淺論水泥封孔堵漏在繩索取芯鉆探中的應(yīng)用

1、2009NO4ISSN1672-9064CN35-1272/TK陳智新（福建省東辰巖土基礎(chǔ)工程公司福建福州350005）淺論水泥封孔堵漏在繩索取芯鉆探中的應(yīng)用作者簡介：陳智新，男，1989年畢業(yè)于浙江長興煤田地質(zhì)學(xué)校，現(xiàn)任福建省東辰巖土基礎(chǔ)工程公司泉州分公司經(jīng)理，鉆探工程師。福建省煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是主要含煤地層下二疊系童子巖組巖性較粗、巖屑和石英含量較高，且軟硬交互頻繁，變質(zhì)程度高，褶皺強烈、斷裂發(fā)育。往往煤系上覆地層為粗碎屑巖、十分堅硬，厚達(dá)500m 的上二疊系翠屏山組。因此，鉆探條件很差，可謂硬、碎、塌、漏、斜五毒俱全。以前普通工法鉆進(jìn)效率低，特別是鉆進(jìn)硬、碎、塌、漏、斜地層時，質(zhì)量

2、差、成本高、事故多。推廣金剛石繩索取芯鉆進(jìn)后成效顯著，并在治理坍塌、涌漏等方面摸索了一套成功的做法，其中采用水泥封孔治理的辦法，取得了較好的效果。筆者結(jié)合閩西南拗陷龍永煤田坑柄南勘探區(qū)鉆探施工實例作一扼要介紹。龍永煤田坑柄南勘探區(qū)，上覆地層為翠屏山組（P 2Cp ），不含煤，厚度250330m 。巖性以灰白色的細(xì)粒巖和中粒砂巖為主，局部含礫巖，成分為石英、燧石和巖屑，可鉆性811級；常夾粉砂巖，砂質(zhì)泥巖，可鉆性67級。其下為童子巖組含煤地層。由于受構(gòu)造的影響，巖石破碎，砂巖裂隙發(fā)育，寬度12mm ，部分大于2mm ，漏失強度大于6m 3/h。鉆進(jìn)中常出現(xiàn)孔內(nèi)漏水、涌水和坍塌掉塊等現(xiàn)象，孔內(nèi)水位

3、低，甚至沖洗液全部漏失。因此，解決好繩鉆中漏失、坍塌問題是該區(qū)鉆探施工的關(guān)鍵。我們采用水泥封孔治理的辦法，取得了較好的效果。1應(yīng)用實例該礦區(qū)共施工6個鉆孔，孔孔都遇到漏失、坍塌問題，施工中曾試用鋸末、復(fù)合惰性材料、堵漏劑、棉花、粘土瀝青球等材料進(jìn)行堵漏，由于該區(qū)上部翠屏山組地層層段的大、中裂隙發(fā)育，且較密集，用上述辦法治理在小裂隙地層中效果較佳，但無法徹底根治，加上占用一定的時間，且堵漏材料較昂貴，成本費用較高，效果不佳。因此，采用套管隔離和水泥封閉辦法治理：開孔至100m 內(nèi)漏失、坍塌較軟地層采用擴孔下套管隔離的辦法；100m 以下的漏失坍塌較硬地層采用水泥隨鉆隨封的辦法進(jìn)行治理。根據(jù)鉆進(jìn)地

4、層巖石裂隙發(fā)育程度、漏涌情況、孔深和水位等，一般每鉆過一段后用普通硅酸鹽42.5R 水泥封孔一次。每次封孔孔段不宜過長，否則透孔時底部水泥柱石由于候凝時間過長，強度較高容易打出分枝孔。若每次封孔孔段過短，頻繁封孔透孔，占用時間較長，影響效率。經(jīng)過數(shù)次試封后的摸索總結(jié)，認(rèn)為一般封孔間隔以3050m 較適宜。隨鉆隨封數(shù)次后，可有效地穿過翠屏山組地層，漏失、坍塌問題基本得到治理。例如：102鉆機施工的6-3孔，終孔深度618.55m 。其中，翠屏山組厚315m ，砂巖厚178.5m ，破碎帶厚62m 。上部76m 擴孔下套管隔離，往下至315m 間共使用水泥封堵5次，水泥用量5t ，封透孔共用247

