岩心钻探深灌注水泥失败原因分析

庞和平

[摘 要]固体矿产岩心钻探施工中广泛应用孔内灌注水泥浆法护壁、堵漏，但成功率低。失败原因施工设计中计算不准确和施工工艺出现差错。本文将进行分析，以供参考。

[关键词]岩心钻探深灌注水泥；原理；失败原因；实例分析

中图分类号：P634.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）11-0007-01

1.前言

在岩心钻探中，常常要用水下灌注水泥的方法来护壁、堵漏、封孔、处理井故，但因机台施工人员对水下灌注的原理及操作缺乏应有的认识，往往导致灌注失败，甚至发生灌水泥事故。

2.水下灌注的原理

水下灌注是在地下水位较高的钻孔中局部注浆的方法，它用水泵通过灌浆管，借助替水将水泥浆送到孔底（若在孔段中注浆，需在预灌段下部架桥），然后提出灌浆管，待凝。水下灌注必须考虑2个压力平衡，一个是灌浆管内外的压力平衡，另一个是钻孔内外的压力平衡。灌注过程中（提灌浆管之前）考虑第一个平衡，把孔内的水和地下水看成一个整体；而提灌浆管的过程中及提灌浆管后考虑第二个平衡，把灌浆管内的液体和钻孔中的液体看成一个整体。

3.灌注失败及事故的原因分析与解决办法

3.1 灌注失败的原因分析与解决办法

（1）灌孔前没用清水彻底冲洗钻孔或冲洗不彻底，钻孔内留有钻井制剂导致水泥离析或不凝固。解决办法：灌孔前用清水彻底冲洗钻孔，将钻井制剂彻底置换出井口，静置2小时测静止水位h0，准确计算灌浆量V，替浆水量QT，灌浆管排水量QP和灌浆时间。

（2）地下水位高的钻孔灌注水泥浆时，替浆水量计算错误或转换成水泵送水时间计算错误，导致送入孔内的替浆水量多了或少了。替浆水量是水下灌注的一个最重要的数据，替浆水量多或少都会导致灌注失败。管内替浆水的液面刚好与管外的水面（即静止水位）相平，这样灌浆管内外的液柱压力达到平衡。若替浆水多了，水泥浆要继续往上返，管外的水泥浆高于管内的水泥浆，当提出灌浆管后，高出的水泥浆就会与管内替浆水混合而被稀释。若替浆水多很多，水泥浆返到很高的位置，灌注部位则是水。提出灌浆管后，替浆水与水泥浆混合，水灰比增大，凝固时间变长。若是替浆水少了，一方面水泥浆到不了灌注部位，另一方面，提出灌浆管后管内的水泥浆会与管外的水混合，水灰比增大，凝固时间变长。所以，无论是替浆水太多或太少，都会带来2个同样的结果：一是水泥浆部分或全部不到灌注部位，若灌注部位水泥浆太少甚至没有，会导致灌注失败；二是水泥浆被稀释，凝固时间延长，甚至不凝固。解决办法：①灌浆前要画孔内结构示意图（参见图1），標上钻孔深度、静水位位置、预计水泥浆高度、灌浆管尺寸等，计算好替浆水量。②加大水泥浆量，提高安全系数。因计算的替浆水量与实际需要的替浆水量会有出入，故宁可损失部分水泥浆，以提高灌注的安全系数。

（3）送完替浆水后即提灌浆管。提出灌浆管必须在水泥浆及替浆水稳定后才能执行，否则，在水泥浆下行过程中提灌浆管会导致水泥浆提前出灌浆管，达不到灌注部位，并被管外水稀释。只有一种情况可不测管内液面，送完替浆水后即可提灌浆管，即孔内不漏水的情况，因为在这种情况下，送完替浆水后水泥浆就到达预定部位。解决办法：水泥浆及替浆水从孔口到达预定位置需要一定的时间，这个时间不好计算，简单的办法是测灌浆管内液面，液面稳定后即可提灌浆管或静待1～2min再提灌浆管。

（4）提出灌浆管后或提管过程中没有往孔内补充相应的水量。机台在进行水下灌注时，一般是用钻杆做灌浆管。在深孔中灌浆，因孔深，钻杆在水下部分的体积会很大。当灌完浆提出钻杆后，孔内水位会大幅下降，而地下水位在短时间内不会有变化，为达到钻孔内外压力平衡，地下水会大量涌入钻孔，从而改变水泥浆的位置及水灰比，导致灌浆失败。

