聚合物無固相泥漿在煤田地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用

楊權(quán)

摘要：煤礦整合不斷深入，資源勘查對(duì)煤田地質(zhì)鉆探水平提出了更高要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，孔內(nèi)事故頻發(fā)，對(duì)施工進(jìn)度的正常進(jìn)行產(chǎn)生較大影響，且難以保證施工安全。在此背景下，本文研究如何在鉆探中引入聚合物無固相泥漿，包括聚合物無固相泥漿的應(yīng)用機(jī)理、配方選擇分析等，并結(jié)合具體項(xiàng)目情況，分析聚合物無固相泥漿應(yīng)用的效果，以期為相關(guān)工程提供參考，促進(jìn)煤田地質(zhì)鉆探作業(yè)水平的提升。

關(guān)鍵詞：煤田地質(zhì)鉆探；聚合物無固相泥漿；應(yīng)用效果

1.前言

隨著煤礦整合不斷深入，資源勘查成本增加和施工難度增加，施工風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。在煤田地質(zhì)鉆探過程中，由于地層與地形特征較為復(fù)雜，比如風(fēng)化破碎層下施工常出現(xiàn)埋鉆、卡鉆等情況。特別是在部分施工過程中，一般選擇膨潤(rùn)土低固相泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)，容易導(dǎo)致孔內(nèi)事故發(fā)生。對(duì)此問題，考慮在泥漿引用方面做出優(yōu)化，選擇剪切稀釋能力好、固壁作用強(qiáng)的類型，如聚合物無固相泥漿。因此，對(duì)煤田地質(zhì)鉆探中聚合物無固相泥漿的應(yīng)用進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

2.煤炭地質(zhì)鉆探中聚合物無固相泥漿應(yīng)用機(jī)理與配方分析

2.1聚合物無固相泥漿應(yīng)用機(jī)理

在鉆探工程中，泥漿的運(yùn)用旨在固壁層面，但以往所應(yīng)用的多為細(xì)分散泥漿，這種類型泥漿有較高含量的造漿黏土，泥漿體系內(nèi)黏土保持高度分散，且孔內(nèi)循環(huán)中泥漿有明顯失水情況，整個(gè)孔壁穩(wěn)定性的維持主要借助失水后的泥皮，護(hù)壁能力較差。

基于這些方面的考慮，引入聚合物無固相泥漿體系，利用該類型無固相泥漿待交聯(lián)劑與泥漿主劑交聯(lián)的性質(zhì)、滲析膠結(jié)性質(zhì)、吸附膠結(jié)作用，達(dá)到碎石土膠結(jié)目的，增強(qiáng)底層孔壁的穩(wěn)定性。固壁主要通過吸附膜來實(shí)現(xiàn)，由于有較高的水分子、高聚合物分子吸附速度，能夠獲取較好的漿液固壁效果。考慮到泥漿固壁要求，應(yīng)注意根據(jù)井壁顆粒表面吸附點(diǎn)，使聚合物如聚乙烯醇分子長(zhǎng)度適宜。從當(dāng)前聚合物無固相泥漿應(yīng)用看，交聯(lián)劑通常選擇硼砂，聚合物以非離子型聚合物為主。若聚合物為非離子、陰離子結(jié)合，交聯(lián)劑選擇氯化鋁、硫酸鋁等無機(jī)鹽，這類交聯(lián)劑內(nèi)有Fe³⁺、Al³⁺陽離子存在，滿足聚合物使用要求。

2.2聚合物無固相泥漿配方實(shí)驗(yàn)研究

通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)聚合物無固相泥漿配方分析，主劑聚合選擇內(nèi)容主要包括聚乙烯醇、部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺以及水解聚丙烯腈，交聯(lián)劑無機(jī)鹽選擇內(nèi)容包括硫酸鋁、氯化鐵、氯化鋁、硼砂以及明礬等。試驗(yàn)方法為正交試驗(yàn)、漏斗黏度實(shí)驗(yàn)。

其中正交試驗(yàn)方法借助三水平四因素正交試驗(yàn)表分析，其中的四個(gè)因素包括：①A，選擇聚乙烯醇為主劑；②B，選擇部分水解聚丙烯酰胺為主劑；③C，以硼砂為交聯(lián)劑；④D，以硫酸鋁為交聯(lián)劑。各因素賦予三個(gè)水平，試驗(yàn)給予1000mL拌和用水，具體試驗(yàn)方案如表1所示。而漏斗實(shí)驗(yàn)方案，要求借助六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、API失水儀、漏斗黏度計(jì)做相關(guān)性能指標(biāo)測(cè)定，包括動(dòng)切力（YP）、表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、API失水量以及漏斗黏度（FV）等，具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合平衡各因素，本次研究選定A282C2D2作為配比，除上述相關(guān)指標(biāo)外，利用K表示稠度系數(shù)，n表示流性指數(shù)，YP/PV表示動(dòng)塑比，試驗(yàn)后得出的結(jié)果如表3所示。由這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在無固相泥漿流性指數(shù)為1以下的情況，與無固相泥漿特征吻合。

