灌注水泥浆护壁堵漏方法的深化研究 钻孔护壁堵漏对水泥浆有哪些要求

灌注水泥浆是复杂地层钻进常用的护壁堵漏方法。地层坍塌到一定程度，单纯的泥浆已无法满足护壁要求时，通常需要采用水泥浆固结护壁，如：马坑铁矿ZK7924孔施工中，孔深218.41～277.68m，地层破碎，裂隙发育，出现掉块坍塌现象，采用水泥固结，取得良好效果。

灌注水泥浆固结护壁也是一项技术性很强的工作，必须精心操作，任何的麻痹大意、操作不当都将造成护壁失败，甚至引发严重的孔内事故。仍以马坑铁矿ZK7924孔为例：用Φ95mm绳索取心钻具自孔深324.59m钻进至438.28m时，因孔壁严重坍塌，采用优质泥浆起不到护壁效果，故用水泥固结法护壁，在孔深438.28m处灌注水泥10包（500kg），扫水泥剩1.5m时，换Φ95mm绳索取心钻具扫孔；因冲孔循环时间不够、孔内水泥渣过多、下钻速度过快等操作不当，发生重大埋钻事故；经过多种方法长时间处理无效，最后采用偏斜的方法绕开事故孔段，孔内残留Φ95钻具外管一套4.72m及Φ89绳索取心钻杆51.34m，共计56.06m。

针对灌注水泥浆固结护壁出现的护壁失败或效果差、扫水泥偏斜出新孔等主要问题，在马坑铁矿第四阶段的勘查钻探中，吸收国内相关研究成果与工程实践，开展了灌注水泥浆护壁堵漏方法的深化研究。

9.4.1 水泥浆液材料与配制

（1）水泥浆配比及材料

水泥浆液水灰比一般0.45～0.55，气温低时选择低值，气温高时选择高值。灌注水泥浆前要在地面做好小型试验（测定初凝和终凝时间、流动度、可泵期、抗压强度等），优选出合适的水灰比。

1）水泥：一般为32.5～42.5级普通硅酸盐水泥。对岩石细裂隙，可采用超细水泥（具有较好的渗透性能、较高的强度和较好的耐久性）。在满足强度要求下，可用磨细粉煤灰或粗灰部分替代水泥，掺入量一般为水泥质量的20%～50%，实际掺入量应经试验确定。

2）可掺加外加剂调节和改善水泥浆在灌浆时的流动度和可泵期。减水剂（分散剂）应尽量选用不降低水泥强度的“速凝型”品种。外加剂掺加量为水泥质量的百分比，见表9.12。

表9.12 常用掺加外加剂作用及掺加量表

3）配浆要用清洁淡水，其温度一般不要超过30℃。

（2）浆液的配制

水泥浆宜采用机械搅拌，搅拌机拌制能力必须满足需要。常用水泥浆搅拌机有：DC100型双桶立式灰浆搅拌机，NJ-500型或NJ-250型卧式搅拌机，泵射式水力搅拌机等。

1）浆液制备宜在灌浆前1h内进行。搅拌时间应小于浆液的初凝时间，一般时间不超过2min。使用减水剂时，应先将减水剂溶于水，然后再加入水泥浆中；添加氯化钠时，应在水泥浆基本和匀后再加入。

2）搅拌均匀后用钢丝网滤去硬块、砂等杂质，以免堵塞管路。不合格或自制备到使用超过2h的浆液不得使用；

3）浆液经充分搅拌后开始压注。在灌浆过程中，要不停地缓慢搅拌，不得在浆液稠化过程中加水。

（3）常用水泥浆液配方（表9.13）

表9.13 常用封闭漏失层裂隙的水泥浆液表（配方参考）

9.4.2 水泥浆灌注方法分析

水泥浆的灌注方法有孔口倒入法、双塞灌注法、钻杆送入法、钻杆注入+挤压法等（表9.14）。对于灌注水泥浆进行深孔护壁堵漏而言，应采用泵送法（包括一次灌注法、分段注入法、加压注浆法和充填注浆法），也可以用灌注器输送和导管注入。严禁从孔口直接倒入。

