交联型聚丙烯酰胺泥浆在潘家窑煤田地质钻探中的应用

代国忠，蒋晓曙，史贵才，张亚兴

(常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213032)

交联型聚丙烯酰胺泥浆在潘家窑煤田地质钻探中的应用

代国忠，蒋晓曙，史贵才，张亚兴

(常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213032)

结合山西大同左云县潘家窑煤田地质勘察钻孔施工中遇到的孔壁坍塌掉块与缩径问题，对交联型聚丙烯酰胺泥浆进行了推广应用。该类泥浆由水解聚丙烯酰胺、膨润土、纯碱、硫酸铝和水组成，属于一种新型的低固相泥浆。作为泥浆交联剂的硫酸铝与水解聚丙烯酰胺适度交联成网状，能在岩石表面形成致密的吸附膜结构。该类泥浆黏度、失水量、静切力、动切力等性能指标优越，对松散砂质泥岩、风化粉砂岩及煤系地层等破碎层具有很强的胶结能力，对岩粉具有良好的絮凝聚沉能力，维持泥浆体系的低固相，显著提高风化、破碎、水敏性等复杂地层钻孔质量与岩矿芯的采取率，有效降低钻探成本。

聚丙烯酰胺；交联型泥浆；护壁作用；地质钻探

1 概述

交联型聚丙烯酰胺泥浆可用于各类地质勘探工程及地下钻孔工程施工。该类泥浆由水解聚丙烯酰胺、膨润土、纯碱、硫酸铝和水组成，属于一种新型的低固相泥浆。因泥浆中的硫酸铝起到交联作用，能与水解聚丙烯酰胺适度交联成网状，可在岩石表面形成致密的吸附膜结构，对松散砂质泥岩、风化粉砂岩及煤系地层等破碎层具有很强的胶结能力，有助于提高各类松散、破碎、坍塌、掉块等复杂地层孔壁的稳定性[1-4]。实践表明：交联型聚丙烯酰胺泥浆的黏度、失水量、静切力、动切力等性能指标优于普通低固相泥浆，护壁作用突出，对岩粉及钻屑具有良好的絮凝聚沉能力[5-6]。该类泥浆使用成本低，无毒无副作用，绿色环保，有利于施工现场操作和维护管理。

河南省煤田地质局四队在山西大同左云县潘家窑煤田地质勘察钻探工程中，遇到了风化严重的砂质泥岩、粉砂岩、煤层等破碎岩矿层，该段复杂地层孔壁不稳定，极易发生钻孔坍塌事故。该勘探区以往采用普通低固相泥浆钻进，孔内事故发生率较高，钻进时效低，钻孔质量难以保证。为此，选用常州工学院研制的交联型聚丙烯酰胺泥浆进行现场实验，较好地解决了该孔复杂地层钻进时极易发生坍塌掉块及缩径的问题，使钻孔质量符合设计要求，达到了优级孔，取得了较好的应用效果。

2 交联型聚丙烯酰胺泥浆配制工艺

2.1 泥浆的基本配方

交联型聚丙烯酰胺泥浆由膨润土、纯碱、水解聚丙烯酰胺、硫酸铝和水组成，基本配方如下：

1)水解聚丙烯酰胺：选用分子量600万～1 200万、水解度30%左右的聚丙烯酰胺(PHP)，加量为0.06%～0.12%，PHP未溶于水之前呈白色固体颗粒状态。

2)硫酸铝：选用无水硫酸铝Al2(SO4)3作为泥浆的交联剂，加量为0.012%～0.025%。

3)膨润土：选用河南省信阳市某膨润土厂生产的钠基膨润土，加量为1.2%～2.4%。

4)纯碱：加量为0.1%～0.2%。

2.2 泥浆的配制工艺

根据室内正交实验结果，确定交联型聚丙烯酰胺泥浆各组分加量的最优值及配制工艺。按配制1 m3交联型聚丙烯酰胺泥浆计算，各组分加量最优值为：钠基膨润土18 kg、纯碱1.6 kg、水解聚丙烯酰胺0.8 kg、硫酸铝0.16 kg。所用的交联型聚丙烯酰胺泥浆配制工艺如下：

