摘要
高海拔地区实施非开挖水平定向钻进时，裂隙发育地层的泥浆漏失不仅会影响泥浆的有效循环，还会形成大量的岩屑床，导致钻具过度磨损、摩阻异常增大、有效孔径减小等问题。针对西藏某地钻遇花岗岩裂隙，采用近景摄影测量技术对其进行量化表征，得到该区裂隙地层的缝宽<4 mm；提出采用玄武岩纤维作为裂隙封堵主剂，并建立随钻玄武岩纤维堵漏配方体系，实验结果表明：采用3、6和9 mm多级组合的玄武岩纤维堵漏效果最好，3 mm纤维复合惰性材料形成骨架结构，6和9 mm纤维可发挥一定强度的“加筋”作用。现场随钻实验结果表明：采用玄武岩纤维堵漏后，泥浆中固相含量下降幅度减少了13.14%，有效保障了长距离裂隙山体的有效、绿色、安全钻进。
近年来，随着“一带一路”的深入推进，国内外长输管道的建设规模越来越大，水平定向钻进的应用越来越广，钻进过程中的泥浆漏失问题也得到越来越多的重视。泥浆漏失是钻遇各类裂隙地层中普遍遇到的技术难题，不仅会延误作业时间、延长钻进周期，还会耗费大量泥浆材料，导致卡钻、塌孔等一系列复杂问题的发生。漏失主要分为渗透性漏失、裂缝性漏失和孔洞性漏失3种类
纤维可分为天然纤维和化学纤维两大类，玄武岩纤维是以天然玄武岩为原料，在高温条件下破碎熔融后经拉伸形成的无机连续纤
该文结合西藏某地钻遇花岗岩裂隙特征，选取玄武岩纤维作为裂隙封堵的主要材料，构建玄武岩纤维堵漏体系，并在西藏某高海拔地区非开挖水平定向钻进现场得到了成功的应用。
该工程为中国石油管道局工程有限公司在西藏某地铺设的输气管道水平定向穿越段。由于西藏地区山体复杂程度高、开挖铺设成本高，因此该段管道采用水平定向钻进的方式铺设，管道穿越长度为730 m，出入土点斜坡平均坡度均约为30°，高程约为3804 m。拟穿越场区地理位置概况见
图1 场区地理位置示意
Fig.1 Geographic location of the site
穿越区坡面基岩陡立，坡体表面风化强烈，节理裂隙发育，裂隙面呈闭合-微张状，岩体破碎，呈碎裂状及块状，局部分布有块石、碎石，整段岩土体透水性较强。在实际钻进和回拖管线作业过程中，该场区漏失严重，回流浆液因外部涌水稀释导致粘度下降幅度极大，旋转粘度计在转速为600 r/min时的读数远小于初始泥浆的150 mPa·s，存在卡钻和塌孔的风险。
堵漏材料尺寸的选择不当易导致裂隙处形成压力差，导致堵漏失
图2 岩体样品裂隙
Fig.2 Fractures in a rock sample
通过手持拍摄法和支架拍摄法的顺时针和逆时针拍摄实验，最终选择图像平均覆盖率和清晰度最高的逆时针方向手持拍摄法获取图像，首先完成所得图像的特征点标记工作并对无效特征点进行剔除；其次，对各图像的特征点进行分析匹配，建立点云图；之后在点云图的基础上进行三角网格的划分；最后生成具备纹理的3D模型（如
图3 岩体样品3D模型
Fig.3 3D model of a rock sample
在已有三维坐标系的模型中利用PMS软件提取特征点，并通过多图像特征点关联进行定位测距得到裂隙尺寸，经识别测量，裂隙尺寸数据如
由
通过近景摄影测量技术确定区域内裂隙宽度在4 mm以内，预实验中弹性橡胶粒粒径为3~6 mm、核桃壳①目数为6~8目、核桃壳②目数为10~16目、云母片目数为20目。在DL-2型中压堵漏材料测定仪上分别进行核桃壳与弹性橡胶粒混合材料和核桃壳、弹性橡胶粒与云母片混合材料的堵漏性能评价，测量其自由漏失量和最大承载压力等参数。DL-2型中压堵漏材料测定仪配套有1~5 mm的缝板和0~25 MPa的氮气源，分别用来模拟不同宽度的裂隙地层和不同的地层压力。
