水泥漿護壁堵漏工藝在金屬礦勘查的應用

陳 琳

(安徽省地質礦產勘查局325地質隊,安徽淮北235000)

固體巖芯鉆探是目前常用的繩索取芯工藝技術，鉆孔沖洗液一般使用低固相泥漿，但是鉆桿鉆進至破碎帶時，常出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象[1-2]。為了預防孔內事故的發(fā)生，常采用護壁、固壁技術進行處理，以達到護壁、堵漏、防坍塌孔內掉塊卡鉆目的[3-7]。

本文總結分析了金屬礦勘查項目ZK3005 鉆孔在施工中水泥漿護壁堵漏技術的應用，研究成果為巖層破碎帶的鉆孔鉆進提供了方法依據和借鑒。

1 工程概況

1.1 鉆孔主要設計要求

（1）該孔設計為水文地質孔，設計孔深885m，設計孔徑為?96mm，第四系下套管徑?127mm，基巖下套管管徑?89mm；本孔抽F1斷層水，位置在孔深740～765m。

（2）用清水沖洗抽水段泥漿直到出清水停止洗井，觀測抽水段水位變化直至穩(wěn)定。

（3）巖芯分層采取率不應低于65%，礦芯頂?shù)装?m內采取率不應低于80%。

（4）每百米測斜，孔斜不超過1°30′，見礦點及厚度大于30m 的礦體出礦點均應測定鉆孔彎曲度和校正孔深。

（5）每百米校正孔深，誤差不超過1‰。

（6）開孔用直徑?130mm矛式鉆頭，?127mm導向管不能低于5m，鉆具不得彎曲，必須配帶加重管。

（7）采用低固相泥漿鉆進，根據巖層調節(jié)泥漿粘度和其它指標。鉆孔全漏失時，注意孔底巖粉的變化，隨時采取措施。

1.2 地層描述

據前期的地質資料，ZK3005孔設計地層情況如表1所示。

表1 地層和巖性特征

由實際施工及地質巖芯分析來看，鉆進地層與設計地層基本吻合，只是本鉆孔在部分孔段巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，對鉆孔施工提出了比較高的要求。

1.3 鉆探施工

（1）鉆探設備及鉆具配備。

鉆探設備：XY-6鉆機1臺，BW160/10泥漿泵1臺，SG23型鉆塔一座，JS-1500型絞車1臺，除泥砂機1臺。

施工管材及工具：?50mm鉆桿1000m，?68mm鉆鋌40m，SJX?89mm 繩索取芯鉆桿1000m，SJX95 繩索取芯鉆具4套，?127mm×4.5mm 套管240m，?108mm×4.5mm套管250m，金剛石鉆頭若干。

（2）鉆進方法。

①開孔用?130mm 鉆具施工致完整基巖，孔深114.5m進入閃長玢巖（完整基巖），又鉆進到116.7m，下?127mm套管護壁，孔口下口用水泥固定。

②用?113mm 鉆具繼續(xù)鉆進到孔深128.8m（完整巖石），下?108mm技術套管。

③用?95mm 繩索鉆進到終孔，下?89mm 套管做水文觀測套管。

2 水泥漿護壁堵漏工藝

2.1 護壁固壁方法比選

目前護壁固壁方案比較多，大體上分為：泥漿、水泥漿、化學漿液、隔離法等許多種。泥漿護壁一般用高粘度泥漿、石灰乳泥漿、聚丙烯酰胺泥漿、凍膠泥漿、泡沫泥漿等。水泥漿分為：普通水泥漿、特種水泥漿、帶充填物的水泥漿、泡沫水泥漿、水泥速凝混合物等?；瘜W漿液分為：脲醛樹脂漿液、氰凝漿液、301 不飽和聚脂、聚丙烯酰胺等。還有下套管隔離法，用粘土球、瀝青封堵法等。

針對本鉆孔為水文孔，采用的是繩索取芯工藝，泥漿及化學漿液護壁均不適用，經分析采用水泥漿進行封堵比較實用經濟。

2.2 泥漿的選用

LBM 體系泥漿是一種適合于松散地層鉆進的泥漿，具有良好的流變性能，即具有較低粘度和切力，泥漿沉砂性能好，可有效防止繩索取芯鉆桿內壁結垢問題，也可明顯降低環(huán)空壓力，防止孔壁垮塌。具有良好的造壁性能，泥漿濾失量低，泥皮質量好。熱穩(wěn)定性好，抗溫達180℃。泥漿潤滑性能好，能有效地降低摩擦阻力，且現(xiàn)場使用維護方便。此外，根據設計要求，本鉆孔為水文孔，設計中要求用低固相泥漿，以達到不污染地下水為目的。故本次選擇了LBM低固相泥漿體系（開孔段使用普通泥漿，鉆進到128.8m下好技術套管后換成LBM低固相泥漿，采用繩索取芯鉆進）。

