甘肃羊寨乡锰矿钻探施工中防漏与堵漏关键技术分析

张福龙，梁潇文

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

采 矿

甘肃羊寨乡锰矿钻探施工中防漏与堵漏关键技术分析

张福龙，梁潇文

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

结合位于兰州市榆中县羊寨乡锰矿开采时遇到的渗漏方面问题，通过采用惰性材料堵漏法、水泥浆液封堵法等具体方法进行堵漏，并同时采用套管进行封堵，有效地解决了在钻探时遇到的渗漏及塌孔等方面的问题，并且取得了良好的效果，为今后指导钻探的安全施工具有十分重要的意义。

钻探；渗漏堵漏；泥浆

0 前 言

兰州榆中羊寨乡锰矿位于榆中兴隆山一带，矿区内地层主要由白垩纪与第三系地质层覆盖，露出地表的地层主要由兴隆山群片岩、大理岩等组成，其主要的岩性为硅酸质岩、硅酸质千枚岩及少量的变质岩[1]。其主体构造线走向为NW向，主矿化带基本由断裂破碎带构成，其长度约为110 m，横向宽度约为12.5 m，其中石英岩以网状形式插于断层中，其中1号矿床位于断裂破碎带的内盘以上，长度大约110 m，宽度约3 m，其中品位参数Fe为7.6×10-2，Mn为12.11×10-2，2号矿床位于断裂破碎带内盘以下，长度约为65 m，宽度约为2.5 m，其中品位参数Fe为6.24×10-2，Mn为22.14×10-2，矿床基本呈层状，走向为西北50(°)，与周围的围岩相一致[2-4]。

在具体的钻探过程中，由于钻机的钻进时有发生渗漏的现象，在整个开采过程中是一个很棘手的问题，渗漏不仅导致钻孔内的泥浆流失，无法有效地对孔壁进行维护，同时会在孔底造成过厚的泥层，进而影响正常的钻探作业。因此，在发生渗漏时，能够通过采取有效的措施及时的堵漏和处理显得至关重要。为了能够减少因钻探过程中渗漏造成的不必要的损失，以达到保障施工质量、安全的目的，钻探的防漏与堵漏技术的开发与研究就显得尤为重要，同时对提高钻探工作效率、缩短钻探周期，提升经济效益都有着良好的促进作用。

1 钻孔渗漏的基本类型及渗漏机理

1.1 钻孔渗漏类型

结合现场实际钻探情况及钻孔周边地层情况，在钻进过程中产生渗漏的原因可以总结为以下3方面[5]：a周围地层地质构造原因，其表现为地层本身存在结构裂缝，进而导致钻孔时发生泥浆渗漏；b在钻孔过程中，由于泥浆的循环作用，使地层压力系数增大，进而导致泥浆从承压能力较低的地层中渗漏出来；c施工技术参数选取不当，如泵压力过大、钻进速度过快、泥浆参数达不到标准等。

根据现场实际遇到的渗漏情况，可将此矿区钻孔渗漏类型主要划分为以下几种类型：天然裂缝性渗漏、渗透性渗漏、溶洞渗漏、人为裂缝性渗漏。

1.2 钻孔渗漏原理

根据榆中县羊寨乡锰矿在钻进过程中渗漏的现象及周边地层具体状况进行分析，总结在钻孔过程中发生渗漏的机理[6]主要为：矿区地层周围所属岩石的结构为多孔状结构、岩石节理较为发育、裂缝纵横交错，渗透系数较大，地层结构中有较多的连通型渗漏通道；在周围温度、湿度、围压等自然气候条件不断变化的情况下，存在长期处于风化状态的结构面，其内部的节理、裂隙发育更加完全，其中岩层内部的部分孔隙及裂缝直接与大气连通，在孔内通过静水压力的作用，泥浆将沿着贯通的孔隙及裂缝发生渗漏现象，进而形成人为的渗漏通道。当泥浆通过内部渗漏通道后，将与构成岩石的胶结物发生反应，进而破坏了岩石内部颗粒之间的胶结，使岩石产生崩解、碎裂成更小的颗粒，同时发生大面积渗流，形成大量的连通的渗漏通道，进一步加强了地层的渗漏性。

2 堵漏机制原理

钻孔堵漏的原理就是采用惰性材料、水泥浆等各种堵漏材料，通过有效的施工手段把钻孔过程中产生的各种孔隙及裂缝封堵起来，同时在渗漏通道外部形成一道致密性良好的隔墙，用以阻断与切断渗漏通道[7]。其原理如下。

1) 在对土层内部的的孔隙及裂缝进行封堵时，所使用的堵漏材料必须能够很好的填充孔隙及裂缝。

2) 惰性材料、水泥浆液等堵漏材料在填充孔隙及裂缝后其流动性不能太大，同时在阻力作用下，必须滞留在孔壁的孔隙及裂缝中，并且逐渐填充满周围孔隙的空间。当堵漏材料进入孔壁周围的地层时，在静水压力的作用下将沿孔壁地层周围形成一道具有一定强度的堵漏隔墙，通过堵漏材料之间的黏结，该隔墙将与渗漏通道产生黏结强度，并能有效地对渗漏进行封堵，同时有效地避免了暂堵现象的发生[8]。

3 孔隙裂缝具体堵漏方法

3.1 惰性材料堵漏法

惰性材料堵漏的方法是将混入在钻井泥浆液中不同尺寸形状、不同配合比的惰性材料注入到钻孔的渗漏层之中，或者直接将惰性材料注入到渗漏层中，以达到良好堵漏效果的一种方法[9]。当采用这种方法进行堵漏时，必须合理考虑惰性材料的性质，通过设计与计算出合理的材料配合比及浆液浓度，以避免在钻孔施工过程中在孔隙通道内部无法形成“桥架”的现象，及在孔壁周围的裂缝中无法达到“封门”的目的，进而丧失堵漏的效果[10]。