表9.14 灌注水泥浆的方法

9.4.3 利用钻杆泵灌水泥浆应注意的几个问题

（1）钻杆下入深度或位置

通过表9.15分析，建议采用钻杆灌注水泥浆时，钻杆应下至欲固结护壁或堵漏的孔段下方，同时采用以下措施解决灌注中可能出现的问题：

1）如果水泥浆漏失严重，考虑通过改变浆液配比解决，如添加纤维或其他增加流动阻力的材料。

表9.15 钻杆灌注水泥浆的方法选择与分析

注：混浆——水泥浆与泥浆混合，影响水泥浆质量，降低固结强度。

2）灌注后，提升钻杆时浆液向孔内回压问题的解决：灌注时，边注浆边提升钻杆至需灌注孔段的上方。

（2）一次灌注孔段长度的确定

一般针对钻孔各漏失孔段的情况分别进行，每一漏失孔段压浆封闭时间原则是钻穿该漏失层至完整孔段后开始。

一次灌注孔段长度应根据地层软硬情况、水泥浆凝固强度增长速度、扫水泥石工艺水平等综合确定。只有灌注孔段的岩层完整、强度可靠，才可长孔段灌注水泥浆。

在地层比较松软、破碎的情况下，应控制一次性灌注孔段的长度，一般不超过15～20m。否则，容易因扫水泥时间过长，使下部孔段水泥石的强度高于岩层而扫出新孔。

（3）替水量的确定原则

灌注水泥浆护壁时，采用水泵注浆法灌注，灌浆完毕应立即替入清水。替浆量应力求适当，将浆液压送到预定位置而又不被稀释，才能确保灌浆成功。替浆水确定原则是：压送替浆水、卸除主动钻杆后，钻杆内外液柱（水泥浆+泥浆）压力相平衡。

（4）水泥浆的可灌期和候凝时间选择

1）根据灌注孔段深度和灌注方法、工艺选择适当的可灌期。水泥浆的可灌期可用改变减水剂加量或水灰比的方法来调节。依经验，最小可泵期为：孔深≤250m为30min，孔深250～500m为40min，孔深500～800m为50min，≥800m为60min。

2）候凝时间以36～72h为宜，地层松软选用小值，地层完整可选大值。实践表明，候凝时间过短，水泥石强度不足，水泥与孔壁的固结体会因强度过小而受到破坏，失去堵漏或护壁的目的；过长，水泥石强度较高，易在松软孔段扫出新孔。

（5）扫水泥的措施要得当

1）扫孔内水泥石宜采用侧刃不锋利的全面钻头，最好是金刚石不取心全面钻头。尽量不用取心钻具钻取水泥石。

当采用钻具扫孔时，若扫孔钻具长度与原粗径钻具相近，上端宜带导正；若已透小眼，可在钻具下端带导正。

2）下钻要平稳，防止碰撞孔壁。

3）扫水泥时应轻压、慢转、较大泵量，钻速快时适当控制钻压。每扫一根单根后，要慢转冲孔5min左右，再提钻加杆。发现进尺异常要提钻检查。

4）扫完水泥石后，应用大泵量冲洗钻孔，送入孔内循环的冲洗液量不少于钻孔容积的3倍，以全面清除孔内悬浮的水泥渣。

（6）灌注水泥浆需注意的其他事项

1）按照灌注孔段情况，确定各种材料用量。

2）灌浆前必须充分冲刷孔壁上的泥皮。

3）灌浆前必须准备充分，分工明确，指挥统一，动作协调、迅速，全部浆量必须一次灌完。

4）泵完水泥浆后，必须立即泵入事先计算好的清水量，替出水泵、钻杆中的水泥浆液，并将水泵、送水管、钻杆冲洗干净。

9.4.4 提高水泥浆堵漏效果的思路与途径探讨

为了使灌注的水泥浆有效封堵漏失层中的裂隙、孔隙，阻断钻孔与地层之间的流动通道，必须在预定深度范围内形成具有一定渗透半径、较高强度的阻水带。

（1）基本思路

1）水泥浆浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走岩体裂隙、孔隙中的水分和空气后占据其位置。

