交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿在潘家窯煤田地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用

代國(guó)忠，蔣曉曙，史貴才，張亞興

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032)

交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿在潘家窯煤田地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用

代國(guó)忠，蔣曉曙，史貴才，張亞興

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032)

結(jié)合山西大同左云縣潘家窯煤田地質(zhì)勘察鉆孔施工中遇到的孔壁坍塌掉塊與縮徑問(wèn)題，對(duì)交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿進(jìn)行了推廣應(yīng)用。該類(lèi)泥漿由水解聚丙烯酰胺、膨潤(rùn)土、純堿、硫酸鋁和水組成，屬于一種新型的低固相泥漿。作為泥漿交聯(lián)劑的硫酸鋁與水解聚丙烯酰胺適度交聯(lián)成網(wǎng)狀，能在巖石表面形成致密的吸附膜結(jié)構(gòu)。該類(lèi)泥漿黏度、失水量、靜切力、動(dòng)切力等性能指標(biāo)優(yōu)越，對(duì)松散砂質(zhì)泥巖、風(fēng)化粉砂巖及煤系地層等破碎層具有很強(qiáng)的膠結(jié)能力，對(duì)巖粉具有良好的絮凝聚沉能力，維持泥漿體系的低固相，顯著提高風(fēng)化、破碎、水敏性等復(fù)雜地層鉆孔質(zhì)量與巖礦芯的采取率，有效降低鉆探成本。

聚丙烯酰胺；交聯(lián)型泥漿；護(hù)壁作用；地質(zhì)鉆探

1 概述

交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿可用于各類(lèi)地質(zhì)勘探工程及地下鉆孔工程施工。該類(lèi)泥漿由水解聚丙烯酰胺、膨潤(rùn)土、純堿、硫酸鋁和水組成，屬于一種新型的低固相泥漿。因泥漿中的硫酸鋁起到交聯(lián)作用，能與水解聚丙烯酰胺適度交聯(lián)成網(wǎng)狀，可在巖石表面形成致密的吸附膜結(jié)構(gòu)，對(duì)松散砂質(zhì)泥巖、風(fēng)化粉砂巖及煤系地層等破碎層具有很強(qiáng)的膠結(jié)能力，有助于提高各類(lèi)松散、破碎、坍塌、掉塊等復(fù)雜地層孔壁的穩(wěn)定性[1-4]。實(shí)踐表明：交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿的黏度、失水量、靜切力、動(dòng)切力等性能指標(biāo)優(yōu)于普通低固相泥漿，護(hù)壁作用突出，對(duì)巖粉及鉆屑具有良好的絮凝聚沉能力[5-6]。該類(lèi)泥漿使用成本低，無(wú)毒無(wú)副作用，綠色環(huán)保，有利于施工現(xiàn)場(chǎng)操作和維護(hù)管理。

河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)在山西大同左云縣潘家窯煤田地質(zhì)勘察鉆探工程中，遇到了風(fēng)化嚴(yán)重的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、煤層等破碎巖礦層，該段復(fù)雜地層孔壁不穩(wěn)定，極易發(fā)生鉆孔坍塌事故。該勘探區(qū)以往采用普通低固相泥漿鉆進(jìn)，孔內(nèi)事故發(fā)生率較高，鉆進(jìn)時(shí)效低，鉆孔質(zhì)量難以保證。為此，選用常州工學(xué)院研制的交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，較好地解決了該孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生坍塌掉塊及縮徑的問(wèn)題，使鉆孔質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了優(yōu)級(jí)孔，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿配制工藝

2.1 泥漿的基本配方

交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿由膨潤(rùn)土、純堿、水解聚丙烯酰胺、硫酸鋁和水組成，基本配方如下：

1)水解聚丙烯酰胺：選用分子量600萬(wàn)～1 200萬(wàn)、水解度30%左右的聚丙烯酰胺(PHP)，加量為0.06%～0.12%，PHP未溶于水之前呈白色固體顆粒狀態(tài)。

2)硫酸鋁：選用無(wú)水硫酸鋁Al2(SO4)3作為泥漿的交聯(lián)劑，加量為0.012%～0.025%。

3)膨潤(rùn)土：選用河南省信陽(yáng)市某膨潤(rùn)土廠生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土，加量為1.2%～2.4%。

