孫建榮

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

采用鉆注綜合鑿井方法施工立井，實(shí)施鉆井法和注漿法平行作業(yè)，會(huì)大幅度縮短建井工期。但是，在深部基巖含水層進(jìn)行地面預(yù)注漿時(shí)，注漿液一旦混入鉆井井筒泥漿中，就會(huì)使泥漿各項(xiàng)性能參數(shù)發(fā)生劣變，影響正常鉆進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起井幫局部坍塌，造成安全事故。可見(jiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析注漿液對(duì)鉆井泥漿各項(xiàng)性能參數(shù)的影響，建立泥漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，盡量避免或者減輕其影響，非常必要。

1 注漿液對(duì)鉆井泥漿性能影響實(shí)驗(yàn)

1.1 泥漿性能參數(shù)測(cè)定方法

(1)密度。采用泥漿比重秤測(cè)定。

(2)濾失量。采用ZNS型泥漿濾失量測(cè)定儀、游標(biāo)卡尺測(cè)量。

(3)流變性能。泥漿流變性能采用ZNN—D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定。

泥漿的流變參數(shù)與六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)之間的關(guān)系為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，φ600、φ300、φ3 分別表示每分鐘600轉(zhuǎn)、300轉(zhuǎn)和3轉(zhuǎn)時(shí)的黏度計(jì)刻度盤讀數(shù)。

1.2 注漿液的組成及配方

地面預(yù)注漿是在井筒鉆鑿之前，在井筒周圍地面打鉆孔，用注漿泵把配制好的漿液通過(guò)鉆桿壓注到巖層裂隙，構(gòu)筑一定厚度的隔水帷幕截堵水流。本實(shí)驗(yàn)注漿材料選用由黏土、水泥、添加劑和水組成的黏土水泥漿。黏土是黏土水泥漿的主體，占漿液體積的8.5%～22%；水泥是漿液的結(jié)構(gòu)生成劑，占漿液體積的3%～6%；添加劑為工業(yè)用水玻璃，作為漿液的速凝劑和結(jié)構(gòu)成型劑，占漿液體積的1%～3%；水為工業(yè)用水，占漿液體積的69%～87.5%。黏土水泥漿配方包括黏土漿比重(1.13～1.30)、水泥和水玻璃摻入量3個(gè)因素。

1.3 注漿液對(duì)鉆井泥漿性能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

取安徽省淮南市朱集西煤礦矸石井地面預(yù)注漿施工的黏土水泥漿和鉆井泥漿，按不同比例分別把注漿液加入到鉆井泥漿中，測(cè)定泥漿的各項(xiàng)性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 注漿液對(duì)鉆井泥漿參數(shù)影響

2 注漿液對(duì)鉆井泥漿性能參數(shù)影響分析

2.1 注漿液對(duì)鉆井泥漿護(hù)壁參數(shù)的影響

(1)注漿液對(duì)鉆井泥漿密度的影響。注漿液和鉆井泥漿的密度本身相差不大。從圖1可以看出，注漿液加入到泥漿中的量從1%增大到4%，鉆井泥漿的密度幾乎沒(méi)有什么變化。

(2)注漿液對(duì)鉆井泥漿濾失量的影響。泥漿中水的3種形態(tài)：①化學(xué)結(jié)合水(又稱晶格水)是黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)組成的一部分；②吸附水是吸附在黏土晶體的外表面及晶層內(nèi)表面上的水(又稱束縛水)；③自由水是在重力作用下，在黏土顆粒間自由活動(dòng)的水(包括黏土顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)所包含的水在內(nèi))。泥漿在井內(nèi)壓差作用下，自由水向巖層中滲透，全過(guò)程由三個(gè)階段組成，與此相對(duì)應(yīng)的3種濾失量：①瞬時(shí)濾失量是指從鉆頭破巖，泥漿接觸新的自由面，泥漿循環(huán)條件尚未構(gòu)成，泥皮還沒(méi)形成前的失水量。瞬時(shí)濾失特點(diǎn)是時(shí)間短、濾失速率(指單位時(shí)間內(nèi)濾失液的體積)高。②動(dòng)濾失量是指在泥漿循環(huán)條件下的失水量，直至泥皮的增厚速度與泥皮被沖刷速度相等，即泥皮厚度恒定。動(dòng)濾失特點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)，壓力差較大(它等于靜液柱壓力加上環(huán)空壓力降和地層壓力之差)，濾失速率中等，泥皮薄，濾失量也由開(kāi)始較大減小至恒定。③靜濾失量是指泥漿停止循環(huán)時(shí)的濾失量。靜濾失的特點(diǎn)是時(shí)間較長(zhǎng)，壓力差較小，僅為靜液柱壓力和地層壓力之差，濾失速率小，沒(méi)有泥漿沖刷泥皮作用，靜濾失泥皮厚度比動(dòng)濾失泥皮厚度大，靜濾失量比動(dòng)濾失量小。此后重復(fù)出現(xiàn)這3個(gè)濾失階段，交替進(jìn)行動(dòng)濾失和靜濾失。

濾失量評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外通常采用API濾失量，即在規(guī)定的壓力差下，通過(guò)一定的滲濾斷面(通常用濾紙作為滲濾介質(zhì))，30min內(nèi)的靜濾失量衡量，單位為ml/30min。影響濾失的因素，主要有壓差、溫度、巖層的滲透性、濾液的粘度、泥漿中固相顆粒的含量、尺寸和分布、水化程度等。泥漿形成的泥皮一定要薄、致密、堅(jiān)韌。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著注漿液加入鉆井泥漿中量的增加，泥漿濾失量逐漸增大，當(dāng)注漿液加入量超過(guò)4%時(shí)，泥漿濾失量增大近一倍。泥漿濾失量大，會(huì)引起井幫膨脹縮徑、坍塌掉塊等，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)安全。注漿液對(duì)鉆井泥漿的影響，主要是注漿液中固相含量高，膠體穩(wěn)定性差，侵入泥漿后會(huì)破壞泥漿的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。同時(shí)，泥漿中高分子聚合物將注漿液包被在里面，形成青蛙籽樣顆粒，使形成的泥皮增厚，濾失量增大。

