钻注平行作业注浆液对泥浆影响实验研究

孙建荣

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

采用钻注综合凿井方法施工立井，实施钻井法和注浆法平行作业，会大幅度缩短建井工期。但是，在深部基岩含水层进行地面预注浆时，注浆液一旦混入钻井井筒泥浆中，就会使泥浆各项性能参数发生劣变，影响正常钻进，严重时会引起井帮局部坍塌，造成安全事故。可见，通过实验分析注浆液对钻井泥浆各项性能参数的影响，建立泥浆监测系统，及时采取应对措施，尽量避免或者减轻其影响，非常必要。

1 注浆液对钻井泥浆性能影响实验

1.1 泥浆性能参数测定方法

(1)密度。采用泥浆比重秤测定。

(2)滤失量。采用ZNS型泥浆滤失量测定仪、游标卡尺测量。

(3)流变性能。泥浆流变性能采用ZNN—D6型六速旋转黏度计测定。

泥浆的流变参数与六速旋转黏度计读数之间的关系为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，φ600、φ300、φ3 分别表示每分钟600转、300转和3转时的黏度计刻度盘读数。

1.2 注浆液的组成及配方

地面预注浆是在井筒钻凿之前，在井筒周围地面打钻孔，用注浆泵把配制好的浆液通过钻杆压注到岩层裂隙，构筑一定厚度的隔水帷幕截堵水流。本实验注浆材料选用由黏土、水泥、添加剂和水组成的黏土水泥浆。黏土是黏土水泥浆的主体，占浆液体积的8.5%～22%；水泥是浆液的结构生成剂，占浆液体积的3%～6%；添加剂为工业用水玻璃，作为浆液的速凝剂和结构成型剂，占浆液体积的1%～3%；水为工业用水，占浆液体积的69%～87.5%。黏土水泥浆配方包括黏土浆比重(1.13～1.30)、水泥和水玻璃掺入量3个因素。

1.3 注浆液对钻井泥浆性能影响实验结果

取安徽省淮南市朱集西煤矿矸石井地面预注浆施工的黏土水泥浆和钻井泥浆，按不同比例分别把注浆液加入到钻井泥浆中，测定泥浆的各项性能参数。实验结果见图1。

图1 注浆液对钻井泥浆参数影响

2 注浆液对钻井泥浆性能参数影响分析

2.1 注浆液对钻井泥浆护壁参数的影响

(1)注浆液对钻井泥浆密度的影响。注浆液和钻井泥浆的密度本身相差不大。从图1可以看出，注浆液加入到泥浆中的量从1%增大到4%，钻井泥浆的密度几乎没有什么变化。

(2)注浆液对钻井泥浆滤失量的影响。泥浆中水的3种形态：①化学结合水(又称晶格水)是黏土矿物晶体结构组成的一部分；②吸附水是吸附在黏土晶体的外表面及晶层内表面上的水(又称束缚水)；③自由水是在重力作用下，在黏土颗粒间自由活动的水(包括黏土颗粒形成网状结构内所包含的水在内)。泥浆在井内压差作用下，自由水向岩层中渗透，全过程由三个阶段组成，与此相对应的3种滤失量：①瞬时滤失量是指从钻头破岩，泥浆接触新的自由面，泥浆循环条件尚未构成，泥皮还没形成前的失水量。瞬时滤失特点是时间短、滤失速率(指单位时间内滤失液的体积)高。②动滤失量是指在泥浆循环条件下的失水量，直至泥皮的增厚速度与泥皮被冲刷速度相等，即泥皮厚度恒定。动滤失特点是时间长，压力差较大(它等于静液柱压力加上环空压力降和地层压力之差)，滤失速率中等，泥皮薄，滤失量也由开始较大减小至恒定。③静滤失量是指泥浆停止循环时的滤失量。静滤失的特点是时间较长，压力差较小，仅为静液柱压力和地层压力之差，滤失速率小，没有泥浆冲刷泥皮作用，静滤失泥皮厚度比动滤失泥皮厚度大，静滤失量比动滤失量小。此后重复出现这3个滤失阶段，交替进行动滤失和静滤失。

滤失量评价，国内外通常采用API滤失量，即在规定的压力差下，通过一定的渗滤断面(通常用滤纸作为渗滤介质)，30min内的静滤失量衡量，单位为ml/30min。影响滤失的因素，主要有压差、温度、岩层的渗透性、滤液的粘度、泥浆中固相颗粒的含量、尺寸和分布、水化程度等。泥浆形成的泥皮一定要薄、致密、坚韧。