4)純堿：加量為0.1%～0.2%。

2.2 泥漿的配制工藝

根據(jù)室內(nèi)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿各組分加量的最優(yōu)值及配制工藝。按配制1 m3交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿計(jì)算，各組分加量最優(yōu)值為：鈉基膨潤(rùn)土18 kg、純堿1.6 kg、水解聚丙烯酰胺0.8 kg、硫酸鋁0.16 kg。所用的交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿配制工藝如下：

1)鈉基膨潤(rùn)土的浸泡：取鈉基膨潤(rùn)土18 kg，加入裝有50 kg水(常溫條件)的容器內(nèi)進(jìn)行預(yù)浸泡，浸泡5～8 h即可使用。

2)水解聚丙烯酰胺的溶解：取水解聚丙烯酰胺0.8 kg、純堿1.6 kg，將二者混勻后(粉狀混合物)，加入裝有25 kg水(常溫條件)的容器內(nèi)進(jìn)行預(yù)溶解，應(yīng)一邊往水中慢慢撒入水解聚丙烯酰胺與純堿的粉狀混合物，一邊用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌10～15 min后，浸泡4 h以上即可使用。如果施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度低于10 ℃，可采用溫水進(jìn)行水解聚丙烯酰胺的溶解，以提高其溶解速度。

3)硫酸鋁的溶解：取硫酸鋁0.16 kg 加入裝有5 kg水(常溫條件)的容器內(nèi)進(jìn)行預(yù)浸泡，浸泡3～5 min即可使用。

4)泥漿制備：將浸泡后的鈉基膨潤(rùn)土漿加入裝有0.92 m3水的攪拌桶內(nèi)并攪拌至均勻狀態(tài)，然后向攪拌液中加入預(yù)先溶解好的水解聚丙烯酰胺溶液，攪拌至均勻狀態(tài)，最后加入硫酸鋁溶液，攪拌至均勻狀態(tài)，即制備出1 m3交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿。

2.3 泥漿的性能指標(biāo)

經(jīng)鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，按上述工藝配制的交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿初始性能指標(biāo)為：密度1.028 g/cm3，漏斗黏度23 s，API失水量(壓差0.7 MPa，常溫條件)每30 min 8.2 mL，動(dòng)切力4.2 Pa，pH 8.5，屬于賓漢型流體[7]。對(duì)于煤田地質(zhì)鉆探，所用泥漿主要性能指標(biāo)選取原則如下：

1)漏斗黏度：泥漿漏斗黏度應(yīng)適中。漏斗黏度過(guò)低，不易攜帶孔內(nèi)巖粉；漏斗黏度過(guò)高，泥漿從孔內(nèi)上返時(shí)需消耗泵壓較大，使孔壁泥皮增厚，造成孔內(nèi)液柱壓力激動(dòng)，反而降低了孔壁的穩(wěn)定性。因此，煤田地質(zhì)鉆孔泥漿的漏斗黏度控制在19～28 s較好。

2)泥漿失水量：“鉆頭下到孔底破碎巖石—回次結(jié)束起拔鉆具—停止泥漿循環(huán)”整個(gè)過(guò)程中，根據(jù)失水與造壁作用的不同，可將泥漿的失水分為初失水、靜失水和動(dòng)失水三種。

初失水：在鉆頭破碎孔底巖石，形成新的自由面的瞬間，泥漿接觸新的自由面，還未形成或很少形成泥皮，泥漿中的自由水以很高的速率向新鮮巖面失水，這時(shí)的失水稱(chēng)為瞬時(shí)失水或初失水。

靜失水：水泵停止循環(huán)，泥皮不受液流沖刷，孔內(nèi)的液壓力只是泥漿柱靜水壓力，這時(shí)的失水稱(chēng)為靜失水。

動(dòng)失水：當(dāng)水泵循環(huán)，泥皮受到?jīng)_刷，孔內(nèi)的液壓力是泥漿靜水柱壓力與流動(dòng)阻力損失之和，這時(shí)的失水稱(chēng)為動(dòng)失水。

