郭冬冬

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心黑龍江總隊(duì)， 哈爾濱 150040）

1 引言

地質(zhì)鉆探是一項(xiàng)重要的工作。此項(xiàng)工作的復(fù)雜性高、專業(yè)性強(qiáng)，因而在地質(zhì)鉆探工作中，地層漏失的出現(xiàn)頻次相對(duì)較高。這一問題如若得不到及時(shí)有效的處理，將會(huì)打亂鉆井液的循環(huán)作業(yè)，孔內(nèi)壓力的平衡狀態(tài)被打破，所引起的鉆井事故更會(huì)引起嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)階段，隨著地質(zhì)鉆探方面的技術(shù)越發(fā)成熟，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來越多的堵漏新技術(shù)。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)預(yù)防地層漏失現(xiàn)象有著重要的作用，未來有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 漏失地層分類及特點(diǎn)

2.1 滲透性漏失

對(duì)地質(zhì)鉆探工作中的滲漏性漏失現(xiàn)象進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生滲漏性漏失問題后，在井內(nèi)壓差的影響下，鉆井液會(huì)陸續(xù)漏入巖層孔隙中，從而生成一定的泥餅，可以對(duì)漏失起到一定的抑制作用。與其他類型的地層漏失現(xiàn)象相比，滲漏性漏失的漏速相對(duì)較慢，一般不超過10 m3/h，鉆井液池的液面下降相對(duì)緩慢。

2.2 裂縫性漏失

裂縫性漏失現(xiàn)象同樣是地質(zhì)鉆探中出現(xiàn)頻次較高的一類漏失問題。根據(jù)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(duì)于很多自然裂縫發(fā)育地層中的鉆井，鉆井液漏失問題將無法避免。每個(gè)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(zhì)鉆探作業(yè)是在破碎地層中開展的，出現(xiàn)井下憋跳、鉆速加快的現(xiàn)象相對(duì)較多，而這些現(xiàn)象出現(xiàn)以后也將伴隨著井漏問題的出現(xiàn)。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(xiàn)象相比，裂縫性漏失的漏速呈現(xiàn)出不均勻性，一般保持在20～100 m3/h 范圍內(nèi)，鉆井液池的液面在較短的時(shí)間內(nèi)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(dǎo)致的鉆井液漏失問題所引起。此類漏失現(xiàn)象在灰?guī)r地層中更為常見。當(dāng)?shù)刭|(zhì)鉆探工作中遇到了溶洞時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)鉆具放空的情況，甚至在一些嚴(yán)重的情況下出現(xiàn)鉆井液失靈的問題，導(dǎo)致鉆井液只進(jìn)不出。有關(guān)調(diào)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(yán)重。

