固孔工艺研究综述与水泥外加剂实验

公丕进

（中煤科工集团西安研究院有限公司,西安 710077）

1 引言

近年来，煤矿井下钻孔已逐渐应用于煤矿水害防治领域，井下探放水钻孔技术发展较快，钻孔深度不断被刷新，2013年中煤科工集团西安研究院在陕西韩城桑树坪煤矿施工多组井下探放水孔，最大孔深达713m；2014年中煤科工集团西安研究院在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿最大钻孔深度达1002m。然而与之配套的固孔工艺发展相对滞后，固孔是井下探放水孔关键环节之一，落后的固孔工艺已成为制约钻孔技术发展的瓶颈之一。探放水钻孔施工过程中往往会遇到高压、高流速的底板承压水，能否有效的封固合理长度的孔段直接关系到后续钻孔及疏放水的安全。因此开展固孔工艺及水泥浆外加剂的研究势在必行。

2 水泥浆正循环、反循环固孔工艺及优缺点

2.1 正、反循环工艺流程及注浆结构

目前国内井下探放水孔普遍采用水泥浆正循环泵送工艺，具体工艺流程是：钻至预定孔深后起钻，首先下入钢质套管，套管下深应比孔深少0.5—1m，同时孔口露出0.3—0.5m的套管作为进浆口，套管头部连接高压阀；然后用聚亚胺胶脂材料（马丽散）封固孔口处套管与孔壁之间的环空间歇，并在环空预埋设一根配有阀门的管路，作为泵送水泥浆过程中排放孔内积水及空气的通道。注浆结构如图1所示。

待孔口环空填充材料完全固化后，配置足量水泥浆，水灰比一般控制在0.6至1的范围内，由孔口闸阀泵注水泥浆。注浆过程中水泥浆顶替孔内积水等不断从孔口环空闸阀返出，直至孔口环空闸阀返出水泥浆后停止泵注，迅速关闭全部孔口闸阀，候凝48h，待水泥凝固后下钻扫套管内的水泥赛。反循环注浆固孔工艺与正循环工艺施工工序基本一致，不同之处在于水泥浆由孔口环空闸阀泵注，孔内积水从套管闸阀返出。注浆结构如图2所示。

2.2 两种固孔工艺优缺点

正循环固孔工艺相对比较成熟，施工工序可操作性强，配套设备较为完备。在探放水孔固孔过程中经常会遇到孔壁裂隙漏浆或孔壁出水等复杂情况，正循环工艺堵漏或堵水效果欠佳，固孔质量难以保证，反循环工艺应对这种复杂情况时可以先泵注含高浓度速凝剂的稀浆以充分填充孔壁裂隙，达到堵漏或堵水的目的，而后再泵注稠水泥浆固孔，反循环工艺能够使水泥浆充分填充套管与孔壁的环空间隙，从而保证固孔质量。

3 水泥外加剂的试验与应用

具有良好性能的水泥浆是保证固井质量的关键，工程实践表明水泥外加剂对于调整水泥原浆性能指标有显著作用。随着井下探放水孔钻遇地层情况越来越复杂，在探放水孔施工中仅用纯水泥原浆固孔，已不能满足固孔施工要求。必须加入外加剂来改变水泥浆的流动性、凝固时间及其强度[1]。

固孔对水泥浆性能的基本要求是:

（1）泵注水泥浆时流动阻力小，顶替效率高，能够充分填充环空间隙。

（2）水泥浆顶替完毕后凝固时间短，强度发展快。

（3）形成的水泥石体积收缩少，有较大的强度，能够满足施工要求。

固孔施工过程中常用到的水泥外加剂主要有早强促凝剂、分散剂

3.1 早强促凝剂

在煤矿井下低温环境中，使用普通的硅酸盐水泥浆固孔，水泥石强度发展缓慢，固孔候凝时间长，增加了钻孔的成本。而且还存在水泥石体积收缩现象，导致水泥环胶结不良，影响固孔质量。传统的一些早强剂，主要成分是单一的无机盐，这种类型的早强剂在加速水泥浆凝固的同时也降低了水泥石后期强度，且增加了水泥石渗透率。近年来研发出来一种新型早强剂QZ-1，该早强剂是由活性硅粉、固体醇胺以及阴离子型聚合物按一定比例复配而成，QZ-1能够大大加快水泥的水化速度，促进水泥石早期强度的形成；该早强剂不含氯离子,能够克服传统含氯早强剂对钢质套管的腐蚀，同时含有的活性硅粉，能与水泥发生反应，使水泥石体积产生轻微膨胀；固体醇胺能够与水泥颗粒和水分子以氢键和范德华引力结合，被水泥颗粒吸附，加深水泥水化反应深度；阴离子型聚合物分子链上有大量吸附基团(羟基、酰胺基)和水化基团(羧基)，可吸附在水泥颗粒上，提高水泥浆的粘度[2]。