2）水泥浆液能在漏失层的裂隙、孔隙中停留，并经一定的时间后与原松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成结构新、强度大、防水性能高和化学稳定性好的“结石体”。

（2）主要途径

1）对裂隙、孔隙小的漏失层采用压力注浆，其封堵机理可归纳为：渗透、劈裂、压密和固结等。

2）对裂隙、孔隙大的漏失层采用平衡或增阻（增加浆液流动阻力）灌浆，其封堵机理可归纳为：进入、留置和固结等。

3）保证注浆加固范围——浆液影响半径（有效扩散半径）：在最大限度地掌握钻遇地层裂隙发育程度的同时，准确测量钻孔内静止水位，合理确定封堵裂隙水泥浆用量。

（3）主要方法

1）封闭式压浆堵漏。采用专用机具封闭漏失层上、下孔段后，压送水泥浆至漏失层，并保持一定的浆液压力，使浆液渗透一定的距离。适用于封堵张性裂隙漏失。

2）岩溶裂隙压力注浆封闭。借助“帷幕灌浆”原理进行局部破碎、裂隙漏失带封闭，基本方法是泵送灌满欲封闭孔段后继续压浆。适用于裂隙、漏失孔段较长的情况。

3）水泥砂浆灌注法。主要采用水泥砂浆封堵较大的地下水力通道，适用于破碎、裂隙发育的基岩孔段封闭。

（a）探明破碎带孔段位置：根据钻孔钻取的岩心、钻进过程中冲洗液的漏失情况进行综合判断，确定破碎带的孔深位置、孔段长度及主要特征。

（b）按确定的漏失孔段长度计算封堵材料——水泥砂浆用量；

（c）下入绳索取心钻杆，将拌制好的水泥砂浆从孔口倒入钻杆内。

（d）倒入孔内的水泥砂浆达到封堵破碎裂隙带所需要的浆液量后，开泵压送替浆水。

4）纤维水泥堵漏。采用水泥浆堵漏，在裂隙性地层、洞穴或高渗地层中容易出现水泥浆漏失的难题。实践表明，当孔洞直径为5 mm时，水灰比0.5～0.55的纯水泥浆将会全部漏失。

纤维水泥浆由水泥浆加入长度9～12 mm的纤维制成。堵漏作用机理：纤维水泥浆通过漏失通道时，纤维在孔洞处形成封堵漏失通道的基本网状骨架，水泥浆中粗颗粒在通过网状结构时产生“架桥”，使漏失通道由大变小、由小变微。进而，防漏剂与水泥固相颗粒相互作用，并在压差的作用下形成致密滤饼、固结，从而完全消除漏失，达到堵漏目的。

当孔洞直径变小时，可以降低纤维加量或减小纤维长度；当孔洞直径变大时，可以增加纤维加量或加大纤维长度。

.强化稳定孔壁新方法主要包括黏土水泥浆封.

