化学凝胶堵漏剂在胶西北红布矿区的应用

田国亮

(山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队，山东 招远 265400)

0 引言

2017年，我队在莱州红布矿区施工了4个钻孔，其中有3个钻孔设计孔深未超过1300 m，另有一个斜孔(127ZK1孔)，设计孔深2100 m，倾角87°。由于该区域未打过1500 m以深的钻孔，所以缺乏1500 m以深的地层资料。在1420 m以深钻探过程中遇到全孔失返性漏失，经随钻堵漏、常规停钻堵漏及水泥封孔都未达到良好效果。岩粉难以携带到地表、地层破碎、斜孔等诸多因素综合造成孔壁失稳，给钻探工作带来了极大的挑战。

1 矿区地质情况

胶西北红布金矿位于焦家金矿田中段，矿区内围岩主要是玲珑型花岗岩和郭家岭型花岗闪长岩。构造解析表明，红布金矿主要形成于主断裂发生右行走滑的构造应力环境，其主压力方位大致为SWW-NEE，主压应力轴接近水平，含矿裂隙表现为张剪性质。其中焦家主断裂从矿区中部通过，呈舒缓波状展布，宽100～200 m，总体走向10°～40°，倾向北西，倾角30°～50°。河西断裂分布在龙埠村以北，河西村以南，带长2.5 km，宽达30～160 m，呈开阔的反S形展布。侯家断裂属焦家断裂下盘的又一分支断裂，自西良向南西在侯家村南与河西断裂交汇，长5 km，宽30～80 m，走向40°，倾向北西，倾角30°～40°。红布金矿地质简图见图1。

图1 红布金矿地质简图Fig.1 Geological map of Hongbu gold mine

2 127ZK1孔钻孔情况

2.1 钻孔结构

127ZK1孔设计孔深2100 m，倾角87°。该钻孔设计四级口径： 0～10 m(视地层完整情况可调整)，Ø150 mm硬质合金钻头开孔，下入Ø146 mm表套；10～500 m，S122绳索取心施工，下入Ø114 mm套管；500～1200 m，S96绳索取心施工，S76绳索取心钻至终孔。钻孔结构如图2所示。

图2 红布矿区127ZK1孔钻孔结构Fig.2 Drilling structure of 127ZK1 in Hongbu mining area

2.2 钻孔施工情况

钻至1420 m时，出现地层破碎，岩石裂隙发育(见图3)，返浆量50%左右，取心时从孔口加入PVA胶液，并在搅拌机里添加随钻堵漏剂。

图3 漏失地层岩心Fig.3 Core of leakage formation

通过以上措施，漏失量有所减轻，返浆2/3左右。因钻孔漏失造成钻杆和孔壁之间润滑度不够，阻力增大，钻机工作电流增高，时有憋车现象。为减轻钻杆磨损，需要在钻杆外壁涂抹润滑脂。常规操作为工人带着手套涂抹，既费时又费力，并且涂抹不均匀。为此，我们设计了油脂涂抹器，用于提下钻时在钻杆外壁涂抹润滑脂。经现场试用，钻杆外壁涂抹均匀，油脂附着力强。应用后，钻杆磨损减轻，电流降低，起到了明显的效果。

施工至1720 m时，出现失返性漏失，回次取心率不足50%，岩粉及脱落的岩心因无法返出而堆积在孔底，孔内阻力增大造成钻杆折断(见图4)、钻井液循环不畅引起烧钻(见图5)等恶性事故。

图4 断钻事故Fig.4 Broken drill pipe accident

采用水泥封孔，没有效果。对采出的岩心做浸泡实验，结果见图6。

图5 烧毁的钻具Fig.5 Burned drilling tools

图6 破碎地层岩心及浸泡结果Fig.6 Core of broken strata and soaking effect

分析地层特性及漏失特征，要求堵漏材料必须满足以下几种情况：(1)具有较强的架桥封堵能力，能有效地在漏失孔隙中通过架桥、连接、支撑、滞留等作用形成堵漏骨架，有良好的承压作用；(2)要有良好的韧性和胶结能力，提高孔壁稳定性；(3)其成胶时间及密度可控。

根据以上分析，我们试验了由中国地质大学(北京)研制的化学凝胶堵漏剂。

3 化学凝胶堵漏剂室内试验

3.1 化学凝胶堵漏剂的特点

化学凝胶是通过有机物和无机物合成，再经过一定的配比优化出强度高的配方。主要组成为：悬浮剂、激活剂、交联剂、成胶剂、堵漏剂和缓凝剂。 悬浮剂和激活剂主要是起到悬浮其他物质和调节密度的作用，同时辅助增加强度；成胶剂和堵漏剂反应形成化学凝胶的主要成分；交联剂使所有物质达到成胶时间时结合成为一个整体；缓凝剂用以延缓成胶时间。因此化学凝胶的成胶时间可控，成胶强度高。