5、h 。該孔自258.6284.54m 的砂巖段曾出現(xiàn)開泵鉆進(jìn)全漏失，停泵時出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，冒出孔口高50mm ，涌水量為1.72m 3/h。采用水泥封堵后，未出現(xiàn)涌漏。該孔鉆效為295m 。106鉆機施工的4-2孔，終孔深度782.05m 。翠屏山組厚329m ，其中砂巖厚189.59m ，破碎帶厚46m 。由于上部巖石堅硬擴孔困難，套管只下了53m ，往下至329m 間采用水泥封堵7次，水泥用量7t ，封透孔共用501h 。由于該孔施工中因其他因素造成停鉆及事故占了342h ，該孔鉆效僅為195.5m 。上述2個鉆孔施工首次試用水泥隨鉆隨封，因水灰比偏大，速凝早強劑加量小，候凝時間較長（32h

6、 ），故占用時間較長，影響鉆效。在以后施工的4個鉆孔中，不斷總結(jié)摸索經(jīng)驗，減小水灰比，加大速凝早強劑的量，控制候凝時間在1620h 內(nèi)，相對封透孔時間縮短了，治理效果更加顯著。4個鉆孔平均鉆效達(dá)350.5m ，鉆效提高了44%，取得較好的經(jīng)濟效益。2水泥堵漏護(hù)壁的原理2.1原理普通硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化過程，是水泥與水混合后，在水泥漿的凝結(jié)與硬化過程中，發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)和物理狀態(tài)的變化。按習(xí)慣將水泥漿的凝結(jié)硬化過程分為3個時期：溶解期（準(zhǔn)備期）、膠化期（凝結(jié)期）、結(jié)晶期（硬化期）。利用這種水泥的水化，凝結(jié)硬化的物理化學(xué)變化過程，對裂隙、破碎地層的膠結(jié)固化，起到了堵漏護(hù)壁的作用。水泥凝結(jié)硬化過程

7、如圖1所示。福建煤田地層多為裂隙性漏失，漏失部位、程度變化較大，從滲透性漏失、裂隙性漏失到小溶隙、大裂隙和空間隙漏摘要結(jié)合工程實例，剖析水泥封孔堵漏在繩索取芯鉆探中的作用，淺論水泥封孔堵漏對治理漏失、坍塌的原理、過程和效果。關(guān)鍵詞水泥封孔護(hù)壁與堵漏原理操作效果中圖分類號：P634.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9064(200904012003企業(yè)平臺 2009NO4. CN35-1272/TK 失不等。孔內(nèi)靜止水位數(shù)米到上百米不等，個別孔段則涌漏并存、或鉆進(jìn)時漏、停鉆時涌，或漏大于涌，或涌大于漏。因此，水泥的凝結(jié)硬化過程較適合于解決鉆進(jìn)中的漏涌問題。它不僅對較大段距中小裂隙性漏失層有較

8、好的堵漏效果，而且能封閉涌漏并存和用于較大裂隙或空洞堵漏。在較長段距裂隙性漏失堵漏，宜采用隨鉆隨封。用水泥漿封閉大裂隙或空間時，必須嚴(yán)格控制水泥漿在空隙中流失的速度和范圍，不僅要保證在空隙中水泥漿慢流的速度低于灌入的速度，而且必須保證先灌入的水泥漿在慢流過程中能迅速凝固，以最大限度控制水泥漿流失范圍和避免被動力所沖散。控制水泥漿凝固時間，可通過控制加入速凝早強劑的品種和數(shù)量比例來實現(xiàn)。常用速凝早強劑為食鹽和三乙醇胺。2.2水泥漿液的配比準(zhǔn)確的水灰比是關(guān)系到水泥漿液灌注成功的關(guān)鍵。水灰比選擇依灌注方法略有不同，如水泵灌注法為0.50.55，孔口漏斗鉆桿灌注法為0.450.50。水泥用量計算應(yīng)視巖