本文通过实验研究分析早强剂QZ-1对水泥浆性能的影响。实验内容是：选用42.5R型水泥配置水灰比为1.0的水泥原浆，在水泥原浆中加入不同剂量的QZ-1，模拟井下施工环境，在15℃条件下，测其12h、16h、24h的抗压强度。由表1中的实验数据可以看出, 随着候凝时间的延长和QZ—1剂量的加大, 水泥石抗压强度逐渐增大，15℃，2%剂量, 养护12h水泥石抗压强度可达到1.1MPa；4%剂量，12h抗压强度可达到2.4MPa；6%剂量；12h抗压强度可达到3.5MPa；而对比原浆水泥石, 在15℃时12h强度仅有0.4MPa。可知，QZ—1型早强剂早强促凝效果非常明显。

表1 不同QZ-1剂量水泥石抗压强度（MPa）

在固孔施工过程中如遇到孔壁裂隙渗漏水泥浆或裂隙出水的情况，可采用反循环二次注浆的方法堵漏，首先配置少量低水灰比（0.6-0.8）水泥浆，QZ-1加量为7%-9%，快速泵注完毕，立即清洗注浆泵，候置30min，待已注入的水泥浆充分填充裂隙且初凝之前，立即开始二次注浆，二次泵注的水泥浆水灰比控制在0.8-1之内，早强促凝剂QZ-1剂量4%—6%之内，该方法不仅能够有效堵漏，而且可以减少候凝时间，提高钻孔效率。

3.2 分散剂

实践表明，在大多数情况下采用紊流注水泥的方法有利于获得较高的顶替效率，这就需要添加水泥分散剂（又称减阻剂、减水剂或紊流剂等）来改善水泥浆的流变性能，并可在较低的排量、泵压下实现紊流,水泥分散剂是使用最普遍、消耗量最大的外加剂之一[3]。水泥分散剂主要有：磺酸盐甲醛缩合物、磺化酮醛缩聚物、木质素磺酸盐及其衍生物、乙烯基单体聚合物及其衍生物、多羟基羧酸(盐)等[4]。其中磺化酮醛缩聚物就是一种普遍应用的分散剂，磺化酮醛缩聚物对水泥浆的流变性能具有较强的调控能力，分散效果较为显著，适用于多种水泥, 与其它外加剂有良好的相容性，分散性能优异且无缓凝副作用。

本文通过实验研究分析磺化丙酮-甲醛缩聚物对水泥浆流变性能的影响。实验内容是：配置水灰比为1.0的水泥原浆，均分为5等份，分别加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的分散剂，在10℃条件下，采用旋转式粘度计测定其表观粘度、塑形粘度、流性指数、稠化系数等。试验数据如表2所示。从试验结果对比可知，磺化丙酮-甲醛缩聚物明显提高了水泥浆的流性指数、降低了其稠化系数。

表2 磺化丙酮-甲醛缩聚物对42.5R水泥浆流变性的影响

4 结论

（1）固孔是井下探放水钻孔重要一环，正、反循环泵注两种固孔工艺各自存在优势和不足，正循环固孔工艺相对比较成熟，施工工序可操作性强，配套设备较为完备。但不能满足复杂地质条件下的固孔施工，反循环工艺虽然操作相对操作复杂，可有效解决固孔施工过程中的出水或堵漏问题。

（2）水泥浆性能对安全优质固井起着关键作用, 特别是复杂条件下的固孔施工对水泥外加剂提出了更高的要求。水泥外加剂对改善水泥浆性能作用显著，为更好地满足固孔施工的需要, 本文通过实验给出了高效水泥早强促凝剂和分散剂用量参考值，为固孔施工提供参考。

[1]王芳莲，水泥外加剂在我矿的应用[J].钻采工艺，1990,4(13):65-70.

[2]刘庆旺，徐卫强，高亭松，等.新型油井水泥低温早强剂QZ-1性能评价[J]. 科学技术与工程，2010,10(34）:8521-8523.

[3]王中华，国内油井水泥外加剂研究与应用进展[J].精细与专用化学品，2011,10(19):45-48.

[4]易明新，油井水泥分散剂的研究与应用[J].油田化学，2000,17(01):82-84.