3.2 化学凝胶的配置

堵漏钻孔深度为1718 m，其孔底温度约为50 ℃，我们配置不同加量的化学凝胶堵漏浆液，放入恒温水浴锅内50 ℃养护，测试其成胶时间及强度。

本次正交试验采用四因素三水平正交表[7]，以5%膨润土为基浆，来获得成胶剂(A)、堵漏剂(B)、交联剂(C)、悬浮剂(D)的优化掺量。A、B、C、D的水平值均以基浆为基准，设定A的水平值为10%、12%、15%；B的水平值为：5%、8%、10%；C的水平值为2%、3%、4% ，D的水平值为8%、 10%、12%(如表1所示)。选用L9(34)正交迸行试验，试验结果如表2所示。

表1 掺加剂水平值Table 1 Level value of additive %

表2 成胶时间及承压能力指标分析Table 2 Analysis of gelation time and pressure capacity index

根据极差分析，成胶时间最佳组合：A1C1D2B3，承压能力最佳组合A2C1B2D2。各组分推荐值为成胶剂(A)12%，堵漏剂(B)10%，悬浮剂(D)10%，交联剂(C)2%。

4 现场应用效果

4.1 前期准备

(1)配置前置白土浆。

本次堵漏拟堵孔段1636 ～1718 m，配置10%的白土浆液1 m3，计算公式如下：

W=V1ρ2(ρ1-ρ3)/(ρ2-ρ3)

式中：W——所需白土量，t；V1——所需配置的泥浆体积，m3；ρ1——所需配置的泥浆密度，t/m3；ρ2——白土密度(简化为2.0 t/m3)；ρ3——水的密度，t/m3。

(2)配置化学凝胶堵漏液。

计算所需堵漏浆液体积，本次计划封堵300 m。钻孔直径77 mm，代入公式V=πr2h，求得体积为1.40 m3。按先后顺序依次加入5%膨润土，10%悬浮剂，水化。加入12%成胶剂、10%堵漏剂、后加入2%交联剂；钻孔水位为200 m，则替浆高度为1216 m，钻杆内径为60 mm，计算替浆体积为3.43 m3。

(3)小口径绳索取心钻探堵漏增压装置的使用。

为了更好地达到密封效果，我们研制了钻探堵漏憋压装置(见图7)，该装置分别与钻杆和立轴连接，并且利用定位轴环来进行定位，利用锥形密封垫将钻杆外的外层环空隔离，更高的压力可以使得通过钻杆钻头流出的堵漏材料在更大程度上挤入裂隙里而不仅仅停留在钻孔的孔壁表面，可以明显提高封堵效果。

图7 堵漏憋压装置示意Fig.7 Schematic diagram of plugging and pressure-out device

4.2 施工过程

(1)下入光钻杆钻具至1716 m(漏点为1636～1718 m)。

(2)开泵大排量循环，使漏失通道充分打开。

(3)泵入前置液。

(4)泵入化学凝胶堵漏浆液1.40 m3。

(5)泵入替浆3.43 m3。

(6)起钻至安全位置1416 m。

(7)憋泵，观察起压情况，候凝24 h。

(8)留样，用于实验室模拟试验。

4.3 堵漏效果

经过24 h候凝，下钻扫孔，堵漏材料强度满足要求，并且与孔内大颗粒有害物质胶结较好，正常钻进时返浆量达到80%以上，堵漏成功(参见图8、9)。

图8 钻取的化学凝胶堵漏材料岩心柱Fig.8 Core of chemical gel plugging material

图9 凝胶与固相材料胶结情况Fig.9 Gel and solid phase material cementation

5 结语

(1)红布金矿区因其处在三个构造带交汇处，地层极其复杂，漏失层段多，漏失井段长，承压能力低，漏失通道对压力十分敏感。采用常规的堵漏措施达不到理想的效果。

(2)中国地质大学(北京)于培志教授及其团队研制的化学凝胶具有凝胶和桥接的双重功能，因其成胶时间、密度等可控，胶结能力强，承压能力可以达到8 MPa以上，在该矿区达到了良好的试验与应用效果，满足红布矿区施工需要。

(3)因其技术可行，操作简单，具有推广应用条件，对于解决深孔漏失有实际的经济意义。