9、石裂隙大小和孔徑來計算。如繩鉆鉆桿為準(zhǔn)71mm ，鉆頭外徑為準(zhǔn)77mm 。一袋水泥灌注長度為2.54m 。加入的速凝早強劑食鹽和三乙醇胺，按水泥重量比計算。以我們施工的6個鉆孔為例，前2個鉆孔食鹽加量為1.5，三乙醇胺加量為0.03。后4個鉆孔加大速凝早強劑的加量，食鹽為23，三乙醇胺為0.050.1%。配制時，要事先把三乙醇胺和食鹽按規(guī)定比例溶于少量水中，配成較濃的溶液，待攪拌水泥時再加入水泥漿液攪拌即可。2.3有關(guān)計算（1）水泥漿總用量Q=Q1+Q2+Q3+Q4（L ）式中Q 水泥漿總用量，L ；Q 1預(yù)泵量，一般取20-30L ；Q 2鉆桿內(nèi)殘留量，一般取30-50L ；Q 3攪拌桶內(nèi)殘

10、留量，一般取30-40L ；Q 4灌注孔段水泥漿量，L 。Q 4的計算在實際工作中，為了使用方便，可按孔徑和不同水灰比制出用量表，灌注時進(jìn)行簡單計算即可。在沖洗液不漏的情況下，每袋水泥可灌注鉆孔長度見表1：（2）干水泥用量（G 灰）水灰比：m=G水/G灰式中m 水灰比；G 水用水重量，kg ；G 灰干水泥重量，kg 。設(shè)：配1L 水泥漿所需干水泥重量為g ，則下式：1=g/r1=mg/r2式中r 1干水泥比重，一般為3.1；r 2水的比重，一般為1。水泥漿的比重（r 3）可由下式求得：R 3=g+mg+g（1+m）配制V 升水泥漿所需干水泥用量G 灰為：G 灰=g×V （kg ）（3

11、）用水量（G 水）G 水=m×G 灰（kg ）（4）附加劑用量，一般按加入水泥重量百分?jǐn)?shù)計算。（5）替漿水量（G 替）替漿水量可按下式計算：G 替=K（L-t ）q+G地式中G 替替水量，L ；L 鉆桿柱長度，m ；T 孔內(nèi)靜水位離孔口高度，m ；q 每米鉆桿內(nèi)容積，L （準(zhǔn)鉆桿為1.91L ，準(zhǔn)71鉆桿為2.92L ）；G 地地面管路及水泵容積，L ；一般取5060L ；K 壓水系數(shù)，應(yīng)該注意是壓力系數(shù)，淺孔取0.9。深孔取0.95。其作用是保證水不壓出鉆具底部，水泥漿不會稀釋。3水泥漿灌注的操作采用水泥漿液進(jìn)行護(hù)壁堵漏，應(yīng)用一定的方法將它注入孔內(nèi)，使其進(jìn)入漏失層或破碎層的裂隙中去

12、，起到堵塞裂隙漏失通道，將破碎巖層膠結(jié)成有一定強度的整體。為了取得良好的灌注效果，應(yīng)按以下程序進(jìn)行：3.1灌漿前的準(zhǔn)備工作（1）詳細(xì)觀察巖心，分析判準(zhǔn)漏失層的深度、厚度、漏失量、巖石孔隙、裂隙大小及完整程度等。（2）灌漿孔段必須使用準(zhǔn)50mm 鉆桿，其長度應(yīng)超過封閉層段1525m 以上，鉆具應(yīng)丈量準(zhǔn)確下到位，孔底灌注應(yīng)使鉆具下至孔底0.51m 。中途灌注應(yīng)下到架橋位置。（3）要堅持在封孔段內(nèi)上下沖孔，保持孔底和孔壁清潔圖1水泥凝結(jié)硬化過程示意圖A 分散在水中未水化的水泥顆粒；B 在水泥顆粒表面形成凝膠膜層；C 膜層長大并互相連接（凝結(jié)）；D 凝膠體進(jìn)一步發(fā)展，填充毛細(xì)孔（硬化）；1水泥顆粒；2

