高密度低失水泥漿體系應(yīng)用探析

王 寧

(甘肅煤田地質(zhì)局慶陽資源勘查院，甘肅 慶陽 745000)

0 前 言

現(xiàn)階段，繩索取心鉆探技術(shù)得到了更加廣泛的認(rèn)可，作為一種新型技術(shù)，其可以有效起到穩(wěn)定地層、減少磨損、降低勞動強度以及降低發(fā)生事故的概率等作用，特別是在深孔鉆探工程當(dāng)中可以表現(xiàn)出更加突出的作用。然而在實際應(yīng)用過程中，往往會因為煤系地層水敏性較強而影響技術(shù)成效，因此，相關(guān)技術(shù)人員有必要結(jié)合實際工程需求對高密度低失水泥漿體系展開深入研究，為工程的穩(wěn)定開展奠定基礎(chǔ)。

1 煤田勘探繩索取心鉆探工程特點

1.1 煤系地層特點

通常情況下，煤田勘探中涉及到的巖層主要由沉積巖構(gòu)成，沉積巖的形成原理是通過各類形狀、大小不同的礦物顆粒物質(zhì)組成，同時顆粒與顆粒之間還存在著一定的膠結(jié)物質(zhì)。而膠結(jié)物質(zhì)主要可以分成兩類，分別是硅質(zhì)、鈣質(zhì)物質(zhì)，以及黏土質(zhì)、泥質(zhì)物質(zhì)，前者整體的膠結(jié)強度比較大，而后者強度則要小一些。不同的巖層區(qū)域其膠結(jié)程度也不相同，一般會受到沉積環(huán)境以及地質(zhì)運動等因素的影響，導(dǎo)致煤系巖層具有松散破碎、水敏性強以及空隙大等特點，進(jìn)而在很大程度上提升了勘探工程的難度[1]。近年來，繩索取心鉆進(jìn)工藝在深部煤田勘探工程當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用，但也正是因為煤系地層的復(fù)雜構(gòu)造增多了縮徑、垮塌、涌水等安全事故的發(fā)生。在這樣的情況下，大規(guī)模煤田深孔鉆探工程對于科學(xué)泥漿體系的需求更加強烈，從而有效為繩索取心鉆探工藝的應(yīng)用提供保障，并降低相關(guān)人員的勞動強度。表1為煤系地層特性類型劃分。

1.2 煤田勘探繩索取心鉆探技術(shù)難點

在煤田勘探繩索取心鉆探工程實際開展的過程中，其成效很大程度上會受到地層機構(gòu)的影響，存在空隙大、浸水膨脹、結(jié)構(gòu)軟弱易坍塌的問題。因此，在應(yīng)用常規(guī)繩索取心鉆具的時候也會面臨一定的技術(shù)難點，其中主要包括以下方面：①標(biāo)準(zhǔn)鉆孔結(jié)構(gòu)在工程中具有間隙小、流量大的特點，因而會導(dǎo)致泥漿循環(huán)系統(tǒng)壓力提升，進(jìn)而對地層產(chǎn)生更大的壓力以及破壞作用；②繩索鉆桿內(nèi)壁容易出現(xiàn)結(jié)垢的問題，因此會對后續(xù)的投放與打撈造成影響，甚至?xí)l(fā)卡夾的問題；③泥漿在通過面積與空隙較小的過流通道時，其局部流態(tài)會出現(xiàn)更加劇烈的變化，因而也會造成更為明顯的局部壓力損失；④在泥漿兼顧性較弱的情況下，容易引發(fā)縮徑、坍塌的問題，嚴(yán)重的時候還會導(dǎo)致鉆桿折斷；⑤工程中應(yīng)用的繩索取心鉆具具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件間隙小等特點，同時循環(huán)液同的時候其截面也比較小，提升了部件損壞的概率。

