浅谈小口径钻探无架桥物水泥封孔技术.pdf

L o W C A R B o N W0 R L D 2 o l 5 ， 4 能源 地矿 浅谈小口径钻探无架桥物水 泥封孔技 术 晏小春 安徽省地质矿产勘查局3 2 6 地质队， 安徽 安庆 2 4 6 0 0 3 【 摘要】 根据水在密闭容器里不可压缩的理论， 无需采用木塞等架桥物进行封孔， 可直接下入钻杆至预定封孔孔段， 进行水泥封闭， 实践中获 得成功 ， 从 而改变了架桥物在孔 内常常遇阻送不到预定位置等缺陷。 【 关键词】 水是不可压缩； 架桥物； 水泥封孔； 护壁与堵漏 【 中图分类号】 P 6 3 4 ． 8 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 2 0 9 5 2 0 6 6 2 0 1 5 1 0 0 1 5 3 0 2 随着深部找矿及矿 区外围找矿 工作 不断加 大 ．钻探 也从 过去 的浅孔 、 中深孔向深孔、 特深孔勘探延 伸。钻孔逐渐加深 地层 也会 遇到 意想不到的复杂地层 ， 如 风化 、 松散 、 破 碎 、 坍 塌 、 漏失、 超径、 缩径等地层 ， 给钻探施 工带来困难。常见的坍 塌 、 涌漏等地层通 常采 用水泥封 孔来达到治理 目的 ． 浅孔也可 直接 下套 管隔 离， 但 深孔 下套 管隔 离， 劳动 强度 大 ， 生产 成本 高， 不可取 。实际深孔钻探遇到坍塌 、 涌漏等地层 大多是 采用 水泥封孔 ．以往封 孔办法首先将木塞送入预定封 闭位 置进行 架桥 ， 再 灌注水泥浆液进行封孔。 一般 木塞直径小于钻孔 直径 2 ～ 4 mm， 木塞 中间对角打有 3 ra m 左右 的小孔． 穿细钢 丝绳 ． 增 加 下滑阻力， 使木塞在孔 内不易游走 。 往往 钻杆在压送木 塞过 程 中会遇 到孔 内探 头石 或掉 块等情况 ．木塞难 以准确送到预 定位置 ， 还需通过钻 具扫 穿掉块使钻 孔畅通 ， 如此 反复 ， 大大 地 增 加 了工人 们 的 劳动 强度 及 辅 助 时 间 。 我 们 在 钻 探 实 际 工 作 中通过 不断摸 索总结 ． 反复尝试 ． 根 据水在密闭容 器里不可 压缩 的理论 ， 无需采用木塞等架桥物进行封孔 ． 可直接下入钻 杆 至预定封孔孔段 ， 进行 水泥封闭 ， 实践 中获得成 功 ． 从 而改 变了架桥物在孔 内常常遏阻送不到预 定位 置等缺 陷。 1无架桥物封孔原理 根据水在 密 闭容 器里是不 可压缩原理 来达到封孔 目的 钻杆 下到预定封孔位置进行水泥 注浆 ．钻杆 与孔壁 间环状间 隙小 ． 当 水 泥 浆液 排 出钻 杆 底 部 瞬 间 填 充 到 环 状 间 隙里 ． 阻断 钻 杆 底 部 以下 的 水 与 水 泥 浆 液 相 对 运 动 ，再 依 据 水在 密 闭 容 器里不可压缩的理论 ．水泥浆液在泵压力或浆 液 自重作 用下 向上返 出， 直 至注浆 完毕。 随 着时间不断延长水泥浆液稠度 渐 渐增 大、 候凝 时间逐渐缩短 ． 此 时水泥浆液相 当于软胶 塞 ， 在 密 闭 孔段 里 水 泥 浆 液 不会 向 下 流 动 ．从 而 快 速 起 到 水 泥封 闭 孔段 目的 。 2 水泥护壁与堵漏机理 岩 芯钻探使 用水泥采用高标号普通硅酸盐水泥 。其优 点 是 候凝 时间短 ， 早期 强度高 ， 耐久 ， 初 、 终凝时 间间隔短 ， 水灰 比可调幅度 大， 结块过 程 中体积不收 缩并略有膨 胀 ， 货 源广 、 无 毒、 无污染 、 使 用 简单成效 高等优点 ， 这 些性能在地 质钻探 中得 以充分利 用。