論鉆探中如何采用化學漿液護壁進行堵漏

文/朱美健，安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊

論鉆探中如何采用化學漿液護壁進行堵漏

文/朱美健，安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊

采礦鉆探主要施工的地層是由沉積巖構(gòu)成，這種地層主要包括復雜的礦物地層和松散的沖積巖層，其土質(zhì)松軟且水敏性較強，因此，一旦鉆頭在鉆進時要穿過這些沉積巖，就會打破該地底巖層的原始平衡，造成不良后果，給采礦鉆探帶來了極大的困難。因此，在施工時，必須要切實做好鉆孔護臂的堵漏工作，化學漿液的主要優(yōu)點是凝固時間可調(diào),可實現(xiàn)瞬間固化;滲透能力和流勸性好,提高了成功率。除了脲醛樹脂漿液有待繼續(xù)實驗外,ST-1型高分子防漏劑、聚丙烯酰胺漿液及空氣泡沫泥漿等的護壁堵漏,已在煤田鉆探中得到應用。

采礦鉆探；化學漿液；護臂堵漏

引言

在地質(zhì)勘探鉆孔施工過程中，由于地層和巖性的多樣化，不可避免地會遇到各種各樣、程度不同的鉆孔事故，給施工帶來麻煩。當鉆進到松散易坍塌地層時，在鉆孔沖洗液中水的作用下，上下鉆的抽吸與激動壓力，以及鉆桿高速旋轉(zhuǎn)的不斷敲擊和震動，隨著鉆孔的不斷延伸，孔壁將在局部不斷擴大，形成超徑，大顆粒巖碴不能通過完整部位的環(huán)狀間隙上返，相繼發(fā)生鉆孔群體封堵、夾鉆、卡鉆、埋鉆、憋泵甚至斷鉆等事故，此時，就必須對這一孔段進行維護。護孔可以使用優(yōu)質(zhì)沖洗液，但任何沖洗液對井壁的保護僅是維護原巖層結(jié)構(gòu)，不可能有大的加固作用，隨著時間的推移，井壁巖石結(jié)構(gòu)在慢慢發(fā)生變化，沖洗液的護壁作用可能就不足以維持原來的平衡。所以，下套管、投泥球、用水泥灌注這些常規(guī)的方法仍不失為最完美的護壁措施。而下套管當已鉆孔深較大時，不但實施困難，而且有時需要擴孔，增加施工成本。最經(jīng)濟有效的辦法往往是采用投泥球或用水泥灌注的辦法來提高孔壁的穩(wěn)定性，達到一勞永逸的目的。可是，當孔內(nèi)有沖洗液時，易使泥球在鉆具搗實過程中漿化，或使水泥漿因孔內(nèi)液體的稀釋作用改變水灰比凝固質(zhì)量變差而影響護壁效果，同時在用鉆具搗實時易對鉆孔產(chǎn)生抽吸作用，進一步破壞孔壁，惡化孔內(nèi)環(huán)境。要提高護壁質(zhì)量，必須盡可能把孔內(nèi)沖洗液抽排干凈，讓泥球或水泥漿更充分滲入貼緊松散破碎巖層，形成更好更加穩(wěn)固的人造孔壁。因此，鉆頭鉆進過程中如何保持地底巖層的原始平衡，必須要切實做好鉆孔護臂的堵漏工作。下面筆者就如何使用化學漿液護壁的堵漏方法進行具體的闡述，以供同行探討。

1 脲醛樹脂注漿材料在采礦鉆探過程對鉆孔護臂進行“快速堵漏”

作為一種水溶性樹脂，脲醛樹脂在酸性條件下可以迅速凝固并形成一種具有一定機械強度的固結(jié)體，因此，它適合用作鉆孔護臂堵漏的化學漿液注漿材料。

1.1 脲醛樹脂是由尿素和甲醛水溶液合成的一種聚合物，原料極易獲得，且成本低、配置簡單，還能人為地調(diào)節(jié)控制其性能和固化時間，是一種毒素較低的化學注漿材料。近年來，人們通過對脲醛樹脂生產(chǎn)工藝、性能調(diào)整以及注漿設備等方面進行研究，多將其應用在鉆孔護臂堵漏的技術上。

1.2 尿素與甲醛的反應包括反應、縮聚和固化三個復雜的化學反應階段。首先，是在弱堿或弱酸性介質(zhì)中，尿素與甲醛發(fā)生加成反應，生成脲的羥甲基（-CH?2OH）衍生物；接著，開始進行縮合反應，得到縮聚的初產(chǎn)物——脲醛樹脂；最后，在使用時，以鹽酸等酸性催化劑將樹脂固化成不溶的固結(jié)體。

這種脲醛樹脂的固結(jié)體呈網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)，且在固化時，由兩個時間段組成。首先是在酸性催化劑加入后，使脲醛樹脂失去流動性，這段時間被稱為初凝時間；然后是酸性催化劑的加入，使得脲醛樹脂失去彈性，這段時間被稱為終凝時間。此外，為了使脲醛樹脂的固化體具有一定的機械強度，在終凝之后，一般還需將固化在水中養(yǎng)護16～24h。