(一)惰性堵漏材料的品种
惰性材料,是指一般不起化学反应的无机或有机材料。如砂、砾石、黏土、矿渣、锯末及各种果壳、云母片、纤维素、纸片、棉籽壳等。惰性材料加到泥浆中可以起到加重、堵漏、增黏和润滑等作用。常用的有以下几类:
1.泥浆加重剂
主要是用来提高泥浆密度,要求是不起化学反应的惰性材料。
(1)重晶石粉
又称硫酸钡,它的分子式为BaSO4,分子量为233.4。纯品为白色粉末,含杂质时带绿色或灰色。常温下密度4.3～4.6g/cm3,硬度为2.5～3.5。粉末细度要求99.9%都能通过200目筛孔(74μm)。重晶石有轻微毒性,不溶于水、有机溶剂、酸或碱溶液,而只溶于浓硫酸中生成硫酸氢钡。重晶石粉是目前最好的泥浆加重材料。
(2)其他加重材料
有石灰石粉(密度2.2～2.9g/cm3)、方铅矿粉(密度7.5～7.6g/cm3)、磁铁矿粉(密度4.9～5.9g/cm3)、碳酸钡粉(密度4.28～4.35g/cm3)、菱铁矿粉等。
2.泥浆堵漏材料
为了钻孔中防漏和堵漏,可往泥浆中加入纤维状、片状、粒状的堵漏材料。堵漏材料要根据漏失通道的大小及形状来选择。其大小有几十微米至几十毫米不等。加入量由百分之几到百分之十几不等。还有具有膨胀性的堵漏材料。
(1)纤维状材料
有纸浆粕、短石棉纤维或玻璃棉、碎甘蔗纤维、碎木纤维、碎麻纤维、碎稻草或碎干草纤维等。
(2)片状材料
有碎云母片、碎赛璐珞玢片、鱼鳞片、塑料片、纤维片等。
(3)粒状材料
有碎棉籽壳、各种果壳、谷壳、碎皮革、膨胀珍珠岩、蛭石、塑料碎粒、硅藻土、蚝壳粉等。
3.无机惰性增黏剂
膨润土粉等可作为增黏剂,亦有将蛇纹石棉纤维作为适用于低固相泥浆的惰性增黏剂。
这种增黏剂可提高淡水或盐水泥浆的黏度,但不能控制失水,可增加泥浆的携带和悬浮岩粉能力,并具有抗钙、抗高温和在广泛pH值范围内保持稳定的特点。加入量0.5%～3%不等,视增黏要求而定。
4.无机润滑材料
加入泥浆中后可降低泥皮摩擦系数。增加泥浆润滑性能的材料有二硫化钼、石墨粉等,它们不会影响泥浆的其他性能。
(1)二硫化钼(MoS2)
它是银白色或浅灰色粉末,密度为4.8～5g/cm3,莫氏硬度为1～1.5。它是非磁性材料,但与金属有极强的亲和力。在68～400℃温度范围内,它有良好的润滑性,摩擦系数通常为0.05～0.09。并在一定范围内,负荷越大,摩擦系数越变小。泥浆中加入0.2%的二硫化钼即可减少摩擦,而不影响泥浆其他性能。
(2)石墨粉
它的化学成分是碳,密度为2.2g/cm3,莫氏硬度为1～2,摩擦系数为0.15～0.20,化学稳定性好,加入泥浆中的量为0.1%～0.3%之间。
(二)惰性材料堵漏方法
1.投黏土球的办法
采用投黏土球的办法进行护壁堵漏,是钻探工作中广泛采用的简便方法。这种方法的实质是利用黏土的黏结能力和不透水性,使其充填于孔壁地层的裂隙中,以达到防塌和堵漏的目的。这种方法简单易行,效果较好,多用于浅孔或较大直径的钻孔。对于小口径钻孔由于难以投球到底,不宜采用这种方法。
在黏土球中有时加入一些粒径和长度不同的惰性材料,如锯末、麻刀或其他纤维物质等。制成具有一定塑性的黏土球。为避免投入孔内时被水冲散,可在黏土球表面黏上一层胶质材料(如NacmC,PAM等)。
对于浅的直孔,黏土球可以从孔口投入;斜孔和较深的直孔,最好送入。投球后用钻具进行捣实或回转钻具进行挤压,将黏土挤入孔壁的裂隙中。这种方法由于不能固化,强度有限,而且黏土矿物易于分散和水化,在孔内压力不断波动的条件下,短期内有效。因此黏土球堵漏只是一种临时性的措施。
2.水泥泥浆堵漏方法
在较严重的裂隙、漏失、坍塌地层,可用一定量的标准泥浆,与普通水泥制成水泥泥浆;水泥加入量越大,凝固时间越短。孔浅时可直接由孔口灌注,孔深时可用泥浆泵注入孔内。
3.冻胶水泥浆
此种泥浆由水泥、惰性物质及水玻璃等组成。用于漏失较严重的钻孔中进行护壁堵漏,效果较好。其配合比为:
水泥∶黏土∶水=1∶2∶1.5
配制好后,由孔口一次灌注,灌注后一般候凝8h,然后钻穿水泥石,继续钻进。

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