水 泥的凝 结硬化过程 ， 是水 泥与 水混合后 ． 在水泥浆 的凝结与硬化过程 中，发 生化 学反 应和物理状 态的 变化 。 按 习惯将 水泥浆 的凝 结硬化过程分为 3个时期 溶解期 准备期 、 胶化期 凝 结期 、 结晶期 硬化期 。在钻探 施工过 程 中， 难免会遇到破碎 、 垮塌 、 裂隙漏失地层 ， 我们就是利用水 泥 的水化 ． 凝 结硬 化的物理 化学 变化过 程 ． 对裂 隙、 破碎 地层 的胶结硬化 ． 起到 了护壁 与堵 漏的作 用。 3 水泥封孔有关计算公式 3 ． 1封闭孔段水泥用量计算 主要根 据灌注孔段 的孔径和预计灌 注的长度 而定 V 0 ． 7 8 5 KD2 h ， L 式 中 V一 钻 孔 容 积 L ； K一 附加 系数 ， 一 般 取 1 ． 2 ～1 ．6 D 一 为 钻 孔 直 径 mm h 一 为灌 注段长度 IT I 3 ． 2 干水泥用量计算 配制 1 L水 泥 浆 的 水 泥 用 量 Q 水 泥 y 水 ／ 水 m y 水 ， k g 式 中 一 水的比重； * ；尼一水泥比重， 常用 3 ． 1 ； m一 水 灰 比 。 3 ．3 水泥用量、 水用量计算 水 灰 比 m G ／ G m 式 中 m 一 水灰比 G 一 用水 重量 ， k g ； G* 一 水 泥 重 量 ， k g 。 3 ． 4 返水孔替浆水用量计算 用一定数量的清水压送水泥浆 ． 保 证压送到预计孔段 ． 压 出钻杆底部 的浆液上返 高度与钻杆 内浆液 高度 基本相 一致 ． 以此得 出替浆量经验计算公 式 Q V 1 V 2 K 式中 Q 一 压送孔 内替 浆量 L ； V 一 钻杆柱容积与地 面管道容积之总和 L V 一 灌 注 水 泥 浆 的体 积 L ； K一 压 送 水 的 系数 ． 如 果 钻 孔 口径 7 5 mm． 使 用 b 5 0 mm钻杆时 ， 钻杆 内径及 环状 间隙大 ， 液 柱压力 易平衡 ， 取 K 值 为 O ． 4 0 ． 5 V2 r 】 mr 2 V／ r l r 2 式 中 1 -1 一 水 的 比 重 r ， 一 水 泥 比 重 m一 水 灰 比 V一 每 袋 5 0 k g 水 泥 的体 积 L 。 3 ． 5 不返水孔替浆水用量计算 就 是 用 以上 返 水 孔 替 浆 水 用 量公 式 再 减 去 不返 水 稳 定 水 位 钻 杆 孔 段 容 积 。 即 Q v 广V 2 K V 3 式 中 V 一 稳 定水 位 深 度 钻 杆 柱 容 积 L 。 4 水泥封孔技术 4 ． 1破碎、 垮塌、 超径岩层返水和不返水水泥封孔替 浆用水量 钻杆 下到预定位置进行水泥封孔 ， 注浆 完毕后 ， 替浆用水 量的计算是关键 ．计算 多了封孔 水泥浆液会被 孔 内冲洗液稀 释 。 少 了封孔 水泥浆液封不到位。 返水孔替浆用水量是用上述 公式 Q V 广V 2 K计 算替 水量 ， 不返 水钻孔 替浆用水量是用上 述公 式 Q V 1 一 V 2 K V 3 计算替水量 。 在钻探 实际封孔 中， 往往 在 不返 水 的 钻 孔 中会 忽 略 减 去 稳 定 水 位 钻 杆 内孔 段 容 积 ， 就 会 出现 下面公式所表现的情况。 l 5 3 凸 _ ] 正 0 ，＼ z0∞ u 0_ 1 剖替出一 能源 地矿 L 0 W C A R B o N Wo R L D 2 O l 5 ， 4 式中 是指 注浆液在钻杆 内容积与钻孔 直径和钻杆 外径 之 间环 状 容 积之 比值 值 是 不 定 量 ． 