拦截式堵漏工具研发现状及进展

陈 勇

（新疆地质矿产勘查开发局第十一地质大队，新疆昌吉831100）

钻孔漏失是地质勘探工作中常遇的现象，当钻遇复杂地层，钻孔冲洗液（泥浆）漏失，无法维持正常钻进。特别是西部地区严重缺水，复杂的地层条件使得钻孔冲液和漏失现象更为严重。由于钻孔漏失严重，堵漏无效，钻探用水常常供应不上，导致孔内事故频繁，辅助钻进时间增多，钻进效率低下，施工成本增高。由此可见，钻孔漏失是影响西部地区快速高效地质勘探的主要难题之一。随着国家经济建设对矿产资源的迫切需求，近年来，地质勘探工作的深度越来越深，施工的难度越来越大，如何实现安全、快速、高效地钻探，满足地质勘探工作的需要，这就对钻探技术提出了更高的要求。钻孔漏失判层监测和快速堵漏技术是我国地质勘查关键技术之一，在我国地质调查和国民经济其他领域有着广泛的应用前景[1]。

1 堵漏措施研究现状

国外对钻孔（井）过程中的漏失及堵漏机理的研究较早，现已开发应用了大量各种类型的常规堵漏剂和新型堵漏剂。美国、前苏联和西欧等国家不仅对大量常规堵漏剂各自的封堵性能及它们的混合应用做了大量的分析研究，还研究出了许多新型堵漏剂。尤其是前苏联，因油气钻井和地质勘探钻井过程中的井漏问题十分严重，长期以来，开发了以脲醛树脂、酚醛树脂等为基础的堵漏剂系列，丙烯类聚合物堵漏剂系列，以胶乳为基础的堵漏剂浆液和聚氧乙烯水溶液、聚乙烯醇水溶液、低聚有机硅氧烷等与纤维填料组成的各具特殊性能的堵漏剂。在常规堵漏材料上，国外近年来又发展了各具特色的热溶橡胶堵漏剂、膨胀团粒堵漏剂、剪切稠化液堵漏剂、封包石灰堵漏剂、吸油固体材料堵漏剂、封包烯烃堵漏剂、吸水聚合物堵漏剂等堵漏材料。这些堵漏材料的应用，有效地解决了渗透性及微裂缝地层的漏失问题。但对于大溶洞、大裂缝的堵漏材料及堵漏工具，国外的研究应用很少。在国内，堵漏材料以桥堵材料为基础，并借助化学反应和复合方法，发展了高失水堵漏材料、软硬塞堵漏材料、无机胶凝堵剂、暂堵材料、化学堵漏材料、高温堵漏材料、复合堵漏材料等多种类型堵漏材料，对于一般钻孔（井）漏失，能基本满足现场堵漏需求，但对于深孔大裂缝等特种漏失，利用各式井下工具堵漏，不仅可以提高堵漏成功率和工作质量，还能缩短时间和减少人力物力消耗，尤其是在一些比较复杂的井漏情况下，仅有好的堵漏浆液并不顶事，往往需要借助于井下工具，方能确保堵漏效果和质量。目前，堵漏工具已成为对付大裂缝等特种漏失的一种重要手段，国外很重视其研究和推广应用[2-4]。

2 常规钻井堵漏工具分类及工作原理

2.1 双层网套封闭工具

均用于解除大裂缝和洞穴性岩层灾难性井漏，其原理是在漏失层段安放弹性网套(锦纶网套、尼龙网套、锦纶车胎网套、特编金属丝网套等)，从地面注入含桥堵材料的堵漏浆液，桥堵材料堵住网套的孔眼，网套因此撑大，填塞住裂缝和洞穴，堵漏浆液凝固时，将网套与岩石粘固在一起[5]。

2.2 改进型简易网袋式封隔工具

亦是双网套封闭工具，特点是结构更简炼、合理，效果更好。下入带封闭工具的钻杆柱以后，泵注含桥堵材料的堵漏浆液到封闭工具的弹性套袋内，等候水泥凝固，将钻杆与封闭工具断开并随即起出，继续钻进。

2.3 不同直径单网套封闭工具

其特点是只用单层网套，而网套设计成不同直径的两部分，直径较小的上部以弹性拉条捆扎在筛管上，使网套下部平直地(无横向褶皱)铺置在筛管上，从而克服双层网套横向褶皱铺置，导致其下部过早脱出保护壳体而不能很好适应井眼形状、每层网套孔眼堵塞不均衡而降低总的强度等缺点，提高堵漏质量。

2.4 特制袋式封闭工具

为在有洞穴的层段和坍塌层解除井漏时防止注入井内的水泥浆被水稀释并流入漏层深部，可采用帆布、粗麻布以及其它材料制成的袋子注水泥[6]。

2.5 带经纬线编织网套的封闭工具

弹性网套采用经线—纬线编法制成，并且经线和网套基体以锦纶纤维丝制成，而纬线由聚氨基甲酸乙醋纤维丝制成。

2.6 拦截式堵漏工具

针对特种漏失层的特点，利用研究的拦截式堵漏工具及其工艺技术将堵漏浆液拦截在一定位置，对大裂隙漏失地层、溶洞性漏失地层进行有效封堵，从而解决漏失问题，以提高钻探施工质量和钻探效率，降低钻探成本，为钻探工程特种漏失层段提供可靠科学方法。