1)钠基膨润土的浸泡：取钠基膨润土18 kg，加入装有50 kg水(常温条件)的容器内进行预浸泡，浸泡5～8 h即可使用。

2)水解聚丙烯酰胺的溶解：取水解聚丙烯酰胺0.8 kg、纯碱1.6 kg，将二者混匀后(粉状混合物)，加入装有25 kg水(常温条件)的容器内进行预溶解，应一边往水中慢慢撒入水解聚丙烯酰胺与纯碱的粉状混合物，一边用搅拌机进行搅拌，搅拌10～15 min后，浸泡4 h以上即可使用。如果施工现场环境温度低于10 ℃，可采用温水进行水解聚丙烯酰胺的溶解，以提高其溶解速度。

3)硫酸铝的溶解：取硫酸铝0.16 kg 加入装有5 kg水(常温条件)的容器内进行预浸泡，浸泡3～5 min即可使用。

4)泥浆制备：将浸泡后的钠基膨润土浆加入装有0.92 m3水的搅拌桶内并搅拌至均匀状态，然后向搅拌液中加入预先溶解好的水解聚丙烯酰胺溶液，搅拌至均匀状态，最后加入硫酸铝溶液，搅拌至均匀状态，即制备出1 m3交联型聚丙烯酰胺泥浆。

2.3 泥浆的性能指标

经钻探施工现场测定，按上述工艺配制的交联型聚丙烯酰胺泥浆初始性能指标为：密度1.028 g/cm3，漏斗黏度23 s，API失水量(压差0.7 MPa，常温条件)每30 min 8.2 mL，动切力4.2 Pa，pH 8.5，属于宾汉型流体[7]。对于煤田地质钻探，所用泥浆主要性能指标选取原则如下：

1)漏斗黏度：泥浆漏斗黏度应适中。漏斗黏度过低，不易携带孔内岩粉；漏斗黏度过高，泥浆从孔内上返时需消耗泵压较大，使孔壁泥皮增厚，造成孔内液柱压力激动，反而降低了孔壁的稳定性。因此，煤田地质钻孔泥浆的漏斗黏度控制在19～28 s较好。

2)泥浆失水量：“钻头下到孔底破碎岩石—回次结束起拔钻具—停止泥浆循环”整个过程中，根据失水与造壁作用的不同，可将泥浆的失水分为初失水、静失水和动失水三种。

初失水：在钻头破碎孔底岩石，形成新的自由面的瞬间，泥浆接触新的自由面，还未形成或很少形成泥皮，泥浆中的自由水以很高的速率向新鲜岩面失水，这时的失水称为瞬时失水或初失水。

静失水：水泵停止循环，泥皮不受液流冲刷，孔内的液压力只是泥浆柱静水压力，这时的失水称为静失水。

动失水：当水泵循环，泥皮受到冲刷，孔内的液压力是泥浆静水柱压力与流动阻力损失之和，这时的失水称为动失水。

静失水时，泥皮逐渐增厚，失水速率逐渐减小。此时压力较小，泥皮较厚，失水速率比动失水小。动失水时，泥皮不断在增厚，同时又不断被冲刷掉，当增厚速率与被冲刷速率相等时，泥皮厚度动态恒定，失水速率基本不变。泥浆在某一孔段失水的全过程如图1所示。

图1 泥浆在某一孔段失水的全过程

泥浆失水对钻孔工作影响很大[8-9]。对于泥岩、页岩、板岩等含泥质成分较大的沉积岩层，泥浆失水过多会引起孔壁岩层的吸水膨胀，直接导致缩径、剥落与坍塌事故的发生；对于风化严重的破碎层、蚀变带、节理裂隙发育的岩层，泥浆失去的自由水渗入到此类岩层缝隙时，将冲刷洗涤破碎岩层接触面之间的黏结成分，降低破碎岩块之间的黏结力，使破碎岩块滑入钻孔内，最终造成孔壁坍塌与卡钻事故的发生。同时，泥浆失水量过大会导致泥皮增厚，加大对钻具的吸附效应，造成钻进的环空过流面积减小，增加钻杆回转阻力，导致钻具的弯曲与磨损加剧。当然，泥浆的失水对钻孔也有有利的一面，如泥浆的初失水可以湿润岩层，使其强度降低，利于钻头切削具碎岩，提高钻进时效。对于高分子聚合物类泥浆，适量的失水还有利于将松散的岩石胶结起来，起到稳定孔壁的作用。泥浆的API失水量以每30 min 7～20 mL为好。

