆探方面的技術越發成熟，市場上出現了越來越多的堵漏新技術。這些新技術的出現，對預防地層漏失現象有著重要的作用，未來有著巨大的發展潛力。

2 漏失地層分類及特點

2.1 滲透性漏失

對地質鉆探工作中的滲漏性漏失現象進行分析發現，當發生滲漏性漏失問題后，在井內壓差的影響下，鉆井液會陸續漏入巖層孔隙中，從而生成一定的泥餅，可以對漏失起到一定的抑制作用。與其他類型的地層漏失現象相比，滲漏性漏失的漏速相對較慢，一般不超過10 m3/h，鉆井液池的液面下降相對緩慢。

2.2 裂縫性漏失

裂縫性漏失現象同樣是地質鉆探中出現頻次較高的一類漏失問題。根據其形成原因，裂縫性漏失又分為地層自然裂縫和鉆井液壓力作用所引起的地層裂縫。對于很多自然裂縫發育地層中的鉆井，鉆井液漏失問題將無法避免。每個鉆井都存在其各自的特殊性，使得鉆井液漏失程度存在著明顯的差異。如果地質鉆探作業是在破碎地層中開展的，出現井下憋跳、鉆速加快的現象相對較多，而這些現象出現以后也將伴隨著井漏問題的出現。地層破裂所引起的漏失問題，一般在天然裂縫分布少、滲透性差的地層中最為常見。這一漏失情況下，漏失壓力等同于破裂壓力[1]。與其他類型的地層漏失現象相比，裂縫性漏失的漏速呈現出不均勻性，一般保持在20～100 m3/h 范圍內，鉆井液池的液面在較短的時間內下降明顯。

2.3 溶洞性漏失

溶洞性漏失問題從根本上來看，是溶洞性漏失地層所導致的鉆井液漏失問題所引起。此類漏失現象在灰巖地層中更為常見。當地質鉆探工作中遇到了溶洞時，可能會出現鉆具放空的情況，甚至在一些嚴重的情況下出現鉆井液失靈的問題，導致鉆井液只進不出。有關調查顯示，溶洞性漏失情況下，漏速一般超過了100 m3/h，引起的井漏問題非常嚴重。

3 鉆孔漏失問題產生的原因

3.1 客觀原因

地質鉆探工作中的鉆孔漏失問題較為常見，這一問題所引起的地質鉆探問題非常突出。相關研究表明，引發鉆孔漏失現象的原因非常多，但總體上包含了客觀因素和主觀因素。從客觀性角度出發，鉆孔漏失問題在很大程度上是地質鉆探現場的地質水文條件所引起的，再進一步細分，巖層內孔隙環境、溶隙性環境、裂隙環境或者上覆巖層含水等，都會在一定程度上引發鉆孔漏失問題。因此，在地質鉆探工作推進的過程中，為了提升工作成效，應在前期的工作中全面做好調查，詳細了解地質鉆探現場的地質水文條件，制訂切實可行的地質鉆探方案。比如，以某煤田為研究對象，此煤田現場屬于奧陶統峰峰組，地層厚度在245 m 左右，包含了石灰巖、白云質灰巖、局部泥質灰巖、石膏層；下二疊統山西組地層厚度約為70 m，其中，分布有泥質巖、石灰巖、砂巖與煤層；中二同上石盒子組厚度達520 m，包含砂巖、泥巖與砂質巖，在地質鉆孔作業中，巖石孔隙和裂隙發育明顯，加劇了鉆井液漏失。

3.2 主觀因素

主觀因素同樣是引起地質鉆井鉆孔漏失的一大原因，這些主觀因素更多的是由人為因素。在地質鉆孔作業中，沖洗液種類、鉆頭類型、沖洗方法、鉆孔工藝參數、鉆進速度等的選擇和設置是否合理，將會影響鉆探作業的效率和效果。如果在地質鉆探時缺乏相應的分析與調查，可能會導致地質鉆探時面臨更多的問題，提高地層漏失的發生概率。在某些地質鉆探作業進行中，泥漿配合比設計和性能與現場地層之間不匹配，提高了地層漏失的出現頻次。針對主觀因素所引起的地層漏失問題，為達到地質鉆探的預期效果，一般可以通過科學的控制來實現主觀因素的控制，避免主觀因素引起的地層漏失。

4 鉆探孔沖洗液的主要危害

地質鉆探作業開展中，鉆孔是其中的重要工序。一旦在鉆探作業中出現孔內漏失的問題，將會加劇鉆探孔沖洗液流失現象。這一現象在地質鉆探中的出現頻次較高，產生的危害也相對較大，不僅會干擾正常的地質鉆探進度，更會導致地層的穩定性降低，使得在地質鉆探作業中出現崩塌、掩埋等事故的概率會有提高[2]。此外，鉆探孔沖洗液同樣會對加劇地下水的污染，如果在地質鉆探作業現場分布有充沛的地下水資源，巖層裂縫會成為沖洗液的滲流通道。通常，當鉆探孔沖洗液向含礦、含水的地層流動時，對現場水文環境的不利影響非常大，水文化學環境的穩定性無法保持原狀。開采作業進行時，一旦鉆探孔沖洗液進入地下水層內，因為地下水本身存在自身的天然流場，再加上人工抽注操作的干擾，使得溶液在開采范圍內也同步流動，并呈現出向外擴散的趨勢，地下水污染范圍在此過程中被逐步擴大。

