水泥封孔技术在罗布莎科钻孔施工中的应用.pdf

7 0 西部探矿工程 2 0 1 3年第 3期 水泥封孔技术在罗布莎科钻孔施工中的应用 翟育峰 ， 陈师逊， 张英传 山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟 台 2 6 4 0 0 4 摘要 结合工程 实践， 对在复杂地层矿区施工， 采取水泥封孔堵漏护壁进行 了论述 ， 尤其针对深孔封 孔存在的输送距离长、 环状间隙小、 操作时间长等因素所产生的问题做 了相应的阐述 。 关键词 罗布莎科钻； 水泥封孔； 护壁； 坍塌； 替浆水量 中图分类号 P 6 3 4 ． 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 O 1 3 0 3 一O 0 7 0 0 3 1 问题提出 罗布莎科学钻孔为大陆科学钻探选址与科学钻探 实验先期预导孔 ， 对我国进一步开展大陆科学钻探及深 部钻探技术研究有着重要的意义。该矿区第四系分布 广泛， 为松散堆积层 ， 下部岩性多为砂岩、 板岩及千枚状 板岩， 夹灰岩透镜体等， 岩层破碎、 坍塌、 部分地层全孔 漏失 。同下套管工艺相 比较 ， 水泥封孔堵漏往往是既经 济有能有效地解决上述难题的施工措施。 2 水泥封孔相关计算 以罗布莎科学钻探二号孔 I S D一2钻孔为例， 钻孔 从 9 0 0 1 0 0 0 m存在多个破碎带， 成功地实施水泥封孔 后 ， 取得了显著效果。 2 ． 1 确定水灰 比。 并根据水灰比确定水泥、 水及添加剂 用 量 按照钻探 规范、 孔 深及操 作时 间考 虑 取 水灰 比 0 ．5。 每袋水泥用水量 ．2 7 5 O k g O ． 5 o ； z2 5 k g ； 每袋水泥搅浆量 2 5 I 5 0 ／ 3 ． 1 I 4 1 ． 1 3 I ； 其中 3 ． 1 为水泥 比重。 每米钻孔体积 L 一{D 孔 。 l m0 ． 7 8 5 9 7 。 X L 士 1 0 1 7 ． 3 8 6 I ； 其 中 9 7 为钻孔直径， 单位 mm。 每袋水泥封孔量 h 4 1 ． 1 3 ／ 7 ． 3 8 6 5 ． 5 7 m 封 1 0 0 m 钻 孔 需 水 泥1 0 0 ／ h l O O ／ 5 ．5 7 1 7 ． 9 袋 ； 充盈系数取 1 ． 3 5 。 水泥用量 1 ． 3 5 1 7 ． 9 2 4 ． 1 6 2 4 袋 水泥浆总量 Q 一2 4 X4 1 ． 1 3 9 8 7 ． 1 2 I 2 4袋水泥封孔量 2 4 Xh 2 4 5 ． 5 7 1 3 3 ． 6 8 m 用水总量 Q 一2 4 5 0 0 ． 5 6 0 0 L 添加剂用量 早强减水剂 2 4 5 0 2 一2 4 k g ； 三乙醇胺 2 4 x5 0 xo ． 0 5 9 ／ 6 0 ． 6 k g ； 食盐 2 4 5 0 1 一1 2 k g 。 2 ． 2 替浆水量计算 替浆水计算以水泥浆在钻杆内外静水压力平衡为 准 ； 由于封孔孔段比较深 ， 钻杆插入水泥比较多 ， 因此由 钻杆壁所占的体积需考虑到替浆水计算中； 另外有人认 为 浆液前峰出灌浆管底部即可提钻， 防止水泥浆液上 返到环状间隙过高而造成抱死钻杆的现象， 我们在此也 做计算说明。在封孔之前， 都要先送水至孔口返水， 保 证孔内正常， 灌浆过程孔 口一直返水， 因此可以认为静 止水位就在孔 口位置。同时为了安全起见 ， 采取异径封 孔 的办法 ， 即在 8 9 mm钻杆下部接 2 0 0 mj 2 『 7 1 ram 钻 杆作为封孔灌浆管 。 1 水泥先峰到达钻杆底部的替浆水量 见图 1 * 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 1 4 修 回日期 2 0 1 2 0 8 1 6 第一作者简介 翟育峰 1 9 8 4 一 ， 男 汉族 ， 山西晋城人， 工程师， 现从事钻探技术方面工作。 