抑制性泥漿在梓煤礦勘探應(yīng)用

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摘要:結(jié)合工程實例介紹泥漿應(yīng)用技術(shù)在煤礦勘探中的應(yīng)用。通過抑制性泥漿在貴州省桐梓煤礦風水礦段ZK2802鉆孔的試驗應(yīng)用，表明所采用的泥漿性能優(yōu)良，對水敏性地層的抑制性良好，滿足煤礦勘探鉆進工藝要求，從而減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高了鉆進效率。

關(guān)鍵詞:煤礦勘探；水敏性地層；抑制性泥漿

1桐梓煤礦風水礦段地層特點桐梓煤礦風水礦段地處桐梓、仁懷、習水三縣交界，交通便利。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育程度為中等-復(fù)雜。整個礦段共有4層可采煤和2層鋁土礦層。鉆孔主要穿越夜郎組的玉龍山段和沙堡灣段、長興組、龍?zhí)督M、茅口組。

地層上部主要是灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、燧石灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖。中部和下部地層以泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r、粉砂巖、鋁土質(zhì)泥巖為主。整個地層普遍存在漏失、破碎、易坍塌、遇水膨脹等情況。

煤礦鉆探的目的層是煤層。由于該礦段的煤層均為粉煤，膠結(jié)疏松，水敏性很強，容易吸附水。還有煤系地層中的粘土、泥巖等遇水后極容易產(chǎn)生水化膨脹、坍塌等現(xiàn)象。常常造成鉆孔垮塌、埋鉆等事故。所以煤礦鉆探中的防塌、堵漏、抑制水化膨脹就成為煤礦鉆探中泥漿技術(shù)的重點。

2鉆井液技術(shù)措施

2.1上部地層鉆井液的特點鉆井液選擇是否合理，直接影響鉆探的質(zhì)量和鉆進成本。對上部地層，主要是以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。但是漏失嚴重，所以主要采用PHP1000~1200ppm配制成無固相鉆井液。該鉆井液潤滑能力強，排砂能力強，機械鉆速高，能夠充分發(fā)揮金剛石鉆進的優(yōu)勢。

2.2煤礦層鉆井液的特點

風水礦段鉆孔鉆進到煤系地層以后，鉆孔容易坍塌，地層漏失嚴重，煤層是粉煤層，吸附水的能力很強，所以極易遇水膨脹、坍塌，屬水敏性地層。針對這種情況，必須配置高質(zhì)量的鉆井液。原漿采用優(yōu)質(zhì)膨潤土加水再加純堿適量，充分攪拌，水化20h以上。處理劑可以采用CMC、GSP、KL防塌護壁劑、聚丙烯腈銨鹽(NH4-HPAN)、磺化瀝青防塌護壁劑、803隨鉆堵漏劑等。粘度高時可以采用腐植酸鉀作稀釋劑，配制成低固相鉆井液，性能參數(shù)控制在:密度1.03~1.04g/cm3，漏斗粘度20~31s，失水量5~15mL/30min，泥餅厚度小于1mm，pH值8.5~10，膠體率大于98%。

3抑制性泥漿

3.1試驗配方的室內(nèi)測試3.1.1泥漿處理劑選擇根據(jù)試用配方選定方向選擇了水解聚丙烯腈胺鹽(NH4-HPAN)、羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)、磺化瀝青防塌護壁劑、803堵漏劑等四種泥漿處理劑。原因是:①水解聚丙烯腈胺鹽(NH4-HPAN)具有降濾失、降粘和抑制頁巖分散的作用。②高粘羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)具有降濾失和增粘的作用。在泥漿中含量較高時，亦具有一定的抑制頁巖水化膨脹能力。③磺化瀝青防塌護壁劑具有良好的冷水分散性能，能夠有效地抑制頁巖膨脹和防止井壁坍塌；優(yōu)良的降失水性能，泥皮致密堅韌；良好的潤滑性能，可更好的防止粘附卡鉆。

