大裂隙堵漏剂在神农架矿区复杂地层钻进中的试验应用

王政敏，张宝河，刘 鸣

(1.武警警种学院黄金系，北京 102202，2.武警黄金指挥部，北京 100055)

1 概述

神农架矿区位于鄂西北地区，主要有大型的磷矿和铅锌矿。矿区的特点一是地貌类型复杂，主要有:山地地貌、流水地貌、喀斯特(岩溶)地貌和第四纪冰川形成的冰川地貌;二是地层非常复杂，溶洞、溶隙和裂隙非常发育，在钻探施工中，钻孔频繁发生漏失、坍塌、掉块等现象，造成夹钻、卡钻、埋钻、断钻等事故。致使钻进效率低，成本居高不下，严重影响了地质找矿工作的正常进行。虽然采取了多种方法堵漏和治理，效果始终不理想，每年一台钻机，施工不到1000 m，钻孔质量还难以保证。2009年，经过调研，我们对大裂隙堵漏剂进行了反复试验和实践应用，并采取综合治理的办法，较成功地解决了该矿区的钻进难题，取得了很好的经济效益和社会效益。

2 矿区地层

神农架矿区在地层区划上属扬子准地层区的大巴山—大洪山分区，主要的岩性组成为:砾岩、砂岩、页岩、灰岩、白云岩、硅质岩和冰碛岩等。矿区褶皱和断裂构造发育，由于受构造的影响，矿区除沟谷中有第四系松散堆积物外，出露的地层主要为灰岩、页岩，岩层产状较陡，夹层、互层频繁，即薄～中厚层灰岩夹钙质页岩。在施工中遇到的主要岩层和岩性如下:

页岩:浅绿色～淡黄色～黑色，分钙质页岩、碳质页岩、泥质页岩等，岩石硬度小，可钻性等级3～5级，研磨性弱，水敏性强，尤其泥质、碳质页岩水敏性极强。

砂岩:灰～褐灰色，矿区主要为粉砂岩和钙质粉砂岩，岩石硬度较小，研磨性较强。可钻性等级3～5级。

灰岩:灰～灰白，薄～中厚层，岩石结构致密，硬度低，研磨性弱，可钻性级别4～5级。

3 钻进中常遇到的问题

(1)溶洞、溶隙和裂隙发育，导致漏失、断钻、跑斜、卡钻、夹钻比较突出。

(2)超径严重，排渣困难。若突然停电或水泵故障时，易发生埋钻事故;钻进中转速过高、压力过大时易发生断钻事故，且处理比较困难。

(3)遇断层泥时出现缩径现象。

(4)在断裂部位坍塌严重，需长时间捞取岩粉。

(5)地层软硬变化大，上部长条状掉块易卡在断层部位，钻进时遇阻易扫出盲孔，报废进尺。

(6)岩矿心采取率难以保证。特别是两层矿均在断裂带内，受断裂影响非常破碎，有的孔矿层呈泥状。

4 大裂隙堵漏剂的研究试验

从神农架矿区的地层情况和施工中经常遇到的主要问题可以看出，解决此地层施工难题的首要任务是堵漏问题。因此，我们对大裂隙堵漏剂的可行性进行了室内试验和模拟井堵漏试验。

4.1 大裂隙堵漏剂产品简介

大裂隙堵漏剂产品是由多种高分子材料聚合而成的一种无毒、无腐蚀、无污染、新型高效的大裂缝堵漏剂。

(1)产品性能。该产品遇水后能迅速膨胀，形成不规则状凝胶体，且能迅速扩张至自身体积的400～500倍。其质量指标各项分别为:外观白色透明颗粒，5～10目，pH值6～7，吸水倍率350～400，吸收速度35 s，膨胀倍数300～400，表观密度0.55～0.64 g/cm3。

(2)产品用途。主要用于大裂隙性漏失的封堵。通过堵漏材料的快速膨胀、扩张，对各种较大裂缝隙的漏失地层起到填充、溶胀、封堵作用，达到堵漏目的。堵漏保持时间长，成功率高。

