固孔工藝研究綜述與水泥外加劑實驗

公丕進

（中煤科工集團西安研究院有限公司,西安 710077）

1 引言

近年來，煤礦井下鉆孔已逐漸應用于煤礦水害防治領域，井下探放水鉆孔技術發展較快，鉆孔深度不斷被刷新，2013年中煤科工集團西安研究院在陜西韓城桑樹坪煤礦施工多組井下探放水孔，最大孔深達713m；2014年中煤科工集團西安研究院在內蒙古鄂爾多斯唐家會煤礦最大鉆孔深度達1002m。然而與之配套的固孔工藝發展相對滯后，固孔是井下探放水孔關鍵環節之一，落后的固孔工藝已成為制約鉆孔技術發展的瓶頸之一。探放水鉆孔施工過程中往往會遇到高壓、高流速的底板承壓水，能否有效的封固合理長度的孔段直接關系到后續鉆孔及疏放水的安全。因此開展固孔工藝及水泥漿外加劑的研究勢在必行。

2 水泥漿正循環、反循環固孔工藝及優缺點

2.1 正、反循環工藝流程及注漿結構

目前國內井下探放水孔普遍采用水泥漿正循環泵送工藝，具體工藝流程是：鉆至預定孔深后起鉆，首先下入鋼質套管，套管下深應比孔深少0.5—1m，同時孔口露出0.3—0.5m的套管作為進漿口，套管頭部連接高壓閥；然后用聚亞胺膠脂材料（馬麗散）封固孔口處套管與孔壁之間的環空間歇，并在環空預埋設一根配有閥門的管路，作為泵送水泥漿過程中排放孔內積水及空氣的通道。注漿結構如圖1所示。

待孔口環空填充材料完全固化后，配置足量水泥漿，水灰比一般控制在0.6至1的范圍內，由孔口閘閥泵注水泥漿。注漿過程中水泥漿頂替孔內積水等不斷從孔口環空閘閥返出，直至孔口環空閘閥返出水泥漿后停止泵注，迅速關閉全部孔口閘閥，候凝48h，待水泥凝固后下鉆掃套管內的水泥賽。反循環注漿固孔工藝與正循環工藝施工工序基本一致，不同之處在于水泥漿由孔口環空閘閥泵注，孔內積水從套管閘閥返出。注漿結構如圖2所示。

2.2 兩種固孔工藝優缺點

正循環固孔工藝相對比較成熟，施工工序可操作性強，配套設備較為完備。在探放水孔固孔過程中經常會遇到孔壁裂隙漏漿或孔壁出水等復雜情況，正循環工藝堵漏或堵水效果欠佳，固孔質量難以保證，反循環工藝應對這種復雜情況時可以先泵注含高濃度速凝劑的稀漿以充分填充孔壁裂隙，達到堵漏或堵水的目的，而后再泵注稠水泥漿固孔，反循環工藝能夠使水泥漿充分填充套管與孔壁的環空間隙，從而保證固孔質量。

3 水泥外加劑的試驗與應用

具有良好性能的水泥漿是保證固井質量的關鍵，工程實踐表明水泥外加劑對于調整水泥原漿性能指標有顯著作用。隨著井下探放水孔鉆遇地層情況越來越復雜，在探放水孔施工中僅用純水泥原漿固孔，已不能滿足固孔施工要求。必須加入外加劑來改變水泥漿的流動性、凝固時間及其強度[1]。

固孔對水泥漿性能的基本要求是:

（1）泵注水泥漿時流動阻力小，頂替效率高，能夠充分填充環空間隙。

（2）水泥漿頂替完畢后凝固時間短，強度發展快。

（3）形成的水泥石體積收縮少，有較大的強度，能夠滿足施工要求。

固孔施工過程中常用到的水泥外加劑主要有早強促凝劑、分散劑

3.1 早強促凝劑

在煤礦井下低溫環境中，使用普通的硅酸鹽水泥漿固孔，水泥石強度發展緩慢，固孔候凝時間長，增加了鉆孔的成本。而且還存在水泥石體積收縮現象，導致水泥環膠結不良，影響固孔質量。傳統的一些早強劑，主要成分是單一的無機鹽，這種類型的早強劑在加速水泥漿凝固的同時也降低了水泥石后期強度，且增加了水泥石滲透率。近年來研發出來一種新型早強劑QZ-1，該早強劑是由活性硅粉、固體醇胺以及陰離子型聚合物按一定比例復配而成，QZ-1能夠大大加快水泥的水化速度，促進水泥石早期強度的形成；該早強劑不含氯離子,能夠克服傳統含氯早強劑對鋼質套管的腐蝕，同時含有的活性硅粉，能與水泥發生反應，使水泥石體積產生輕微膨脹；固體醇胺能夠與水泥顆粒和水分子以氫鍵和范德華引力結合，被水泥顆粒吸附，加深水泥水化反應深度；陰離子型聚合物分子鏈上有大量吸附基團(羥基、酰胺基)和水化基團(羧基)，可吸附在水泥顆粒上，提高水泥漿的粘度[2]。

