聚合物无固相泥浆在煤田地质钻探中的应用研究

张亚兴，代国忠，蒋晓曙，王玉春，曹正正

(1.常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室(常州工学院)，江苏 常州 213002；2.中国煤炭地质总局 水文地质局，河北 邯郸 056004；3.中国矿业大学 深部岩土与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

地质与勘测

聚合物无固相泥浆在煤田地质钻探中的应用研究

张亚兴1，代国忠1，蒋晓曙1，王玉春2，曹正正3

(1.常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室(常州工学院)，江苏 常州 213002；2.中国煤炭地质总局 水文地质局，河北 邯郸 056004；3.中国矿业大学 深部岩土与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

结合山西晋城地区煤田水文地质勘察钻孔施工中所遇到的孔壁坍塌掉块与缩径问题，进行了聚合物型无固相泥浆配方的优选与推广应用。通过正交实验确定了聚合物无固相泥浆的主剂与交联剂加量。该泥浆具有较强固壁作用和较好剪切稀释能力，能显著提高风化、破碎等复杂地层的成孔质量，配合冲击回转钻进，可大幅度提高液动冲击器的使用寿命。

聚合物；无固相；泥浆；固壁作用；煤田地质钻探

在大直径灌注桩成孔、隧道掘进、地质勘察钻孔等工程中经常会遇到风化破碎层。该类地层容易发生坍塌、卡钻、埋钻等工程事故，从而影响施工安全和施工工期[1-2]。中国煤炭地质总局水文地质局在山西晋城地区进行煤田水文地质勘察钻孔施工中就遇到了这类问题，以往采用膨润土低固相泥浆钻进，孔内事故频发。为此，结合工程实际情况，通过室内和现场试验，研制了一种具有较强固壁作用、较好剪切稀释能力的聚合物型无固相泥浆[3-4]。

1 聚合物无固相泥浆配方的优选

1.1 固壁机理分析

以往钻探工程固壁用泥浆主要是细分散泥浆，其造浆黏土含量高(黏土质量比超过10%)，且黏土在泥浆体系中高度分散，泥浆在孔内循环时失水过多(API失水量超过30mL/30min)，并靠泥浆失水之后在孔壁所形成的泥皮维持孔壁稳定性的，其护壁能力较差。聚合物无固相泥浆体系中没有黏土等固相，泥浆的主剂与交联剂进行交联之后，通过吸附胶结和渗析胶结能快速地实现对松散岩石(或碎石土)的胶结，确保复杂地层孔壁的稳定性，即靠在井壁表面及缝隙内吸附所形成致密的吸附膜来固壁；同时聚合物高分子吸附速度与水分子吸附速度相比越快，浆液固壁效果越好，因此所配浆液相对于水而言应有较强的吸附竞争优势。为达到固壁的设计效果，所选聚合物高分子长度要能保证在井壁颗粒表面有足够吸附点，聚乙烯醇等聚合物分子长度恰能满足此项要求。

实验表明，对于非离子型聚合物(如聚乙烯醇)，用硼砂等作交联剂较合适，对于阴离子与非离子结合型聚合物(如部分水解聚丙烯酰胺、水解聚丙烯腈)，用含Al3+，Fe3+等高价阳离子的无机盐(如硫酸铝、氯化铝、氯化铁)作交联剂较合适[5-6]。

1.2 实验方案及实验结果

聚合物无固相泥浆的主剂从聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、水解聚丙烯腈等聚合物中合理选取，交联剂从明矾、硼砂、氯化铝、氯化铁、硫酸铝等无机盐中合理选取。使用漏斗黏度计、API失水仪、六速旋转粘度计测定聚合物型无固相泥浆的漏斗黏度(FV)、API失水量、塑性黏度(PV)、表观黏度(AV)、动切力(YP)等性能指标，同时通过对砂团稳定性观察，合理确定泥浆主剂与交联剂加量，使泥浆各项性能指标达到最佳[7-12]。

采用L9(34)三水平四因素正交试验表，优选泥浆的主剂与交联剂加量，4个因素分别为A(主剂1聚乙烯醇)、B(主剂2部分水解聚丙烯酰胺)、C(交联剂1硼砂)、D(交联剂2硫酸铝)，每个因素选3个水平来作实验对比，拌合用水每组取1000mL， 正交试验计划见表1(表内数值为各因素与水的质量百分比)，正交试验结果见表2。

表1 正交试验计划

表2 正交试验结果处理

注：砂团在溶液中浸泡1min后放入清水中。

1.3 实验结果分析

在保证所配溶液符合无固相泥浆特征的前提下，结合极差分析来选定各指标较优实验方案。以漏斗黏度为例：泥浆黏度大小与井壁形成、井壁稳定性、地质勘察结果精度有直接关系，泥浆黏度过高会使泥包钻头，不利于钻进，泥浆黏度过低不利于携带钻屑。极差分析结果见表3，从表3看出因素对指标变化影响主次为B>D>A>C，所以选择实验方案B2D2A2C1比较合适。

