高密度低失水泥浆体系应用探析

王 宁

(甘肃煤田地质局庆阳资源勘查院，甘肃 庆阳 745000)

0 前 言

现阶段，绳索取心钻探技术得到了更加广泛的认可，作为一种新型技术，其可以有效起到稳定地层、减少磨损、降低劳动强度以及降低发生事故的概率等作用，特别是在深孔钻探工程当中可以表现出更加突出的作用。然而在实际应用过程中，往往会因为煤系地层水敏性较强而影响技术成效，因此，相关技术人员有必要结合实际工程需求对高密度低失水泥浆体系展开深入研究，为工程的稳定开展奠定基础。

1 煤田勘探绳索取心钻探工程特点

1.1 煤系地层特点

通常情况下，煤田勘探中涉及到的岩层主要由沉积岩构成，沉积岩的形成原理是通过各类形状、大小不同的矿物颗粒物质组成，同时颗粒与颗粒之间还存在着一定的胶结物质。而胶结物质主要可以分成两类，分别是硅质、钙质物质，以及黏土质、泥质物质，前者整体的胶结强度比较大，而后者强度则要小一些。不同的岩层区域其胶结程度也不相同，一般会受到沉积环境以及地质运动等因素的影响，导致煤系岩层具有松散破碎、水敏性强以及空隙大等特点，进而在很大程度上提升了勘探工程的难度[1]。近年来，绳索取心钻进工艺在深部煤田勘探工程当中得到了广泛应用，但也正是因为煤系地层的复杂构造增多了缩径、垮塌、涌水等安全事故的发生。在这样的情况下，大规模煤田深孔钻探工程对于科学泥浆体系的需求更加强烈，从而有效为绳索取心钻探工艺的应用提供保障，并降低相关人员的劳动强度。表1为煤系地层特性类型划分。

1.2 煤田勘探绳索取心钻探技术难点

在煤田勘探绳索取心钻探工程实际开展的过程中，其成效很大程度上会受到地层机构的影响，存在空隙大、浸水膨胀、结构软弱易坍塌的问题。因此，在应用常规绳索取心钻具的时候也会面临一定的技术难点，其中主要包括以下方面：①标准钻孔结构在工程中具有间隙小、流量大的特点，因而会导致泥浆循环系统压力提升，进而对地层产生更大的压力以及破坏作用；②绳索钻杆内壁容易出现结垢的问题，因此会对后续的投放与打捞造成影响，甚至会引发卡夹的问题；③泥浆在通过面积与空隙较小的过流通道时，其局部流态会出现更加剧烈的变化，因而也会造成更为明显的局部压力损失；④在泥浆兼顾性较弱的情况下，容易引发缩径、坍塌的问题，严重的时候还会导致钻杆折断；⑤工程中应用的绳索取心钻具具有内部结构复杂、部件间隙小等特点，同时循环液同的时候其截面也比较小，提升了部件损坏的概率。

1.3 泥浆技术核心

在对泥浆体系展开研究的过程中，应充分考虑到勘探工程的实际特点，同时还因为煤系岩层具有松散易碎、水敏性强以及空隙大等弊端，一旦出现技术失误就很容易造成涌水等事故。因此，在实际应用泥浆体系的时候应具备以下特点：①造壁性强，可以为孔壁提供足够的支撑与保护作用；②隔水性能强，有效避免涌水问题的出现；③抑制性强，最大限度地降低水敏性地层水化、分散现象的出现；④可以有效携带悬浮岩屑，确保可以在第一时间将岩屑排出；⑤具有较强的保护性，提升对矿心的保护力度。与此同时，在应用煤田勘探绳索取心钻探泥浆技术的时候，还会受到循环泵压高、间隙小等因素而引发压垮孔壁的问题，而钻杆内壁结垢也会进一步提升后续投放和打捞工作的难度。在这样的情况下，勘探工程也就对泥浆技术提出了更高的要求，其中主要涉及到以下方面：①应尽可能降低泥浆体系的环空动压，避免地层裂缝、坍塌事故的出现；②为实现顺利投放与打捞，应确保钻杆具有紊流冲刷功能；③应通过环空流动状态尽可能实现对紊流的合理调节，确保可以将泥皮控制在薄且坚韧的状态下，降低缩径、粘附、地层垮塌等问题出现的概率；④具有加强的润滑性能，保证可以最大限度降低钻柱回转阻力，保证其运转效率；⑤尽可能将其固相含量，减少冲刷破坏作用；⑥确保工程现场使用、调整以及维护的便利性[2]。

2 高密度低失水泥浆的作用及特点

2.1 作 用

高密度与低失水量是高密度低失水泥浆最为突出的两个特点，因此，其在实际应用的过程中也有着十分显著的作用。一方面，高密度的泥浆可以保证压力均衡，从而起到良好的保护与支撑作用，大大降低了地层垮塌问题的出现。结合工程实际来看，维持压力的稳定是保证工程顺利推进的重要基础，而提高泥浆密度、增大液柱压力则是最主要的思路与方法。值得注意的是，在提升泥浆密度的时候还应注重与绳索取心钻进技术相适应，既要保证液柱压力与地层压力的平衡，又要确保泥浆体系的稳定性。另一方面，低失水量的泥浆可以降低渗透性，有效缩减了水敏性地层带来的弊端。实际上，控制水敏性地层水化膨胀的根本举措就是降低泥浆失水量，可以借助高分子链与黏土颗粒之间的桥联作用来提升泥浆内部空间网架结构的稳定性，确保颗粒可以实现均匀分散。除此以外，还可以进一步借助高分子链上的强水化基团来加厚水化膜，既降低了失水量，又显著提升了泥浆粘度。然而值得注意的是，泥浆粘度并不是越大越好，因为过大的粘度会导致流动困难，从而削弱岩屑沉淀能力，因此，在聚合物的选择上应注重其性能的分析。

