地质钻探堵漏新技术的应用

郭冬冬

（中国建筑材料工业地质勘查中心黑龙江总队， 哈尔滨 150040）

1 引言

地质钻探是一项重要的工作。此项工作的复杂性高、专业性强，因而在地质钻探工作中，地层漏失的出现频次相对较高。这一问题如若得不到及时有效的处理，将会打乱钻井液的循环作业，孔内压力的平衡状态被打破，所引起的钻井事故更会引起严重的人员伤亡和经济损失。现阶段，随着地质钻探方面的技术越发成熟，市场上出现了越来越多的堵漏新技术。这些新技术的出现，对预防地层漏失现象有着重要的作用，未来有着巨大的发展潜力。

2 漏失地层分类及特点

2.1 渗透性漏失

对地质钻探工作中的渗漏性漏失现象进行分析发现，当发生渗漏性漏失问题后，在井内压差的影响下，钻井液会陆续漏入岩层孔隙中，从而生成一定的泥饼，可以对漏失起到一定的抑制作用。与其他类型的地层漏失现象相比，渗漏性漏失的漏速相对较慢，一般不超过10 m3/h，钻井液池的液面下降相对缓慢。

2.2 裂缝性漏失

裂缝性漏失现象同样是地质钻探中出现频次较高的一类漏失问题。根据其形成原因，裂缝性漏失又分为地层自然裂缝和钻井液压力作用所引起的地层裂缝。对于很多自然裂缝发育地层中的钻井，钻井液漏失问题将无法避免。每个钻井都存在其各自的特殊性，使得钻井液漏失程度存在着明显的差异。如果地质钻探作业是在破碎地层中开展的，出现井下憋跳、钻速加快的现象相对较多，而这些现象出现以后也将伴随着井漏问题的出现。地层破裂所引起的漏失问题，一般在天然裂缝分布少、渗透性差的地层中最为常见。这一漏失情况下，漏失压力等同于破裂压力[1]。与其他类型的地层漏失现象相比，裂缝性漏失的漏速呈现出不均匀性，一般保持在20～100 m3/h 范围内，钻井液池的液面在较短的时间内下降明显。

2.3 溶洞性漏失

溶洞性漏失问题从根本上来看，是溶洞性漏失地层所导致的钻井液漏失问题所引起。此类漏失现象在灰岩地层中更为常见。当地质钻探工作中遇到了溶洞时，可能会出现钻具放空的情况，甚至在一些严重的情况下出现钻井液失灵的问题，导致钻井液只进不出。有关调查显示，溶洞性漏失情况下，漏速一般超过了100 m3/h，引起的井漏问题非常严重。

3 钻孔漏失问题产生的原因

3.1 客观原因

地质钻探工作中的钻孔漏失问题较为常见，这一问题所引起的地质钻探问题非常突出。相关研究表明，引发钻孔漏失现象的原因非常多，但总体上包含了客观因素和主观因素。从客观性角度出发，钻孔漏失问题在很大程度上是地质钻探现场的地质水文条件所引起的，再进一步细分，岩层内孔隙环境、溶隙性环境、裂隙环境或者上覆岩层含水等，都会在一定程度上引发钻孔漏失问题。因此，在地质钻探工作推进的过程中，为了提升工作成效，应在前期的工作中全面做好调查，详细了解地质钻探现场的地质水文条件，制订切实可行的地质钻探方案。比如，以某煤田为研究对象，此煤田现场属于奥陶统峰峰组，地层厚度在245 m 左右，包含了石灰岩、白云质灰岩、局部泥质灰岩、石膏层；下二叠统山西组地层厚度约为70 m，其中，分布有泥质岩、石灰岩、砂岩与煤层；中二同上石盒子组厚度达520 m，包含砂岩、泥岩与砂质岩，在地质钻孔作业中，岩石孔隙和裂隙发育明显，加剧了钻井液漏失。

3.2 主观因素

主观因素同样是引起地质钻井钻孔漏失的一大原因，这些主观因素更多的是由人为因素。在地质钻孔作业中，冲洗液种类、钻头类型、冲洗方法、钻孔工艺参数、钻进速度等的选择和设置是否合理，将会影响钻探作业的效率和效果。如果在地质钻探时缺乏相应的分析与调查，可能会导致地质钻探时面临更多的问题，提高地层漏失的发生概率。在某些地质钻探作业进行中，泥浆配合比设计和性能与现场地层之间不匹配，提高了地层漏失的出现频次。针对主观因素所引起的地层漏失问题，为达到地质钻探的预期效果，一般可以通过科学的控制来实现主观因素的控制，避免主观因素引起的地层漏失。

4 钻探孔冲洗液的主要危害

地质钻探作业开展中，钻孔是其中的重要工序。一旦在钻探作业中出现孔内漏失的问题，将会加剧钻探孔冲洗液流失现象。这一现象在地质钻探中的出现频次较高，产生的危害也相对较大，不仅会干扰正常的地质钻探进度，更会导致地层的稳定性降低，使得在地质钻探作业中出现崩塌、掩埋等事故的概率会有提高[2]。此外，钻探孔冲洗液同样会对加剧地下水的污染，如果在地质钻探作业现场分布有充沛的地下水资源，岩层裂缝会成为冲洗液的渗流通道。通常，当钻探孔冲洗液向含矿、含水的地层流动时，对现场水文环境的不利影响非常大，水文化学环境的稳定性无法保持原状。开采作业进行时，一旦钻探孔冲洗液进入地下水层内，因为地下水本身存在自身的天然流场，再加上人工抽注操作的干扰，使得溶液在开采范围内也同步流动，并呈现出向外扩散的趋势，地下水污染范围在此过程中被逐步扩大。

