聚合物钻井液在煤田深孔钻进施工中的应用

钟春

（中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队 甘肃天水 741000）

某省地质勘探队在对某地发现的煤田进行开发的过程中，由于煤田所处地层普遍存在极易破碎、松散等问题，这对煤田的深孔钻进施工造成了很大的不利影响。为了解决这一问题，保障煤田深空钻进施工作业的顺利进行以及施工操作人员的人身安全，技术人员进行了大量的分析和研究工作，最终对钻井液加以改进，将纯碱和烧碱加入进钻井液的配制用水中，使其沉淀并软化，然后再在其中加入适当的铵根离子、高分子聚合物以及钾离子，通过对钻井液进行上述改进之后，钻孔施工效果得到了显著的提高，避免了卡钻现象的出现。

图1 钻井液用聚丙烯酸钾

1 钻孔工程概况

1.1 地层与钻孔结构

在该勘探区中，从新到老的揭露底层分别是新生界、上石盒子、下石盒子、二叠系山西组和本溪组、石炭系太原组以及奥陶系峰组。钻孔工程中对于钻孔的工艺要求是第一次钻孔直径要求195mm，钻孔开到基岩下方后深入至直径为145mm的套管之中。第二次钻孔的直径要求时99mm，按照这一直径开孔直到终孔。

1.2 施工过程中的问题

在施工过程中，遇到的问题主要有以下几方面：①煤层的层数比较多，而且埋藏的深度也比较大，对钻井液的流变性能以及防缩径性能提出了更高的要求。②由于在钻孔施工的过程中，要达到基岩需要钻进比较大的深度，地层中的应力很大，因此钻井液必须有足够优良的润滑性能和造壁性能，在防止地层中出现水化膨胀现象方面也必须有更好的表现。③在进行钻井液的配制时，由于基浆用水在质量方面有不合格的问题，使得钻井液性能受到了严重的不良影响。失水情况极为严重。这主要是最初用于钻井液配制的水取自于周边的河水，河水中具有较高含量的矿物质，不符合饮用标准，有比较严重的水质问题。④因为新生界的最大厚度高达1430m，在钻孔过程中，经常会碰到破碎松散的地层，进而在钻进时发生掉块坍塌或者超径等质量或安全事故。在粘土层中，极易出现造浆现象，大大提高了钻井液中的固体物质含量，增加了粘稠度，会使孔壁上产生过于厚的泥皮，进而时常会出现吸附卡钻的现象。在勘探区中多个钻孔中均发生了卡钻的现象，为此，在钻孔中应用的钻井液需要能够在钻进冲积层的时候，能够对粘土发生分散造浆具有一定的抑制能力，进而防止出现坍塌现象。

3 解决措施

针对深孔钻进施工过程中的问题，勘探队对其采取了相应的措施以提高钻孔的质量。①对用于配浆的水进行了适当的软化，在其中添加了适量的纯碱或者火碱，对矿物质加以沉淀，改善水质，使其对钻井液性能的不良影响降到最低。②根据实际情况对钻井液体系进行了适当的选择，使得地层中尽量没有河水和雨水等地表水渗入，减少钻井液的失水量。为了增强钻井液在抑制粘土发生分散造浆方面的能力，技术人员在钻井液中添加了适当的铵根离子和钾离子，然后通过高分子聚合物的添加，发挥了包被、交联和吸附的作用。③为了深孔钻进施过程中的安全性，在钻进到结构比较完整的基岩层的时候，要提前浆套管下到其中，对覆盖层进行隔离，以此避免因为钻孔发生漏失，进而发生井壁坍塌的安全事故。④钻进液的选用也要根据不同地层的具体特征进行，尽量避免因为钻井液的不当选用给深孔钻进工程的施工质量和施工安全造成不良影响。

4 配制聚合物钻井液及其性能

由于深孔钻井施工过程中用来配制钻井液的水是从河流中现取的，根据水质检测发现，该水具有过大的硬度，会对钻井液的质量和性能造成严重的影响，因此在配制钻井液之前，要对水进行一定的处理，在其中加入适量的氢氧化钠和碳酸钠，将水中所含的钙离子和镁离子沉淀，软化水质。钻井液的配制是在深孔钻进施工的现场进行的，利用搅浆机进行配制。配制开始之前，要先在搅浆机中添加约1.8m3的水，然后将氢氧化钠和碳酸钠加入其中，并持续搅拌约90min后，加入适量的水化膨润土，搅拌约24h。在进行水化膨润剂的配制时，首先要把1kg的膨润土加入25L水中，再按照比例要求将处理剂加入并进行搅拌。处理剂加入时要按照从大分子量到小分子量的加入顺序进行。之后将KPAM、PHP处理剂加入其中即可。