本文通過實驗研究分析早強劑QZ-1對水泥漿性能的影響。實驗內容是：選用42.5R型水泥配置水灰比為1.0的水泥原漿，在水泥原漿中加入不同劑量的QZ-1，模擬井下施工環境，在15℃條件下，測其12h、16h、24h的抗壓強度。由表1中的實驗數據可以看出, 隨著候凝時間的延長和QZ—1劑量的加大, 水泥石抗壓強度逐漸增大，15℃，2%劑量, 養護12h水泥石抗壓強度可達到1.1MPa；4%劑量，12h抗壓強度可達到2.4MPa；6%劑量；12h抗壓強度可達到3.5MPa；而對比原漿水泥石, 在15℃時12h強度僅有0.4MPa。可知，QZ—1型早強劑早強促凝效果非常明顯。

表1 不同QZ-1劑量水泥石抗壓強度（MPa）

在固孔施工過程中如遇到孔壁裂隙滲漏水泥漿或裂隙出水的情況，可采用反循環二次注漿的方法堵漏，首先配置少量低水灰比（0.6-0.8）水泥漿，QZ-1加量為7%-9%，快速泵注完畢，立即清洗注漿泵，候置30min，待已注入的水泥漿充分填充裂隙且初凝之前，立即開始二次注漿，二次泵注的水泥漿水灰比控制在0.8-1之內，早強促凝劑QZ-1劑量4%—6%之內，該方法不僅能夠有效堵漏，而且可以減少候凝時間，提高鉆孔效率。

3.2 分散劑

實踐表明，在大多數情況下采用紊流注水泥的方法有利于獲得較高的頂替效率，這就需要添加水泥分散劑（又稱減阻劑、減水劑或紊流劑等）來改善水泥漿的流變性能，并可在較低的排量、泵壓下實現紊流,水泥分散劑是使用最普遍、消耗量最大的外加劑之一[3]。水泥分散劑主要有：磺酸鹽甲醛縮合物、磺化酮醛縮聚物、木質素磺酸鹽及其衍生物、乙烯基單體聚合物及其衍生物、多羥基羧酸(鹽)等[4]。其中磺化酮醛縮聚物就是一種普遍應用的分散劑，磺化酮醛縮聚物對水泥漿的流變性能具有較強的調控能力，分散效果較為顯著，適用于多種水泥, 與其它外加劑有良好的相容性，分散性能優異且無緩凝副作用。

本文通過實驗研究分析磺化丙酮-甲醛縮聚物對水泥漿流變性能的影響。實驗內容是：配置水灰比為1.0的水泥原漿，均分為5等份，分別加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的分散劑，在10℃條件下，采用旋轉式粘度計測定其表觀粘度、塑形粘度、流性指數、稠化系數等。試驗數據如表2所示。從試驗結果對比可知，磺化丙酮-甲醛縮聚物明顯提高了水泥漿的流性指數、降低了其稠化系數。

表2 磺化丙酮-甲醛縮聚物對42.5R水泥漿流變性的影響

4 結論

（1）固孔是井下探放水鉆孔重要一環，正、反循環泵注兩種固孔工藝各自存在優勢和不足，正循環固孔工藝相對比較成熟，施工工序可操作性強，配套設備較為完備。但不能滿足復雜地質條件下的固孔施工，反循環工藝雖然操作相對操作復雜，可有效解決固孔施工過程中的出水或堵漏問題。

（2）水泥漿性能對安全優質固井起著關鍵作用, 特別是復雜條件下的固孔施工對水泥外加劑提出了更高的要求。水泥外加劑對改善水泥漿性能作用顯著，為更好地滿足固孔施工的需要, 本文通過實驗給出了高效水泥早強促凝劑和分散劑用量參考值，為固孔施工提供參考。

[1]王芳蓮，水泥外加劑在我礦的應用[J].鉆采工藝，1990,4(13):65-70.

[2]劉慶旺，徐衛強，高亭松，等.新型油井水泥低溫早強劑QZ-1性能評價[J]. 科學技術與工程，2010,10(34）:8521-8523.

[3]王中華，國內油井水泥外加劑研究與應用進展[J].精細與專用化學品，2011,10(19):45-48.

[4]易明新，油井水泥分散劑的研究與應用[J].油田化學，2000,17(01):82-84.