張亞興，代國忠，蔣曉曙，王玉春，曹正正

(1.常州市建設(shè)工程結(jié)構(gòu)與材料性能研究重點實驗室(常州工學(xué)院)，江蘇 常州 213002；2.中國煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

地質(zhì)與勘測

聚合物無固相泥漿在煤田地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用研究

張亞興1，代國忠1，蔣曉曙1，王玉春2，曹正正3

(1.常州市建設(shè)工程結(jié)構(gòu)與材料性能研究重點實驗室(常州工學(xué)院)，江蘇 常州 213002；2.中國煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

結(jié)合山西晉城地區(qū)煤田水文地質(zhì)勘察鉆孔施工中所遇到的孔壁坍塌掉塊與縮徑問題，進(jìn)行了聚合物型無固相泥漿配方的優(yōu)選與推廣應(yīng)用。通過正交實驗確定了聚合物無固相泥漿的主劑與交聯(lián)劑加量。該泥漿具有較強固壁作用和較好剪切稀釋能力，能顯著提高風(fēng)化、破碎等復(fù)雜地層的成孔質(zhì)量，配合沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，可大幅度提高液動沖擊器的使用壽命。

聚合物；無固相；泥漿；固壁作用；煤田地質(zhì)鉆探

在大直徑灌注樁成孔、隧道掘進(jìn)、地質(zhì)勘察鉆孔等工程中經(jīng)常會遇到風(fēng)化破碎層。該類地層容易發(fā)生坍塌、卡鉆、埋鉆等工程事故，從而影響施工安全和施工工期[1-2]。中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局在山西晉城地區(qū)進(jìn)行煤田水文地質(zhì)勘察鉆孔施工中就遇到了這類問題，以往采用膨潤土低固相泥漿鉆進(jìn)，孔內(nèi)事故頻發(fā)。為此，結(jié)合工程實際情況，通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，研制了一種具有較強固壁作用、較好剪切稀釋能力的聚合物型無固相泥漿[3-4]。

1 聚合物無固相泥漿配方的優(yōu)選

1.1 固壁機理分析

以往鉆探工程固壁用泥漿主要是細(xì)分散泥漿，其造漿黏土含量高(黏土質(zhì)量比超過10%)，且黏土在泥漿體系中高度分散，泥漿在孔內(nèi)循環(huán)時失水過多(API失水量超過30mL/30min)，并靠泥漿失水之后在孔壁所形成的泥皮維持孔壁穩(wěn)定性的，其護(hù)壁能力較差。聚合物無固相泥漿體系中沒有黏土等固相，泥漿的主劑與交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)之后，通過吸附膠結(jié)和滲析膠結(jié)能快速地實現(xiàn)對松散巖石(或碎石土)的膠結(jié)，確保復(fù)雜地層孔壁的穩(wěn)定性，即靠在井壁表面及縫隙內(nèi)吸附所形成致密的吸附膜來固壁；同時聚合物高分子吸附速度與水分子吸附速度相比越快，漿液固壁效果越好，因此所配漿液相對于水而言應(yīng)有較強的吸附競爭優(yōu)勢。為達(dá)到固壁的設(shè)計效果，所選聚合物高分子長度要能保證在井壁顆粒表面有足夠吸附點，聚乙烯醇等聚合物分子長度恰能滿足此項要求。

實驗表明，對于非離子型聚合物(如聚乙烯醇)，用硼砂等作交聯(lián)劑較合適，對于陰離子與非離子結(jié)合型聚合物(如部分水解聚丙烯酰胺、水解聚丙烯腈)，用含Al3+，F(xiàn)e3+等高價陽離子的無機鹽(如硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵)作交聯(lián)劑較合適[5-6]。

1.2 實驗方案及實驗結(jié)果

聚合物無固相泥漿的主劑從聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、水解聚丙烯腈等聚合物中合理選取，交聯(lián)劑從明礬、硼砂、氯化鋁、氯化鐵、硫酸鋁等無機鹽中合理選取。使用漏斗黏度計、API失水儀、六速旋轉(zhuǎn)粘度計測定聚合物型無固相泥漿的漏斗黏度(FV)、API失水量、塑性黏度(PV)、表觀黏度(AV)、動切力(YP)等性能指標(biāo)，同時通過對砂團(tuán)穩(wěn)定性觀察，合理確定泥漿主劑與交聯(lián)劑加量，使泥漿各項性能指標(biāo)達(dá)到最佳[7-12]。

采用L9(34)三水平四因素正交試驗表，優(yōu)選泥漿的主劑與交聯(lián)劑加量，4個因素分別為A(主劑1聚乙烯醇)、B(主劑2部分水解聚丙烯酰胺)、C(交聯(lián)劑1硼砂)、D(交聯(lián)劑2硫酸鋁)，每個因素選3個水平來作實驗對比，拌合用水每組取1000mL， 正交試驗計劃見表1(表內(nèi)數(shù)值為各因素與水的質(zhì)量百分比)，正交試驗結(jié)果見表2。