5 地质钻探堵漏新技术的研究

5.1 高强度快失水堵漏技术

高强度快失水堵漏技术的出现与应用，对解决漏失问题非常有效。从技术原理的角度来分析，高强度快失水堵漏技术应用时，需配置特定的堵漏液。这些堵漏液在地层孔隙内产生一定的压力，但因为快速失水特性，堵漏材料在钻孔内形成了高强的致密堆积物并快速实现对裂隙与孔隙的封堵处理，从而达到了良好的堵漏处理效果。如果在地质钻探工作中面临的是宽度为5 mm 以内的孔隙或者裂隙，就可以采用这一堵漏技术。高强度快失水堵漏技术应用时，尤其要重视快失水堵漏剂的配制，这一材料的调制结果将会关系到堵漏效果。为提升堵漏处理水平，相关人员应选取对应的拉筋材料、架桥材料、助滤剂等，经由正交试验结果的分析来确定相应的配方，在机械复合、机械活化处理等多种方式下，实现快失水堵漏剂的高性能。

5.2 高强度化学触变堵漏技术

化学触变堵漏技术对地质钻探中的地层漏失控制有着一定的作用。其技术原理为：堵漏时利用化学触变剂，经由科学配置以后，溶液存在剪切稀释作用，属于黏稠性较强的溶液，在该溶液进入地层孔隙以后，可以将漏失通道中的水完全驱走。在利用高强度化学触变堵漏技术开展堵漏作业的过程中，一旦无机触变材料与化学触变剂直接接触，就会立即发生明显的状态转变，转变为不溶于水的凝胶状态，流动性丧失。在利用这一技术开展堵漏处理时，首先应结合相应的标准来配制相应的化学触变剂，将配制好的溶液注入漏失地层中，随后再在地层内注入一定的无机触变剂。这种注入流程的实施，使得聚合物体系可以停留在漏失通道内并加以固化，进而对漏失通道起到封堵的作用[3]。

化学触变堵漏技术要点主要有以下方面：科学进行化学触变剂的选择或者调配，以保障其性能；加强无机触变材料的研发，因为在该堵漏技术下，无机触变剂是作为交联剂而存在的，当遇到聚合物体系以后，无机触变材料必然面临着交联固化的问题，在配备时应做好无机材料、促凝剂等的性能对比；开展相应试验，保障各个技术参数的合理性；在地质钻探过程中应先确定漏失孔段的深度和长度，再对触变材料用量加以科学计算。

5.3 溶胀型随钻堵漏技术

与其他的堵漏技术相比，溶胀型随钻堵漏技术在应用时对堵漏材料的依赖性非常大，必须保障所使用的堵漏材料具有延迟膨胀的特性。这一堵漏材料在进入地层漏失通道以后，呈现出明显的吸水膨胀特性，紧紧留于该通道中，有效发挥了该材料抗压性能优势，使得孔壁的承压能力得以提高，使得堵漏范围也有所扩大。

在溶胀型随钻堵漏技术的应用中，由于采用的堵漏材料相对特殊，在对漏失通道堵漏处理过程中，主要利用的是自由基聚合原理和交联反应原理，当出现单体聚合反应时，通过交联反应剂的添加，使得原先为直链的聚合物经由连接以后形成了空间网状结构。通过控制交联度，也就有效控制了膨胀体的膨胀率、膨胀时间和强度等。在溶胀型随钻堵漏技术中，填料在其中起着支撑剂的作用。正是因为填料的使用，使得材料强度和韧性都得以提升，在挤压的过程中出现明显的拉伸与受压[4]。为使得溶胀型随钻堵漏技术能够得到极为有效的应用效果，在该技术应用时，应做好对溶胀型随钻堵漏材料的性能评估。以801 堵漏剂和单向封堵剂作为样品，其试验结果见表1。

从表1 的分析可知，溶胀型堵漏材料在表观黏度、塑性黏度、API 滤失量、封闭时间、封闭滤失量方面都远远低于801堵漏剂和单向堵漏剂，但其承压强度却相对较高，在河北莲花铁矿、北京西郊某地应力监测钻探作业中的应用效果突出。

表1 堵漏试验结果

5.4 成膜钻井液技术

成膜钻井液技术中，钻井液表现出明显的半透膜性能，从而在井壁中形成致密的隔离膜，对地层缝隙起到一定的封堵作用。因此，成膜钻井液技术的这一特征使得地层水化膨胀现象得到了一定的抑制，减少了在地质钻探中的井壁坍塌事故。由于成膜剂的性能直接影响堵漏效果，因此，在利用该堵漏技术进行堵漏处理的过程中，应加强对成膜剂的质量控制和性能选择。在成膜剂的性能评价方面，利用二次滤失量来对成膜效应加以准确评估，而在成膜剂抑制性能的评价方面，可以直接用抑制黏土造浆率和岩屑回收率来反映。

6 结语

地质钻探工作中，地层漏失是影响钻探工作顺利进行的主要问题。工程人员应该针对地层漏失问题所产生的原因，采取恰当的堵漏技术。虽然地质钻探堵漏技术迎来了崭新的发展，但未来发展中还需要不断实践，加强新技术的研究与应用，以便更加有效地解决地质钻探中的漏失问题。