论钻探中如何采用化学浆液护壁进行堵漏

文/朱美健，安徽省煤田地质局第一勘探队

论钻探中如何采用化学浆液护壁进行堵漏

文/朱美健，安徽省煤田地质局第一勘探队

采矿钻探主要施工的地层是由沉积岩构成，这种地层主要包括复杂的矿物地层和松散的冲积岩层，其土质松软且水敏性较强，因此，一旦钻头在钻进时要穿过这些沉积岩，就会打破该地底岩层的原始平衡，造成不良后果，给采矿钻探带来了极大的困难。因此，在施工时，必须要切实做好钻孔护臂的堵漏工作，化学浆液的主要优点是凝固时间可调,可实现瞬间固化;渗透能力和流劝性好,提高了成功率。除了脲醛树脂浆液有待继续实验外,ST-1型高分子防漏剂、聚丙烯酰胺浆液及空气泡沫泥浆等的护壁堵漏,已在煤田钻探中得到应用。

采矿钻探；化学浆液；护臂堵漏

引言

在地质勘探钻孔施工过程中，由于地层和岩性的多样化，不可避免地会遇到各种各样、程度不同的钻孔事故，给施工带来麻烦。当钻进到松散易坍塌地层时，在钻孔冲洗液中水的作用下，上下钻的抽吸与激动压力，以及钻杆高速旋转的不断敲击和震动，随着钻孔的不断延伸，孔壁将在局部不断扩大，形成超径，大颗粒岩碴不能通过完整部位的环状间隙上返，相继发生钻孔群体封堵、夹钻、卡钻、埋钻、憋泵甚至断钻等事故，此时，就必须对这一孔段进行维护。护孔可以使用优质冲洗液，但任何冲洗液对井壁的保护仅是维护原岩层结构，不可能有大的加固作用，随着时间的推移，井壁岩石结构在慢慢发生变化，冲洗液的护壁作用可能就不足以维持原来的平衡。所以，下套管、投泥球、用水泥灌注这些常规的方法仍不失为最完美的护壁措施。而下套管当已钻孔深较大时，不但实施困难，而且有时需要扩孔，增加施工成本。最经济有效的办法往往是采用投泥球或用水泥灌注的办法来提高孔壁的稳定性，达到一劳永逸的目的。可是，当孔内有冲洗液时，易使泥球在钻具捣实过程中浆化，或使水泥浆因孔内液体的稀释作用改变水灰比凝固质量变差而影响护壁效果，同时在用钻具捣实时易对钻孔产生抽吸作用，进一步破坏孔壁，恶化孔内环境。要提高护壁质量，必须尽可能把孔内冲洗液抽排干净，让泥球或水泥浆更充分渗入贴紧松散破碎岩层，形成更好更加稳固的人造孔壁。因此，钻头钻进过程中如何保持地底岩层的原始平衡，必须要切实做好钻孔护臂的堵漏工作。下面笔者就如何使用化学浆液护壁的堵漏方法进行具体的阐述，以供同行探讨。

1 脲醛树脂注浆材料在采矿钻探过程对钻孔护臂进行“快速堵漏”

作为一种水溶性树脂，脲醛树脂在酸性条件下可以迅速凝固并形成一种具有一定机械强度的固结体，因此，它适合用作钻孔护臂堵漏的化学浆液注浆材料。

1.1 脲醛树脂是由尿素和甲醛水溶液合成的一种聚合物，原料极易获得，且成本低、配置简单，还能人为地调节控制其性能和固化时间，是一种毒素较低的化学注浆材料。近年来，人们通过对脲醛树脂生产工艺、性能调整以及注浆设备等方面进行研究，多将其应用在钻孔护臂堵漏的技术上。

1.2 尿素与甲醛的反应包括反应、缩聚和固化三个复杂的化学反应阶段。首先，是在弱碱或弱酸性介质中，尿素与甲醛发生加成反应，生成脲的羟甲基（-CH?2OH）衍生物；接着，开始进行缩合反应，得到缩聚的初产物——脲醛树脂；最后，在使用时，以盐酸等酸性催化剂将树脂固化成不溶的固结体。

这种脲醛树脂的固结体呈网状体型结构，且在固化时，由两个时间段组成。首先是在酸性催化剂加入后，使脲醛树脂失去流动性，这段时间被称为初凝时间；然后是酸性催化剂的加入，使得脲醛树脂失去弹性，这段时间被称为终凝时间。此外，为了使脲醛树脂的固化体具有一定的机械强度，在终凝之后，一般还需将固化在水中养护16～24h。