2.2 特 点

结合实际应用效果来看，高密度低失水泥浆的特点主要体现在以下方面。①密度较大。在原始状态下，岩层会受到上覆压力、水平地应力以及孔隙压力的共同作用，同时也处在一个平衡的状态。而在钻开孔眼之后，岩层所受到的地应力被释放，原先岩层对孔壁的支撑也替换为孔内泥浆，进而导致了原有平衡状态的破坏。在这样的情况下，孔壁周围应力需要重新排列分布，而高密度低失水泥浆由于其具备足够的密度，因此可以有效保证各方向压力间的有效平衡，最大限度上避免了缩径、地层垮塌等事故的发生。②失水量较小。在泥浆失水量较大的情况下，会导致矿物物质发生水化作用，同时降低岩石的机械强度，因此不但会导致水敏性地层的膨胀与分散，还会受到地层压力、波动压力等因素的影响而降低整体地层的稳定性，提升缩径、地层垮塌等孔内事故出现的概率。为解决上述问题，通过在高密度低失水泥浆中加入相应的聚合物来形成吸附水化层，提升对地层颗粒的保护作用，同时还可以进一步加厚水化膜，充分降低其失水量。③护壁性较强。在应用过程中，泥浆在受到拍打作用后会形成泥饼，从而起到相应的护壁作用，而护壁性的强弱也成为了判断泥饼质量高低的重要标准。一般来说，保证泥饼处于薄且坚韧的状态可以避免因泥饼过厚、钻具回转阻力增加而引发的卡钻、憋泵等事故。通过在高密度低失水泥浆中加入聚合物来提升泥饼韧性，同时由于失水量的减少而避免滤液进入地层，从而发挥出更加良好的护壁性。④抑制性较强。在开展煤田钻探的过程中，如果泥浆的抑制性较差往往会导致泥页岩层脱落、坍塌，缩径、卡钻等问题也会更加严重。在这样的情况下，可以在高密度低失水泥浆中加入磺化沥青等聚合物，通过发挥其抑制效果来限制泥页岩水化分散。

3 实例分析

3.1 工程概况

在某煤田J203孔施工过程中，应用高密度低失水泥浆体系，J203孔深530 m、孔斜18。在实际开展工程的过程中，需要采用小口径金刚石绳索取心钻进至第九号煤层。就地层情况来看，砂岩层具有稀疏破碎、粘结性差、垮塌严重等问题；泥页岩层具有水敏性强、吸水膨胀等问题，进而提升了下钻难度；而煤层则具有裂缝大、强度低等问题，存在地层垮塌的可能性。

3.2 泥浆配置

在工程现场进行泥浆配制，搅拌桶的容积约为0.6 m3。实际配制过程中，需要先在搅拌桶中加入0.5 m3的水，随后按照科学比例加入膨润土、处理剂等物质，在搅拌30 min之后对泥浆的密度进行测定。对于密度不足的情况可以通过加入重晶石进行弥补，同时注意应采用少量分批次加入的形式，避免一次加入过多而导致结块问题[3]。在加入CMC之前需要先浸泡，充分溶解之后再进行配浆。结合本次工程的实际情况来看，泥浆的具体配比以及性能控制如表2～4所示。

表2 泥浆的具体配比 %

表3 泥浆的性能控制标准

表4 泥浆的应用性能

3.3 应用效果

在实际应用的过程中，虽然在J203孔中发挥了十分显著的成效，但由于地层较为复杂，因此在大约614 m的位置遇到泥页岩层之后导致泥浆漏斗粘度在短时间内显著提升，加上工程现场的材料有限，只能通过加水稀释并时时监督的方法进行控制。除此以外，还存在泥浆固相含量较高的问题，由于地形较为复杂加上缺少除砂设备，提升了泥浆性能变化的概率。

3.4 经验总结

通过在高密度低失水泥浆中加入聚合物可以显著降低失水量同时提升密度，进而起到良好的保护作用。与此同时，该泥浆体系在小口径金刚石绳索取心钻探中表现出较强的适应性，最大限度上降低了孔内事故发生概率。值得注意的是，该泥浆体系在遇到大量释放煤层气的地层时会降低使用效果，有必要着重研究。

4 结 论

煤田勘探绳索取心钻探相关技术在煤层勘探当中发挥了重要的作用，但工程实际效果还会在一定程度上受到岩层空隙松散、水敏性强等弊端的影响，工程效率也会随之降低。在这样的情况下，高密度低失水泥浆体系应运而生，通过发挥其高密度、低失水量、高护壁性以及高抑制性等优势，为岩层起到十分突出的保护作用，最大限度地保证相关工程的稳定推进，实现勘探技术水平的进一步提升。

[ID:013482]