地质钻探堵漏技术对地质环境影响浅析

2023-01-18

1. 钻探孔冲洗液对地下水污染的危害

地质钻探过程中出现的孔内漏失情况, 是地质勘探的常见并且频发的问题。不仅阻碍了地质施工进程的向前推进, 容易导致地质中的不稳定层的掉块、崩塌以及掩埋等意外事故。更为严重的是冲洗液的过度流失会造成地下水的严重污染。

如果钻探孔测量点附近存在地下水水源, 那么孔内钻探液的漏失极易通过岩层裂缝渗透并流入地下水, 如溶浸剂向含矿含水层的注入, 会使得含矿含水层的水文地球化学环境发生变化, 或者通过与造岩矿物发生反应, 从而导致含矿含水层水质发生变化, 因此地浸采铀过程中不可避免地对采区局部矿层地下水环境造成污染。同时, 由于开采过程中溶液在含矿含水层的运动受地下水天然流场和抽注动态操作条件的影响, 溶液有可能向开采范围外的含水层弥散或漂移, 从而对采区外围含水层造成污染, 这就要求在地浸过程中对溶液的流动范围加以控制。

除此之外, 钻探过程中出现探孔漏失情况, 必然要采取堵漏措施, 消耗大量的人力、物力进行相应的堵漏和补救, 以避免对岩层造成二次碎岩等严重后果, 也因此也降低了施工的效率, 无法在规划期限内完成相应阶段的施工任务。地质钻探孔漏失成为现在勘探技术中的掣肘, 对地质施工与地质环境都带来了严重的危害。

2. 地质钻探孔漏失的原因分析

2.1 渗透型

渗透型漏失与裂缝、溶洞型的所出现的地层缝隙要小, 但是如果该地层的地质组成中有一定的含砂量, 该区域地层因此会比较薄弱和脆化, 加上在进行地质钻探时钻井柱的液体压力较大, 因此钻井柱中的液体容易借着地层砂岩的吸收性向岩层中渗透, 最终产生探孔漏失。

2.2 裂缝、溶洞型

裂缝、溶洞型与渗透型的不同之处在于, 渗透型主要是地质中的含砂地层自身的吸水性, 而裂缝、溶洞型出现的地层缝隙要宽大的多, 其地质构成多以白云岩、石灰岩等构成, 所以该位置地层还常伴随着垮塌、掉块等事故现象。而当钻井液液柱的正压差条件具备时, 所产生的漏失量和速度都较前者更为猛烈, 如果没有开展及时性的补救作业, 其后果是不堪设想的。

2.3 施工技术缺陷型

前两种的渗透型和裂缝、溶洞型的漏失是由正压差和地层缝隙两者作用下的, 除此之外, 还有一种人为原因占主要因素的漏失类型, 即施工技术缺陷型造成的漏失。施工技术缺陷型, 是指在进行地质勘探或者其他地质施工活动时, 由于工程人员过失或者重大过失发生技术上的失误, 或是现有地质勘探技术本身的缺憾, 所引起的钻探孔漏失情况。如地质钻探过程中出现技术失误导致地层压力与井底压力的压力差过大, 地层本身的张力无法应付而在钻探孔周围出现较大的裂缝。

3. 对地质钻探孔内漏液问题的措施分析

3.1 智能凝胶的堵漏应用分析

智能凝胶由西南石油大学研制而成的水溶性高分子堵漏材料, 主要是应用于石油钻井作业中。但考虑到智能凝胶的流变性、稳定性以及不易被水稀释的特性。以下对智能凝胶的时间表现黏度变化和成胶强度两方面进行可行性分析。

智能凝胶盛装在钻具内时有很强的流动性, 而进入地层缝隙之后流动性能降低, 随着时间的延长其粘合性也越来越强 (测试结果如图1) , 并且也不用担心其会被地质内部的水、油等其他物质稀释, 在需要填堵的缝隙处黏合形成一个具有承压性的隔断。