实验证明，脲醛树脂的固化过程与酸性催化剂的强弱和用量密切相关。其中，伴随强酸浓度的增加，脲醛树脂的凝固时间相应缩短；并且，当弱酸的浓度一定时，脲醛树脂的固化时间伴随其用量的增加而缩短。目前常用的酸性催化剂是浓度在3%～36%之间的工业纯盐酸和硫酸，可以将初凝时间控制在几秒到数十分钟的范围之内。此外，在灌注浆液时还应考虑到孔内温度的影响，实验证明，脲醛树脂的固化速度随着温度的升高而加快。

1.3 目前在脲醛生产过程中，常采取向脲醛内加入苯酚或苯酚-聚乙烯醇等材料来改变尿素与甲醛反应生成物化学结构的方法，达到提高脲醛树脂强度和韧性的目的。由于苯酚的加入，使得羟甲基苯酚参与到羟甲基脲进行混合接枝以及镶嵌的过程，进而改善树脂的粘结力和机械强度。

2 水玻璃注浆材料在采矿钻探过程中对钻孔护臂进行堵漏

水玻璃是一种能够溶于水的硅酸盐，价格较低，货源丰富，配置简便，因而仍然是目前钻探过程中大量使用的一种无机类的注浆材料。

2.1 水玻璃是由碱金属和二氧化硅依照不同比例组合而成。常用的水玻璃有硅酸钠（Na2O•nSiO2）和硅酸钾（K2O•nSiO2）等。一般将组成水玻璃的二氧化硅与金属氧化物的克分子摩尔数之比叫做模数，用 M来表示。当 M=1时，水玻璃能在常温水中溶解；伴随 M的增加，能够溶解水玻璃的水温也相应增加；当 M＞3时，水玻璃的溶解需要在4×105Pa以上的蒸汽当中进行。当M较低时，水玻璃晶体分组较多，因而粘结能力比较差；而当 M数较高时，水玻璃交替组合相应增加，同时提高了水玻璃的粘结力，但与之对应的溶解温度也在增大。综合考虑，当M值处于2.0～3.5之间时，水玻璃的粘结力和溶解性均达到一个最佳状态。

2.2 通常状态下，水玻璃的粘度随着温度的降低而下降，其模数会随着水玻璃浓度的增加而上升。此外，为了加速水玻璃的硬化，常常向水玻璃中加入占其重量12%～15%的硅氟酸钠，以加快其凝结速度。

3 利用聚丙酰胺浆液的全絮凝作用，达到对钻孔护臂堵漏的效果

该过程是利用聚丙酰胺的完全絮凝，将清水从粗泥浆中分离出来并迅速漏走，保留絮凝物堵在裂隙之中达到堵漏的作用。这种对钻孔护臂絮凝堵漏的方法操作简便，成本低廉，适合在孔壁易塌、裂隙漏水或者活石比较多的地段加以应用。

其中用于絮凝堵漏的聚丙酰胺浆液的具体配方是：取1000ppm的PHP（浓度为1%）以及5～10kg的惰性材料，从孔口直接灌入到粘度为308/m3、相对密度为1.2kg/m3以上的普通泥浆中，再进行适当的搅拌，然后保持16h的静止时间，便可达到堵漏的效果。

采矿钻探过程中，当地层漏失情况比较严重时，为了提高浆液的浓度，可以适当向聚丙酰胺浆液中加入6%左右的水泥；当地层的裂隙比较大时，可以适当向聚丙酰胺浆液中加入0.1%～1%的水玻璃进行调和；至于一般裂隙较小的钻探地层，可以在浆液中加入少量的惰性材料适当降低灌注浆液的浓度。

4 堵漏钻孔的布置以及风控注浆泵的选用

一般采取钻头直径在65mm的便携式防突钻机打孔，并根据合成树脂9～10m的致密区，将堵漏钻孔的长度设计在6～8m的范围之内，保持其倾角、方位与抽采钻孔一致，位置则设计在抽采钻孔左上方，两者距离在0.3m左右。

封孔注浆泵一般选用额定流量为0～24L/min、注浆压力为0～6 MPa的2ZBQ-9/3型双液注浆泵，该设备结构性能稳定、质量轻便、操作简单，并且可以同时输送两种介质，注浆效率极高。

5 结语

随着我国化学工业的发展，作为地质钻探护壁堵漏用的化学浆液，从其类型、品种以及应用上都有了新的进展。目前就其浆液成分，可分为无机的、有机高分子的；就其性能可分为固化的、非固化的。常用的水玻璃就是无机类的代表；常用的脲醛树脂、丙烯酰胺是高分子类的代表；常用的水泥则是固化的化学浆液，而粘土、沥青等则为非固化的化学浆液。近年来，从化学浆液的发展趋向看，无机与高分子化合物复合使用，已成为品种繁多、应用广泛的化学浆液。