固孔工藝研究綜述與水泥外加劑實(shí)驗(yàn)

公丕進(jìn)

（中煤科工集團(tuán)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(yīng)用于煤礦水害防治領(lǐng)域，井下探放水鉆孔技術(shù)發(fā)展較快，鉆孔深度不斷被刷新，2013年中煤科工集團(tuán)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(dá)713m；2014年中煤科工集團(tuán)西安研究院在內(nèi)蒙古鄂爾多斯唐家會(huì)煤礦最大鉆孔深度達(dá)1002m。然而與之配套的固孔工藝發(fā)展相對(duì)滯后，固孔是井下探放水孔關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，落后的固孔工藝已成為制約鉆孔技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。探放水鉆孔施工過程中往往會(huì)遇到高壓、高流速的底板承壓水，能否有效的封固合理長(zhǎng)度的孔段直接關(guān)系到后續(xù)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(shì)在必行。

2 水泥漿正循環(huán)、反循環(huán)固孔工藝及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 正、反循環(huán)工藝流程及注漿結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)井下探放水孔普遍采用水泥漿正循環(huán)泵送工藝，具體工藝流程是：鉆至預(yù)定孔深后起鉆，首先下入鋼質(zhì)套管，套管下深應(yīng)比孔深少0.5—1m，同時(shí)孔口露出0.3—0.5m的套管作為進(jìn)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(huán)空間歇，并在環(huán)空預(yù)埋設(shè)一根配有閥門的管路，作為泵送水泥漿過程中排放孔內(nèi)積水及空氣的通道。注漿結(jié)構(gòu)如圖1所示。

待孔口環(huán)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(nèi)，由孔口閘閥泵注水泥漿。注漿過程中水泥漿頂替孔內(nèi)積水等不斷從孔口環(huán)空閘閥返出，直至孔口環(huán)空閘閥返出水泥漿后停止泵注，迅速關(guān)閉全部孔口閘閥，候凝48h，待水泥凝固后下鉆掃套管內(nèi)的水泥賽。反循環(huán)注漿固孔工藝與正循環(huán)工藝施工工序基本一致，不同之處在于水泥漿由孔口環(huán)空閘閥泵注，孔內(nèi)積水從套管閘閥返出。注漿結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 兩種固孔工藝優(yōu)缺點(diǎn)

正循環(huán)固孔工藝相對(duì)比較成熟，施工工序可操作性強(qiáng)，配套設(shè)備較為完備。在探放水孔固孔過程中經(jīng)常會(huì)遇到孔壁裂隙漏漿或孔壁出水等復(fù)雜情況，正循環(huán)工藝堵漏或堵水效果欠佳，固孔質(zhì)量難以保證，反循環(huán)工藝應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜情況時(shí)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(dá)到堵漏或堵水的目的，而后再泵注稠水泥漿固孔，反循環(huán)工藝能夠使水泥漿充分填充套管與孔壁的環(huán)空間隙，從而保證固孔質(zhì)量。

3 水泥外加劑的試驗(yàn)與應(yīng)用

具有良好性能的水泥漿是保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵，工程實(shí)踐表明水泥外加劑對(duì)于調(diào)整水泥原漿性能指標(biāo)有顯著作用。隨著井下探放水孔鉆遇地層情況越來越復(fù)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(dòng)性、凝固時(shí)間及其強(qiáng)度[1]。

固孔對(duì)水泥漿性能的基本要求是:

（1）泵注水泥漿時(shí)流動(dòng)阻力小，頂替效率高，能夠充分填充環(huán)空間隙。

（2）水泥漿頂替完畢后凝固時(shí)間短，強(qiáng)度發(fā)展快。

（3）形成的水泥石體積收縮少，有較大的強(qiáng)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(qiáng)促凝劑、分散劑