3)泥浆动切力：作为交联剂的硫酸铝对泥浆动切力的影响比较大。通过室内试验测定，将泥浆中的水解聚丙烯酰胺线性大分子交联成适度网状结构所需的硫酸铝最佳质量分数是0.012%～0.025%。选择合适的硫酸铝加量，有助于提高交联型聚丙烯酰胺泥浆的动切力，使泥浆的流变性符合预期。当硫酸铝加量较大时(大于0.03%)，硫酸铝会对泥浆中的水解聚丙烯酰胺产生过度交联，使泥浆的动切力下降。煤田地质钻探泥浆的动切力值维持在2.8～5.2 Pa较好。如果泥浆的动切力值过低，泥浆在孔内上返时携带岩粉能力不够；动切力值过高，不利于泥浆上返至地面以后的岩粉沉淀与净化，反而降低了泥浆的护壁作用[10-11]。

4)泥浆流变性：以潘家窑煤田PJY1903号钻孔交联型聚丙烯酰胺泥浆应用为例，通过对泥浆流变性的测定与判断，所用泥浆属于宾汉塑性流型，各流变参数计算如下：

塑性黏度：

ηp=(φ600-φ300)×10-3= (32.8-20.5)×10-3= 12.3×10-3(Pa·s)

(1)

动切力：

τd=0.511(2φ300-φ600)= 0.511(2×20.5-32.8)= 4.2(Pa)

(2)

表观黏度：

ηA=0.511φ600×10-3= 0.511×32.8×10-3= 16.76(Pa·s)

(3)

流变方程:

τ=τd+ηpγ=4.2+2.095×10-2N(Pa)

(4)

式(1)～(4)中:τ为泥浆宾汉流体的剪切应力，Pa；γ为泥浆的剪切速率，s-1，γ=1.703 3N；N为泥浆六速旋转黏度计的圆筒转动速度(3，6，100，200，300，600 r/min)。

对于宾汉塑性流型的泥浆体系，其表观黏度随剪切速率增加有降低的趋势，表现为泥浆剪切稀释作用好，利于钻进碎岩与护壁作用发挥。

5)泥浆护壁性能：交联型聚丙烯酰胺泥浆护壁性能优于普通低固相泥浆，该类泥浆对风化破碎岩石可产生较强的胶结作用，使孔壁的稳定性得到增强。通过砂样浸泡实验可知，见水即散的碎石砂团放入交联型聚丙烯酰胺泥浆中久泡不散，即便将该砂样放入泥浆中浸泡10 s后再放入水中浸泡仍然较长时间不散。这说明交联型聚丙烯酰胺泥浆对岩土颗粒具有很强的胶结性，能在孔壁岩石表面(或随泥浆侵入孔壁内一定深度)形成比较致密、坚韧的吸附薄膜或吸附圈，增强护壁性能，确保了风化、破碎地层的孔壁稳定性[12-13]。

3 现场实验条件及实验效果

3.1 实验条件

现场实验在山西大同市左云县潘家窑煤矿矿区进行，共安排6个实验钻孔，以PJY1903勘探孔为例，该钻孔设计孔深685 m，终孔直径75 mm，地层地质条件自上而下依次为：第四系(黄土，层厚20 m)、左云组(砂质泥岩、砾岩互层，风化，层厚320 m)、下石盒子组(砂质泥岩夹细粒砂岩，风化严重，层厚150 m)、山西组(砂质泥岩、粉砂岩、煤层、泥岩、粗粒砂岩等互层，风化破碎，坍塌掉块严重，层厚70 m)、太原组(中粒砂岩、砂质泥岩、煤层、粉砂岩等互层，风化破碎，坍塌掉块严重，层厚100 m)、本溪组(砂质泥岩、石灰岩，层厚大于30 m)。

潘家窑矿区PJY1903勘探孔在孔深350 m以下遇到强风化的砂质泥岩、粉砂岩、泥岩及中粒砂岩等复杂地层，此类地层钻进时极易发生坍塌掉块及缩径问题。实验钻孔施工设备采用TSJ-1000型钻机、TBW-300泥浆泵、21 m高人字钻塔。钻进方法选择为：孔深0～80 m，采用Φ135 mm硬质合金钻头回转钻进，不取岩芯，下Φ127 mm套管护孔；孔深80～685 m，采用Φ75 mm金刚石钻头回转钻进，下石盒子组底部至终孔要求取芯(单动双管取芯)。煤层岩芯采取率不低于75%，设计要求取芯的层段岩芯采取率不低于60%。