它是 随 钻 孔 直 径 和使 用 的钻杆 直径不 同而变化 ． 入值表 示钻 杆 内的水泥浆 液每 下降 1 m。 钻杆 外的环状容积 内的水泥浆液就会上升 N米， 一般 S 7 1 绳索钻进是 1 5倍 。 5 0钻杆一般是 1 0 ． 5倍。在深部 钻探 中 往往使 用绳 索钻进 ． 稳定水位低 ． 封孔一般 采用绳索钻杆做 导 管注浆 ． 不返 水钻孔如 忽略减去稳定水位钻杆 内空段容积 ， 多 注 了 N 米稳 定 水位 钻 杆 内孔段 容积 浆液 ，浆 液 出钻 杆 上 返 到 环状间隙容积就是 N 5倍 ． 提 钻时水泥浆液极 易被 钻杆 内的 替浆液稀释 ， 再者水泥浆液埋住钻杆 太长容 易造成 糊钻 ， 如 不 及时采取措施 。 随着水 泥的终凝钻杆将 无法处理 。 4 ． 2 漏失地层水泥封闭 钻 进 中如 遇 到 微 裂 隙或 小 裂 隙 可采 取 随钻 堵 漏 ． 节省 辅 助时间 一般是在 无固相或是低 固相 冲洗液 中加入 一些惰性 材料 ， 如 锯木屑 、 稻壳、 花 生壳、 纤维丝等材料 ， 从孔 口注入 再 用泵压送 ， 泵压表 升高证 明堵漏成功返 水 ， 继续钻进 ， 如 不返 水需使用水泥封堵 漏失地层根据 孔深．水灰比一般 控制在 5 0 ％左右， 水泥可泵期控制在 2 h甚 至更短。为缩短候凝 时间， 每 包水泥浆 中加入 1 ％氯化钠 、 0 ． 1 ％三 乙醇胺等早强剂。在岩 溶发 育岩层 中钻探 ． 往往会遇到 大小不一 的溶 洞， 深部钻探下 套 管隔 离成本 大、 费时 ， 实际钻探 施 工中 ， 大都是采 用水泥封 闭． 为防止水泥浆液大量漏失。 往往在原水泥浆液配 比的基础 上每 包水 泥 再 加 入 2 ． 6 ％ 的 水玻 璃 速 凝 剂 ． 同 时加 0 ． 1 ％纤 维 丝 ． 水玻 璃 的 加 入 凝 结 时 间 可 缩短 3 0 ～ 4 O ％ ． 纤 维 丝 的 加 入 起 到拉 筋作 用 ． 不使 水 泥 浆 液 快速 漏 失 ． 大的 溶 洞 要 经 过 几 次水 泥封 闭才可堵 漏成功。 在使用水玻璃溶液时． 应注意一些有 关 事项 ， 一般是 5 0 ％水泥浆液搅拌均匀后 再加入 水玻 璃溶液 ， 此 时 水 泥 浆 液快 速 稠 化 、流 动 性 能 迅 速 变慢 ， 泵 注入 水 泥 浆 液 时 ， 莲蓬 头要 专 人 不停 疏通 ， 以 防 水 泥浆 液结 块 。水 位 低 钻 孔 ， 也可孔 17 漏斗注浆 ．注浆完毕再迅速合 车泵入 事先计 算好 的 替 浆 量 ． 不可 有 空 气 混入 。 4 ． 3 不同孔段连续水泥封孔 在 实际钻探施 _T - 中 ．冲洗液在钻进 中会遇 到多处不 同孔 段 的漏失 ， 在孔 内岩粉 不 多、 水源充足 的情况下 ． 往往追 求孔 深 ， 顶 漏钻 进 ， 但 大 多钻 孔 还 是 孔 内岩 粉 多 ， 阻 力 大 ， 需 水 泥 封 孔 。 由 于盲 目进 尺 ， 孔 内 多 出漏 失段 难 以 准确 判 断 ． 只 能 从 岩 芯裂隙上做 简单判断． 封孔 可 自下而上逐级封 闭漏失孔段 ． 无 须架桥 ， 钻杆 直接 下到 最下端所 需封 闭位置 ， 注浆完毕后再提 到第二段预计封闭位置注浆 ，完毕后再提 到第三段预计封 闭 位置 ， 以此类推 。 应该注意的是 ． 钻具在透水泥芯时 ． 