靜失水時(shí)，泥皮逐漸增厚，失水速率逐漸減小。此時(shí)壓力較小，泥皮較厚，失水速率比動(dòng)失水小。動(dòng)失水時(shí)，泥皮不斷在增厚，同時(shí)又不斷被沖刷掉，當(dāng)增厚速率與被沖刷速率相等時(shí)，泥皮厚度動(dòng)態(tài)恒定，失水速率基本不變。泥漿在某一孔段失水的全過(guò)程如圖1所示。

圖1 泥漿在某一孔段失水的全過(guò)程

泥漿失水對(duì)鉆孔工作影響很大[8-9]。對(duì)于泥巖、頁(yè)巖、板巖等含泥質(zhì)成分較大的沉積巖層，泥漿失水過(guò)多會(huì)引起孔壁巖層的吸水膨脹，直接導(dǎo)致縮徑、剝落與坍塌事故的發(fā)生；對(duì)于風(fēng)化嚴(yán)重的破碎層、蝕變帶、節(jié)理裂隙發(fā)育的巖層，泥漿失去的自由水滲入到此類(lèi)巖層縫隙時(shí)，將沖刷洗滌破碎巖層接觸面之間的黏結(jié)成分，降低破碎巖塊之間的黏結(jié)力，使破碎巖塊滑入鉆孔內(nèi)，最終造成孔壁坍塌與卡鉆事故的發(fā)生。同時(shí)，泥漿失水量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致泥皮增厚，加大對(duì)鉆具的吸附效應(yīng)，造成鉆進(jìn)的環(huán)空過(guò)流面積減小，增加鉆桿回轉(zhuǎn)阻力，導(dǎo)致鉆具的彎曲與磨損加劇。當(dāng)然，泥漿的失水對(duì)鉆孔也有有利的一面，如泥漿的初失水可以濕潤(rùn)巖層，使其強(qiáng)度降低，利于鉆頭切削具碎巖，提高鉆進(jìn)時(shí)效。對(duì)于高分子聚合物類(lèi)泥漿，適量的失水還有利于將松散的巖石膠結(jié)起來(lái)，起到穩(wěn)定孔壁的作用。泥漿的API失水量以每30 min 7～20 mL為好。

3)泥漿動(dòng)切力：作為交聯(lián)劑的硫酸鋁對(duì)泥漿動(dòng)切力的影響比較大。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，將泥漿中的水解聚丙烯酰胺線性大分子交聯(lián)成適度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的硫酸鋁最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.012%～0.025%。選擇合適的硫酸鋁加量，有助于提高交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿的動(dòng)切力，使泥漿的流變性符合預(yù)期。當(dāng)硫酸鋁加量較大時(shí)(大于0.03%)，硫酸鋁會(huì)對(duì)泥漿中的水解聚丙烯酰胺產(chǎn)生過(guò)度交聯(lián)，使泥漿的動(dòng)切力下降。煤田地質(zhì)鉆探泥漿的動(dòng)切力值維持在2.8～5.2 Pa較好。如果泥漿的動(dòng)切力值過(guò)低，泥漿在孔內(nèi)上返時(shí)攜帶巖粉能力不夠；動(dòng)切力值過(guò)高，不利于泥漿上返至地面以后的巖粉沉淀與凈化，反而降低了泥漿的護(hù)壁作用[10-11]。

4)泥漿流變性：以潘家窯煤田PJY1903號(hào)鉆孔交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿應(yīng)用為例，通過(guò)對(duì)泥漿流變性的測(cè)定與判斷，所用泥漿屬于賓漢塑性流型，各流變參數(shù)計(jì)算如下：

塑性黏度：

ηp=(φ600-φ300)×10-3= (32.8-20.5)×10-3= 12.3×10-3(Pa·s)

(1)

動(dòng)切力：

τd=0.511(2φ300-φ600)= 0.511(2×20.5-32.8)= 4.2(Pa)

(2)

表觀黏度：

ηA=0.511φ600×10-3= 0.511×32.8×10-3= 16.76(Pa·s)

(3)

流變方程:

τ=τd+ηpγ=4.2+2.095×10-2N(Pa)

(4)

式(1)～(4)中:τ為泥漿賓漢流體的剪切應(yīng)力，Pa；γ為泥漿的剪切速率，s-1，γ=1.703 3N；N為泥漿六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度(3，6，100，200，300，600 r/min)。