3 鉆孔漏失問題產(chǎn)生的原因

3.1 客觀原因

地質(zhì)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(zhì)鉆探問題非常突出。相關(guān)研究表明，引發(fā)鉆孔漏失現(xiàn)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(fā)，鉆孔漏失問題在很大程度上是地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文條件所引起的，再進(jìn)一步細(xì)分，巖層內(nèi)孔隙環(huán)境、溶隙性環(huán)境、裂隙環(huán)境或者上覆巖層含水等，都會(huì)在一定程度上引發(fā)鉆孔漏失問題。因此，在地質(zhì)鉆探工作推進(jìn)的過程中，為了提升工作成效，應(yīng)在前期的工作中全面做好調(diào)查，詳細(xì)了解地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文條件，制訂切實(shí)可行的地質(zhì)鉆探方案。比如，以某煤田為研究對(duì)象，此煤田現(xiàn)場(chǎng)屬于奧陶統(tǒng)峰峰組，地層厚度在245 m 左右，包含了石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、局部泥質(zhì)灰?guī)r、石膏層；下二疊統(tǒng)山西組地層厚度約為70 m，其中，分布有泥質(zhì)巖、石灰?guī)r、砂巖與煤層；中二同上石盒子組厚度達(dá)520 m，包含砂巖、泥巖與砂質(zhì)巖，在地質(zhì)鉆孔作業(yè)中，巖石孔隙和裂隙發(fā)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(zhì)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(zhì)鉆孔作業(yè)中，沖洗液種類、鉆頭類型、沖洗方法、鉆孔工藝參數(shù)、鉆進(jìn)速度等的選擇和設(shè)置是否合理，將會(huì)影響鉆探作業(yè)的效率和效果。如果在地質(zhì)鉆探時(shí)缺乏相應(yīng)的分析與調(diào)查，可能會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)鉆探時(shí)面臨更多的問題，提高地層漏失的發(fā)生概率。在某些地質(zhì)鉆探作業(yè)進(jìn)行中，泥漿配合比設(shè)計(jì)和性能與現(xiàn)場(chǎng)地層之間不匹配，提高了地層漏失的出現(xiàn)頻次。針對(duì)主觀因素所引起的地層漏失問題，為達(dá)到地質(zhì)鉆探的預(yù)期效果，一般可以通過科學(xué)的控制來實(shí)現(xiàn)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(zhì)鉆探作業(yè)開展中，鉆孔是其中的重要工序。一旦在鉆探作業(yè)中出現(xiàn)孔內(nèi)漏失的問題，將會(huì)加劇鉆探孔沖洗液流失現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在地質(zhì)鉆探中的出現(xiàn)頻次較高，產(chǎn)生的危害也相對(duì)較大，不僅會(huì)干擾正常的地質(zhì)鉆探進(jìn)度，更會(huì)導(dǎo)致地層的穩(wěn)定性降低，使得在地質(zhì)鉆探作業(yè)中出現(xiàn)崩塌、掩埋等事故的概率會(huì)有提高[2]。此外，鉆探孔沖洗液同樣會(huì)對(duì)加劇地下水的污染，如果在地質(zhì)鉆探作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分布有充沛的地下水資源，巖層裂縫會(huì)成為沖洗液的滲流通道。通常，當(dāng)鉆探孔沖洗液向含礦、含水的地層流動(dòng)時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水文環(huán)境的不利影響非常大，水文化學(xué)環(huán)境的穩(wěn)定性無法保持原狀。開采作業(yè)進(jìn)行時(shí)，一旦鉆探孔沖洗液進(jìn)入地下水層內(nèi)，因?yàn)榈叵滤旧泶嬖谧陨淼奶烊涣鲌?chǎng)，再加上人工抽注操作的干擾，使得溶液在開采范圍內(nèi)也同步流動(dòng)，并呈現(xiàn)出向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，地下水污染范圍在此過程中被逐步擴(kuò)大。

5 地質(zhì)鉆探堵漏新技術(shù)的研究

5.1 高強(qiáng)度快失水堵漏技術(shù)

高強(qiáng)度快失水堵漏技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，對(duì)解決漏失問題非常有效。從技術(shù)原理的角度來分析，高強(qiáng)度快失水堵漏技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需配置特定的堵漏液。這些堵漏液在地層孔隙內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力，但因?yàn)榭焖偈匦?，堵漏材料在鉆孔內(nèi)形成了高強(qiáng)的致密堆積物并快速實(shí)現(xiàn)對(duì)裂隙與孔隙的封堵處理，從而達(dá)到了良好的堵漏處理效果。如果在地質(zhì)鉆探工作中面臨的是寬度為5 mm 以內(nèi)的孔隙或者裂隙，就可以采用這一堵漏技術(shù)。高強(qiáng)度快失水堵漏技術(shù)應(yīng)用時(shí)，尤其要重視快失水堵漏劑的配制，這一材料的調(diào)制結(jié)果將會(huì)關(guān)系到堵漏效果。為提升堵漏處理水平，相關(guān)人員應(yīng)選取對(duì)應(yīng)的拉筋材料、架橋材料、助濾劑等，經(jīng)由正交試驗(yàn)結(jié)果的分析來確定相應(yīng)的配方，在機(jī)械復(fù)合、機(jī)械活化處理等多種方式下，實(shí)現(xiàn)快失水堵漏劑的高性能。

5.2 高強(qiáng)度化學(xué)觸變堵漏技術(shù)

化學(xué)觸變堵漏技術(shù)對(duì)地質(zhì)鉆探中的地層漏失控制有著一定的作用。其技術(shù)原理為：堵漏時(shí)利用化學(xué)觸變劑，經(jīng)由科學(xué)配置以后，溶液存在剪切稀釋作用，屬于黏稠性較強(qiáng)的溶液，在該溶液進(jìn)入地層孔隙以后，可以將漏失通道中的水完全驅(qū)走。在利用高強(qiáng)度化學(xué)觸變堵漏技術(shù)開展堵漏作業(yè)的過程中，一旦無機(jī)觸變材料與化學(xué)觸變劑直接接觸，就會(huì)立即發(fā)生明顯的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒哪z狀態(tài)，流動(dòng)性喪失。在利用這一技術(shù)開展堵漏處理時(shí)，首先應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來配制相應(yīng)的化學(xué)觸變劑，將配制好的溶液注入漏失地層中，隨后再在地層內(nèi)注入一定的無機(jī)觸變劑。這種注入流程的實(shí)施，使得聚合物體系可以停留在漏失通道內(nèi)并加以固化，進(jìn)而對(duì)漏失通道起到封堵的作用[3]。

