抑制性泥漿在梓煤礦勘探應用

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

關鍵詞: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。地質構造發育，發育程度為中等-復雜。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、龍潭組、茅口組。

地層上部主要是灰巖、泥灰巖、泥質灰巖、泥巖、燧石灰巖、泥質粉砂巖。中部和下部地層以泥質粉砂巖、灰巖、粉砂巖、鋁土質泥巖為主。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生水化膨脹、坍塌等現象。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的重點。

2鉆井液技術措施

2.1上部地層鉆井液的特點鉆井液選擇是否合理，直接影響鉆探的質量和鉆進成本。對上部地層，主要是以灰巖、泥灰巖為主，結構比較穩定。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，能夠充分發揮金剛石鉆進的優勢。

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，必須配置高質量的鉆井液。原漿采用優質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試驗配方的室內測試3.1.1泥漿處理劑選擇根據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抑制性泥漿現場試驗

試驗鉆孔:貴州省桐梓煤礦風水煤礦段ZK2802，設計孔深為520m。使用XY-42型鉆機，采用金剛石繩索取芯鉆進。在孔深0~350m，地層裂隙發育，但是孔壁比較穩定，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，經過長時間多方處理無效，因此必須采用性能優良的泥漿維持孔壁的穩定才能處理事故和繼續鉆進。實驗室工作人員接受委托以后到達施工現場進行試驗。

在現場進行泥漿配方試驗時，考慮到水質偏酸性，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頂替原漿，經過24h的掃孔護壁，孔壁基本穩定，孔壁坍塌現象減弱，掃孔快時有憋泵現象。鉆機阻力小，泥漿循環正常，消耗量減小。

從泥漿初步應用效果來看，孔壁坍塌得到抑制但不完全，需進一步改善；泥漿漏失現象明顯好轉但仍有漏失，需進一步完善。因此在第一次試驗泥漿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。經現場泥漿性能測試，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。

將經過改性的泥漿送入孔內進行24h掃孔護壁，孔壁穩定，無坍塌、縮徑現象。掃孔至事故頭，清孔、排砂直至孔內清潔。起下大鉆，換錐子，處理孔內斷鉆具事故完畢。整個處理事故過程相當順利，未發現起下鉆遇阻現象。鉆孔恢復正常鉆進后，泥漿循環良好，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頂替原漿進行鉆孔正常施工，孔壁穩定，無坍塌、縮徑現象，泥漿循環良好，無憋泵現象，在鉆孔施工中，出現一次斷鉆頭事故。在處理事故過程中，鉆具起下順利，未發生遇阻遇卡現象。

因為該泥漿配方性能優良，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、縮徑現象。因此ZK2802鉆孔一直使用該配方直至順利終孔。

現場泥漿維護:現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，根據測量數據加入相應處理劑調節泥漿以保持泥漿性能基本不變；停鉆時除盡沉淀池、循環槽內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。

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

4泥漿試驗應用效果試驗泥漿配方與試驗之前的普通泥漿配方相比較，有以下優點:泥漿性能穩定，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、縮徑現象；克服了因煤層坍塌引起的遇阻、遇卡事故發生，提高了鉆探生產效率；井身質量好，保證了鉆孔的順利完工。現場試驗經濟技術指標對照如表2所示。

5結論與建議經過現場試驗表明，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用。針對不同的煤系地層泥漿配方并不是一成不變的，應該根據不同礦區的地層和水質等具體情況，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。