對(duì)于賓漢塑性流型的泥漿體系，其表觀黏度隨剪切速率增加有降低的趨勢(shì)，表現(xiàn)為泥漿剪切稀釋作用好，利于鉆進(jìn)碎巖與護(hù)壁作用發(fā)揮。

5)泥漿護(hù)壁性能：交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿護(hù)壁性能優(yōu)于普通低固相泥漿，該類(lèi)泥漿對(duì)風(fēng)化破碎巖石可產(chǎn)生較強(qiáng)的膠結(jié)作用，使孔壁的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。通過(guò)砂樣浸泡實(shí)驗(yàn)可知，見(jiàn)水即散的碎石砂團(tuán)放入交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿中久泡不散，即便將該砂樣放入泥漿中浸泡10 s后再放入水中浸泡仍然較長(zhǎng)時(shí)間不散。這說(shuō)明交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿對(duì)巖土顆粒具有很強(qiáng)的膠結(jié)性，能在孔壁巖石表面(或隨泥漿侵入孔壁內(nèi)一定深度)形成比較致密、堅(jiān)韌的吸附薄膜或吸附圈，增強(qiáng)護(hù)壁性能，確保了風(fēng)化、破碎地層的孔壁穩(wěn)定性[12-13]。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)效果

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)在山西大同市左云縣潘家窯煤礦礦區(qū)進(jìn)行，共安排6個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆孔，以PJY1903勘探孔為例，該鉆孔設(shè)計(jì)孔深685 m，終孔直徑75 mm，地層地質(zhì)條件自上而下依次為：第四系(黃土，層厚20 m)、左云組(砂質(zhì)泥巖、礫巖互層，風(fēng)化，層厚320 m)、下石盒子組(砂質(zhì)泥巖夾細(xì)粒砂巖，風(fēng)化嚴(yán)重，層厚150 m)、山西組(砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、煤層、泥巖、粗粒砂巖等互層，風(fēng)化破碎，坍塌掉塊嚴(yán)重，層厚70 m)、太原組(中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、粉砂巖等互層，風(fēng)化破碎，坍塌掉塊嚴(yán)重，層厚100 m)、本溪組(砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r，層厚大于30 m)。

潘家窯礦區(qū)PJY1903勘探孔在孔深350 m以下遇到強(qiáng)風(fēng)化的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖及中粒砂巖等復(fù)雜地層，此類(lèi)地層鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生坍塌掉塊及縮徑問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)鉆孔施工設(shè)備采用TSJ-1000型鉆機(jī)、TBW-300泥漿泵、21 m高人字鉆塔。鉆進(jìn)方法選擇為：孔深0～80 m，采用Φ135 mm硬質(zhì)合金鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，不取巖芯，下Φ127 mm套管護(hù)孔；孔深80～685 m，采用Φ75 mm金剛石鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，下石盒子組底部至終孔要求取芯(單動(dòng)雙管取芯)。煤層巖芯采取率不低于75%，設(shè)計(jì)要求取芯的層段巖芯采取率不低于60%。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

潘家窯煤田PJY1903號(hào)鉆孔80～685 m均采用交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。泥漿配制完成后，測(cè)試泥漿初始性能指標(biāo)，然后向孔內(nèi)泵送泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)循環(huán)。在鉆進(jìn)工程中，每隔3 h左右測(cè)試一次泥漿性能指標(biāo)，以便及時(shí)掌握孔內(nèi)泥漿性能變化情況。施工現(xiàn)場(chǎng)泥漿性能指標(biāo)為：密度1.03～1.06 g/cm3，漏斗黏度23～31 s，API失水量(壓差0.7 MPa，常溫條件)每30 min 8.2～16.5 mL，動(dòng)切力3.5～4.8 Pa，pH 8～9，屬于賓漢塑性流型。一般情況下，隨著鉆孔深度增加，孔內(nèi)巖粉的含量會(huì)有所增加，導(dǎo)致泥漿的黏度、密度有所增大，但動(dòng)切力及失水量值變化不大?？傮w上，交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿性能比較穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，且泥漿體系的低固相維持較好，能保證其穩(wěn)定發(fā)揮固壁效果。