3.1.1 作用原理

机械堵漏是惰性材料堵漏最基本的原理，主要包括：架桥作用；封堵与镶嵌作用；对钻孔周围地质条件不良土层的固结作用。

3.1.2 封堵方法

根据钻孔过程中产生的孔隙及裂缝的性质、状况、尺寸、位置等具体参数选择合理的惰性材料配合比。

1) 配置泥浆

根据惰性材料配置的泥浆参数，粘度一般为35～55 s，同时为保证泥浆能全部填充满孔隙裂缝，防渗漏泥浆的制备量一般为钻孔体积的2.5倍[11]。

向钻孔泥浆中加入事先配置好的防渗漏材料，同时开动钻机。

2) 具体堵漏方法

a钻进至裂缝渗漏层上部。

b通过钻机上的钻孔灌注封堵泥浆，直至钻机机具内外达到平衡。

c钻机钻进至封堵泥浆页面以上6～9 m。

d根据孔壁渗漏的具体情况，将预先配置好的堵漏泥浆通过钻机压入地层中。

e压入封堵泥浆后间隔12～24 h。

f钻机钻进，观察钻孔孔壁是否渗漏，确定不渗漏后可恢复正常钻进施工。

3.2 水泥浆液封堵法

在采用水泥浆液对钻孔孔隙及裂缝进行防渗漏封堵时，在施工前对水泥浆液的配合比、添加剂、施工机具的配套及使用状况进行了现场试验，以确定最优方案。通常情况下，水泥浆液的可泵时间为40 min左右，一般在封堵后约5 h内即可开始钻孔施工。

3.2.1 封堵方法

通过钻杆上的孔道把水泥浆液压入钻孔内部有孔隙及裂缝的部位，通过泥浆在孔隙裂缝中的渗透作用形成具有一定强度的防渗漏隔墙，进而起到防漏堵漏的效果。在进行灌注泥浆时，需先将钻具钻进至预先设计好的标高处以下0.5～2 m的位置，先泵入清水，在确保钻具管道顺畅的情况下方可注入预先配置好的水泥浆液。

3.2.2 注意事项

1) 准备刚开始钻进时应先打开回水管，清理吸水管及泥浆泵内的残余水。

2) 在灌注水泥浆时，必须安排专职人员值守，发现有堵塞现象立即停止灌注。

3) 待水泥浆液全部渗入钻孔的孔隙裂缝后应及时进行换浆作业，并清洗泥浆泵、管道。

4) 控制钻孔的钻进与提钻速度，以保证钻孔内部的水土压力平衡，同时还可以预防真空抽吸作用。

当采用惰性材料封堵法、水泥浆液封堵法等效果都不是很理想时，尤其是当钻机钻进深度在100 m范围之内时，由于地层本身的孔隙及裂缝较多，周边土层的土质较为松散，经常会出现孔隙裂缝封堵失败及塌孔等工程事故，因此，在钻进过程中采用套管进行围护和封堵不失为一种预防钻孔渗漏及防塌孔的良方。

4 结 论

榆中县羊寨乡锰矿矿区周围地层所属岩石为多孔状结构、节理较为发育、裂缝纵横交错，渗透性大，地层结构中有较多的连通型渗漏通道；在钻探过程中十分容易发生渗漏事故，因此，进行钻孔防漏堵漏的效果是否达标，将直接影响钻探施工的安全、进度以及经济效益。

在钻机钻进过程中，通过采用惰性材料堵漏法及水泥浆液材料堵漏法相结合的方法进行防漏堵漏施工，有效的解决了钻进过程中常遇到的渗漏问题，并且取得了良好的效果。总结防漏堵漏经验，在今后的施工中应处理好以下几个问题。

1) 在钻进过程中，应准确把握可能发生渗漏的位置及可能导致的工程事故，使防漏堵漏工作具有针对性。

2) 通过前期勘察钻探工作提供的数据，在施工前应准确把握钻孔周边的地质条件、地层构造以及孔隙裂缝的大小及走向，以便于进行渗漏位置的判断、合理选择堵漏材料以及保证堵漏材料能够顺利填充孔隙裂缝。

3) 控制封堵材料的粘度，使其只停留在孔隙裂缝中而不外流，保证堵漏效果。

4) 在钻孔施工前，应进行水泥浆液的堵漏试验，保证堵漏时间在理想时间段内。

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An Analysis of Key Technology of Leak Proof in Plugging Drilling of Mn-ore in Gansu of Yangzhai Village

ZHANG Fulong, LIANG Xiaowen

(ShanxiInstituteofTechnologyofProfessionofRailwayEngineering,RailwayEngineering,Weinan,Shanxi714000,China)

In this paper, the leakage problem is located in YangZhai Village of Yuzhong County with manganese mining encountered in plugging by using an inert material plugging method of cement slurry. At the same time, we are using casing sealing to effectively solve the problem in the drilling of the leakage and hole collapse and other issues. It achieved well for the future construction safety guide drilling, as is very important.

Drilling; Leakage; Leaking and stoppage; Mud

2017-03-14

国家自然科学基金项目(41301548)

张福龙(1988-)，男，辽宁锦州人，助教，研究方向：地基基础，手机：15709235521，E-mail:469069340@qq.com.

TD2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.023