13、水分；3凝膠；4晶體；5水泥顆料的未水化內(nèi)核；6毛細(xì)也企業(yè)平臺2009NO4ISSN1672-9064CN35-1272/TK和檢查鉆具暢通情況、在灌漿前應(yīng)先關(guān)泵，用管鉗轉(zhuǎn)動數(shù)圈以檢查孔內(nèi)是否有掉塊等現(xiàn)象。若感覺到有阻力，應(yīng)提起沖掃到底至到孔內(nèi)暢通無阻后方可灌漿。（4）灌漿前應(yīng)仔細(xì)檢查有關(guān)灌漿設(shè)備的完好性。確保灌漿過程中不要發(fā)生故障。灌漿時要統(tǒng)一指揮，相互配合，協(xié)調(diào)工作。（5）嚴(yán)格按規(guī)定的配合比進(jìn)行拌漿，現(xiàn)場使用自制1m 3的泥漿攪拌機拌漿，將攪拌好的水泥漿經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾后立即灌注，防止大塊物堵塞管路。3.2灌注方法根據(jù)鉆孔深度、孔內(nèi)水位和灌漿量的多少選擇灌漿方法。淺孔或孔內(nèi)水位很低的情況下，

14、采用孔口漏斗鉆桿灌注法，孔較深或灌注漿量較多時，采用水泵灌注法?？卓诼┒枫@桿灌注法是利用水泥漿的自重從鉆桿內(nèi)流向鉆孔漏失部位，直至灌滿欲灌注的孔段。水泵灌注法是通過泥漿泵將水泥漿壓入欲灌注的孔段。其優(yōu)點是操作方便，不需要特殊的灌漿設(shè)備與工具，不受鉆孔深度的限制，效率高，適用于注漿量大的鉆孔。而且可以進(jìn)行高壓灌漿，把漿液壓入地層孔隙和裂隙中去，提高其堵塞和固結(jié)的效果。水泵灌注法的操作：將水泵蓮蓬頭放入水泥漿桶內(nèi)即泵送水泥漿。不論是護(hù)壁或堵漏，剛開泵時應(yīng)先打開水泵回水管，將吸水管及泵中的清水排出，噴漿后再打開三通漿水泥漿送入孔內(nèi)。待泵吸水泥漿過程完后，立即將蓮蓬頭放入準(zhǔn)備好的替漿水桶中，開泵替漿。

15、替漿時可適當(dāng)慢速轉(zhuǎn)動以使孔底返流均勻。替漿完后，再慢速提升鉆具離水泥漿面1015m 以上才能進(jìn)一步清洗鉆具。提鉆速度一定要慢，過快則易發(fā)生抽吸作用而使灌注工作失敗。不論采用何種方法灌注都應(yīng)保證連續(xù)不間斷一次性灌完，替漿后，卸開機上鉆桿，讓鉆桿內(nèi)外液面自動平衡穩(wěn)定以后才可慢速提升鉆具。替漿水不僅能清洗水泵和管路，更重要的是靠其液柱壓力將水泥漿壓至注漿孔段而不被稀釋。必須考慮到水泥漿離開鉆具底端時間，應(yīng)為保持水泥漿從鉆桿內(nèi)壓出，送替漿水時必須高出漏失層頂板數(shù)米才能將全部水泥漿液替出鉆具。所用的替漿水不允許以泵量來計算，而要通過實際測定。灌注完畢后，用專用取樣器通過鋼絲繩下入到水泥漿上部，稍停23m

