聚合物無固相泥漿在煤田地質鉆探中的應用研究

■李勇

（甘肅煤田地質局一四五隊甘肅張掖734000）

聚合物無固相泥漿在煤田地質鉆探中的應用研究

■李勇

（甘肅煤田地質局一四五隊甘肅張掖734000）

本文首先闡述聚合物無固相泥漿的適用地層和性能特點，進而對煤田鉆井液技術難點進行分析，最后介紹聚合物無固相泥漿鉆井液體系及應用。

聚合物無固相泥漿煤田地質鉆探應用研究

1　前言

在鉆井技術應用廣泛的煤田行業，鉆井液的要求條件較為嚴格，鉆井液的好壞影響著鉆井的速度，鉆頭的使用壽命，鉆井井壁的質量等，我國煤田行業一直在聚合物鉆井液，目前常用的聚合物無固相泥漿鉆井液由于其固相含量低，鉆井性能卓著，抑制性能強，滿足煤田行業鉆井施工的多項要求，創造了良好的經濟效益，受到煤田和石油鉆井業的一致好評。

2　聚合物無固相泥漿的適用地層和性能特點

2.1聚合物無固相泥漿的適用地層

實踐表明，聚合物無固相泥漿適用于大西鐵路客專渭洛河特大橋橋址處所有地質層，主要為第四系全新統沖積黏質黃土、砂質黃土、細砂、中砂、粗砂、礫砂和沖積粉質黏土、粉土及第四系上更新統沖積粉質黏土，細砂、中砂、粗砂、礫砂、粉土和沖湖積粉質黏土、粉土，以及部分不良地質、特殊巖土層（液化性土層、濕陷性黃土、松軟土）［1］。煤層鉆探的目的層是煤層，煤層節理、微裂縫發育，膠結疏松，脆性大，容易發生破裂造成坍塌。含煤巖層水敏性強，毛細效應突出，容易吸附水。含煤巖系中的粘土、泥巖等遇水后極易產生吸水膨脹、崩塌，常造成鉆孔坍塌、埋鉆等事故。所以煤層段的防塌、堵漏就成了無固相鉆井液技術的重點。

2.2聚合物無固相泥漿的性能特點

（1）配制簡單：采用“清水+堿+聚合物”配制泥漿便于現場操作。

（2）護壁性強：鉆孔過程中，在孔壁周圍形成了一層薄的半透明的糊狀保護層，加強了鉆孔作業中孔壁強度，固壁性強，有效防止了地下水滲透。

（3）沉渣速度快：一是聚合物無固相泥漿在較低的濃度條件下即可創造極佳的粘度環境，其越均勻粘度就越強，沉淀凝聚速度也就越快。旋挖鉆在鉆孔過程中鉆具（鉆桿、鉆頭）的連續運動使孔內泥漿形成了二次攪拌，提高了鉆屑黏聚能力，利于鉆屑快速清除出鉆孔，也避免鉆孔施工中出現埋鉆、埋桿、孔壁塌方等事故，有效提高鉆進速度和成孔效率。施工中大量實際統計數據表明，在鉆孔完畢后靜停15～40分鐘，再用旋挖鉆頭撈取一次沉渣，即可達到灌注前沉渣厚度控制在高速鐵路驗標要求的10cm以內［2］。

3　煤田鉆井液技術難點分析

3.1井壁穩定性

通過鉆井現場取出的巖心觀察，上部比較完整，下部比較破碎，呈塊狀，片狀，而且煤層中部還含有一層夾矸。煤巖內外生裂隙發育，形成多期裂縫。而且煤機械強度弱，脆而軟，即容易出現壓性破裂又易張性破裂。因此，在煤層段施工水平井，煤層水平段的井壁穩定是水平井工藝的關鍵。先前，煤層氣水平井使用清水鉆進，清水在井壁不能形成有效的泥餅來支撐井壁，故存在很大的井壁失穩風險。

