新型纳米水泥护壁堵漏材料在刚果（金）钻探中的应用

邵兴隆，许国明

（四川省地质矿产勘查开发局四0 二地质队，四川成都 611730）

1 前言

1.1 项目简况

果（金）钻探项目位于加丹加铜钴矿带上，该带横跨刚果（金）和赞比亚，是地球上已知的最大的层状铜钴矿带。区内地层主要为罗安群（R），恩古巴群（Ng）和昆代隆古群（Ku）［1］，其中罗安群矿山组（R2）地层是区域内的主要含矿地层，也是本次钻探的主要对象。加丹加超群地层沉积在克拉通内裂谷或近岸海洋支流中［2-3］，这些地层在卢菲利安造山运动期间［2］发生强烈变形、破碎，导致该区的岩石风化和破碎程度普遍较高，不利于钻孔的施工。

1.2 孔内情况

钻孔采用Φ95mm绳索取心钻具钻进至320m-328m时遇见罗安群矿山组（R2）含矿段，该段以白云质粉砂岩、页岩、破碎带为主，岩心风化和破碎程度高，取心难，漏失、掉块、垮孔、缩进、抱钻等孔内事故频发。由于前期采用顶漏钻进工艺，冲洗液性能不稳定，导致钻孔发生坍塌并引发卡钻等孔内复杂情况。为了保证后续安全钻进，钻探人员采用传统的水泥配方封堵含矿段，结果是水泥凝固效果差，难以满足水泥封孔的强度要求，且水泥侯凝时间达7天，严重影响了工程进度且成本高昂。因此，为了进一步改进泥浆工艺，提高成孔率，项目组决定采用某研究所的新型纳米水泥护壁堵漏材料进行护壁堵漏。

2 新型纳米复合水泥浆液的应用

2.1 目的

（1）通过野外现场应用，检验新型纳米复合水泥浆液体系性能，重点验证在钻探实际条件下浆液的流动特性与凝固特性，同时对应用效果分析，进一步完善和优化浆液体系配方。

（2）获得成功应用后在项目组中的其他钻孔中进行推广。

2.2 水泥浆现场试验

（1）水泥浆配方与小样试验

由于各个地区的实际孔内情况及现场条件不尽相同，新型纳米水泥护壁堵漏材料在应用前必须进行小样试验以确保水泥浆液的快速凝固但又不造成孔内安全事故。根据钻孔实际条件和小样试验情况，确定本次水泥浆基本配方见表1。其常温条件下主要性能：可泵期为35分钟，初凝时间45分钟，终凝时间53分钟，初终凝间隔11分钟。

表1 现场试验水泥浆液优化配方

（2）注水泥关键参数设计

为了确保应用效果，项目人员对水泥浆量、替浆量、可泵期等参数进行了设计，具体如下：

①水泥浆量：本次试验拟封固孔段为316m～328m，需封固长度为12m，理论容积为0.07m3，水灰比为0.6，水泥干粉重量为86kg，用水量为52kg。

②替浆量：为了保证绝大部分水泥能够充填该孔段，钻杆内预留水泥塞高度为28m（约为0.08m3），则替浆量为V=0.0785×(328-28)×0.062=1.46m3，考虑地面管线等因素，实际替浆量为1.50m3。

③水泥浆性能：为了避免水泥浆在孔底因初凝时间过长导致水泥浆被地下水稀释，需尽量使得水泥浆快速凝固，同时适当提高水泥浆的韧性。因此，根据水泥浆及替浆量总计约为1.50m，泥浆泵采用慢I档泵送（泵量为160L/分钟）水泥浆及替浆，理论总时间为9分钟，综合考虑水泥浆可泵期时间设计为30～40分钟，初凝时间为40～60分钟，且初凝后迅速终凝，初终凝间隔不大于20分钟。

2.3 注水泥施工

（1）施工前准备工作

由于注水泥施工是一项较为危险的施工措施，一旦在注水泥过程中发生意外，极易造成钻杆被凝固在孔内而造成严重孔内事故，甚至报废钻孔，因此，在注水泥前必须做好各项准备工作，主要包括孔内工作和地面工作，孔内工作是指下入钻杆至孔底而后上提50cm开泵循环至注水泥阶段，确保孔内循环畅通；地面工作主要指对地面各项设备的检查，尤其是泥浆泵活塞、缸套的检查，确保泥浆泵在注水泥过程中能正常工作；另外还必须对注水泥过程中人员的组织分工，避免发生紧急情况时慌乱。

（2）配浆水与材料准备

按照设计要求，现场采用1个机械搅拌桶，取52kg清水，并称量好外加剂后分别加入至搅拌桶，搅拌均匀待用；同时准确量取1.50m3的替浆水，放入替浆圆桶中，放入前记录好替浆圆桶的液面高度。

（3）注入水泥浆和替浆水

①分别向含有外加剂的配浆水中加入水泥和纤维材料，并迅速搅拌均匀，确保无水泥结块，将搅拌好的水泥浆注入孔内。

②待水泥浆液全部注入孔内后，迅速注入替浆水，尤其注意替浆量的控制，替浆池液面下降至初始刻度时立即停泵，在替浆过程中注意泵压变化情况。替浆完毕后立即提钻，其中前30m提钻速度尽量放缓，避免产生抽吸作用影响水泥浆凝固。

2.4 扫水泥塞施工

候凝时间36小时后，下钻至305m即钻遇具有一定强度的水泥塞，一直钻进至328m均为水泥塞，其305m～310m强度相对较低，310m～328m强度较高。

3 结论

从本次应用效果来看，通过控制水泥浆的可泵期和初终凝时间，极大避免了水泥浆被地下水稀释的风险，水泥浆凝固情况较好；通过对取出的水泥心进行强度测试，其3d抗压强度达18MPa，完全满足水泥护壁堵漏要求。同时，由于水泥浆中加入了纤维材料，大大提高了水泥固结体的韧性和胶结性，对取出的水泥心敲碎，但因含纤维材料碎而不散，呈“藕断丝连”状态，展现了良好的韧性。

综上，本次新型纳米水泥护壁堵漏材料的应用取得了成功。与常规水泥封孔相比候凝时间由之前的7天缩短至36小时，大大提高了工程进度，降低了勘探成本。此外，水泥固结强度大大提高，充分展现了纳米复合水泥浆液的优异特性，该材料可以在今后的钻探施工中进行推广。