4.2 室内膨胀查看试验

将1 g的大裂隙堵漏剂固体颗粒放入500 mL的容器中，加水至400 mL，停置1 h后观察，如图1所示。

图1 膨胀后的大裂隙堵漏剂

(1)膨胀体积:实验目的是查看其膨胀倍数。

该产品体积膨胀增长至350～400 mL。按此膨胀倍数，1 kg堵漏剂可灌75 mm钻孔8～10 m。

(2)单粒膨胀体积:实验目的是查看其能封堵裂隙的大小。

取出其中的一粒，未浸水前只有细糖颗粒大，浸水膨胀后，用游标卡尺测量长为20 mm，宽为15 mm，厚为10 mm，如图2所示。

(3)膨胀颗粒韧性:该膨胀颗粒像果冻一样有一定的弹性和韧性。

图2 膨胀后的大裂隙堵漏剂颗粒

(4)承压:每粒可承压100 g重力变形而不碎。

(5)高聚物连接:用2%的聚丙烯酰胺浸泡，可把每个大裂隙堵漏剂膨胀颗粒粘连在一起。

4.3 室外模拟井堵漏试验

用碎砂石垒一个中间有缝隙的拟井台，倒入膨胀后的大裂隙堵漏剂聚丙烯酰胺溶液，插入水管，用泵送泥浆，把堵漏剂压入碎石裂隙可发现裂隙漏失被堵，说明堵漏剂发挥作用。

4.4 试验小结

初步的试验表明，大裂隙堵漏剂是通过自然水浸泡，使之吸水膨胀，达到膨胀堵漏的目的。膨胀材料浸入水后就开始膨胀，并能快速持续膨胀至自身体积的400～500倍。膨胀后的凝胶韧度适中、保持时间长、膨胀张力大、有一定承压能力。

5 施工方案的确定

为确保钻探施工顺利进行，在总结了2008年施工经验的基础上，确定了三级成孔、套管隔离溶洞、顶漏钻进、大裂隙堵漏剂堵漏、植物胶冲洗液钻进的施工方案。

5.1 钻探设备的确定

由于矿区地势险峻，搬迁困难，钻孔相对较浅，平均孔深360 m，最深孔480 m。选用XY－4型钻机，SGX－13型斜塔，BW－125型泥浆泵。

1.3 规范化 规范化主要分为位置规范化、大小规范化和笔画细化处理，位置规范化和大小规范化在纸质文字转化为数字图像时，就已规范化，每个单体文字图像像素为长宽各130像素。对于细化方面，细化是指对于一个给定的模式图像，抽取其“中心骨架”的过程，细化算法可分为非迭代算法和迭代算法，而迭代算法又分为串行算法和并行算法，本文的细化处理是在不破坏原有结构配置和给定笔画连接位置关系的基础上，采取迭代扫描并删减边界像素点来完成。笔画细化方法中经典的有基于标记的并行细化算法〔14〕，改进的有自动矢量化算法〔15〕。细化后的文字消减了很多手写字体的个性化特征，为特征提取创造了有利条件。

5.2 施工钻具的确定

正常钻进:为了保证岩矿心采取率，同时少提大钻，采用S96和S75绳索取心钻进，S60绳索取心钻进作为备用钻具。

5.3 钻孔结构确定

5.4 钻孔冲洗液的确定

对于深部破碎漏失地层，在用大裂隙堵漏剂堵漏后，采用冲洗液护壁，配方为:3.5%植物胶+0.3%聚丙烯酰胺+0.15%纤维素+0.15%烧碱+0.3%腐植酸钾。根据孔内阻力酌量添加皂化油润滑剂。