成胶强度主要是指钻井液钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度, 关系到堵漏的密封性和稳固性。下图以静切力的变化趋势作为智能凝胶的成胶强度的表现。可以看到, 以25Pa为标尺, 智能凝胶的静切力一直保持在23Pa~27Pa的范围内, 到16分钟时出现最低点, 此时静切力为23Pa。足以说明智能凝胶的成胶强度可以在一段时间内一直保持较高的水平。

在实际的应用中, 智能凝胶加入30%左右的木屑等惰性材料的填堵效果比仅使用智能凝胶要更加稳定。

3.2 波纹管堵漏技术原理分析

除了使用智能凝胶这种新颖的方法之外, 对某些器具的改造也能达到强化堵漏材料与堵漏技术的效果。波纹管堵漏技术就是其中一种, 该技术与常规的依靠堵漏材料的膨胀特性不同, 将具有良好的塑形能力的无缝钢管压制成小于钻井眼直径的波纹状截面管 (如图3) , 待其下入制定井眼内, 进行水力膨胀及用胀管器机械膨胀, 用于隔堵严重井漏地段。

由此可见, 波纹管堵漏技术适用于处理井漏、坍塌等复杂井段的封堵和隔断, 其优点在于, 工作过程简单易行;主要是对波纹管的使用, 也因此大幅减少了堵漏材料与钻井液的使用量及套管层次, 作业成本也大幅降低;最后一点是, 堵漏效果好, 不易受油、气、水的腐蚀, 能够保持堵漏的稳定性。但由于波纹管堵漏技术本身是石油钻井中解决漏失的工艺, 在实际作业中被广泛应用, 而在地质环境中使用的实例较少, 需进行后续的理论研究和多种地质条件下开展试验研究。

4. 实践中对地质环境的保护作用

4.1 成胶强度好, 控制溶浸范围

在波纹管堵漏技术的应用中, 将堵漏材料改为使用新型的智能凝胶, 其较好的成胶强度, 可以封堵漏失钻探孔, 起到截留已经漏失的钻井液的作用, 避免其继续漏失持续不断地渗透到岩层缝隙中, 也就是说, 起到了控制溶浸范围的作用。因此地下水污染的扩大态势也受到了遏制。同时波纹管的封堵技术, 也能够减少钻井液的过分流失, 甚至减少智能凝胶的使用量, 达到较高的封堵效果, 并且起到了严格控制溶浸剂流失, 以及残余溶浸液的迁移。

4.2 堵漏效果好, 保护地质结构

本身钻探孔的漏失, 将会对地质中的岩层产生破坏, 甚至出现石块滑落、结构变动等危害, 而波纹管技术具有较好的塑性变形能力、较高的机械强度、良好的形变加工适应性和焊接性, 能够对损坏套管或废弃射孔段进行补贴修复, 同时可快速、有效地封隔复杂地层, 解决漏失以及井壁稳定问题, 对地质勘探位置的地质结构起到保护作用。

5. 结语

综上所述, 常规的堵漏材料与堵漏技术在复杂地质井段效力甚微, 工艺直观、简单, 低成本以及高成胶性和稳定性成为了技术突破的瓶颈, 而智能凝胶与相配套的波纹管堵漏技术在地质钻探堵漏应用的可行性与经济性是不言而喻的, 因此, 我们可以对此进行借鉴, 并进行研究和实践分析, 以丰富堵漏技术在保护地质环境方面的作用。

摘要：地质钻探漏失, 污染地下水, 破坏地层结构, 在实际生产中是一个严重问题。目前常规堵漏材料与堵漏工艺都存在这样那样的缺陷, 有待堵漏技术在稳定性、低成本、成胶性上进一步提高。本文在阐述我国地质钻探发展现状, 虽然目前地质勘探已不复过去的高点和热点, 但是钻探漏失的情况仍然危及着作业地区的人身财产安全, 同时严重破坏地质环境。为了彻底铲除这些危害, 就需要在常规堵漏材料以及堵漏技术的优缺性基础上对钻探堵漏技术进行革新, 以防止出现地下水污染、地层结构破坏等事故。

关键词：漏失,防止地下水污染,堵漏,地质环境