表3 漏斗粘度实验分析

按上述方法对其余指标分析得：API失水量较优实验方案B3C1D1A1，塑性黏度较优实验方案B2D2A2C3，表观黏度较优实验方案B2D2A2C3，动切力较优实验方案B2A1C3D2。

由以上分析可知，不同分析指标对应的方案是不同的，最终方案可通过综合平衡法优化:对因素A取A2合适，因素B取B2合适,因素C取C2合适,因素D取D2合适,得到新配比A2B2C2D2。测定新配比泥浆性能指标：漏斗黏度(FV)、API失水量、塑性黏度(PV)、表观黏度(AV)、动切力(YP)、流性指数(n)、稠度系数(K)、动塑比(YP/ PV)，同时对砂团稳定性进行观察，结果见表4。

由于该无固相泥浆流性指数小于1，说明其为假塑性幂律流体，假塑性流体特点是浆液的表观黏度随剪切速率增加有降低的趋势，具有剪切稀释作用[13]。其流变方程为：

表4 泥浆性能实验结果

τ=Kγn=0.0407×(1.7033N)0.67

(1)

式中，τ为幂律流体的剪切应力，Pa；N为六速旋转黏度计的圆筒转速(3，6，100，200，300，600r/min)；γ为剪切速率，s-1；K为稠度系数；n为流性指数。

将试验数据代入公式(1)，得出泥浆的流变曲线，如图1所示。

图1 泥浆流变曲线

A2B2C2D2组合性能指标符合无固相泥浆特征，其掺量为主剂1质量百分比为0.4%，主剂2质量百分比为0.1%，交联剂1质量百分比为0.07%，交联剂2质量百分比为0.015%。

2 泥浆固壁作用的室内实验

为了检验聚合物型无固相泥浆的固壁效果，设计了实验检验其渗析胶结能力：在砂中少量掺入淤质土制作成直径50mm 左右的2个泥砂团,一个放入聚合物无固相泥浆浸泡10min后放入清水中，另一个放入聚合物无固相泥浆中，共同浸泡2h，经观察两者均无变化。将2个泥砂球取出并切开发现两者内部基本被润湿，然后将切开的泥砂球放入清水中，未在聚合物无固相泥浆中久泡的泥砂球从中间很快散开，在聚合物无固相泥浆中泡2h的泥砂球久泡不散，这说明聚合物型无固相泥对泥砂球的胶结作用能直达试样内部深处，渗析胶结作用发挥较好。

模拟复杂地层固壁的室内实验：在2个高800mm、直径300mm的圆形金属桶中堆积起高度为800mm的中空环形砂柱，用清水浸泡的砂柱瞬间坍塌。用聚合物型无固相泥浆浸泡的砂柱能够完全保持直立状态，未见任何坍塌，将孔内浆液换成清水，砂柱未发生任何坍塌现象，这说明所配制的聚合物型无固相泥浆对松散砂及风化破碎岩层具有较强的胶结固壁作用且其作用是长久有效的。

3 工程现场应用情况

3.1 工程概况

山西晋城地区某矿煤田水文地质5号钻孔设计孔深为1045m，在孔深200m以下遇到砂岩、砂质泥岩、石灰岩及风化破碎层、煤层，此类地层易坍塌掉块、透水性强、缩径问题突出。该孔从160～1045m均采用聚合物无固相泥浆护壁钻进。通过现场试验来验证聚合物型无固相泥浆的固壁性、性能稳定性及提高液动冲击器使用寿命的效果。该钻孔施工设备采用TSJ-1000钻机、TBW-580泥浆泵、7mp/20L.S液动冲击器等。钻进方法选择为：孔深0～350m采用φ311mm牙轮钻头配合普通回转钻进，孔深350～650m采用φ216mm牙轮钻头配合冲击回转钻进，孔深650～1045m采用φ152mm牙轮钻头配合普通回转钻进。

3.2 应用效果

(1)采用聚合物无固相泥浆，对复杂地层的孔壁稳定效果显著。在5号实验钻孔施工过程中，因为有4次抽水试验，其中200m左右风化带即是抽水层位，又是不稳定地层，所以在实际孔深结构设计中为了施工安全设计了一层套管将其隔离封固，因此该孔在原设计中有5级孔径，井身结构复杂，上部孔径大，施工难度增大。采用聚合物型无固相泥浆钻进工艺后，在200m风化带的抽水实验过程中，地层稳定，进行下步施工时没有下入套管进行护壁，减少了一级孔径，使整个孔深结构孔径缩小，大大降低了施工难度。

(2)泥浆性能稳定。该泥浆通过-CONH2等基团将钻屑包被成团，上返至地面后在沉淀池中很快聚沉下来，加上地面固控系统的机械除砂，能很好维持泥浆体系的无固相，确保了钻探效率的提高，保证了其固壁效果的稳定发挥。