解决办法：计算好孔内水下灌浆管的体积（不是容积）VP，即为提出灌浆管时应补充的水量。把灌浆管全部提出孔外。从井口沿井壁注入补充水（灌浆管的排水量VP）。

（5）地下水活动。若地下水流速太快，水泥浆在凝固之前就会被地下水稀释或带走，导致灌注失败。解决办法：用水灰比0.4的石油水泥加氯化钙进行灌注。

3.2 发生灌水泥事故的原因及解决办法

（1）灌注时间大于水泥的初凝时间，导致灌浆管被水泥浆凝住。解决办法：灌注前必须计算好灌注时间，灌浆管必须在水泥初凝前提出水泥面。若计算的灌注时间大于水泥的初凝时间，必须加缓凝剂，延长水泥的初凝时间，使其大于灌注时间（通过试验）。灌注前要充分做好准备工作，减少或避免不必要的操作时间；尽可能减少各工序的时间，如尽量用大泵量送水泥浆和替浆水；加快搅拌速度等。灌注时要有专人计灌注时间，无论什么情况，快到水泥的初凝时间就要提灌浆管出水泥面。

（2）扫水泥塞时，因水泥浆面上移及操作不当发生事故，很多灌水泥事故往往是在灌注失败的基础上，在扫水泥塞时发生的。由于替浆水量把握不准、没有补充灌浆管的排量等原因，导致水泥浆的位置大大提高，有的甚至提高几百米。水灰比因孔内水的混入而变大，凝固时间延长。而施工人员对此认识不足，凭想象认为水泥浆在预定位置，待凝时间已到，水泥浆也该凝固了，所以下钻时毫无戒心，当钻具插入水泥浆中拔不出来时才知道问题的严重性。因钻具、钻杆的质量大，钻具刚接触水泥浆时是没有反应的，当钻具下不去时已插入水泥浆很深了。在水泥浆的粘聚力及真空吸力的作用下，钻具已无法动弹。

解决办法：a.严格按水下灌注的操作步骤灌注水泥浆，确保灌注成功，保证水泥浆位置跟理想状态相差不远；b.扫水泥塞前先用测锤测水泥面位置；c.下钻到水泥面以上10m时开泵送水，以后边送水边扫，加钻杆前应空转送水一段时间，返清水后才停泵加钻杆，以免上返的水泥颗粒因停泵而快速沉淀发生埋钻事故。根据经验，为避免灌水泥事故的发生，在水泥浆未凝结之前不要扫水泥塞。若非扫不可，要判明水泥在孔内的位置，扫水泥时不能停泵，下扫不能太快，加钻杆前要空转送一段时间的水，确保孔内干净。

4.工程实例

2015年11月，某施工单位发生了一起严重的灌水泥事故，导致500m钻杆报废，钻孔被迫停钻。该孔设计孔深800m，已施工到700m，因650～700m段岩心破碎，钻孔漏失，机台对该孔段实施灌水泥护壁堵漏。用水泥10包，理论灌注长度90m，即610～700m。停待72h后下钻扫水泥塞，当钻具下到500m时下不去，提不动，转不动，当时判断为孔壁掉块卡钻或埋钻。后返出200m钻杆，再返不动。经询问，灌注前没有测静止水位，没有计算替水量，灌完浆后水泵送水约0.5h，提钻杆时及提完钻后没有补充水。这种情况十有八九可判断为灌水泥事故。因灌注前没有测静水位，没有计算替水量，没有补充钻杆排量，水泥浆很可能已上升到很高的位置，而施工人员还以为水泥浆在600m以深，故下钻时毫无顾忌，直到钻杆插入粘稠的水泥浆（虽已待凝72h，但由于水灰比的改变，水泥浆凝固的时间已大大延长）中不能动了还不知道，以为发生卡钻或埋钻事故。为验证究竟是卡埋钻事故还是灌水泥事故，施工单位在50mm钻杆下部焊硬质合金下去透孔，结果在200m左右取上水泥心，证明水泥浆已经上升到200m以上。在这次事故中，施工单位没有测静止水位，没有计算替水量，没有补充灌浆管排量，扫水泥塞前没有测水泥上返位置，可以说是步步出错，其结果是必然的。

5.结束语

综上所述，通过对失败原因分析，我们要采取有效的解决措施，进而保证灌注施工的顺利进行。

参考文献

[1] 乌效鸣，胡郁乐，贺冰新，等.钻井液与岩土工程浆液[M].武汉：中国地质大学出版社，2016.

[2] （91）中色地字第0831号，有色金属地质岩心钻探技术规程[Z].2015.