施工中加強了泥漿的維護工作，修筑了泥漿循環(huán)沉淀槽，同時用除泥機除砂，一旦泥漿性能下降，及時補給新漿或全部更換新漿。

由實際鉆探施工來看，泥漿的使用比較成功，基本上做到了有效地護壁，維護地層穩(wěn)定，提高了鉆探取芯效率，但鉆進到580 多米提鉆更換鉆頭時存在卡鉆現(xiàn)象。

2.3 水泥漿液加固孔壁

水泥漿加固孔壁作為一種傳統(tǒng)的護壁措施，廣泛采用，為了確保固壁成功，必須要抓好的主要技術環(huán)節(jié)包括水泥漿配比、洗井、注漿量、潛漿量、泵入及養(yǎng)護時間等。

（1）水泥漿的性能要求。本次選用的水泥漿流動性適當，可泵性好，凝結時間適當，早期強度較高，與圍巖粘結牢固、不收縮、不龜裂、抗腐蝕。

（2）漿液配比。泥漿配比方案為LBM∶聚丙烯酰胺∶潤滑劑∶堿∶鈉鹽∶護壁劑=40∶1∶16∶2∶8∶10。具體配制過程為：水泥漿水灰比取0.4～0.5，其中加入Na-Cl、三乙醇胺(速凝劑、早強劑)1%～1.5%作為速凝劑和早強劑。同時做好現(xiàn)場試配工作，配制出幾種不同的水泥漿液，測定不同的參數(shù)：初終凝時間、針入度，3、5、7d強度值。

（3）洗孔。為了使送下去的水泥漿與孔壁很好地結合，使用清水沖洗鉆孔，清除孔壁上的泥皮，洗井時使用專用沖孔器。

（4）注漿量。依據公式（1）計算注漿量（V），計算結果顯示590m以上80m孔段封孔和720m以上50m孔段封孔注漿量分別為12m3和7.5m3。

式中：V——孔段所需注漿量；

D——灌注段直徑；

H——灌注段孔段長；

K——附加系數(shù)（包括超徑、漏失、地面損耗）。

依據公式（2）計算替漿量（V1），計算結果顯示590m以上80m 孔段封孔和720m 以上50m 孔段封孔替漿量分別為0.73m3和0.87m3。

式中：V1——替漿量；

L——鉆桿長度；

l——孔內靜止水位到孔口高；

q——每米鉆桿內容積，?50mm鉆桿取50L；

V2——地面管線及水泵容積，取50L。

（5）泵入法。利用現(xiàn)場的泥漿泵灌注水泥漿，使用?50mm 鉆桿。泵入前先對水泵、高壓管、鉆具詳細檢查，保證工作良好，管道暢通。鉆桿下到離孔底1.0m左右處，不提動鉆具注漿，一次灌注完成，注漿過程中隨時清理蓮蓬頭，及時攪拌水泥漿，防止堵塞。注漿完畢，將鉆具提至灌注的漿面，泵入清水進行替漿，排除鉆具內剩余水泥漿，然后提鉆，并清洗水泵、鉆具和膠管等。

3 效果分析

鉆孔掉塊卡鉆一般原因有：泥漿密度過小，井內液柱壓力不足以平衡地層壓力，致使傾角大或膠結不好的地層垮塌；孔壁為易吸水膨脹的泥巖、頁巖、膠結不好的礫巖、砂巖、破碎帶等地層；提鉆未灌泥漿，或發(fā)生井漏，以及因泥包而產生活塞效應引起垮塌。由鉆探取芯情況來看，本鉆孔孔深在192.78～194.78m、261.48～263.78m、521.25～526.59m、535.82～545.32m、575.46～577.76m、685.63～714.08m 等孔段巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，部分巖石破碎孔段長，而采用的是低固相泥漿進行繩索取芯鉆進，泥漿密度過小，井內液柱壓力不足以平衡地層壓力，所以存在部分孔段掉塊卡現(xiàn)象。為了有效防止孔內事故發(fā)生，所以決定對破碎帶地層進行固壁處理。

依據上述水泥漿護壁堵漏工藝，養(yǎng)護5d 后用繩索取芯鉆進，檢驗封孔質量，發(fā)現(xiàn)封孔質量較好，在往下鉆進時，沒有掉塊卡鉆之現(xiàn)象了，證實了該工藝方法的可行性和有效性。

4 結論

水泥漿護壁堵漏工藝是鉆進巖石破碎帶時，預防卡鉆等孔內事故的有效護壁固壁方法。在采用該工藝時，必須達到水泥漿配比、洗井、注漿量、替漿量、泵入及養(yǎng)護等各環(huán)節(jié)的實施要求，方可達到最佳護壁效果。