王 寧

(甘肅煤田地質(zhì)局慶陽(yáng)資源勘查院，甘肅 慶陽(yáng) 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(dòng)強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)槊合档貙铀粜暂^強(qiáng)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(shí)際工程需求對(duì)高密度低失水泥漿體系展開(kāi)深入研究，為工程的穩(wěn)定開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

1 煤田勘探繩索取心鉆探工程特點(diǎn)

1.1 煤系地層特點(diǎn)

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(guò)各類(lèi)形狀、大小不同的礦物顆粒物質(zhì)組成，同時(shí)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(lèi)，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(qiáng)度比較大，而后者強(qiáng)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(huì)受到沉積環(huán)境以及地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致煤系巖層具有松散破碎、水敏性強(qiáng)以及空隙大等特點(diǎn)，進(jìn)而在很大程度上提升了勘探工程的難度[1]。近年來(lái)，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?yàn)槊合档貙拥膹?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(duì)于科學(xué)泥漿體系的需求更加強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度。表1為煤系地層特性類(lèi)型劃分。

1.2 煤田勘探繩索取心鉆探技術(shù)難點(diǎn)

在煤田勘探繩索取心鉆探工程實(shí)際開(kāi)展的過(guò)程中，其成效很大程度上會(huì)受到地層機(jī)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(wèn)題。因此，在應(yīng)用常規(guī)繩索取心鉆具的時(shí)候也會(huì)面臨一定的技術(shù)難點(diǎn)，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(diǎn)，因而會(huì)導(dǎo)致泥漿循環(huán)系統(tǒng)壓力提升，進(jìn)而對(duì)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(wèn)題，因此會(huì)對(duì)后續(xù)的投放與打撈造成影響，甚至?xí)l(fā)卡夾的問(wèn)題；③泥漿在通過(guò)面積與空隙較小的過(guò)流通道時(shí)，其局部流態(tài)會(huì)出現(xiàn)更加劇烈的變化，因而也會(huì)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(wèn)題，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)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(diǎn)，同時(shí)循環(huán)液同的時(shí)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(duì)泥漿體系展開(kāi)研究的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到勘探工程的實(shí)際特點(diǎn)，同時(shí)還因?yàn)槊合祹r層具有松散易碎、水敏性強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用泥漿體系的時(shí)候應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①造壁性強(qiáng)，可以為孔壁提供足夠的支撐與保護(hù)作用；②隔水性能強(qiáng)，有效避免涌水問(wèn)題的出現(xiàn)；③抑制性強(qiáng)，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(shí)間將巖屑排出；⑤具有較強(qiáng)的保護(hù)性，提升對(duì)礦心的保護(hù)力度。與此同時(shí)，在應(yīng)用煤田勘探繩索取心鉆探泥漿技術(shù)的時(shí)候，還會(huì)受到循環(huán)泵壓高、間隙小等因素而引發(fā)壓垮孔壁的問(wèn)題，而鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢也會(huì)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(duì)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(dòng)壓，避免地層裂縫、坍塌事故的出現(xiàn)；②為實(shí)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(guò)環(huán)空流動(dòng)狀態(tài)盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)紊流的合理調(diào)節(jié)，確保可以將泥皮控制在薄且堅(jiān)韌的狀態(tài)下，降低縮徑、粘附、地層垮塌等問(wèn)題出現(xiàn)的概率；④具有加強(qiáng)的潤(rùn)滑性能，保證可以最大限度降低鉆柱回轉(zhuǎn)阻力，保證其運(yùn)轉(zhuǎn)效率；⑤盡可能將其固相含量，減少?zèng)_刷破壞作用；⑥確保工程現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)

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(gè)特點(diǎn)，因此，其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)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(wèn)題的出現(xiàn)。結(jié)合工程實(shí)際來(lái)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(shí)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(lái)的弊端。實(shí)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(lái)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?shí)現(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(qiáng)水化基團(tuán)來(lái)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?yàn)檫^(guò)大的粘度會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)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(diǎn)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，高密度低失水泥漿的特點(diǎn)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(huì)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(shí)也處在一個(gè)平衡的狀態(tài)。而在鉆開(kāi)孔眼之后，巖層所受到的地應(yīng)力被釋放，原先巖層對(duì)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?chē)鷳?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(huì)導(dǎo)致礦物物質(zhì)發(fā)生水化作用，同時(shí)降低巖石的機(jī)械強(qiáng)度，因此不但會(huì)導(dǎo)致水敏性地層的膨脹與分散，還會(huì)受到地層壓力、波動(dòng)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(wèn)題，通過(guò)在高密度低失水泥漿中加入相應(yīng)的聚合物來(lái)形成吸附水化層，提升對(duì)地層顆粒的保護(hù)作用，同時(shí)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(qiáng)。在應(yīng)用過(guò)程中，泥漿在受到拍打作用后會(huì)形成泥餅，從而起到相應(yīng)的護(hù)壁作用，而護(hù)壁性的強(qiáng)弱也成為了判斷泥餅質(zhì)量高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，保證泥餅處于薄且堅(jiān)韌的狀態(tài)可以避免因泥餅過(guò)厚、鉆具回轉(zhuǎn)阻力增加而引發(fā)的卡鉆、憋泵等事故。通過(guò)在高密度低失水泥漿中加入聚合物來(lái)提升泥餅韌性，同時(shí)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(qiáng)。在開(kāi)展煤田鉆探的過(guò)程中，如果泥漿的抑制性較差往往會(huì)導(dǎo)致泥頁(yè)巖層脫落、坍塌，縮徑、卡鉆等問(wèn)題也會(huì)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(guò)發(fā)揮其抑制效果來(lái)限制泥頁(yè)巖水化分散。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

在某煤田J203孔施工過(guò)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(shí)際開(kāi)展工程的過(guò)程中，需要采用小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)至第九號(hào)煤層。就地層情況來(lái)看，砂巖層具有稀疏破碎、粘結(jié)性差、垮塌嚴(yán)重等問(wèn)題；泥頁(yè)巖層具有水敏性強(qiáng)、吸水膨脹等問(wèn)題，進(jìn)而提升了下鉆難度；而煤層則具有裂縫大、強(qiáng)度低等問(wèn)題，存在地層垮塌的可能性。

3.2 泥漿配置

在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泥漿配制，攪拌桶的容積約為0.6 m3。實(shí)際配制過(guò)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(rùn)土、處理劑等物質(zhì)，在攪拌30 min之后對(duì)泥漿的密度進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于密度不足的情況可以通過(guò)加入重晶石進(jìn)行彌補(bǔ)，同時(shí)注意應(yīng)采用少量分批次加入的形式，避免一次加入過(guò)多而導(dǎo)致結(jié)塊問(wèn)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(shí)際情況來(lái)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(shí)際應(yīng)用的過(guò)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(yè)巖層之后導(dǎo)致泥漿漏斗粘度在短時(shí)間內(nèi)顯著提升，加上工程現(xiàn)場(chǎng)的材料有限，只能通過(guò)加水稀釋并時(shí)時(shí)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(wèn)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(yàn)總結(jié)

通過(guò)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(shí)提升密度，進(jìn)而起到良好的保護(hù)作用。與此同時(shí)，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(qiáng)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(shí)會(huì)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(shí)際效果還會(huì)在一定程度上受到巖層空隙松散、水敏性強(qiáng)等弊端的影響，工程效率也會(huì)隨之降低。在這樣的情況下，高密度低失水泥漿體系應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)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(shì)，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(shí)現(xiàn)勘探技術(shù)水平的進(jìn)一步提升。

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