实验研究发现，随着注浆液加入钻井泥浆中量的增加，泥浆滤失量逐渐增大，当注浆液加入量超过4%时，泥浆滤失量增大近一倍。泥浆滤失量大，会引起井帮膨胀缩径、坍塌掉块等，严重影响钻进安全。注浆液对钻井泥浆的影响，主要是注浆液中固相含量高，胶体稳定性差，侵入泥浆后会破坏泥浆的空间网架结构。同时，泥浆中高分子聚合物将注浆液包被在里面，形成青蛙籽样颗粒，使形成的泥皮增厚，滤失量增大。

2.2 注浆液对钻井泥浆流变参数的影响

(1)注浆液对钻井泥浆黏度的影响。泥浆塑性黏度是指在层流条件下，泥浆中的网架结构破坏与恢复处于动平衡的稳定状态下，悬浮粒子间、悬浮粒子与液体分子间以及连续相之间的内摩擦力总和。表观黏度是指在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值。对于泥浆来说，它由塑性黏度和屈服值两个参数确定，反映两者总的黏滞作用，即结构黏度和塑性黏度之和。

实验观察，注浆液侵入钻井泥浆过程，不是均匀的分散在泥浆中，而是被泥浆包被成许多似青蛙籽样的小颗粒，并吸收了泥浆中的自由水，使泥浆的表观黏度明显增大，而塑性黏度变化不大。当注浆液加量超过5%时，泥浆几乎失去流动性。

(2)注浆液对钻井泥浆切力的影响。泥浆静切力胶体化学实质是凝胶强度。它表示泥浆在静止状态下形成单位面积上空间网架结构的强度。其物理意义是，当泥浆静止时，破坏泥浆内部单位面积上的结构所需剪切力，单位为Pa。由于泥浆中存在着空间网架结构，不可能彻底被搅散；另一方面，运动着的颗粒互相碰撞，还会黏结成网架结构，因此，不仅存在静切力，而且有动切力。动切力表示泥浆在层流状态下网架结构强度，反映泥浆流动时固相颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，亦即形成空间网架结构能力的大小。

实验观测，注浆液侵入钻井泥浆，使泥浆的固相含量增加，泥浆明显变稠，泥浆静切力和动切力都大幅度升高，特别是注浆液加量超过2%后，泥浆静切力迅速升高。同时，随着注浆液加入钻井泥浆，水泥等无机电解质引起泥浆絮凝，使得动切力增大，当注浆液加量超过5%时，泥浆几乎失去流动性。

3 注浆液对钻井泥浆pH值影响实验

为了探索注浆液对钻井泥浆pH值的影响规律，在实验室参照常用配方配制注浆液，并按比例分别加入泥浆中，测定其pH值。

3.1 单液浆对钻井泥浆pH值的影响

单液浆的配方：水灰比1∶1，NaCl加量为水泥加量的5%，三乙醇胺加量为水泥加量的5‰，浆液密度为1.528g/cm3。

实验时，把自配单液浆按不同比例加入现场钻井泥浆中，用pH计测得其pH值见表1。

表1 单液浆对钻井泥浆pH值的影响

3.2 双液浆对钻井泥浆pH值的影响

(1)较稀注浆液对钻井泥浆pH值的影响。自配水泥、水玻璃较稀双液浆：原浆比重1.1，水泥加量150kg，水玻璃加量15L，浆液密度为1.197g/cm3。

实验按不同比例把较稀液浆加入现场钻井泥浆中，用pH计测得其PH值见表2。

(2)较稠注浆液对钻井泥浆pH值的影响。自配水泥、水玻璃较稠双液浆：原浆比重1.1，水泥

加量200kg，水玻璃加量20L，浆液密度1.239g/cm3。

实验按不同比例把较稠双液浆加入现场钻井泥浆中，用pH计测得其pH值见表3。

表2 较稀注浆液对钻井泥浆pH值的影响

表3 较稠注浆液对钻井泥浆pH值的影响

3.3 注浆液对钻井泥浆pH值影响实验结果

从表1～表3可以看出，不同配比的注浆液对钻井泥浆pH值的影响大致相似，即随着注浆液加入泥浆量的增加，泥浆pH值都明显地升高。

在钻注平行作业凿井过程中，如果注浆液侵污泥浆，只能从钻井井底窜入反循环泥浆中，并直接被排至出浆口。通过在出浆口监测钻井泥浆pH值，就能判断出是否有注浆液侵入钻井泥浆。

4 结 语

为解决钻注平行作业凿井中，注浆液对钻井泥浆性能影响问题，进行了一系列室内实验。实验结果，注浆液一旦侵入钻井泥浆中，泥浆护壁参数和流变参数均会劣变，影响钻井速度和成井质量，严重时，甚至发生钻井安全事故。通过实验分析，提出建立泥浆pH值监测系统，实施动态监管，直观判断注浆液是否侵入到钻井泥浆中，从而及时采取应对措施，减免其影响。