3.聚合物無固相泥漿固壁作用實(shí)驗(yàn)研究

由于聚合物無固相泥漿作用主要體現(xiàn)在其固壁效果上，本次研究中通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方式對(duì)泥漿滲析膠結(jié)能力進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)過程中取淤質(zhì)土加入砂中，形成兩個(gè)泥沙團(tuán)均保持50mm直徑，于聚合物無固相泥漿內(nèi)分別浸泡10min、2h，其中浸泡10min的泥沙團(tuán)取出后置于清水內(nèi)，取出后切開，可發(fā)現(xiàn)浸泡2h后，泥沙球未出現(xiàn)消散情況，而另外泥沙團(tuán)消散極快，提示聚合物固相泥漿在膠結(jié)作用上明顯。另外，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，選擇中空環(huán)形砂柱2個(gè)，800mm高度，實(shí)驗(yàn)選擇清水、聚合物固相泥漿對(duì)砂柱浸泡，對(duì)比發(fā)現(xiàn)清水浸泡下直接坍塌，而另外選擇聚合物固相泥漿的則無坍塌情況，說明膠結(jié)固壁作用明顯。

4.煤炭地質(zhì)鉆探中聚合物無固相泥漿應(yīng)用實(shí)證分析

4.1項(xiàng)目介紹

本次研究中選擇某煤田地質(zhì)區(qū)域?yàn)閷?shí)例，施工操作中要求做鉆孔設(shè)計(jì)，保持1045m孔深，但施工中發(fā)現(xiàn)自深度為200m時(shí)便有煤層、風(fēng)化破碎層存在，石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖與砂巖均較多，若繼續(xù)操作可能出現(xiàn)地層坍塌情況。對(duì)此情況，考慮自160m孔深起，直至1045m，均選擇聚合物無固相泥漿護(hù)壁方法。現(xiàn)場(chǎng)操作中，對(duì)聚合物無固相泥漿穩(wěn)定性、固壁性分析。施工操作流程：①設(shè)備選擇，主要以液動(dòng)沖機(jī)器、泥漿泵、鉆機(jī)為主；②鉆進(jìn)方法，以普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，選擇φ311m牙輪鉆頭在0m-350m孔深位置鉆進(jìn)，通過沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與φ216mm牙輪鉆頭配合在350m-650m孔深位置鉆進(jìn)，以普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式配合φl52mm牙輪鉆頭于650m～1045m孔深位置鉆進(jìn)。

4.2聚合物無固相泥漿應(yīng)用效果

上述鉆進(jìn)方法應(yīng)用于該項(xiàng)目下，取得了顯著的成果，具體表現(xiàn)為：①孔壁穩(wěn)定效果較好，整個(gè)施工過程中做涉及抽水試驗(yàn)4次，抽水層位為200m左右風(fēng)化帶，地層穩(wěn)定性較差，此時(shí)考慮才采取隔離封固措施。值得注意，該井上部孔徑較大，井身整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，這為施工操作帶來極大難題。而在聚合物無固相泥漿引入，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化帶抽水試驗(yàn)開展中，地層較為穩(wěn)定，且在縮小井深結(jié)構(gòu)體系下，使施工難度降低；②穩(wěn)定的泥漿性能，項(xiàng)目開展中，受-CONH2基團(tuán)影響，泥漿直接包被所有鉆屑，最后聚沉在沉淀池內(nèi)，同時(shí)配合地面固控系統(tǒng)應(yīng)用，起到除砂效果，使泥漿體系無固相得以維持，此時(shí)鉆探效率將得到明顯提高，且固壁效果穩(wěn)定；③設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，以液動(dòng)沖機(jī)器為例，操作過程中，一般含沙量較高的泥漿可能對(duì)設(shè)備帶來一定沖擊，特別在設(shè)備無較強(qiáng)攜帶鉆屑能力下，易發(fā)生溢流孔磨損、運(yùn)動(dòng)部件磨損問題，零部件壽命因此降低，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行15h左右主要零部件基本無法繼續(xù)使用。而引入聚合物固相泥漿鉆進(jìn)工藝，因上返泥漿無較多泥沙量，可以降低零部件磨損程度，使用壽命延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用時(shí)間可維持在40h，且該過程內(nèi)未見鉆進(jìn)異常表現(xiàn)。

5.結(jié)論

聚合物無固相泥漿的應(yīng)用是煤田地質(zhì)鉆探水平提高的關(guān)鍵性保證。實(shí)際引入聚合物無固相泥漿中，應(yīng)注意正確認(rèn)識(shí)其固壁作用機(jī)理，在配方上進(jìn)行合理選擇，保證其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大程度。本次研究中通過選擇具體的實(shí)例，分析發(fā)現(xiàn)聚合物無固相泥漿應(yīng)用下孔壁穩(wěn)定效果好、泥漿性能穩(wěn)定、設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，所以應(yīng)在實(shí)踐操作中將聚合物無固相泥漿進(jìn)一步應(yīng)用。