6 大裂隙堵漏剂的试验应用

6.1 大裂隙堵漏剂的试验过程

我们试验的第一个钻孔是ZK312孔，该孔设计孔深320 m，倾角88°。

6.1.1 第1次堵漏试验

6.1.2 第2次堵漏试验

6.1.3 溶洞钻进方法

该钻孔钻进到29.60 m处遇第一个溶洞，经研究决定，要求遇溶洞时将转速调换为最低挡或停止回转，压力降到能下降即可，探到溶洞底部后，方可用最低挡回转，禁止钻具刚接触到溶洞底部就加压钻进，以防止钻杆折断，同时强调把溶洞底部必须当作重新开孔来操作，保持低压慢转，以防溶洞底部因不平，造成钻孔位置发生漂移、错位，(尤其是溶洞密集时更加需要注意)以避免钻杆、钻具折断或提下钻不畅，钻进时要注意孔内负荷及各仪表变化，以防溶洞内充填物挤、卡、埋住钻具。升降钻具时要观察钻具升降是否顺畅，孔内有无掉块，钻具是否到底等情况，以便采取应对措施。

在采用以上措施施工至60.10 m穿过最后一个溶洞后，在该地段共遇0.5 mm以上溶洞6个，最大溶洞2.40 m，最小溶洞间隔仅0.20 m。未发生一起孔内事故，升降钻具也比较顺利。2009年3月20日当S96绳索取心钻具钻进至69 m，未再遇溶洞，且地层也较为稳定，因不能开高速，进尺较慢，同时不能确定下方是否还有溶洞，因此决定用91 mm钻杆当套管下入后用S75绳索金刚石正常钻进。

6.1.4 第3次堵漏试验

2009年4月1日，当钻进至215 m时，孔内又一次发生严重漏失，孔内阻力很大，开不起转速，将1 kg堵漏剂分成几个簿塑料方便袋装起来，同时加进聚丙烯酰胺粘稠液，投入孔内，下钻挤压到孔底捣碎后，上提钻具5 m左右，停2 h，配制好优质泥浆，再用小泵量、慢转速钻进，钻进约0.5 h，井口慢慢返水且逐渐增大，经过2次堵漏，孔内阻力明显减少，钻进一段后，把转速提高至574 r/min钻进。2009年4月10日该孔顺利终孔。

6.2 堵漏操作具体方法

经过几个孔的摸索试验，根据孔深情况和裂隙漏失量大小，总结了2种封堵方法，采用“投掷法”或“灌入法”进行大裂缝隙性漏失的封堵。主要利用易粉碎物装入或包入该产品，直接投至井底，通过下钻碾压，加极少量聚丙烯酰胺水溶液浸泡，通过粘附材料对其粘结在漏失通道内，使之快速膨胀，达到封堵大裂缝隙漏失的目的。

6.2.1 “投掷法”操作要领

(1)选用簿塑料方便袋、普通纸袋、废旧报纸、废弃矿泉水瓶等若干个装入本产品;(2)提出钻具后，投入包装后的本产品至漏失通道口，再下钻进行碾压至裂缝隙中;(3)碾压完成后马上加入一定量的聚丙烯酰胺粘稠水溶液浸泡，停置≮1 h，使其完全膨胀;(4)完成上述操作后，用最小泵量灌入优质泥浆，测试堵漏是否成功(如未成功可重复上述操作，并加大用量);(5)堵漏成功后采用小排量、低泵压、慢转速、无进尺钻进，返浆10 min后确认无异常情况再转为正常钻进，并逐渐提高转速、泵压。

6.2.2 “灌入法”操作要领

(1)当遇到大裂缝隙漏失层时，应顶漏钻进0.5 m后提出钻具;(2)配制较高粘度的浆液灌入，并停置10 min，使其对漏失通道壁进行粘结，达到粘附膨胀材料的目的;(3)配制中粘度浆液并快速加入膨胀材料搅匀下入井内，要求浆液高出漏失通道2～3 m;(4)用易碎物品封钻杆口，用钻杆顶压堵漏材料至漏失通道口上方0.5～1 m。使浆液和膨胀材料通过外力压入漏失通道，保证堵漏材料的承压力;(5)完成上述操作后，静候1 h再进行测试堵漏是否成功(如未成功可重复上述操作，并加大用量);(6)堵漏成功后采用小排量、低泵压、慢转速、无进尺钻进，返浆10 min后确认无异常情况再转为正常钻进，并逐渐提高转速、泵压。