表1 正交試驗計劃

表2 正交試驗結(jié)果處理

注：砂團(tuán)在溶液中浸泡1min后放入清水中。

1.3 實驗結(jié)果分析

在保證所配溶液符合無固相泥漿特征的前提下，結(jié)合極差分析來選定各指標(biāo)較優(yōu)實驗方案。以漏斗黏度為例：泥漿黏度大小與井壁形成、井壁穩(wěn)定性、地質(zhì)勘察結(jié)果精度有直接關(guān)系，泥漿黏度過高會使泥包鉆頭，不利于鉆進(jìn)，泥漿黏度過低不利于攜帶鉆屑。極差分析結(jié)果見表3，從表3看出因素對指標(biāo)變化影響主次為B>D>A>C，所以選擇實驗方案B2D2A2C1比較合適。

表3 漏斗粘度實驗分析

按上述方法對其余指標(biāo)分析得：API失水量較優(yōu)實驗方案B3C1D1A1，塑性黏度較優(yōu)實驗方案B2D2A2C3，表觀黏度較優(yōu)實驗方案B2D2A2C3，動切力較優(yōu)實驗方案B2A1C3D2。

由以上分析可知，不同分析指標(biāo)對應(yīng)的方案是不同的，最終方案可通過綜合平衡法優(yōu)化:對因素A取A2合適，因素B取B2合適,因素C取C2合適,因素D取D2合適,得到新配比A2B2C2D2。測定新配比泥漿性能指標(biāo)：漏斗黏度(FV)、API失水量、塑性黏度(PV)、表觀黏度(AV)、動切力(YP)、流性指數(shù)(n)、稠度系數(shù)(K)、動塑比(YP/ PV)，同時對砂團(tuán)穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，結(jié)果見表4。

由于該無固相泥漿流性指數(shù)小于1，說明其為假塑性冪律流體，假塑性流體特點是漿液的表觀黏度隨剪切速率增加有降低的趨勢，具有剪切稀釋作用[13]。其流變方程為：

表4 泥漿性能實驗結(jié)果

τ=Kγn=0.0407×(1.7033N)0.67

(1)

式中，τ為冪律流體的剪切應(yīng)力，Pa；N為六速旋轉(zhuǎn)黏度計的圓筒轉(zhuǎn)速(3，6，100，200，300，600r/min)；γ為剪切速率，s-1；K為稠度系數(shù)；n為流性指數(shù)。

將試驗數(shù)據(jù)代入公式(1)，得出泥漿的流變曲線，如圖1所示。

圖1 泥漿流變曲線

A2B2C2D2組合性能指標(biāo)符合無固相泥漿特征，其摻量為主劑1質(zhì)量百分比為0.4%，主劑2質(zhì)量百分比為0.1%，交聯(lián)劑1質(zhì)量百分比為0.07%，交聯(lián)劑2質(zhì)量百分比為0.015%。

2 泥漿固壁作用的室內(nèi)實驗

為了檢驗聚合物型無固相泥漿的固壁效果，設(shè)計了實驗檢驗其滲析膠結(jié)能力：在砂中少量摻入淤質(zhì)土制作成直徑50mm 左右的2個泥砂團(tuán),一個放入聚合物無固相泥漿浸泡10min后放入清水中，另一個放入聚合物無固相泥漿中，共同浸泡2h，經(jīng)觀察兩者均無變化。將2個泥砂球取出并切開發(fā)現(xiàn)兩者內(nèi)部基本被潤濕，然后將切開的泥砂球放入清水中，未在聚合物無固相泥漿中久泡的泥砂球從中間很快散開，在聚合物無固相泥漿中泡2h的泥砂球久泡不散，這說明聚合物型無固相泥對泥砂球的膠結(jié)作用能直達(dá)試樣內(nèi)部深處，滲析膠結(jié)作用發(fā)揮較好。

模擬復(fù)雜地層固壁的室內(nèi)實驗：在2個高800mm、直徑300mm的圓形金屬桶中堆積起高度為800mm的中空環(huán)形砂柱，用清水浸泡的砂柱瞬間坍塌。用聚合物型無固相泥漿浸泡的砂柱能夠完全保持直立狀態(tài)，未見任何坍塌，將孔內(nèi)漿液換成清水，砂柱未發(fā)生任何坍塌現(xiàn)象，這說明所配制的聚合物型無固相泥漿對松散砂及風(fēng)化破碎巖層具有較強的膠結(jié)固壁作用且其作用是長久有效的。