3 传统拦截式堵漏工具原理及不足

3.1 传统拦截式堵漏工具工作原理

人为地将堵漏工具送入钻孔中，利用拦截式堵漏工具将堵漏浆液中的颗粒型材料或凝固型材料限制在拦截袋内，使多个单颗粒堵漏材料形成有效集结，从而在大裂缝中形成架桥；同时，减少凝固型材料因受到地层水或溶洞积液置换、稀释的干扰的不利因素，为其有效凝固实现封堵提供保障，解决了常规堵漏材料、堵漏方法所不能解决的大裂隙漏失、溶洞性漏失等特种漏失问题[7]。

3.2 传统拦截式堵漏工具结构

拦截式堵漏工具主要由拦截袋和堵漏工具两部分组成，堵漏工具由外部部件和内部部件构成，包括脱落机构、控制机构、卸压机构，其结构如图1所示。拦截袋的材质厚度在0.5~2mm，具有较好的透水性、抗撕裂强度、柔韧性;内外管材质物理机械性能好;脱落机构为灌注完毕后工具能够顺利地提上地面提供保障;控制机构使拦截袋在内外管之间按一定的次序褶皱压缩式布置，在泵压作用下能有序地从管内出来;卸压机构是为了保证泵压在一定的范围之类，使堵漏浆在拦截袋的限制下进入漏失层达到最佳的封堵效果。

图1 拦截式堵漏器具结构图

3.3 传统拦截式堵漏工具的不足

传统拦截袋式堵漏工具存在以下弊端：

（1）堵漏施工中堵漏材料（水泥浆液）到达拦截袋时间无法判断，传统拦截袋式堵漏工具将拦截堵漏材料置于地面存储装置里面，通过泥浆泵泵入钻杆内，由于孔深较深，堵漏材料（水泥浆）到达拦截袋时，地面泵几乎没有什么变化，不易判断，只是根据大概时间进行估计判断，成功率低，事故率高。提钻过早，水泥浆未到拦截袋，堵漏不成功；提钻过晚水泥浆返至钻具外环空，容易产生卡钻事故。

（2）堵漏材料配制量不好控制，堵漏材料配制过多浪费材料；配制过少，堵漏材料会与钻杆内泥浆（水）混合，到达拦截袋时水泥浆不易凝固或凝结强度不够。

4 新型可控式拦截堵漏工具

4.1 工作原理

现将配制好的水泥浆堵漏材料放置在储料管中，储料管上下两端堵漏材料进出口采用单向阀控制，单向阀采用弹簧单向阀，弹簧的抗压强度根据孔深进行调整，将整个堵漏工具下钻至孔底40~60cm处，注入泥浆材料（或清水）进入钻杆内，待钻杆内液体注满后，泵压开始逐渐升高，当泵压达到单向阀弹簧强度设定值时，单向阀自动打开，存储在储料管中的堵漏材料通过中心管进入拦截袋中，当堵漏材料逐渐充满拦截袋时，拦截袋就从拦截袋接头和拦截袋连接件处脱落，同时堵头也脱落，装有水泥浆的拦截袋就掉到孔底大裂缝处堵住裂缝，水泥浆终凝一段时间后扫孔即可[8]。

4.2 新型可控式拦截式堵漏工具结构

新型可控式拦截堵漏工具包括：堵漏材料储存和控制装置、拦截袋组件；堵漏材料储存和控制装置包括依次连接的进口单向阀、储料管、转换接头、出口单向阀；拦截袋组件是由单向阀接头、中心管接头、拦截袋接头、拦截袋连接件、外套拦截袋、堵头连接件、连接堵头等组成。相对与传统拦截式堵漏工具增加了堵漏材料储存和控制装置，便于精确控制堵漏材料到达拦截袋时间，及时提钻，快速成功堵漏。结构如图2所示。

图2 新型可控式拦截式堵漏器具结构图

4.3 新型可控式拦截式堵漏工具的特点

（1）通过增加堵漏材料存储和控制装置，只要泵压到达设定值时，单向阀自动打开，堵漏材料（水泥浆）立即到达拦截袋，可以立即提钻，拦截袋掉入孔底，快速堵漏，成功率高。

（2）堵漏材料存储于拦截袋组件相连的装置中，避免了堵漏材料与钻杆内泥浆（水）混合而被稀释的问题，有效保证了堵漏材料的产品性能。

5 结语

随着矿产勘探开发的深入，钻井过程中遇到的地层越来越复杂，在钻进压力衰竭地层、破碎或弱胶结地层、裂缝发育地层及多套压力层系等时，井漏问题非常突出，钻井液就会从地层裂缝、溶洞中流失，从而影响钻井作业的正常进行，特别是当所遇裂缝、溶洞较大时，钻井液将完全从裂缝、溶洞中流失，使钻井工作无法正常进行，此时必须对漏失地层进行堵漏作业[2]。目前，采用拦截袋式堵漏方案是针对宽大裂缝、溶洞的最有效的堵漏措施，但由于传统拦截堵漏工具的缺陷，可控式拦截堵漏工具是拦截式堵漏工具的发展趋势，另外目前的拦截式堵漏工具主要针对孔底段大漏失，在孔底以上部分漏失还需要提前进行架桥工作，因此拦截式堵漏工具发展方向应是集成漏失探测功能、封堵大漏失地层裂缝功能，上部自动架桥功能、堵漏材料储存及精确控制堵漏材料到达拦截袋时间等功能。伴随着井上钻探装备自动化智能化的发展，井下拦截式堵漏工具也应向多功能集成化、井下堵漏效果可控可视的方向发展。