6.2.3 封堵中的注意事项

使用大裂隙堵漏剂必须与钻进施工技术相配合，才能充分发挥该材料应有的性能，达到堵漏成功的目的。

(1)根据裂隙大小确定堵漏剂用量，1 kg堵漏剂可膨胀至300～400 L，灌注75 mm钻孔5～7 m。

(2)向漏失裂隙内压入的堵漏剂，要有足够的渗透深度。

(3)膨胀液用其300～400倍的水及浓度较高的适量的聚丙烯酰胺溶液。

(4)堵漏成功后采用较高粘度泥浆、小排量、低泵压、慢转速、无进尺转动，返浆10 min后确认无异常情况再转为正常钻进，并逐渐提高转速、泵压。

(5)应避免因起下钻速度太快造成的抽吸和压力“激动”作用，防止堵漏剂从漏失裂隙中被强行吸回孔内，造成堵漏深度不够而不能承受井内液柱的压力而被压裂。

(6)在堵漏剂中加入一定量的惰性堵漏材料，能提高堵漏的成功率和承压力。

7 钻孔施工的综合治理措施

在钻进中除严格遵守操作规程外，应用好大裂隙堵漏剂的同时，还应特别注意以下几点。

(1)灰岩地层钻进时，应特别注意预防溶洞及大的溶隙，发现溶洞时，及时停车，探明溶洞(溶隙)的准确位置、大小及冲洗液的漏失情况，然后根据孔内情况，确定继续钻进或采取其他措施。如出现全泵量漏失，漏失部位位于钻头底部，则必须堵漏后(即冲洗液能够返到钻头上部后)方可继续钻进;如溶洞(溶隙)较大，必须采用扩孔下套管控制孔壁，然后恢复正常钻进;如小溶洞(溶隙)采用大裂隙堵漏剂处理后方可继续钻进。扩孔时，如孔内水位低于扩孔钻头位置，必须使用带导正的扩孔钻具，且扩孔钻具的加工要保证送入的冲洗液能够冷却到扩孔钻头和钻具，否则极易引起扩孔烧钻事故。

(2)在小裂隙(小溶隙)中钻进时，发现漏失，如确定冲洗液在孔底可以冷却钻头和钻具，可以用冲洗液顶漏钻进过漏失层后用大裂隙堵漏剂封堵，封堵见效果后再钻进。

(3)现场施工人员要按照规程操作，精力集中，注意钻进中进尺变化、机器设备运转声音变化、冲洗液循环情况等，防止烧钻、断钻、挤夹、憋泵等事故的发生。

(4)严格检查所使用的设备、管材、工器具、打捞器的性能。如:每次提大钻后应严格检查钻杆、钻具、钻头、扩孔器的磨损情况;严格检查水泵抽水情况;检查提引器、打捞工具的联结情况等。

(5)矿区地层大致分两部分，上部为中厚层泥质灰岩夹粉砂质灰岩，存在溶洞和溶隙及裂隙;下部为薄层灰岩夹粉砂质、钙质页岩，易坍塌、缩径。因此，在使用套管护壁时，必须考虑贮备1～2级套管控制钻孔下部的坍塌层。

8 达到的效果及取得的认识

通过对神农架矿区复杂严重漏失地层采取大裂隙堵漏剂的封堵，以及采取的综合措施，使神龙架矿区的钻探施工得以顺利进行，每台钻机的年实进尺从原来的1000 m不到，提高到1800 m。台月效率从原来的320 m，提高到410 m，井故率从原来的40%降到了15%，矿区施工的4台钻机保质保量完成了全年任务。

实践表明，大裂隙堵漏剂通过自身的400倍快速膨胀、扩张及粘稠液的粘连，泥浆的护壁，对各种(0.1～10 mm)有较大裂缝隙的漏失地层起到填充、溶胀、封堵作用，达到了漏失地层的堵漏目的，结合施工中采取综合治理的措施，提高了钻进效率，降低了钻探成本，该大裂隙堵漏剂在钻探施工严重漏失地层中，有一定的推广应用价值。

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