往往发现 最上部的水泥不在预定的位置 ．下沉或是水泥不成型 ．呈糊 状、 块状 ， 原 因就是水在密闭容器里不可压缩原理作 用。单凭 观察岩石 裂隙是难 以准确判断不 同孔段漏失位置 ．水泥浆液 在连 续注浆时， 根 据连 通器平衡 原理 ， 上 面的浆液在 自重作 用 下， 向下和水做 相对互混运动至未发 现的漏失裂隙 ． 再有 下一 级孔段封 闭浆液还没有完全终凝 ， 还在 流动的情况下 ． 上 面的 罩 封闭浆液也会向下和水做互混运动， 致使水泥浆液呈糊状、 块 状。此情 况在 以往钻探 多次封孔 中孔 内还是返水 ，但返 水不 要 大， 水泥堵漏还是起 来一定作用。实际钻探 施工 中不能一味抓 罡 进尺 ， 不及时封孔反倒延 长辅助 时间， 台效低 ， 不可取 ， 遇到 漏 失应 及 时封 闭 在 钻 孔 中 出现 不 同孔 段 破 碎 、 坍 塌 岩 层 ， 封 孔 方 法 同 上 ． 也 可 自下 而上 逐 级 封 闭 所 需 孔 段 ，钻 杆 直 接 下 到 所 需封 闭位 置， 无须架桥 。钻具在透 穿上一级预计封 闲孔段 时， 钻具会急 粤 剧 下 降 ， 可 直接 放入 下一 级 水 泥所 需预 计 封 闭位 置 ， 以此 类推 1 5 4 5 水泥封孔注意事项 1 水泥封孔是一项 紧张有序的工作 ， 各施工环节都 必须 紧密配合 ， 有条不紊 ， 稍有疏 忽就会 导致封孔失败。钻杆 下到 预 定位置 时． 首先 清泥浆洗孔 ， 使 孔 内冲洗液通道 畅通 ， 泵压 正 常 ． 再 配 制 水 泥 浆 2 泵灌 注水泥浆过 程 中， 莲蓬 头不可漏 出水泥浆 面 ， 待 水泥浆液注完后 ， 莲蓬 头快速放入 准备好 的替浆水 中， 各 环节 配合要井井有条 ． 空气决不 能混入 水泥浆液 中， 因空气在较 小 的密 闭容器 中空气体积微压缩或 忽略 不计 。如 果在 注浆和替 浆过程 中混入大量空气 ， 相 当于假 的注浆体积 ， 根据 上述公式 值得 知 ．如 S 7 1绳索钻杆封孔 ，钻杆 内的空 气体积每 下降 l m．钻杆外的环状间隙水泥浆液就会 上升 5 m， 5 0钻杆上升 0 ． 5 m．人为地造成钻杆水泥浆液埋深 过长容易 出现糊钻埋钻 事故 。 3 目前 深部钻探 采用 S 7 l mm绳 索钻杆钻 进 ， 遇 到钻孔 内岩粉较 多． 无泵钻具难 以抓干净 ， 封 孔钻杆底部要 变小一径 钻杆 ， 如 5 0 、 5 3钻杆 ， 长度要大于 2倍预封孔段 长度 ， 这样封 闭 孔 段 环 状 间 隙 大 。 泵 压 低 ． 水 泥 浆 液 上 返 速 度 快 ． 夜 柱 压 力 容易平衡 ， 提钻时钻杆不易抽吸水泥浆液 ， 使之水泥封孔到位。 6 结 语 小 口径钻探 无架桥 物水泥封孔在我 队钻探施 工中得 到 了 广 泛 应 用 及 推 广 ． 可 直接 下钻 杆 准 确 快捷 封 闭 预 定 孔 段 。 又 可 连 续 封 闭不 同孔段 所 需 位 置 ． 大 大 地 减 少 了辅 助 时 间 ． 减 轻 了 劳动 强度 ． 提 高了钻进效益 ， 是 水泥封孔技 术的突破 。 参考文献 【 1 】 钻探 工程学 上册 ． 中国地质 大学出版社 ， 1 9 8 7 3 ． [ 2 ] 潘小志． 小孔径水泥封 孔和造斜技 术探讨． 能源与环境 ， 2 0 1 1 6 收稿日期 2 0 1 5 3 2 2 作者简介 晏小春 1 9 6 4 一 ， 男， 工程师， 探矿工程专业， 从事探 矿技 术与管理 工作 。