图 1 水泥浆先峰到底示意图 2 0 1 3年第 3 期 西部探矿工程 7 1 7 1 m m钻杆每米体积 1 一D 呐X l m L 士 0 ． 7 8 5 6 1 0 1 0 Xl 一2 ． 9 2 I 8 9 m m钻杆每米体积 。 l 一D 9 1 内l m一 0 ． 7 8 5 8 1 1 0 ～ 1 5 ． 1 5 L 替浆水量 锋一8 0 0 X 9 1 2 0 0 X 7 1 一Q 8 0 8 0 0 5 ．1 5 2 0 0 X 2 ．9 2 9 8 7 ．1 2 8 0 3 7 9 6 ． 8 8 L ； 其 中， j 2 『 7 1 mm钻杆 2 0 0 m， 8 9 mm 钻杆 8 0 0 m， 8 0 L为地表管汇容积。 以 7 2 L ／ mi n 的 泵 量 送 水，用 时 需 先 锋 一 3 7 9 6 ． 8 8 ／ 7 2 - 5 2 ． 7 3 mi n 2 水泥浆内外平衡时的替浆水量 见图 2 ／／ O 9 1 m m 钻 杆 ／ 水 泥 浆 ／ ／ ／ ／ 7 1 mm 钻 杆 ／ 图 2 水泥浆内外平衡示意图 7 1 m m钻杆壁每米体积 7 1 壁 一寻 D 2 7 1外一 D 7 1 内 一0 ． 7 8 5X 7 1 。 --6 1 。 1 0 一 1 ． 0 3 6 L 水泥浆 内外平衡时 X V 7 1 壁XQ L X， 即 1 ． 0 3 6 X 9 8 7 ． 1 2 7 ． 3 8 6 X X 一 1 55 ． 45 m 替降水量 V平 衡8 0 0 V 9 1 2 O O X V 7 1 8 0 8 O0X5 ． 1 5 2 0 0 --1 5 5 ． 4 5 2 ． 9 2 8 0 4 3 3 0 ． 0 9 L 以 7 2 L ／ rai n 的 泵 量 送 水 ，用 时 需 ￡ 平 衡 一 4 3 3 0 ． o 9 ／ 7 2 6 0 ． 1 4 rai n 3 从上面的计算可以看出， 水泥浆到孔底 和内外 平衡时的时间差为 △ ￡ 一 平 衡一 先 锋一6 0 ． 1 4 5 2 ． 7 3 7 ． 4 1 ra i n ， 只要保证灌替浆水的时候转车及严格控制 水泥的初凝时间 ， 可以完全避免水泥抱死钻杆事故 。另 由于本次封孔的水泥浆量 比较 多， 所 以时间差有些大， 对于少量水泥浆的封孔则 A t 会更小， 更不可能发生水 泥抱死钻杆事故。 3 保障替浆水量方法 替浆水量的多少直接关系到水泥的凝固效果， 替浆 水量过少则水泥会被环状间隙的水给稀释掉， 替浆水量 过多则提钻后水泥会被钻杆中的水给稀释掉 ， 同时 由于 压力损失、 充盈系数的存在使得替浆水与理论值有出 入， 所以控制好替浆水量是决定封孔成败的关键。 在计算好替浆水量以后， 我们可以采取下列几种方 法来保障替浆水量合适 1 固定容积量水法 在现场可以采取铁木立方箱、 水桶提水等固定容器量取替浆水， 此方法是最为准确及 最实用的方法； 2 水泵送水计时法 在送替浆水之前检查水泵工 作正常， 然后规定时间实测水泵送水量， 然后计算出替 浆水量以后根据送水泵量转换成时间来保障替浆水。 此法建议作为替浆水量的测定方法， 建议和方法一结合 使用来验证替浆水是否到位。 3 水泵泵压变化观察法 水泥浆前锋到达孔底以 后泵压势必会增高， 根据泵压变化可以判断替浆水是否 到底。此法也是结合方法一来更好地验证替浆水是否 到底 。 4 观察钻杆内水位 替浆水泵送结束后卸开机上 钻杆， 如果钻杆涌水， 有可能是替浆水多了 也可能是正 常的地层释放水压力 。根据水泥初凝时间， 在保证安 全 的前提下可以等水位稳定后提钻 。如果钻杆 内中空 ， 说明替浆水少了， 可以采取孔口灌水把钻杆灌满。