3 工程現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 工程概況

山西晉城地區(qū)某礦煤田水文地質(zhì)5號鉆孔設(shè)計孔深為1045m，在孔深200m以下遇到砂巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r及風(fēng)化破碎層、煤層，此類地層易坍塌掉塊、透水性強、縮徑問題突出。該孔從160～1045m均采用聚合物無固相泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。通過現(xiàn)場試驗來驗證聚合物型無固相泥漿的固壁性、性能穩(wěn)定性及提高液動沖擊器使用壽命的效果。該鉆孔施工設(shè)備采用TSJ-1000鉆機、TBW-580泥漿泵、7mp/20L.S液動沖擊器等。鉆進(jìn)方法選擇為：孔深0～350m采用φ311mm牙輪鉆頭配合普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，孔深350～650m采用φ216mm牙輪鉆頭配合沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，孔深650～1045m采用φ152mm牙輪鉆頭配合普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

3.2 應(yīng)用效果

(1)采用聚合物無固相泥漿，對復(fù)雜地層的孔壁穩(wěn)定效果顯著。在5號實驗鉆孔施工過程中，因為有4次抽水試驗，其中200m左右風(fēng)化帶即是抽水層位，又是不穩(wěn)定地層，所以在實際孔深結(jié)構(gòu)設(shè)計中為了施工安全設(shè)計了一層套管將其隔離封固，因此該孔在原設(shè)計中有5級孔徑，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部孔徑大，施工難度增大。采用聚合物型無固相泥漿鉆進(jìn)工藝后，在200m風(fēng)化帶的抽水實驗過程中，地層穩(wěn)定，進(jìn)行下步施工時沒有下入套管進(jìn)行護(hù)壁，減少了一級孔徑，使整個孔深結(jié)構(gòu)孔徑縮小，大大降低了施工難度。

(2)泥漿性能穩(wěn)定。該泥漿通過-CONH2等基團(tuán)將鉆屑包被成團(tuán)，上返至地面后在沉淀池中很快聚沉下來，加上地面固控系統(tǒng)的機械除砂，能很好維持泥漿體系的無固相，確保了鉆探效率的提高，保證了其固壁效果的穩(wěn)定發(fā)揮。

(3)提高了液動沖擊器的使用壽命。液動沖擊器在現(xiàn)場使用過程中，由于普通泥漿中含砂量過高并且攜帶鉆屑能力較差，從而引起運動部件和溢流孔的磨損，造成壓力不夠，沖擊力降低，致使沖擊器的主要零部件壽命降低，使用壽命僅為15h左右。當(dāng)采用聚合物型無固相泥漿鉆進(jìn)工藝之后，測定從孔內(nèi)上返之后的泥漿含砂量只有0.5%，大大降低了液動沖擊器在使用過程中零部件的磨損，延長了使用壽命，試驗過程中該液動沖擊器累計使用40h，沒有出現(xiàn)任何鉆進(jìn)異常情況。

4 結(jié)論

(1)聚合物無固相泥漿性能穩(wěn)定，對松散砂及風(fēng)化碎石層的膠結(jié)能力強，保證該類復(fù)雜地層孔壁不會發(fā)生坍塌，提高成孔質(zhì)量。

(2)能維持體系無固相，適合高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)需要；泥漿體系屬假塑性流體范疇，具有較好的剪切稀釋性，有利于沖孔、碎巖和攜帶鉆屑，保持孔內(nèi)清潔。

(3)使用聚合物無固相泥漿，配合沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，可大幅度提高液動沖擊器的使用壽命。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

ApplicationofPolymerSolid-freeMudinCoal-fieldGeologicalDrillingExploration

ZHANG Ya-xing1,DAI Guo-zhong1,JIANG Xiao-shu1,WANG Yu-chun2,CAO Zheng-zheng3

(1.Changzhou Municipal Key Laboratory of Construction Engineering Structure and Material Property,Changzhou 213002,China;2.Hydrological Geological Survey,China National Administration of Coal Geology,Handan 056004 ,China;3.State Key Laboratory of Deep Geotechnical & Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to solve the problem of bore-hole wall collapse and shrinkage in coal-field hydrological drilling exploration in Jincheng area,Shanxi Province,polymer solid-free mud was popularized by formula optimizing.Host agent and crosslinking agent amount was obtained by orthogonal test.This mud had better solid-wall effect and shear attenuation ability,which could improve largely pore-forming quality in rotten and cracked layer,and could largely increase utilization life of hydro-hammer,cooperated with percussion drilling.

polymer; solid-free; mud; solid-wall effect; coal-field geological drilling exploration

2014-04-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.006

國家自然科學(xué)基金(51374201)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2012592)；常州工學(xué)院校級科研基金項目(YN1219)；江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014039)

張亞興(1978-)，男，江蘇常州人，實驗師，主要從事巖土工程勘察、地基與基礎(chǔ)工程研究工作。

張亞興，代國忠，蔣曉曙，等.聚合物無固相泥漿在煤田地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：20-22，92.

TD166

A

1006-6225(2014)05-0020-03