聚合物無固相泥漿在煤田地質鉆探中的應用

楊權

摘要：煤礦整合不斷深入，資源勘查對煤田地質鉆探水平提出了更高要求。在實際生產過程中，孔內事故頻發，對施工進度的正常進行產生較大影響，且難以保證施工安全。在此背景下，本文研究如何在鉆探中引入聚合物無固相泥漿，包括聚合物無固相泥漿的應用機理、配方選擇分析等，并結合具體項目情況，分析聚合物無固相泥漿應用的效果，以期為相關工程提供參考，促進煤田地質鉆探作業水平的提升。

關鍵詞：煤田地質鉆探；聚合物無固相泥漿；應用效果

1.前言

隨著煤礦整合不斷深入，資源勘查成本增加和施工難度增加，施工風險不斷加大。在煤田地質鉆探過程中，由于地層與地形特征較為復雜，比如風化破碎層下施工常出現埋鉆、卡鉆等情況。特別是在部分施工過程中，一般選擇膨潤土低固相泥漿進行鉆進，容易導致孔內事故發生。對此問題，考慮在泥漿引用方面做出優化，選擇剪切稀釋能力好、固壁作用強的類型，如聚合物無固相泥漿。因此，對煤田地質鉆探中聚合物無固相泥漿的應用進行研究，具有十分重要的意義。

2.煤炭地質鉆探中聚合物無固相泥漿應用機理與配方分析

2.1聚合物無固相泥漿應用機理

在鉆探工程中，泥漿的運用旨在固壁層面，但以往所應用的多為細分散泥漿，這種類型泥漿有較高含量的造漿黏土，泥漿體系內黏土保持高度分散，且孔內循環中泥漿有明顯失水情況，整個孔壁穩定性的維持主要借助失水后的泥皮，護壁能力較差。

基于這些方面的考慮，引入聚合物無固相泥漿體系，利用該類型無固相泥漿待交聯劑與泥漿主劑交聯的性質、滲析膠結性質、吸附膠結作用，達到碎石土膠結目的，增強底層孔壁的穩定性。固壁主要通過吸附膜來實現，由于有較高的水分子、高聚合物分子吸附速度，能夠獲取較好的漿液固壁效果。考慮到泥漿固壁要求，應注意根據井壁顆粒表面吸附點，使聚合物如聚乙烯醇分子長度適宜。從當前聚合物無固相泥漿應用看，交聯劑通常選擇硼砂，聚合物以非離子型聚合物為主。若聚合物為非離子、陰離子結合，交聯劑選擇氯化鋁、硫酸鋁等無機鹽，這類交聯劑內有Fe³⁺、Al³⁺陽離子存在，滿足聚合物使用要求。

2.2聚合物無固相泥漿配方實驗研究

通過實驗方法對聚合物無固相泥漿配方分析，主劑聚合選擇內容主要包括聚乙烯醇、部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺以及水解聚丙烯腈，交聯劑無機鹽選擇內容包括硫酸鋁、氯化鐵、氯化鋁、硼砂以及明礬等。試驗方法為正交試驗、漏斗黏度實驗。

其中正交試驗方法借助三水平四因素正交試驗表分析，其中的四個因素包括：①A，選擇聚乙烯醇為主劑；②B，選擇部分水解聚丙烯酰胺為主劑；③C，以硼砂為交聯劑；④D，以硫酸鋁為交聯劑。各因素賦予三個水平，試驗給予1000mL拌和用水，具體試驗方案如表1所示。而漏斗實驗方案，要求借助六速旋轉黏度計、API失水儀、漏斗黏度計做相關性能指標測定，包括動切力（YP）、表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、API失水量以及漏斗黏度（FV）等，具體實驗方案如表2所示。

根據上述實驗結果，綜合平衡各因素，本次研究選定A282C2D2作為配比，除上述相關指標外，利用K表示稠度系數，n表示流性指數，YP/PV表示動塑比，試驗后得出的結果如表3所示。由這些試驗數據結果可發現，在無固相泥漿流性指數為1以下的情況，與無固相泥漿特征吻合。