提前 两个立根的时候如果钻杆内中空， 可以灌少量水至孑 L 口， 保证替浆水合适。 4 水泥灌注方式 对于水泥浆的灌注方法 ， 根据孔内的情况及孔深可 以采取以下方法。 4 ． 1 孔 口漏斗灌注法 孔 口漏斗灌注法 即加工一个漏斗状容器 形状可以 任意， 漏斗状易于灌浆 ， 用钻杆接箍扭到钻杆上， 然后 把水灰 比在 0 ． 3 5 ～0 ． 5的水泥浆通过漏斗灌入钻杆。 对于孔深较浅 5 0 0 m 以内 且漏水严重地层 地层 水位很低或者全孔漏失 ， 可以把水泥浆的水灰比减小 到 0 ． 3 5 ～o ． 4 之间， 水泥浆可以采取人工搅拌， 采取孔 口漏斗灌注的办法 。为 了保证水泥凝固后连续 ， 一定注 意灌注问隔不宜过大。此方法的优点在于水泥浆的水 灰 比低 ， 候凝时间短 ， 同时对于大裂隙地层能够很好地 渗入而不完全流失， 起到很好地固结孔壁的作业 。 4 ． 2 水泵泵送的方法 此方法为常规水泥灌注法， 对于 5 0 0 m以上钻孔使 用。 5 水泥封孑 L 情况说明 水泥封孔为我单位在罗布莎 L S D --2 钻孔施工提 7 2 西部探矿工程 2 0 1 3年第 3期 表 1 中在9 0 0 l O 0 0 m孔段封孔两次， 第一次封孔 效果不是很理想， 水泥在靠近孔底位置强度不高， 甚至 被稀释， 分析造成这种状况的原因可能是由于地下水压 力存在， 在替浆结束后水压力释放把水泥稀释； 第二次 封孔， 替浆结束后提上来 4 0 0 m钻杆后开始采取小泵量 送水， 使地层始终保持一定的水压力， 抑制地层水内涌 稀释水泥， 透孔时水泥封孔效果良 好。 6 需要注意的问题及建议 1 对于深孔灌浆， 为了保证水泥能连续灌注， 一定 提前检查好泥浆泵是否工作正常， 提前把水泥浆搅拌好 一 次性灌注。为了防止水泥浆 中杂质较多影响泥浆泵 正常上水， 建议用筛网筛一遍水泥浆。 2 水泥浆到预定位置、 停止供水以后， 如果泵压持 续很高， 需等泵压逐步释放后再卸开钻杆， 不要采取泄 压阀急速释放压力， 防止孔内岩粉倒吸堵死钻具造成水 泥浆在钻杆 内凝固。 3 为了能够充分地让水泥进入坍塌地层， 可以在 钻具下部接单管薄壁钻头透过坍塌段一定深度 以后再 灌注水泥浆 如果不憋车、 憋泵的话 。 4 添加剂的加量要控制， 添加剂过多或不足都不 能使水泥达到预期的效果。 5 为了防止发生水泥凝住钻杆事故， 一定现场测 定好水泥的初凝时间 留样 ， 并严格控制封孑 L 时间， 在 送替浆水的过程中一直转 车至提钻 为止 。并时刻关注 泵压表变化 ， 出现异样 马上处理 。 6 深孔封孔由于地层水压力的存在， 水泥浆在封 孔结束后势必会被地层中析出的水给稀释， 造成水泥面 上移， 为了防止透孔时发生钻杆因水泥面上移造成水泥 埋钻事故 ， 下钻应预留几个立根冲孔。 7 对于地下水活动剧烈 涌水现象严重 的地层封 孔 ， 地下水势必会稀释水泥 ， 达不到预期的封孔效果， 对 于这样的地层在封孔结束后可以考虑在孔 口安装简易 密封装置， 同时用泵在孑 L 口往孔 内注水 ， 使孔底有一定 的压力 ， 把水泥浆往地层 内压 ， 从而减轻地下水对水泥 的稀释 。此法我单位在新疆施工 中使用， 取得了很好的 效果。 参考文献 E l i 武汉地质学院， 等． 钻探工艺学 中 E M] ． 北京 地质出版 社 ， 1 9 8 1 ． I- 2 - 1 乌效鸣， 胡郁乐， 贺冰新， 等． 钻井液与岩土工程浆液[ M] ． 武汉 中国地质大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 9 1 中色地字第 0 8 3 1 号． 有色金属地质岩心钻探技术规 程E z 5 ． 1 9 9 1 ． [- 4 - ] D Z ／ T 0 2 2 7 --2 0 1 0 地质岩心钻探规程[ s ] ． 2 0 1 0 ．