16、in 后，提出取樣器觀察分析所取出的水泥漿樣，以檢查水泥漿是否灌到預(yù)定孔段。若未灌到預(yù)定孔段應(yīng)連續(xù)灌注到預(yù)定孔段。若水泥漿超灌出預(yù)定孔段過高，應(yīng)待水泥初凝約8h 后，下準(zhǔn)50mm 鉆桿先沖透孔到離預(yù)定孔段10m 處停止，提出鉆具繼續(xù)候凝，待水泥有一定強度后繼續(xù)透孔。3.3透孔準(zhǔn)確掌握候凝期直接關(guān)系到灌注的成功與否，必須判斷準(zhǔn)確。一般在現(xiàn)場做小試樣試驗來確定比較可靠。堵漏時水泥石抗壓強度可以低些，按水泥漿配比中，取水灰比小值. 速凝早強劑加量取大值，則候凝時間控制在1620h 即可沖透孔。透孔時先用準(zhǔn)50mm 鉆具下到離水泥面35m 處開始沖孔，將上部未凝固的水泥灰漿沖排掉后，繼續(xù)往下沖掃，待沖

17、掃到完整的水泥石柱后，方可換繩鉆透孔。透孔鉆具要直，使用輕壓、慢轉(zhuǎn)速、大水量的工藝參數(shù)，以防偏斜打出新孔。4結(jié)論（1）通過該區(qū)使用水泥封孔堵漏的實踐，筆者認(rèn)為在小口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)中遇到巖石大、中裂隙，沖洗液嚴(yán)重漏失或坍塌時，采用水泥隨鉆隨封的辦法進(jìn)行堵漏護(hù)壁，是可行的，效果較佳。這一做法的效果，在福建的同類礦區(qū)已得到證實。（2）水泥成本低，是一種護(hù)壁堵漏效果較好的材料。特別是治理復(fù)雜地層堵漏時，因水泥膠結(jié)強度大，能永久堵塞裂隙、漏失通道。并將破碎巖層膠結(jié)成一定強度的整體，能起到較好的防塌護(hù)壁作用，成功率高。（3）如果能使用標(biāo)號更高的普通硅酸鹽水泥或特種水泥，使其候凝期控制在10h 左右，

18、則還可以減少封透孔時間，那么水泥封閉治理鉆孔漏失、破碎、坍塌等將更加經(jīng)濟，更加合理，效益更加明顯。隨著新的水泥添加劑產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用，水泥護(hù)壁堵漏的應(yīng)用前景會越來越廣。（4）采用水泥封孔堵漏也存在定的風(fēng)險，操作稍有不慎，容易發(fā)生漿液在鉆桿、送水膠管和水泵中凝固造成事故。要避免或減少風(fēng)險，杜絕事故，必須嚴(yán)格控制好水泥漿配比及速凝早強劑的加入量，嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)操作規(guī)程，嚴(yán)把時間關(guān)，統(tǒng)一指揮，分工明確，各負(fù)其責(zé)。才能取得最佳效果和效益。參考文獻(xiàn)1曾樣熹，陳志超. 鉆孔護(hù)壁堵漏原理. 北京：地質(zhì)出版社，19862李世范，等. 鉆探工藝. 北京：地質(zhì)出版社，1985（上接第119頁）器，能及時有效地將斷帶后下滑的輸送帶緊緊捕捉住，避免膠帶下滑帶來的嚴(yán)重后果。另外應(yīng)采用可靠的皮帶斷帶捕捉器，并能保證該皮帶斷帶捕捉器動作靈活可靠、捕捉準(zhǔn)確，斷帶時短時間內(nèi)迅速作出判斷，能夠發(fā)出足夠的制動力矩制動住皮帶，保證運輸機的運行安全。要實現(xiàn)鋼繩芯輸送機安全運行，確保安全生產(chǎn)，并充分發(fā)揮其安全裝置在關(guān)鍵時刻的作用