化學(xué)觸變堵漏技術(shù)要點(diǎn)主要有以下方面：科學(xué)進(jìn)行化學(xué)觸變劑的選擇或者調(diào)配，以保障其性能；加強(qiáng)無機(jī)觸變材料的研發(fā)，因?yàn)樵谠摱侣┘夹g(shù)下，無機(jī)觸變劑是作為交聯(lián)劑而存在的，當(dāng)遇到聚合物體系以后，無機(jī)觸變材料必然面臨著交聯(lián)固化的問題，在配備時(shí)應(yīng)做好無機(jī)材料、促凝劑等的性能對(duì)比；開展相應(yīng)試驗(yàn)，保障各個(gè)技術(shù)參數(shù)的合理性；在地質(zhì)鉆探過程中應(yīng)先確定漏失孔段的深度和長(zhǎng)度，再對(duì)觸變材料用量加以科學(xué)計(jì)算。

5.3 溶脹型隨鉆堵漏技術(shù)

與其他的堵漏技術(shù)相比，溶脹型隨鉆堵漏技術(shù)在應(yīng)用時(shí)對(duì)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(jìn)入地層漏失通道以后，呈現(xiàn)出明顯的吸水膨脹特性，緊緊留于該通道中，有效發(fā)揮了該材料抗壓性能優(yōu)勢(shì)，使得孔壁的承壓能力得以提高，使得堵漏范圍也有所擴(kuò)大。

在溶脹型隨鉆堵漏技術(shù)的應(yīng)用中，由于采用的堵漏材料相對(duì)特殊，在對(duì)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(lián)反應(yīng)原理，當(dāng)出現(xiàn)單體聚合反應(yīng)時(shí)，通過交聯(lián)反應(yīng)劑的添加，使得原先為直鏈的聚合物經(jīng)由連接以后形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過控制交聯(lián)度，也就有效控制了膨脹體的膨脹率、膨脹時(shí)間和強(qiáng)度等。在溶脹型隨鉆堵漏技術(shù)中，填料在其中起著支撐劑的作用。正是因?yàn)樘盍系氖褂?，使得材料?qiáng)度和韌性都得以提升，在擠壓的過程中出現(xiàn)明顯的拉伸與受壓[4]。為使得溶脹型隨鉆堵漏技術(shù)能夠得到極為有效的應(yīng)用效果，在該技術(shù)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)做好對(duì)溶脹型隨鉆堵漏材料的性能評(píng)估。以801 堵漏劑和單向封堵劑作為樣品，其試驗(yàn)結(jié)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(shí)間、封閉濾失量方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于801堵漏劑和單向堵漏劑，但其承壓強(qiáng)度卻相對(duì)較高，在河北蓮花鐵礦、北京西郊某地應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆探作業(yè)中的應(yīng)用效果突出。

表1 堵漏試驗(yàn)結(jié)果

5.4 成膜鉆井液技術(shù)

成膜鉆井液技術(shù)中，鉆井液表現(xiàn)出明顯的半透膜性能，從而在井壁中形成致密的隔離膜，對(duì)地層縫隙起到一定的封堵作用。因此，成膜鉆井液技術(shù)的這一特征使得地層水化膨脹現(xiàn)象得到了一定的抑制，減少了在地質(zhì)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(shù)進(jìn)行堵漏處理的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)成膜劑的質(zhì)量控制和性能選擇。在成膜劑的性能評(píng)價(jià)方面，利用二次濾失量來對(duì)成膜效應(yīng)加以準(zhǔn)確評(píng)估，而在成膜劑抑制性能的評(píng)價(jià)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(jié)語(yǔ)

地質(zhì)鉆探工作中，地層漏失是影響鉆探工作順利進(jìn)行的主要問題。工程人員應(yīng)該針對(duì)地層漏失問題所產(chǎn)生的原因，采取恰當(dāng)?shù)亩侣┘夹g(shù)。雖然地質(zhì)鉆探堵漏技術(shù)迎來了嶄新的發(fā)展，但未來發(fā)展中還需要不斷實(shí)踐，加強(qiáng)新技術(shù)的研究與應(yīng)用，以便更加有效地解決地質(zhì)鉆探中的漏失問題。