(3)提高了液动冲击器的使用寿命。液动冲击器在现场使用过程中，由于普通泥浆中含砂量过高并且携带钻屑能力较差，从而引起运动部件和溢流孔的磨损，造成压力不够，冲击力降低，致使冲击器的主要零部件寿命降低，使用寿命仅为15h左右。当采用聚合物型无固相泥浆钻进工艺之后，测定从孔内上返之后的泥浆含砂量只有0.5%，大大降低了液动冲击器在使用过程中零部件的磨损，延长了使用寿命，试验过程中该液动冲击器累计使用40h，没有出现任何钻进异常情况。

4 结论

(1)聚合物无固相泥浆性能稳定，对松散砂及风化碎石层的胶结能力强，保证该类复杂地层孔壁不会发生坍塌，提高成孔质量。

(2)能维持体系无固相，适合高转速钻进需要；泥浆体系属假塑性流体范畴，具有较好的剪切稀释性，有利于冲孔、碎岩和携带钻屑，保持孔内清洁。

(3)使用聚合物无固相泥浆，配合冲击回转钻进，可大幅度提高液动冲击器的使用寿命。

[1]Miller J.,Biodegradable Surfaetants Aid the Development of Environmentally Acceptable Drilling-Fluid Additives[C].SPE International Symposium on Oilfield Chemistry.Houston,TX(US)，2007.

[2]A.Husen,A.Ali,W.W.Frenier.Chelating Agent Based Fluids for Optimal Stimulation of High Temperature Wells[C].SPE Annual Technical Conference and Exhibition.San Antonio,Texas，2002.

[3]李 丽，刘 伟.聚硅醇钻井液在川东北复杂深井中应用[J].石油钻探技术，2007，35(7)：46-48.

[4]张 鹏，郑力会，张立波.无固相试井工作液室内研究[J].石油地质与工程，2009，23(1)：118-122.

[5]徐同台，赵忠举，袁 春.国外钻井液和完井液技术的新进展[J].钻井液与完井液，2004，21(2)：1-10.

[6]王 禹，杨春柳，吕小燕.PVA无固相冲洗液在吉林珲春松林矿区复杂地层的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2007，34(7)：14-15，17.

[7]Stephen A,Rohleder W,Wayne S,etal.Challenges of drilling an ultra-deep well in deepwater-spaprospect[C].IADC/SPE Drilling Conference.USA: Florida,2008.

[8]何远信.国内外泥浆材料的现状及发展趋势[J].探矿工程，2001，28(5)：47-49.

[9]裴向军.PAA无固相冲洗液在水敏岩层钻进中的应用[J].地质找矿论丛，2001，16(2)：140-142.

[10]王 胜，陈礼仪，黄 猛，等.新型KL植物胶无固相环保钻井液体系[J].煤田地质与勘探，2010，38(3)：76-80.

[11]陈礼仪，李 浩，袁学武，等.低渗透成膜钻探泥浆体系的研究与应用[J].成都理工大学学报(自然科学版)，2009，36(5)：498-503.

[12]代国忠，张亚兴，赖文辉，等.PVM聚合物型无固相钻井液研究与应用[J].地质与勘探，2010，46(6)：78-84.

[13]鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营：中国石油大学出版社，2001.

[责任编辑：王兴库]

ApplicationofPolymerSolid-freeMudinCoal-fieldGeologicalDrillingExploration

ZHANG Ya-xing1,DAI Guo-zhong1,JIANG Xiao-shu1,WANG Yu-chun2,CAO Zheng-zheng3

(1.Changzhou Municipal Key Laboratory of Construction Engineering Structure and Material Property,Changzhou 213002,China;2.Hydrological Geological Survey,China National Administration of Coal Geology,Handan 056004 ,China;3.State Key Laboratory of Deep Geotechnical & Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to solve the problem of bore-hole wall collapse and shrinkage in coal-field hydrological drilling exploration in Jincheng area,Shanxi Province,polymer solid-free mud was popularized by formula optimizing.Host agent and crosslinking agent amount was obtained by orthogonal test.This mud had better solid-wall effect and shear attenuation ability,which could improve largely pore-forming quality in rotten and cracked layer,and could largely increase utilization life of hydro-hammer,cooperated with percussion drilling.

polymer; solid-free; mud; solid-wall effect; coal-field geological drilling exploration

2014-04-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.006

国家自然科学基金(51374201)；江苏省自然科学基金项目(BK2012592)；常州工学院校级科研基金项目(YN1219)；江苏省前瞻性联合研究项目(BY2014039)

张亚兴(1978-)，男，江苏常州人，实验师，主要从事岩土工程勘察、地基与基础工程研究工作。

张亚兴，代国忠，蒋晓曙，等.聚合物无固相泥浆在煤田地质钻探中的应用研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：20-22，92.

TD166

A

1006-6225(2014)05-0020-03