實驗證明，脲醛樹脂的固化過程與酸性催化劑的強弱和用量密切相關。其中，伴隨強酸濃度的增加，脲醛樹脂的凝固時間相應縮短；并且，當弱酸的濃度一定時，脲醛樹脂的固化時間伴隨其用量的增加而縮短。目前常用的酸性催化劑是濃度在3%～36%之間的工業(yè)純鹽酸和硫酸，可以將初凝時間控制在幾秒到數(shù)十分鐘的范圍之內(nèi)。此外，在灌注漿液時還應考慮到孔內(nèi)溫度的影響，實驗證明，脲醛樹脂的固化速度隨著溫度的升高而加快。

1.3 目前在脲醛生產(chǎn)過程中，常采取向脲醛內(nèi)加入苯酚或苯酚-聚乙烯醇等材料來改變尿素與甲醛反應生成物化學結(jié)構(gòu)的方法，達到提高脲醛樹脂強度和韌性的目的。由于苯酚的加入，使得羥甲基苯酚參與到羥甲基脲進行混合接枝以及鑲嵌的過程，進而改善樹脂的粘結(jié)力和機械強度。

2 水玻璃注漿材料在采礦鉆探過程中對鉆孔護臂進行堵漏

水玻璃是一種能夠溶于水的硅酸鹽，價格較低，貨源豐富，配置簡便，因而仍然是目前鉆探過程中大量使用的一種無機類的注漿材料。

2.1 水玻璃是由堿金屬和二氧化硅依照不同比例組合而成。常用的水玻璃有硅酸鈉（Na2O?nSiO2）和硅酸鉀（K2O?nSiO2）等。一般將組成水玻璃的二氧化硅與金屬氧化物的克分子摩爾數(shù)之比叫做模數(shù)，用 M來表示。當 M=1時，水玻璃能在常溫水中溶解；伴隨 M的增加，能夠溶解水玻璃的水溫也相應增加；當 M＞3時，水玻璃的溶解需要在4×105Pa以上的蒸汽當中進行。當M較低時，水玻璃晶體分組較多，因而粘結(jié)能力比較差；而當 M數(shù)較高時，水玻璃交替組合相應增加，同時提高了水玻璃的粘結(jié)力，但與之對應的溶解溫度也在增大。綜合考慮，當M值處于2.0～3.5之間時，水玻璃的粘結(jié)力和溶解性均達到一個最佳狀態(tài)。

2.2 通常狀態(tài)下，水玻璃的粘度隨著溫度的降低而下降，其模數(shù)會隨著水玻璃濃度的增加而上升。此外，為了加速水玻璃的硬化，常常向水玻璃中加入占其重量12%～15%的硅氟酸鈉，以加快其凝結(jié)速度。

3 利用聚丙酰胺漿液的全絮凝作用，達到對鉆孔護臂堵漏的效果

該過程是利用聚丙酰胺的完全絮凝，將清水從粗泥漿中分離出來并迅速漏走，保留絮凝物堵在裂隙之中達到堵漏的作用。這種對鉆孔護臂絮凝堵漏的方法操作簡便，成本低廉，適合在孔壁易塌、裂隙漏水或者活石比較多的地段加以應用。

其中用于絮凝堵漏的聚丙酰胺漿液的具體配方是：取1000ppm的PHP（濃度為1%）以及5～10kg的惰性材料，從孔口直接灌入到粘度為308/m3、相對密度為1.2kg/m3以上的普通泥漿中，再進行適當?shù)臄嚢瑁缓蟊３?6h的靜止時間，便可達到堵漏的效果。

采礦鉆探過程中，當?shù)貙勇┦闆r比較嚴重時，為了提高漿液的濃度，可以適當向聚丙酰胺漿液中加入6%左右的水泥；當?shù)貙拥牧严侗容^大時，可以適當向聚丙酰胺漿液中加入0.1%～1%的水玻璃進行調(diào)和；至于一般裂隙較小的鉆探地層，可以在漿液中加入少量的惰性材料適當降低灌注漿液的濃度。

4 堵漏鉆孔的布置以及風控注漿泵的選用

一般采取鉆頭直徑在65mm的便攜式防突鉆機打孔，并根據(jù)合成樹脂9～10m的致密區(qū)，將堵漏鉆孔的長度設計在6～8m的范圍之內(nèi)，保持其傾角、方位與抽采鉆孔一致，位置則設計在抽采鉆孔左上方，兩者距離在0.3m左右。

封孔注漿泵一般選用額定流量為0～24L/min、注漿壓力為0～6 MPa的2ZBQ-9/3型雙液注漿泵，該設備結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕便、操作簡單，并且可以同時輸送兩種介質(zhì)，注漿效率極高。

5 結(jié)語

隨著我國化學工業(yè)的發(fā)展，作為地質(zhì)鉆探護壁堵漏用的化學漿液，從其類型、品種以及應用上都有了新的進展。目前就其漿液成分，可分為無機的、有機高分子的；就其性能可分為固化的、非固化的。常用的水玻璃就是無機類的代表；常用的脲醛樹脂、丙烯酰胺是高分子類的代表；常用的水泥則是固化的化學漿液，而粘土、瀝青等則為非固化的化學漿液。近年來，從化學漿液的發(fā)展趨向看，無機與高分子化合物復合使用，已成為品種繁多、應用廣泛的化學漿液。