水泥浆护壁堵漏工艺在金属矿勘查的应用

陈 琳

(安徽省地质矿产勘查局325地质队,安徽淮北235000)

固体岩芯钻探是目前常用的绳索取芯工艺技术，钻孔冲洗液一般使用低固相泥浆，但是钻杆钻进至破碎带时，常出现卡钻现象[1-2]。为了预防孔内事故的发生，常采用护壁、固壁技术进行处理，以达到护壁、堵漏、防坍塌孔内掉块卡钻目的[3-7]。

本文总结分析了金属矿勘查项目ZK3005 钻孔在施工中水泥浆护壁堵漏技术的应用，研究成果为岩层破碎带的钻孔钻进提供了方法依据和借鉴。

1 工程概况

1.1 钻孔主要设计要求

（1）该孔设计为水文地质孔，设计孔深885m，设计孔径为∅96mm，第四系下套管径∅127mm，基岩下套管管径∅89mm；本孔抽F1断层水，位置在孔深740～765m。

（2）用清水冲洗抽水段泥浆直到出清水停止洗井，观测抽水段水位变化直至稳定。

（3）岩芯分层采取率不应低于65%，矿芯顶底板5m内采取率不应低于80%。

（4）每百米测斜，孔斜不超过1°30′，见矿点及厚度大于30m 的矿体出矿点均应测定钻孔弯曲度和校正孔深。

（5）每百米校正孔深，误差不超过1‰。

（6）开孔用直径∅130mm矛式钻头，∅127mm导向管不能低于5m，钻具不得弯曲，必须配带加重管。

（7）采用低固相泥浆钻进，根据岩层调节泥浆粘度和其它指标。钻孔全漏失时，注意孔底岩粉的变化，随时采取措施。

1.2 地层描述

据前期的地质资料，ZK3005孔设计地层情况如表1所示。

表1 地层和岩性特征

由实际施工及地质岩芯分析来看，钻进地层与设计地层基本吻合，只是本钻孔在部分孔段岩石破碎，节理发育，对钻孔施工提出了比较高的要求。

1.3 钻探施工

（1）钻探设备及钻具配备。

钻探设备：XY-6钻机1台，BW160/10泥浆泵1台，SG23型钻塔一座，JS-1500型绞车1台，除泥砂机1台。

施工管材及工具：∅50mm钻杆1000m，∅68mm钻铤40m，SJX∅89mm 绳索取芯钻杆1000m，SJX95 绳索取芯钻具4套，∅127mm×4.5mm 套管240m，∅108mm×4.5mm套管250m，金刚石钻头若干。

（2）钻进方法。

①开孔用∅130mm 钻具施工致完整基岩，孔深114.5m进入闪长玢岩（完整基岩），又钻进到116.7m，下∅127mm套管护壁，孔口下口用水泥固定。

②用∅113mm 钻具继续钻进到孔深128.8m（完整岩石），下∅108mm技术套管。

③用∅95mm 绳索钻进到终孔，下∅89mm 套管做水文观测套管。

2 水泥浆护壁堵漏工艺

2.1 护壁固壁方法比选

目前护壁固壁方案比较多，大体上分为：泥浆、水泥浆、化学浆液、隔离法等许多种。泥浆护壁一般用高粘度泥浆、石灰乳泥浆、聚丙烯酰胺泥浆、冻胶泥浆、泡沫泥浆等。水泥浆分为：普通水泥浆、特种水泥浆、带充填物的水泥浆、泡沫水泥浆、水泥速凝混合物等。化学浆液分为：脲醛树脂浆液、氰凝浆液、301 不饱和聚脂、聚丙烯酰胺等。还有下套管隔离法，用粘土球、沥青封堵法等。

针对本钻孔为水文孔，采用的是绳索取芯工艺，泥浆及化学浆液护壁均不适用，经分析采用水泥浆进行封堵比较实用经济。

2.2 泥浆的选用

LBM 体系泥浆是一种适合于松散地层钻进的泥浆，具有良好的流变性能，即具有较低粘度和切力，泥浆沉砂性能好，可有效防止绳索取芯钻杆内壁结垢问题，也可明显降低环空压力，防止孔壁垮塌。具有良好的造壁性能，泥浆滤失量低，泥皮质量好。热稳定性好，抗温达180℃。泥浆润滑性能好，能有效地降低摩擦阻力，且现场使用维护方便。此外，根据设计要求，本钻孔为水文孔，设计中要求用低固相泥浆，以达到不污染地下水为目的。故本次选择了LBM低固相泥浆体系（开孔段使用普通泥浆，钻进到128.8m下好技术套管后换成LBM低固相泥浆，采用绳索取芯钻进）。