3.2煤層保護

煤層氣和天然氣的儲層不同，主要表現在煤層孔隙和裂隙發育；而且煤層一般是低壓儲層；機械強度低，應力敏感，低滲透率，煤層中的水容易與外來的流體發生化學反應等等。因此，在鉆井施工過程中，鉆井液的固相顆粒、處理劑分子流體的入侵、煤層的長時間浸泡以及鉆井液的液柱壓力都會對煤層產生影響。而且在煤層段也極易發生井漏的風險。

4　聚合物無固相泥漿鉆井液體系及應用

4.1無固相聚合物鉆井液體系

針對上部地層特點，配制高粘度高切力的膨潤土漿，提高攜砂能力，穩定井眼，防止漏失。進入下部地層和煤層水平段，由于煤層上部地層比較古老，鉆速慢，容易形成很細的鉆屑，增加鉆井液的密度，進而增加了漏失的風險，針對這種情況，我們在鉆井液中加入一定量的聚合物NH4HPAN和KPAM進行處理，改成無固相聚合物鉆井液，這種鉆井液濾失量小，絮凝能力強，固相容易分離，易于維持低密度，能夠很好的起到防漏和防塌能力，在鉆進中及時補充聚合物讓其含量始終維持在2%左右。維持鉆井液的粘度控制在45～50s，API失水控制在在3ml以內，pH值控制在7～8，固相含量控制在5%以下。這種鉆井液體系在煤層段鉆進中，鉆井液能夠迅速在井壁形成一層薄而致密的泥餅，可以有效的封堵煤層的微裂縫，并在水平段長時可以在鉆井液中加入5%的乳化石蠟，來提高其潤滑性，而且該鉆井液的API失水可以控制在3ml以內，這樣可以盡量減小濾液對煤層的侵害。而且無固相鉆井液體系可以很好的控制其動速比，進而加強鉆井液的攜巖能力，保證井眼清潔。

4.2應用實例

ZK020是該礦段的一口鉆井，孔深設計是490m，使用XY-4型鉆機，采用金剛石繩索取心鉆進。當鉆進到313m時，鉆孔漏失嚴重，鉆井液損失過大。當鉆進到315m時，鉆孔漏失現象依然嚴重。由于即將進入煤層鉆進，所以要求通過鉆井液性能的調節來維持鉆進的穩定。

起鉆后通過6次觀測孔內的水位情況，發現最后水位維持在40m左右。觀察巖心情況，發現308m處時取上來的巖心有裂隙存在，確定孔深為315m時在孔深為40m和308m處有2個裂隙形成了一個地下水的封閉水圈。最終決定采用無固相鉆井液的方案，并在鉆井液中加入一定量的惰性材料――鋸末進行堵漏，取得了較好的鉆進效果。

由于鉆孔馬上要進入煤層，堵漏和防塌是鉆井液施工的關鍵。鑒于在進入煤層前會有一段碳質泥巖，后會進入粘土層，這兩個地層都有一定的造漿性，使得鉆井液密度迅速升高，不利于控制鉆井液性能，所以一定要控制鉆井液的低密度和低粘度，密度一般為1.03g/cm3，粘度為22s，同時可添加鋸末材料進行隨鉆堵洞。

4.3應用效果

通過使用實踐表明，所用鉆井液性能穩定，孔內鉆進平穩，井眼比較穩定，順利鉆完煤層，取芯比較順利。說明此種無固相聚丙烯酰胺鉆井液體系完全可以滿足礦區一般煤層的鉆進要求。

5　結論

相對于普通的粘土泥漿和膨潤土泥漿來說，聚合物無固相泥漿具有卓越的性能，自動引入中國市場后就一直受到鉆井業的青睞，特別是聚合物無固相泥漿在快速沉淀鉆屑方面的性能，具有很好的實踐效果。如今聚合物無固相泥漿正在向其他鉆井鉆孔方面發展，我國的地鐵行業才剛剛起步，未來聚合物無固相泥漿有望應用到地鐵建設當中。

［1］鄭立會，孟尚志，曹園.絨囊鉆井液控制煤層氣儲層傷害室內研究 ［J］.煤炭學報，2011，35（3）：439-422

［2］席鳳林.無固相鉆井液在煤層氣井中的應用 ［J］.鉆井液于完井液，2011，15（6）：37-39

F407.1［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-490-1