3.1 早強(qiáng)促凝劑

在煤礦井下低溫環(huán)境中，使用普通的硅酸鹽水泥漿固孔，水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，固孔候凝時(shí)間長(zhǎng)，增加了鉆孔的成本。而且還存在水泥石體積收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥環(huán)膠結(jié)不良，影響固孔質(zhì)量。傳統(tǒng)的一些早強(qiáng)劑，主要成分是單一的無機(jī)鹽，這種類型的早強(qiáng)劑在加速水泥漿凝固的同時(shí)也降低了水泥石后期強(qiáng)度，且增加了水泥石滲透率。近年來研發(fā)出來一種新型早強(qiáng)劑QZ-1，該早強(qiáng)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(fù)配而成，QZ-1能夠大大加快水泥的水化速度，促進(jìn)水泥石早期強(qiáng)度的形成；該早強(qiáng)劑不含氯離子,能夠克服傳統(tǒng)含氯早強(qiáng)劑對(duì)鋼質(zhì)套管的腐蝕，同時(shí)含有的活性硅粉，能與水泥發(fā)生反應(yīng)，使水泥石體積產(chǎn)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(jié)合，被水泥顆粒吸附，加深水泥水化反應(yīng)深度；陰離子型聚合物分子鏈上有大量吸附基團(tuán)(羥基、酰胺基)和水化基團(tuán)(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(shí)驗(yàn)研究分析早強(qiáng)劑QZ-1對(duì)水泥漿性能的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(huán)境，在15℃條件下，測(cè)其12h、16h、24h的抗壓強(qiáng)度。由表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出, 隨著候凝時(shí)間的延長(zhǎng)和QZ—1劑量的加大, 水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸增大，15℃，2%劑量, 養(yǎng)護(hù)12h水泥石抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.1MPa；4%劑量，12h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2.4MPa；6%劑量；12h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3.5MPa；而對(duì)比原漿水泥石, 在15℃時(shí)12h強(qiáng)度僅有0.4MPa。可知，QZ—1型早強(qiáng)劑早強(qiáng)促凝效果非常明顯。

表1 不同QZ-1劑量水泥石抗壓強(qiáng)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(huán)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(nèi)，早強(qiáng)促凝劑QZ-1劑量4%—6%之內(nèi)，該方法不僅能夠有效堵漏，而且可以減少候凝時(shí)間，提高鉆孔效率。

3.2 分散劑

實(shí)踐表明，在大多數(shù)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(shí)現(xiàn)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(zhì)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(yīng)用的分散劑，磺化酮醛縮聚物對(duì)水泥漿的流變性能具有較強(qiáng)的調(diào)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(yōu)異且無緩凝副作用。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究分析磺化丙酮-甲醛縮聚物對(duì)水泥漿流變性能的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)定其表觀粘度、塑形粘度、流性指數(shù)、稠化系數(shù)等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(shù)、降低了其稠化系數(shù)。

表2 磺化丙酮-甲醛縮聚物對(duì)42.5R水泥漿流變性的影響

4 結(jié)論

（1）固孔是井下探放水鉆孔重要一環(huán)，正、反循環(huán)泵注兩種固孔工藝各自存在優(yōu)勢(shì)和不足，正循環(huán)固孔工藝相對(duì)比較成熟，施工工序可操作性強(qiáng)，配套設(shè)備較為完備。但不能滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的固孔施工，反循環(huán)工藝雖然操作相對(duì)操作復(fù)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(duì)安全優(yōu)質(zhì)固井起著關(guān)鍵作用, 特別是復(fù)雜條件下的固孔施工對(duì)水泥外加劑提出了更高的要求。水泥外加劑對(duì)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(shí)驗(yàn)給出了高效水泥早強(qiáng)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(yīng)用[J].鉆采工藝，1990,4(13):65-70.

[2]劉慶旺，徐衛(wèi)強(qiáng)，高亭松，等.新型油井水泥低溫早強(qiáng)劑QZ-1性能評(píng)價(jià)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2010,10(34）:8521-8523.

[3]王中華，國(guó)內(nèi)油井水泥外加劑研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2011,10(19):45-48.

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