施工中加强了泥浆的维护工作，修筑了泥浆循环沉淀槽，同时用除泥机除砂，一旦泥浆性能下降，及时补给新浆或全部更换新浆。

由实际钻探施工来看，泥浆的使用比较成功，基本上做到了有效地护壁，维护地层稳定，提高了钻探取芯效率，但钻进到580 多米提钻更换钻头时存在卡钻现象。

2.3 水泥浆液加固孔壁

水泥浆加固孔壁作为一种传统的护壁措施，广泛采用，为了确保固壁成功，必须要抓好的主要技术环节包括水泥浆配比、洗井、注浆量、潜浆量、泵入及养护时间等。

（1）水泥浆的性能要求。本次选用的水泥浆流动性适当，可泵性好，凝结时间适当，早期强度较高，与围岩粘结牢固、不收缩、不龟裂、抗腐蚀。

（2）浆液配比。泥浆配比方案为LBM∶聚丙烯酰胺∶润滑剂∶碱∶钠盐∶护壁剂=40∶1∶16∶2∶8∶10。具体配制过程为：水泥浆水灰比取0.4～0.5，其中加入Na-Cl、三乙醇胺(速凝剂、早强剂)1%～1.5%作为速凝剂和早强剂。同时做好现场试配工作，配制出几种不同的水泥浆液，测定不同的参数：初终凝时间、针入度，3、5、7d强度值。

（3）洗孔。为了使送下去的水泥浆与孔壁很好地结合，使用清水冲洗钻孔，清除孔壁上的泥皮，洗井时使用专用冲孔器。

（4）注浆量。依据公式（1）计算注浆量（V），计算结果显示590m以上80m孔段封孔和720m以上50m孔段封孔注浆量分别为12m3和7.5m3。

式中：V——孔段所需注浆量；

D——灌注段直径；

H——灌注段孔段长；

K——附加系数（包括超径、漏失、地面损耗）。

依据公式（2）计算替浆量（V1），计算结果显示590m以上80m 孔段封孔和720m 以上50m 孔段封孔替浆量分别为0.73m3和0.87m3。

式中：V1——替浆量；

L——钻杆长度；

l——孔内静止水位到孔口高；

q——每米钻杆内容积，∅50mm钻杆取50L；

V2——地面管线及水泵容积，取50L。

（5）泵入法。利用现场的泥浆泵灌注水泥浆，使用∅50mm 钻杆。泵入前先对水泵、高压管、钻具详细检查，保证工作良好，管道畅通。钻杆下到离孔底1.0m左右处，不提动钻具注浆，一次灌注完成，注浆过程中随时清理莲蓬头，及时搅拌水泥浆，防止堵塞。注浆完毕，将钻具提至灌注的浆面，泵入清水进行替浆，排除钻具内剩余水泥浆，然后提钻，并清洗水泵、钻具和胶管等。

3 效果分析

钻孔掉块卡钻一般原因有：泥浆密度过小，井内液柱压力不足以平衡地层压力，致使倾角大或胶结不好的地层垮塌；孔壁为易吸水膨胀的泥岩、页岩、胶结不好的砾岩、砂岩、破碎带等地层；提钻未灌泥浆，或发生井漏，以及因泥包而产生活塞效应引起垮塌。由钻探取芯情况来看，本钻孔孔深在192.78～194.78m、261.48～263.78m、521.25～526.59m、535.82～545.32m、575.46～577.76m、685.63～714.08m 等孔段岩石破碎，节理发育，部分岩石破碎孔段长，而采用的是低固相泥浆进行绳索取芯钻进，泥浆密度过小，井内液柱压力不足以平衡地层压力，所以存在部分孔段掉块卡现象。为了有效防止孔内事故发生，所以决定对破碎带地层进行固壁处理。

依据上述水泥浆护壁堵漏工艺，养护5d 后用绳索取芯钻进，检验封孔质量，发现封孔质量较好，在往下钻进时，没有掉块卡钻之现象了，证实了该工艺方法的可行性和有效性。

4 结论

水泥浆护壁堵漏工艺是钻进岩石破碎带时，预防卡钻等孔内事故的有效护壁固壁方法。在采用该工艺时，必须达到水泥浆配比、洗井、注浆量、替浆量、泵入及养护等各环节的实施要求，方可达到最佳护壁效果。