現(xiàn)場(chǎng)使用表明，交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿具有良好的剪切稀釋作用，對(duì)松散砂質(zhì)泥巖、風(fēng)化粉砂巖及煤系地層等破碎層的膠結(jié)能力強(qiáng)，對(duì)鉆孔巖粉具有較好的絮凝聚沉與凈化的能力，維持泥漿體系的低固相?，F(xiàn)場(chǎng)使用此類(lèi)泥漿護(hù)壁之后，孔深80～685 m鉆進(jìn)都很正常，沒(méi)有出現(xiàn)任何孔內(nèi)事故，大大提高了此類(lèi)復(fù)雜地層孔壁的穩(wěn)定性，巖礦芯采取率都能達(dá)到82%以上。與該礦區(qū)其他勘探孔使用普通低固相泥漿相比，鉆進(jìn)效率可提高2倍以上。因該泥漿體系中固相含量低，黏度適中，并具有一定的潤(rùn)滑性，鉆進(jìn)中對(duì)鉆頭、鉆桿的磨損大大降低，單位進(jìn)尺的鉆探成本下降30%左右，鉆孔質(zhì)量得到保證。經(jīng)驗(yàn)收，潘家窯煤田PJY1903號(hào)鉆孔質(zhì)量達(dá)到優(yōu)級(jí)孔。實(shí)驗(yàn)證明，使用交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿較好地解決了該孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生坍塌掉塊及縮徑的問(wèn)題，應(yīng)用效果十分顯著。

4 結(jié)論

1)所采用的交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿性能指標(biāo)優(yōu)良：密度1.03～1.06 g/cm3，漏斗黏度23～31 s，API失水量(壓差0.7 MPa，常溫條件)每30 min 8.2～16.5 mL，動(dòng)切力3.5～4.8 Pa，pH 8～9，屬于賓漢塑性流型，對(duì)鉆具的潤(rùn)滑性能較好。該類(lèi)泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)符合煤田地質(zhì)鉆探對(duì)泥漿性能的要求。

2)交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿能在鉆孔孔壁巖石表面(或隨泥漿侵入孔壁內(nèi)一定深度)形成比較致密、堅(jiān)韌的吸附薄膜或吸附圈，對(duì)松散砂質(zhì)泥巖、風(fēng)化粉砂巖及煤系地層等破碎層膠結(jié)能力強(qiáng)，對(duì)鉆孔孔壁保護(hù)效果較好，對(duì)于破碎地層能夠防止孔壁坍塌、掉塊的發(fā)生，減少卡鉆事故的發(fā)生。

3)應(yīng)用交聯(lián)型聚丙烯酰胺泥漿，對(duì)鉆孔巖粉具有較好的絮凝聚沉與凈化的能力，有助于提高各類(lèi)地層的鉆進(jìn)時(shí)效，保證鉆孔質(zhì)量，提高巖礦芯的采取率，有效降低鉆探成本。

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責(zé)任編輯：唐海燕

An Application of Crosslinked Polyacrylamide Mud in the Geological Drilling at Panjia Yao Coalfield

DAI Guozhong,JIANG Xiaoshu,SHI Guicai,ZHANG Yaxing

(School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032)

In order to solve the problems of wall collapse and shrinkage of drilled holes in geologic prospecting at Panjia Yao Coalfield located in Zuoyun county of Shanxi province,crosslinked polyacrylamide mud was applied.The mud is composed of hydrolyzed polyacrylamide,bentonite,soda ash,aluminum sulfate and water,which is a new type of low solid mud.Aluminum sulfate moderately crosslinked with hydrolyzed polyacrylamide to form a network in mud resulting in an dense adsorption film structure at the rock surface.Performance of this mud is excellent in terms of viscosity,water loss,static and dynamic shear force,which has a strong cementing ability to loose sandy mudstone,weathered silty and coal measures,and is well-functioning in flocculating drilling cuttings so as to maintain low solid-phase in a slurry system.The mud can significantly improve the efficiency of drilling and core revovery in complex formations,such as weathered,broken and water sensitive formations,and can effectively reduce the drilling cost.

polyacrylamide;crosslinked mud;wall protection;geological drilling

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．001

2016- 04- 28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678083)；江蘇省財(cái)政廳、科學(xué)技術(shù)廳前瞻性研究項(xiàng)目(BY2014039)

代國(guó)忠(1963— )，男，教授。

P634.6

A

1671- 0436(2016)05- 0001- 05