④803堵漏劑具有較好的隨鉆堵漏效果。

3.1.2水敏性地層+漏失地層泥漿配方試制根據(jù)擬定的泥漿配方選定方向和所選定的泥漿處理劑，在實驗室經(jīng)過多個泥漿配方實驗，選出下列抑制性+隨鉆堵漏泥漿配方:(1)基漿的配制:350mL清水+純堿0.1%+鈉土粉5%。先把純堿充分溶解在水里，再加入鈉土粉后充分攪拌均勻，靜止16h備用。

(2)試制配方:基漿+水解聚丙烯腈胺鹽(NH4-HPAN)0.1%+羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)0.03%+磺化瀝青防塌護壁劑0.15%+803堵漏劑0.5%。

泥漿性能:密度1.03~1.04，漏斗粘度28~30s，濾失量小于12mL/30min，pH值為小于9.5，泥皮厚小于1.20mm，薄而有韌性。從泥漿性能來看，密度小，不易壓裂壓漏地層；粘度大，有利于懸浮或攜帶鉆屑，同時阻礙泥漿中的自由水向地層滲漏；濾失量小，從而增大了滲濾阻力，減弱了泥頁巖的水化膨脹作用；薄而有韌性的泥皮有利于保持孔壁的完整。

3.2抑制性泥漿現(xiàn)場試驗

試驗鉆孔:貴州省桐梓煤礦風水煤礦段ZK2802，設(shè)計孔深為520m。使用XY-42型鉆機，采用金剛石繩索取芯鉆進。在孔深0~350m，地層裂隙發(fā)育，但是孔壁比較穩(wěn)定，因此采用的是套管護壁堵漏。但是鉆進到353m進入煤層以后煤層開始垮塌，鉆孔越鉆越淺，提下鉆遇阻，強行鉆進時發(fā)生斷鉆具事故，處理過程中，掃孔加桿困難，鉆具到不了事故頭，經(jīng)過長時間多方處理無效，因此必須采用性能優(yōu)良的泥漿維持孔壁的穩(wěn)定才能處理事故和繼續(xù)鉆進。實驗室工作人員接受委托以后到達施工現(xiàn)場進行試驗。

在現(xiàn)場進行泥漿配方試驗時，考慮到水質(zhì)偏酸性，因此先在清水中加入1kg純堿改性，然后再按將實驗室所選配方進行配制泥漿。

現(xiàn)場配方:清水1m3+鈉土粉75kg+純堿1.0kg+水解聚丙烯腈胺鹽(NH4-HPAN)0.5kg+羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)0.3kg+磺化瀝青防塌護壁劑1.5kg+803堵漏劑5.0kg。

泥漿性能:密度1.04，漏斗粘度28~30s，濾失量10mL/30min，pH值為9.5。實驗室用膨脹儀器測定的膨脹量為0.75mm/8h。

將上述配方泥漿送入孔內(nèi)頂替原漿，經(jīng)過24h的掃孔護壁，孔壁基本穩(wěn)定，孔壁坍塌現(xiàn)象減弱，掃孔快時有憋泵現(xiàn)象。鉆機阻力小，泥漿循環(huán)正常，消耗量減小。

從泥漿初步應(yīng)用效果來看，孔壁坍塌得到抑制但不完全，需進一步改善；泥漿漏失現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)但仍有漏失，需進一步完善。因此在第一次試驗?zāi)酀{中加入降濾失劑水解聚丙烯腈胺鹽(NH4-HPAN)1kg，磺化瀝青防塌護壁劑2kg，803堵漏劑10kg。經(jīng)現(xiàn)場泥漿性能測試，其密度1.04，漏斗粘度30~31s，濾失量8.5mL/30min，pH值為9.5。實驗室用膨脹儀器測定的膨脹量為0.71mm/8h。

將經(jīng)過改性的泥漿送入孔內(nèi)進行24h掃孔護壁，孔壁穩(wěn)定，無坍塌、縮徑現(xiàn)象。掃孔至事故頭，清孔、排砂直至孔內(nèi)清潔。起下大鉆，換錐子，處理孔內(nèi)斷鉆具事故完畢。整個處理事故過程相當順利，未發(fā)現(xiàn)起下鉆遇阻現(xiàn)象。鉆孔恢復(fù)正常鉆進后，泥漿循環(huán)良好，但仍有漏失，需加大803堵漏劑用量。泥漿pH值為9.5，稍偏高，需加減純堿調(diào)整。