3.2 实验效果

潘家窑煤田PJY1903号钻孔80～685 m均采用交联型聚丙烯酰胺泥浆护壁钻进。泥浆配制完成后，测试泥浆初始性能指标，然后向孔内泵送泥浆进行钻进循环。在钻进工程中，每隔3 h左右测试一次泥浆性能指标，以便及时掌握孔内泥浆性能变化情况。施工现场泥浆性能指标为：密度1.03～1.06 g/cm3，漏斗黏度23～31 s，API失水量(压差0.7 MPa，常温条件)每30 min 8.2～16.5 mL，动切力3.5～4.8 Pa，pH 8～9，属于宾汉塑性流型。一般情况下，随着钻孔深度增加，孔内岩粉的含量会有所增加，导致泥浆的黏度、密度有所增大，但动切力及失水量值变化不大。总体上，交联型聚丙烯酰胺泥浆性能比较稳定，各项指标变化不大，且泥浆体系的低固相维持较好，能保证其稳定发挥固壁效果。

现场使用表明，交联型聚丙烯酰胺泥浆具有良好的剪切稀释作用，对松散砂质泥岩、风化粉砂岩及煤系地层等破碎层的胶结能力强，对钻孔岩粉具有较好的絮凝聚沉与净化的能力，维持泥浆体系的低固相。现场使用此类泥浆护壁之后，孔深80～685 m钻进都很正常，没有出现任何孔内事故，大大提高了此类复杂地层孔壁的稳定性，岩矿芯采取率都能达到82%以上。与该矿区其他勘探孔使用普通低固相泥浆相比，钻进效率可提高2倍以上。因该泥浆体系中固相含量低，黏度适中，并具有一定的润滑性，钻进中对钻头、钻杆的磨损大大降低，单位进尺的钻探成本下降30%左右，钻孔质量得到保证。经验收，潘家窑煤田PJY1903号钻孔质量达到优级孔。实验证明，使用交联型聚丙烯酰胺泥浆较好地解决了该孔复杂地层钻进时极易发生坍塌掉块及缩径的问题，应用效果十分显著。

4 结论

1)所采用的交联型聚丙烯酰胺泥浆性能指标优良：密度1.03～1.06 g/cm3，漏斗黏度23～31 s，API失水量(压差0.7 MPa，常温条件)每30 min 8.2～16.5 mL，动切力3.5～4.8 Pa，pH 8～9，属于宾汉塑性流型，对钻具的润滑性能较好。该类泥浆各项性能指标符合煤田地质钻探对泥浆性能的要求。

2)交联型聚丙烯酰胺泥浆能在钻孔孔壁岩石表面(或随泥浆侵入孔壁内一定深度)形成比较致密、坚韧的吸附薄膜或吸附圈，对松散砂质泥岩、风化粉砂岩及煤系地层等破碎层胶结能力强，对钻孔孔壁保护效果较好，对于破碎地层能够防止孔壁坍塌、掉块的发生，减少卡钻事故的发生。

3)应用交联型聚丙烯酰胺泥浆，对钻孔岩粉具有较好的絮凝聚沉与净化的能力，有助于提高各类地层的钻进时效，保证钻孔质量，提高岩矿芯的采取率，有效降低钻探成本。

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责任编辑：唐海燕

An Application of Crosslinked Polyacrylamide Mud in the Geological Drilling at Panjia Yao Coalfield

DAI Guozhong,JIANG Xiaoshu,SHI Guicai,ZHANG Yaxing

(School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032)

In order to solve the problems of wall collapse and shrinkage of drilled holes in geologic prospecting at Panjia Yao Coalfield located in Zuoyun county of Shanxi province,crosslinked polyacrylamide mud was applied.The mud is composed of hydrolyzed polyacrylamide,bentonite,soda ash,aluminum sulfate and water,which is a new type of low solid mud.Aluminum sulfate moderately crosslinked with hydrolyzed polyacrylamide to form a network in mud resulting in an dense adsorption film structure at the rock surface.Performance of this mud is excellent in terms of viscosity,water loss,static and dynamic shear force,which has a strong cementing ability to loose sandy mudstone,weathered silty and coal measures,and is well-functioning in flocculating drilling cuttings so as to maintain low solid-phase in a slurry system.The mud can significantly improve the efficiency of drilling and core revovery in complex formations,such as weathered,broken and water sensitive formations,and can effectively reduce the drilling cost.

polyacrylamide;crosslinked mud;wall protection;geological drilling

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．001

2016- 04- 28

国家自然科学基金项目(51678083)；江苏省财政厅、科学技术厅前瞻性研究项目(BY2014039)

代国忠(1963— )，男，教授。

P634.6

A

1671- 0436(2016)05- 0001- 05