5 地質鉆探堵漏新技術的研究

5.1 高強度快失水堵漏技術

高強度快失水堵漏技術的出現與應用，對解決漏失問題非常有效。從技術原理的角度來分析，高強度快失水堵漏技術應用時，需配置特定的堵漏液。這些堵漏液在地層孔隙內產生一定的壓力，但因為快速失水特性，堵漏材料在鉆孔內形成了高強的致密堆積物并快速實現對裂隙與孔隙的封堵處理，從而達到了良好的堵漏處理效果。如果在地質鉆探工作中面臨的是寬度為5 mm 以內的孔隙或者裂隙，就可以采用這一堵漏技術。高強度快失水堵漏技術應用時，尤其要重視快失水堵漏劑的配制，這一材料的調制結果將會關系到堵漏效果。為提升堵漏處理水平，相關人員應選取對應的拉筋材料、架橋材料、助濾劑等，經由正交試驗結果的分析來確定相應的配方，在機械復合、機械活化處理等多種方式下，實現快失水堵漏劑的高性能。

5.2 高強度化學觸變堵漏技術

化學觸變堵漏技術對地質鉆探中的地層漏失控制有著一定的作用。其技術原理為：堵漏時利用化學觸變劑，經由科學配置以后，溶液存在剪切稀釋作用，屬于黏稠性較強的溶液，在該溶液進入地層孔隙以后，可以將漏失通道中的水完全驅走。在利用高強度化學觸變堵漏技術開展堵漏作業的過程中，一旦無機觸變材料與化學觸變劑直接接觸，就會立即發生明顯的狀態轉變，轉變為不溶于水的凝膠狀態，流動性喪失。在利用這一技術開展堵漏處理時，首先應結合相應的標準來配制相應的化學觸變劑，將配制好的溶液注入漏失地層中，隨后再在地層內注入一定的無機觸變劑。這種注入流程的實施，使得聚合物體系可以停留在漏失通道內并加以固化，進而對漏失通道起到封堵的作用[3]。

化學觸變堵漏技術要點主要有以下方面：科學進行化學觸變劑的選擇或者調配，以保障其性能；加強無機觸變材料的研發，因為在該堵漏技術下，無機觸變劑是作為交聯劑而存在的，當遇到聚合物體系以后，無機觸變材料必然面臨著交聯固化的問題，在配備時應做好無機材料、促凝劑等的性能對比；開展相應試驗，保障各個技術參數的合理性；在地質鉆探過程中應先確定漏失孔段的深度和長度，再對觸變材料用量加以科學計算。

5.3 溶脹型隨鉆堵漏技術

與其他的堵漏技術相比，溶脹型隨鉆堵漏技術在應用時對堵漏材料的依賴性非常大，必須保障所使用的堵漏材料具有延遲膨脹的特性。這一堵漏材料在進入地層漏失通道以后，呈現出明顯的吸水膨脹特性，緊緊留于該通道中，有效發揮了該材料抗壓性能優勢，使得孔壁的承壓能力得以提高，使得堵漏范圍也有所擴大。

在溶脹型隨鉆堵漏技術的應用中，由于采用的堵漏材料相對特殊，在對漏失通道堵漏處理過程中，主要利用的是自由基聚合原理和交聯反應原理，當出現單體聚合反應時，通過交聯反應劑的添加，使得原先為直鏈的聚合物經由連接以后形成了空間網狀結構。通過控制交聯度，也就有效控制了膨脹體的膨脹率、膨脹時間和強度等。在溶脹型隨鉆堵漏技術中，填料在其中起著支撐劑的作用。正是因為填料的使用，使得材料強度和韌性都得以提升，在擠壓的過程中出現明顯的拉伸與受壓[4]。為使得溶脹型隨鉆堵漏技術能夠得到極為有效的應用效果，在該技術應用時，應做好對溶脹型隨鉆堵漏材料的性能評估。以801 堵漏劑和單向封堵劑作為樣品，其試驗結果見表1。

從表1 的分析可知，溶脹型堵漏材料在表觀黏度、塑性黏度、API 濾失量、封閉時間、封閉濾失量方面都遠遠低于801堵漏劑和單向堵漏劑，但其承壓強度卻相對較高，在河北蓮花鐵礦、北京西郊某地應力監測鉆探作業中的應用效果突出。

表1 堵漏試驗結果

5.4 成膜鉆井液技術

成膜鉆井液技術中，鉆井液表現出明顯的半透膜性能，從而在井壁中形成致密的隔離膜，對地層縫隙起到一定的封堵作用。因此，成膜鉆井液技術的這一特征使得地層水化膨脹現象得到了一定的抑制，減少了在地質鉆探中的井壁坍塌事故。由于成膜劑的性能直接影響堵漏效果，因此，在利用該堵漏技術進行堵漏處理的過程中，應加強對成膜劑的質量控制和性能選擇。在成膜劑的性能評價方面，利用二次濾失量來對成膜效應加以準確評估，而在成膜劑抑制性能的評價方面，可以直接用抑制黏土造漿率和巖屑回收率來反映。

6 結語

地質鉆探工作中，地層漏失是影響鉆探工作順利進行的主要問題。工程人員應該針對地層漏失問題所產生的原因，采取恰當的堵漏技術。雖然地質鉆探堵漏技術迎來了嶄新的發展，但未來發展中還需要不斷實踐，加強新技術的研究與應用，以便更加有效地解決地質鉆探中的漏失問題。