选择4 mm的缝板进行核桃壳与弹性橡胶粒混合材料和核桃壳、弹性橡胶粒与云母片混合材料的堵漏预实验，固相含量控制在20%以内，以保证泥浆的流变参数相对稳
图4 桥接堵漏材料
Fig.4 Bridging and plugging materials
图5 不同尺寸玄武岩纤维
Fig.5 Basalt fibers of different sizes
利用DL-2型中压堵漏材料测定仪测试各堵漏配方的漏失时间、漏失量和固相漏失量，实验数据如
由
为研究玄武岩纤维种数对堵漏效果的影响，分别计算单一尺寸玄武岩纤维和2种、3种尺寸玄武岩纤维共同作用的平均漏失时间、平均漏失量和平均固相漏失量，计算结果如
由
图6 多级配纤维泥浆堵漏后缝板
Fig.6 Joint plate after multi‑grade fiber slurry plugging
由
综上所述，当缝板宽度为4 mm时，3种尺寸的玄武岩纤维堵漏泥浆的平均漏失时间、平均漏失量和平均固相漏失量与单一尺寸的玄武岩纤维相比分别降低了18.0%、34.4%和9.8%，其堵漏效果高于单一尺寸玄武岩纤维的泥浆；原因为多尺寸玄武岩纤维中的小尺寸纤维可在缝板部位产生挂阻并“架桥”，形成堵漏的基本骨架，大尺寸纤维被夹在骨架中，可起到一定的“加筋”作用，二者共同作用提高了多尺寸玄武岩纤维的封堵效果。其中3、6和9 mm三种尺寸的玄武岩纤维共同作用的堵漏效果最明显，漏失时间、漏失量和固相漏失量分别为86 s，630 mL和43.2 g，均达到最低。
根据室内实验中3种尺寸玄武岩纤维共同作用时的堵漏效果最好，选择多级配纤维堵漏泥浆进行堵漏以提高堵漏效果。本次实验在扩孔钻头回拉至距离入土点270 m处进行，泥浆体系为正电胶泥浆体系。室内实验堵漏泥浆中3种尺寸的玄武岩纤维含量均为0.1%，在现场实验中提高玄武岩纤维含量以提升堵漏效果，6 mm和9 mm玄武岩纤维各添加210 kg（1.05%），12 mm玄武岩纤维添加200 kg（1%）。在现场采用水枪辅助添加和泥浆罐处直接添加两种加料方式，每加入50 kg玄武岩纤维需搅拌6 min；搅拌均匀后开始泵入地层。
为了进一步验证玄武岩纤维的随钻堵漏效果，分别对玄武岩纤维处理前后的现场返浆进行取样，对比分析除砂、烘干后泥浆中固相含量的变化如
同时，部分纤维在泥浆循环过程中返至地表，如
图7 地表返浆中的纤维
Fig.7 Fibers in mud return at surface
（1）西藏高海拔地区花岗岩地层受构造运动的影响，节理裂隙发育，以现场钻遇的地层样品作为研究对象，应用近景摄影测量技术得到实际岩体裂隙宽度的范围为0.4~3.2 mm，最终确定区域内裂隙宽度为4 mm以内。
（2）对于4 mm缝板，3 mm的玄武岩纤维单独作用时，其漏失时间为90 s，漏失量为750 mL，固相漏失量为45.1 g，在单一尺寸的玄武岩纤维中堵漏效果最好；3种尺寸的玄武岩纤维混合使用的平均漏失时间、平均漏失量和平均固相漏失量分别为106 s、790 mL和46.7 g，均小于单种和两种玄武岩纤维的堵漏效果，原因为多种长度的玄武岩纤维既可形成堵漏的基本骨架，也可发挥一定的“加筋”作用，提高堵漏效果。
（3）在室内玄武岩纤维堵漏体系优选实验的基础上，选择6、9和12 mm的玄武岩纤维堵漏体系在现场进行应用，该体系使泥浆漏失段的泥浆固相含量下降幅度减少了13.14%，堵漏效果较好。
本文进行室内实验时，只研究了不同配方的玄武岩纤维堵漏材料对4 mm缝板的堵漏效果，实验条件具有一定的局限性。今后可研究玄武岩纤维堵漏材料对不同尺寸缝板的堵漏效果以拓宽玄武岩纤维堵漏材料的应用范围。
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