利用压力封堵涌漏地层方法及效果分析
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【摘 要】本文针对小口径钻探施工过程中，破碎层和裂隙带钻进时漏浆、停钻后涌水的问题，通过加工一个单向密封接头利用水泥封孔的方法将裂隙充填、破碎带胶结固化，解决了漏浆和涌水的问题。
1.前言
1.1问题的出现
在河南省舞阳地区深部铁矿整装勘查项目ZK20700钻孔的钻探施工过程中，在695.45.0―728.16米遇到一层破碎带：岩石破碎，不完整，局部风化，有裂隙和小溶洞存在（岩心如图1所示）。钻进时泥浆全部漏失，孔口不反水，停钻后，从孔口往外涌水。
1.2初步分析及采取的措施
出现这种情况的原因在于没有钻至该地层之前，该地层内部的液体是保持一个压力平衡状态的，由于钻机的钻进破坏了该处的压力平衡，钻进的过程中由于泥浆泵的压力大于裂隙内液体的压力，泥浆沿孔内裂隙流走，所以孔口不反水；而停钻以后，水泵不再工作，没有了外压，孔内液柱压力小于裂隙内液体压力，泥浆在压力差作用下从孔口溢出。
钻进过程中由于泥浆漏失严重，为了减少泥浆漏失，一般情况下将水泵回水管开启一部分，使泥浆仅部分进入孔内，即减少了水泵压力又可以钻进。但这样做风险比较大，进入孔内的泥浆若控制不好会引起烧钻现象，长时间钻进孔内岩粉排不出去，再加上孔内岩心破碎还会引起卡钻、埋钻现象，最后的方法还是要解决泥浆漏失和岩心破碎的问题。我们首先想到了水泥封孔。
2.水泥封孔
2.1水泥封孔方法和步骤
⑴确定要封堵的地层高度，水灰比取0.5，计算需用水泥浆量和替浆水量。
⑵按确定的水灰比搅拌水泥浆，为了加重水泥浆比重，在水泥浆中加入重晶石粉，为了使水泥浆快速凝固，按比例加入玻璃水。
⑶下钻至距孔底两米处，用泥浆泵连续泵送水泥浆和替浆水。
⑷起钻，封孔结束。
2.2封孔效果及原因分析
2.2.1封孔效果
水泥封孔24小时后，下钻透孔，水泥凝固较差，断断续续，水泥心有冲孔和裂隙，如图2所示。
图2
2.2.2原因分析
出现这种情况的原因在于封孔的过程中，由于水泵的压力大于孔内液体的压力，部分水泥浆直接沿裂隙流走，部分水泥浆即使在孔里，停泵后孔内液体上涌致部分水泥浆上涌，出现不连续现象和裂隙甚至出现如图2所示的冲孔等。
2.3拟采取的方法
综上所述，要想将这类钻孔封好，需要解决封过水泥后孔内仍然涌水的问题，我们决定加工一个装置，这个装置安装在套管口，水泥封孔时水泥浆和替浆水都可以从此处进去，封完孔后可以立即将套管口从内向外封闭，孔内液体不再外涌，保持相对静止，水泥浆可在裂隙内和要封堵段孔内凝固，达到封堵裂隙、加固孔壁的目的。
3.利用压力封孔
3.1方法及步骤
⑴水泥浆水灰比按0.5，水泥比重按3，水泥浆比重为1.8。
⑵如图3所示，为了安全起见，设计将水泥封堵至675.45米，即高于破碎层以上20米，计算需用水泥浆用量为：3.14×0.038m×0.38m×（733.0-675.45）m=0.262m3，实际封堵时水泥浆量按计算量的两倍考虑即0.524 m3，需水泥314.4kg，水628.8kg。
⑶自设计要封堵水泥位置顶部至套管口，计算替浆水量为：
3.14×0.038m×0.38m×（675.45-303）
+3.14×0.04m×0.04m×303.0m=3.211 m3
可按1.2的系数准备即3.85 m3。
图3 钻孔结构图
⑷加工单向密封接头（如图4所示）。
图4 单向密封接头示意图
⑸按设计水灰比搅拌水泥浆，水泥浆中可加入重晶石粉以提高泥浆比重和水泥强度，按水泥浆重量的3%加入水玻璃使水泥浆快速凝固，水泥浆要搅拌均匀；准备替浆水。
⑹在Ф89套管口放入Ф75橡皮球，在封孔时不至于水泥浆与泥浆混合离析水泥浆，另外还可使孔内泥浆全部排走。
⑺把单向密封接头下部与Ф89套管连接，上部与立轴连接；Ф89套管与Ф108套管之间、Ф108套管与孔壁之间要密封好。
⑻用泥浆泵依次泵送水泥浆和替浆水，水泥浆和替浆水在泵压作用下推动钢球下行，打开单向阀，水泥浆和替浆水依次进入孔内而无法上返，使得孔内压力随泵压的升高而升高，替浆水按计算量的1.1倍泵送，停泵后，钢球在弹簧的作用下上行，封堵单向阀口，相当于给液柱一个压力，这个压力使孔内保持稳定，水泥浆不再流动。
⑼水泥浆在压力的作用下流进裂隙通道，并与地下液体压力保持平衡，使得水泥浆在裂隙通道内及孔内凝固，起到堵漏和加固孔壁作用。
⑽水泥封孔结束24小时后，用钻杆探扫水泥柱强度，若强度可以则可透孔，若强度不够再停12小时透孔。
3.2封堵效果
封孔24小时后透孔将孔内水泥柱取出，水泥柱连续、完整、无冲沟，达到了封堵效果，如图5所示。封堵完成后，下钻钻进，破碎带由于水泥浆的侵入胶结完好，形成一个整体，不再掉块，孔口反水也正常，从而使该孔20天后顺利终孔，终孔深度1204.795米，见矿厚度15.78米，化验矿石品位30%左右，钻孔质量等级一级，达到了理想效果。
图5
4.结论
在该矿区已经完成的六十多个钻孔中，有三十多个钻孔在不同部位出现了类似于该孔的情况，采用该方法封堵后，均达到了满意的效果。该方法的实施使该矿区的钻进效率大大提高，节省了大量的人力、物理、财力，为各施工单位创造了可观的经济效益。
参考文献：
[1]黄汉任，等.泥浆工艺原理[M].北京：石油工艺出版社，1985.
[2]李世忠，等.钻探工艺学（下册）[M].北京：地质出版社，1989.
[3]刘希圣，等. 钻进工艺原理[M]. 北京：石油工艺出版社，1981.
作者简介：
冯军山（1976-），男（汉族），河南长葛人，河南省有色金属地质矿产局第四地质大队工程师，地质工程专业，从事钻探、岩土工程施工技术管理工作。