3.聚合物無固相泥漿固壁作用實驗研究

由于聚合物無固相泥漿作用主要體現在其固壁效果上，本次研究中通過室內實驗方式對泥漿滲析膠結能力進行分析。實驗過程中取淤質土加入砂中，形成兩個泥沙團均保持50mm直徑，于聚合物無固相泥漿內分別浸泡10min、2h，其中浸泡10min的泥沙團取出后置于清水內，取出后切開，可發現浸泡2h后，泥沙球未出現消散情況，而另外泥沙團消散極快，提示聚合物固相泥漿在膠結作用上明顯。另外，室內實驗中，選擇中空環形砂柱2個，800mm高度，實驗選擇清水、聚合物固相泥漿對砂柱浸泡，對比發現清水浸泡下直接坍塌，而另外選擇聚合物固相泥漿的則無坍塌情況，說明膠結固壁作用明顯。

4.煤炭地質鉆探中聚合物無固相泥漿應用實證分析

4.1項目介紹

本次研究中選擇某煤田地質區域為實例，施工操作中要求做鉆孔設計，保持1045m孔深，但施工中發現自深度為200m時便有煤層、風化破碎層存在，石灰巖、砂質泥巖與砂巖均較多，若繼續操作可能出現地層坍塌情況。對此情況，考慮自160m孔深起，直至1045m，均選擇聚合物無固相泥漿護壁方法。現場操作中，對聚合物無固相泥漿穩定性、固壁性分析。施工操作流程：①設備選擇，主要以液動沖機器、泥漿泵、鉆機為主；②鉆進方法，以普通回轉鉆進方式，選擇φ311m牙輪鉆頭在0m-350m孔深位置鉆進，通過沖擊回轉鉆進與φ216mm牙輪鉆頭配合在350m-650m孔深位置鉆進，以普通回轉鉆進方式配合φl52mm牙輪鉆頭于650m～1045m孔深位置鉆進。

4.2聚合物無固相泥漿應用效果

上述鉆進方法應用于該項目下，取得了顯著的成果，具體表現為：①孔壁穩定效果較好，整個施工過程中做涉及抽水試驗4次，抽水層位為200m左右風化帶，地層穩定性較差，此時考慮才采取隔離封固措施。值得注意，該井上部孔徑較大，井身整體結構相對復雜，這為施工操作帶來極大難題。而在聚合物無固相泥漿引入，發現風化帶抽水試驗開展中，地層較為穩定，且在縮小井深結構體系下，使施工難度降低；②穩定的泥漿性能，項目開展中，受-CONH2基團影響，泥漿直接包被所有鉆屑，最后聚沉在沉淀池內，同時配合地面固控系統應用，起到除砂效果，使泥漿體系無固相得以維持，此時鉆探效率將得到明顯提高，且固壁效果穩定；③設備使用壽命延長，以液動沖機器為例，操作過程中，一般含沙量較高的泥漿可能對設備帶來一定沖擊，特別在設備無較強攜帶鉆屑能力下，易發生溢流孔磨損、運動部件磨損問題，零部件壽命因此降低，實驗發現運行15h左右主要零部件基本無法繼續使用。而引入聚合物固相泥漿鉆進工藝，因上返泥漿無較多泥沙量，可以降低零部件磨損程度，使用壽命延長，實驗發現使用時間可維持在40h，且該過程內未見鉆進異常表現。

5.結論

聚合物無固相泥漿的應用是煤田地質鉆探水平提高的關鍵性保證。實際引入聚合物無固相泥漿中，應注意正確認識其固壁作用機理，在配方上進行合理選擇，保證其應用優勢發揮到最大程度。本次研究中通過選擇具體的實例，分析發現聚合物無固相泥漿應用下孔壁穩定效果好、泥漿性能穩定、設備使用壽命延長，所以應在實踐操作中將聚合物無固相泥漿進一步應用。