在进行钻井液的配制时，还需要加入适量的润滑剂和PGS，以此促进具有较高韧性和黏附性的泥皮的形成。另一方面，为了保证钻井液的润滑性和对井壁的保护作用，要加入一定的铵根离子和钾离子。除此之外，在深孔钻进的过程中，要根据煤系的地层特征，及时对钻井液进行一定的成分调整。例如，在钻孔到煤层的时候，很容易发生缩径的现象，在此阶段，就要对钻井液中的护壁剂和聚合物成分进行提高，使钻井液的胶结能力提高，保证泥皮质量。

5 维护钻井液

在深孔钻进施工开始之前，将钻井液配制完毕之后，不仅要对其进行妥善的保存，还要在实际深孔钻进施工的不同阶段，根据施工实际情况特征，对其进行一定的调整和维护，以保证钻井液的质量和性能，使其能够在深孔钻进施工过程发挥应用的效果，提高深孔钻进工程的施工质量和施工安全。

（1）在深孔钻进施工过程中，要对钻孔入口出的钻井液进行定期的检测，记录其返浆性能的具体指标，实时掌握钻井液的性能变化，如果出现不正常的变化，及时要对钻井液进行相应的调整，以保证其性能符合深孔钻进施工的标准。

（2）在深孔钻进施工阶段，要做好施工场地的防水工作，避免因为河水或者雨水等地表水渗漏进钻井液中，对钻井液造成污染，影响其性能的正常发挥。

（3）深孔钻进施工过程中对于旋流除砂器的应用也要格外注意，深孔纯钻进所用的时间应该与旋流除砂器的开动时长之比在1：1.3左右。

（4）因为，在深孔钻进过程中，钻井液随着放置时长的增加，其中所含的高分子聚合物含量会慢慢降低，造成钻井液的有效浓度大大降低，使得钻井液的质量和性能均有所下降，无法再满足钻孔施工的实际需求。因此，子啊深孔钻进施工过程中，要定期对钻井液中添加处理剂，根据实际需要以一定的比例逐渐加入，需要注意的是，在往钻井液中补充处理剂的水溶液时，不能一次性添加的太多或者太少，要根据实际情况慢慢添加。

6 应用效果

在根据煤田实际情况，对钻井液进行合理的调整之后，在勘探煤田的过程中，深孔钻进工程进行的十分顺利，不再有吸附卡钻等施工事故发生。同时，与使用高聚物钻井液之前相比，钻具在钻孔施工中的磨损情况具有显著的减轻表明高聚物钻井液本身的润滑性能十分优异，对钻具起到了良好的保护作用。在本次深孔钻进工程中，利用高聚物钻井液一共钻出了6个钻孔，经测定这6个钻孔都是甲级孔，说明对钻井液进行改进，使用高聚物钻井液在煤田深孔钻进工程中具有良好的应用效果。

7 结语

在煤田勘探过程中，由于进行深孔钻进施工时，发现地层中的掉块、坍塌以及破碎松散情况比较严重，在使用钻头进行钻进时，很容易发生卡钻、泥皮过厚等不利已施工进度和施工质量的情况，甚至对施工人员的人身安全也会产生一定的威胁。在此情况下，对钻井液的配方进行一定的调整，运用聚合物钻井液进行深孔钻进施工，实际施工效果十分理想。

[1]朱岩华.聚合物钻井液在煤田深孔钻进施工中的应用[J].华东科技：学术版，2017（12）：431.

[2]王正浩.在煤田深孔钻进易斜地层中偏重管的防斜应用[J].西部探矿工程，2012，24（10）：40～42.

[3]刘剑涛.煤田地质钻探设备选择及深孔钻进技术探讨[J].云南煤炭，2009（3）：19～22.

[4]王长新，胡卫平.复杂地层深孔钻进的泥浆应用浅述[J].中州煤炭，2009（9）：45.

[5]周志明，洪亚男.深孔钻探技术在施工中的应用体会[J].科教文汇（下旬刊），2010（9）：84.