1.3 泥漿技術(shù)核心

在對泥漿體系展開研究的過程中，應(yīng)充分考慮到勘探工程的實際特點，同時還因為煤系巖層具有松散易碎、水敏性強以及空隙大等弊端，一旦出現(xiàn)技術(shù)失誤就很容易造成涌水等事故。因此，在實際應(yīng)用泥漿體系的時候應(yīng)具備以下特點：①造壁性強，可以為孔壁提供足夠的支撐與保護(hù)作用；②隔水性能強，有效避免涌水問題的出現(xiàn)；③抑制性強，最大限度地降低水敏性地層水化、分散現(xiàn)象的出現(xiàn)；④可以有效攜帶懸浮巖屑，確?？梢栽诘谝粫r間將巖屑排出；⑤具有較強的保護(hù)性，提升對礦心的保護(hù)力度。與此同時，在應(yīng)用煤田勘探繩索取心鉆探泥漿技術(shù)的時候，還會受到循環(huán)泵壓高、間隙小等因素而引發(fā)壓垮孔壁的問題，而鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢也會進(jìn)一步提升后續(xù)投放和打撈工作的難度。在這樣的情況下，勘探工程也就對泥漿技術(shù)提出了更高的要求，其中主要涉及到以下方面：①應(yīng)盡可能降低泥漿體系的環(huán)空動壓，避免地層裂縫、坍塌事故的出現(xiàn)；②為實現(xiàn)順利投放與打撈，應(yīng)確保鉆桿具有紊流沖刷功能；③應(yīng)通過環(huán)空流動狀態(tài)盡可能實現(xiàn)對紊流的合理調(diào)節(jié)，確?？梢詫⒛嗥た刂圃诒∏覉皂g的狀態(tài)下，降低縮徑、粘附、地層垮塌等問題出現(xiàn)的概率；④具有加強的潤滑性能，保證可以最大限度降低鉆柱回轉(zhuǎn)阻力，保證其運轉(zhuǎn)效率；⑤盡可能將其固相含量，減少沖刷破壞作用；⑥確保工程現(xiàn)場使用、調(diào)整以及維護(hù)的便利性[2]。

2 高密度低失水泥漿的作用及特點

2.1 作 用

高密度與低失水量是高密度低失水泥漿最為突出的兩個特點，因此，其在實際應(yīng)用的過程中也有著十分顯著的作用。一方面，高密度的泥漿可以保證壓力均衡，從而起到良好的保護(hù)與支撐作用，大大降低了地層垮塌問題的出現(xiàn)。結(jié)合工程實際來看，維持壓力的穩(wěn)定是保證工程順利推進(jìn)的重要基礎(chǔ)，而提高泥漿密度、增大液柱壓力則是最主要的思路與方法。值得注意的是，在提升泥漿密度的時候還應(yīng)注重與繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)相適應(yīng)，既要保證液柱壓力與地層壓力的平衡，又要確保泥漿體系的穩(wěn)定性。另一方面，低失水量的泥漿可以降低滲透性，有效縮減了水敏性地層帶來的弊端。實際上，控制水敏性地層水化膨脹的根本舉措就是降低泥漿失水量，可以借助高分子鏈與黏土顆粒之間的橋聯(lián)作用來提升泥漿內(nèi)部空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保顆?？梢詫崿F(xiàn)均勻分散。除此以外，還可以進(jìn)一步借助高分子鏈上的強水化基團(tuán)來加厚水化膜，既降低了失水量，又顯著提升了泥漿粘度。然而值得注意的是，泥漿粘度并不是越大越好，因為過大的粘度會導(dǎo)致流動困難，從而削弱巖屑沉淀能力，因此，在聚合物的選擇上應(yīng)注重其性能的分析。

2.2 特 點

結(jié)合實際應(yīng)用效果來看，高密度低失水泥漿的特點主要體現(xiàn)在以下方面。①密度較大。在原始狀態(tài)下，巖層會受到上覆壓力、水平地應(yīng)力以及孔隙壓力的共同作用，同時也處在一個平衡的狀態(tài)。而在鉆開孔眼之后，巖層所受到的地應(yīng)力被釋放，原先巖層對孔壁的支撐也替換為孔內(nèi)泥漿，進(jìn)而導(dǎo)致了原有平衡狀態(tài)的破壞。在這樣的情況下，孔壁周圍應(yīng)力需要重新排列分布，而高密度低失水泥漿由于其具備足夠的密度，因此可以有效保證各方向壓力間的有效平衡，最大限度上避免了縮徑、地層垮塌等事故的發(fā)生。②失水量較小。在泥漿失水量較大的情況下，會導(dǎo)致礦物物質(zhì)發(fā)生水化作用，同時降低巖石的機械強度，因此不但會導(dǎo)致水敏性地層的膨脹與分散，還會受到地層壓力、波動壓力等因素的影響而降低整體地層的穩(wěn)定性，提升縮徑、地層垮塌等孔內(nèi)事故出現(xiàn)的概率。為解決上述問題，通過在高密度低失水泥漿中加入相應(yīng)的聚合物來形成吸附水化層，提升對地層顆粒的保護(hù)作用，同時還可以進(jìn)一步加厚水化膜，充分降低其失水量。③護(hù)壁性較強。在應(yīng)用過程中，泥漿在受到拍打作用后會形成泥餅，從而起到相應(yīng)的護(hù)壁作用，而護(hù)壁性的強弱也成為了判斷泥餅質(zhì)量高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，保證泥餅處于薄且堅韌的狀態(tài)可以避免因泥餅過厚、鉆具回轉(zhuǎn)阻力增加而引發(fā)的卡鉆、憋泵等事故。通過在高密度低失水泥漿中加入聚合物來提升泥餅韌性，同時由于失水量的減少而避免濾液進(jìn)入地層，從而發(fā)揮出更加良好的護(hù)壁性。④抑制性較強。在開展煤田鉆探的過程中，如果泥漿的抑制性較差往往會導(dǎo)致泥頁巖層脫落、坍塌，縮徑、卡鉆等問題也會更加嚴(yán)重。在這樣的情況下，可以在高密度低失水泥漿中加入磺化瀝青等聚合物，通過發(fā)揮其抑制效果來限制泥頁巖水化分散。