2.2 注漿液對(duì)鉆井泥漿流變參數(shù)的影響

(1)注漿液對(duì)鉆井泥漿黏度的影響。泥漿塑性黏度是指在層流條件下，泥漿中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)處于動(dòng)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)下，懸浮粒子間、懸浮粒子與液體分子間以及連續(xù)相之間的內(nèi)摩擦力總和。表觀黏度是指在某一剪切速率下，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。對(duì)于泥漿來(lái)說(shuō)，它由塑性黏度和屈服值兩個(gè)參數(shù)確定，反映兩者總的黏滯作用，即結(jié)構(gòu)黏度和塑性黏度之和。

實(shí)驗(yàn)觀察，注漿液侵入鉆井泥漿過(guò)程，不是均勻的分散在泥漿中，而是被泥漿包被成許多似青蛙籽樣的小顆粒，并吸收了泥漿中的自由水，使泥漿的表觀黏度明顯增大，而塑性黏度變化不大。當(dāng)注漿液加量超過(guò)5%時(shí)，泥漿幾乎失去流動(dòng)性。

(2)注漿液對(duì)鉆井泥漿切力的影響。泥漿靜切力膠體化學(xué)實(shí)質(zhì)是凝膠強(qiáng)度。它表示泥漿在靜止?fàn)顟B(tài)下形成單位面積上空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。其物理意義是，當(dāng)泥漿靜止時(shí)，破壞泥漿內(nèi)部單位面積上的結(jié)構(gòu)所需剪切力，單位為Pa。由于泥漿中存在著空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，不可能徹底被攪散；另一方面，運(yùn)動(dòng)著的顆粒互相碰撞，還會(huì)黏結(jié)成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因此，不僅存在靜切力，而且有動(dòng)切力。動(dòng)切力表示泥漿在層流狀態(tài)下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，反映泥漿流動(dòng)時(shí)固相顆粒之間及高分子聚合物分子之間相互作用力的大小，亦即形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力的大小。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，注漿液侵入鉆井泥漿，使泥漿的固相含量增加，泥漿明顯變稠，泥漿靜切力和動(dòng)切力都大幅度升高，特別是注漿液加量超過(guò)2%后，泥漿靜切力迅速升高。同時(shí)，隨著注漿液加入鉆井泥漿，水泥等無(wú)機(jī)電解質(zhì)引起泥漿絮凝，使得動(dòng)切力增大，當(dāng)注漿液加量超過(guò)5%時(shí)，泥漿幾乎失去流動(dòng)性。

3 注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值影響實(shí)驗(yàn)

為了探索注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值的影響規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室參照常用配方配制注漿液，并按比例分別加入泥漿中，測(cè)定其pH值。

3.1 單液漿對(duì)鉆井泥漿pH值的影響

單液漿的配方：水灰比1∶1，NaCl加量為水泥加量的5%，三乙醇胺加量為水泥加量的5‰，漿液密度為1.528g/cm3。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，把自配單液漿按不同比例加入現(xiàn)場(chǎng)鉆井泥漿中，用pH計(jì)測(cè)得其pH值見(jiàn)表1。

表1 單液漿對(duì)鉆井泥漿pH值的影響

3.2 雙液漿對(duì)鉆井泥漿pH值的影響

(1)較稀注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值的影響。自配水泥、水玻璃較稀雙液漿：原漿比重1.1，水泥加量150kg，水玻璃加量15L，漿液密度為1.197g/cm3。

實(shí)驗(yàn)按不同比例把較稀液漿加入現(xiàn)場(chǎng)鉆井泥漿中，用pH計(jì)測(cè)得其PH值見(jiàn)表2。

(2)較稠注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值的影響。自配水泥、水玻璃較稠雙液漿：原漿比重1.1，水泥

加量200kg，水玻璃加量20L，漿液密度1.239g/cm3。

實(shí)驗(yàn)按不同比例把較稠雙液漿加入現(xiàn)場(chǎng)鉆井泥漿中，用pH計(jì)測(cè)得其pH值見(jiàn)表3。

表2 較稀注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值的影響

表3 較稠注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值的影響

3.3 注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1～表3可以看出，不同配比的注漿液對(duì)鉆井泥漿pH值的影響大致相似，即隨著注漿液加入泥漿量的增加，泥漿pH值都明顯地升高。

在鉆注平行作業(yè)鑿井過(guò)程中，如果注漿液侵污泥漿，只能從鉆井井底竄入反循環(huán)泥漿中，并直接被排至出漿口。通過(guò)在出漿口監(jiān)測(cè)鉆井泥漿pH值，就能判斷出是否有注漿液侵入鉆井泥漿。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決鉆注平行作業(yè)鑿井中，注漿液對(duì)鉆井泥漿性能影響問(wèn)題，進(jìn)行了一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，注漿液一旦侵入鉆井泥漿中，泥漿護(hù)壁參數(shù)和流變參數(shù)均會(huì)劣變，影響鉆井速度和成井質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)，甚至發(fā)生鉆井安全事故。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，提出建立泥漿pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)管，直觀判斷注漿液是否侵入到鉆井泥漿中，從而及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，減免其影響。