鉆孔正常鉆進2d后，因泥漿含砂量較高，泥漿性能有所改變而從新配制泥漿。新的泥漿配方為:清水1m3+鈉土粉75kg+純堿2kg+水解聚丙烯腈胺鹽(NH4-HPAN)1.2kg+羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)0.5kg+磺化瀝青防塌護壁劑2.5kg+803堵漏劑12.5kg。其性能指標為:密度1.04，漏斗粘度28~32s，濾失量7mL/30min，pH值為8.5。實驗室用膨脹儀器測定的膨脹量為0.65mm/8h。

將第三次配制的泥漿送入孔內(nèi)頂替原漿進行鉆孔正常施工，孔壁穩(wěn)定，無坍塌、縮徑現(xiàn)象，泥漿循環(huán)良好，無憋泵現(xiàn)象，在鉆孔施工中，出現(xiàn)一次斷鉆頭事故。在處理事故過程中，鉆具起下順利，未發(fā)生遇阻遇卡現(xiàn)象。

因為該泥漿配方性能優(yōu)良，滿足了鉆進工藝的要求；有效地防止了泥巖地層和煤層坍塌、縮徑現(xiàn)象。因此ZK2802鉆孔一直使用該配方直至順利終孔。

現(xiàn)場泥漿維護:現(xiàn)場配備一臺泥漿攪拌機，使鈉膨潤土粉能充分水化分散；配備加藥桶，將待加入的處理劑預(yù)先分散、水化、溶解；配備泥漿比重稱、馬氏漏斗粘度計、打氣筒失水儀和pH試紙以便測量泥漿性能指標；泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽用水泥砂漿修筑，以免混入雜物污染泥漿。每班測量一次泥漿性能指標，根據(jù)測量數(shù)據(jù)加入相應(yīng)處理劑調(diào)節(jié)泥漿以保持泥漿性能基本不變；停鉆時除盡沉淀池、循環(huán)槽內(nèi)的沉砂以保證泥漿較小的含砂量。泥漿性能指標與最初泥漿性能指標相差較大時換漿。

本次現(xiàn)場泥漿試驗配方經(jīng)過了多次泥漿性能調(diào)試，其真正有意義、有價值的是上述3次配制與調(diào)試。三次調(diào)試后的泥漿配方與普通泥漿配方各項指標對比見表1。

4泥漿試驗應(yīng)用效果試驗?zāi)酀{配方與試驗之前的普通泥漿配方相比較，有以下優(yōu)點:泥漿性能穩(wěn)定，滿足了鉆井工藝的要求；有效地防止了泥、頁巖地層和煤層坍塌、縮徑現(xiàn)象；克服了因煤層坍塌引起的遇阻、遇卡事故發(fā)生，提高了鉆探生產(chǎn)效率；井身質(zhì)量好，保證了鉆孔的順利完工。現(xiàn)場試驗經(jīng)濟技術(shù)指標對照如表2所示。

5結(jié)論與建議經(jīng)過現(xiàn)場試驗表明，在桐梓煤田勘探中，針對該地層特點，試驗了這一抑制性泥漿體系。經(jīng)過桐梓風水礦段ZK2802鉆孔的泥漿試驗，所選用的泥漿配方能夠很好地抑制水敏性地層和煤層水化、膨脹，并兼有地層微裂隙堵漏效果。上述泥漿配方可在同類地層中推廣應(yīng)用。針對不同的煤系地層泥漿配方并不是一成不變的，應(yīng)該根據(jù)不同礦區(qū)的地層和水質(zhì)等具體情況，采用不同的泥漿配方，才能滿足煤層鉆進取芯的需求。此外，鉆井液性能的現(xiàn)場維護是十分重要的，一般要求控制低固相、低粘度、小濾失量，抑制性能良好，泥餅薄而韌性好，堵漏效果明顯，就可以起到較好鉆進效果和護壁作用。