3 實例分析

3.1 工程概況

在某煤田J203孔施工過程中，應(yīng)用高密度低失水泥漿體系，J203孔深530 m、孔斜18。在實際開展工程的過程中，需要采用小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)至第九號煤層。就地層情況來看，砂巖層具有稀疏破碎、粘結(jié)性差、垮塌嚴(yán)重等問題；泥頁巖層具有水敏性強、吸水膨脹等問題，進(jìn)而提升了下鉆難度；而煤層則具有裂縫大、強度低等問題，存在地層垮塌的可能性。

3.2 泥漿配置

在工程現(xiàn)場進(jìn)行泥漿配制，攪拌桶的容積約為0.6 m3。實際配制過程中，需要先在攪拌桶中加入0.5 m3的水，隨后按照科學(xué)比例加入膨潤土、處理劑等物質(zhì)，在攪拌30 min之后對泥漿的密度進(jìn)行測定。對于密度不足的情況可以通過加入重晶石進(jìn)行彌補，同時注意應(yīng)采用少量分批次加入的形式，避免一次加入過多而導(dǎo)致結(jié)塊問題[3]。在加入CMC之前需要先浸泡，充分溶解之后再進(jìn)行配漿。結(jié)合本次工程的實際情況來看，泥漿的具體配比以及性能控制如表2～4所示。

表2 泥漿的具體配比 %

表3 泥漿的性能控制標(biāo)準(zhǔn)

表4 泥漿的應(yīng)用性能

3.3 應(yīng)用效果

在實際應(yīng)用的過程中，雖然在J203孔中發(fā)揮了十分顯著的成效，但由于地層較為復(fù)雜，因此在大約614 m的位置遇到泥頁巖層之后導(dǎo)致泥漿漏斗粘度在短時間內(nèi)顯著提升，加上工程現(xiàn)場的材料有限，只能通過加水稀釋并時時監(jiān)督的方法進(jìn)行控制。除此以外，還存在泥漿固相含量較高的問題，由于地形較為復(fù)雜加上缺少除砂設(shè)備，提升了泥漿性能變化的概率。

3.4 經(jīng)驗總結(jié)

通過在高密度低失水泥漿中加入聚合物可以顯著降低失水量同時提升密度，進(jìn)而起到良好的保護(hù)作用。與此同時，該泥漿體系在小口徑金剛石繩索取心鉆探中表現(xiàn)出較強的適應(yīng)性，最大限度上降低了孔內(nèi)事故發(fā)生概率。值得注意的是，該泥漿體系在遇到大量釋放煤層氣的地層時會降低使用效果，有必要著重研究。

4 結(jié) 論

煤田勘探繩索取心鉆探相關(guān)技術(shù)在煤層勘探當(dāng)中發(fā)揮了重要的作用，但工程實際效果還會在一定程度上受到巖層空隙松散、水敏性強等弊端的影響，工程效率也會隨之降低。在這樣的情況下，高密度低失水泥漿體系應(yīng)運而生，通過發(fā)揮其高密度、低失水量、高護(hù)壁性以及高抑制性等優(yōu)勢，為巖層起到十分突出的保護(hù)作用，最大限度地保證相關(guān)工程的穩(wěn)定推進(jìn)，實現(xiàn)勘探技術(shù)水平的進(jìn)一步提升。

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