聚合物无固相泥浆在煤田地质钻探中的应用

杨权

摘要：煤矿整合不断深入，资源勘查对煤田地质钻探水平提出了更高要求。在实际生产过程中，孔内事故频发，对施工进度的正常进行产生较大影响，且难以保证施工安全。在此背景下，本文研究如何在钻探中引入聚合物无固相泥浆，包括聚合物无固相泥浆的应用机理、配方选择分析等，并结合具体项目情况，分析聚合物无固相泥浆应用的效果，以期为相关工程提供参考，促进煤田地质钻探作业水平的提升。

关键词：煤田地质钻探；聚合物无固相泥浆；应用效果

1.前言

随着煤矿整合不断深入，资源勘查成本增加和施工难度增加，施工风险不断加大。在煤田地质钻探过程中，由于地层与地形特征较为复杂，比如风化破碎层下施工常出现埋钻、卡钻等情况。特别是在部分施工过程中，一般选择膨润土低固相泥浆进行钻进，容易导致孔内事故发生。对此问题，考虑在泥浆引用方面做出优化，选择剪切稀释能力好、固壁作用强的类型，如聚合物无固相泥浆。因此，对煤田地质钻探中聚合物无固相泥浆的应用进行研究，具有十分重要的意义。

2.煤炭地质钻探中聚合物无固相泥浆应用机理与配方分析

2.1聚合物无固相泥浆应用机理

在钻探工程中，泥浆的运用旨在固壁层面，但以往所应用的多为细分散泥浆，这种类型泥浆有较高含量的造浆黏土，泥浆体系内黏土保持高度分散，且孔内循环中泥浆有明显失水情况，整个孔壁稳定性的维持主要借助失水后的泥皮，护壁能力较差。

基于这些方面的考虑，引入聚合物无固相泥浆体系，利用该类型无固相泥浆待交联剂与泥浆主剂交联的性质、渗析胶结性质、吸附胶结作用，达到碎石土胶结目的，增强底层孔壁的稳定性。固壁主要通过吸附膜来实现，由于有较高的水分子、高聚合物分子吸附速度，能够获取较好的浆液固壁效果。考虑到泥浆固壁要求，应注意根据井壁颗粒表面吸附点，使聚合物如聚乙烯醇分子长度适宜。从当前聚合物无固相泥浆应用看，交联剂通常选择硼砂，聚合物以非离子型聚合物为主。若聚合物为非离子、阴离子结合，交联剂选择氯化铝、硫酸鋁等无机盐，这类交联剂内有Fe³⁺、Al³⁺阳离子存在，满足聚合物使用要求。

2.2聚合物无固相泥浆配方实验研究

通过实验方法对聚合物无固相泥浆配方分析，主剂聚合选择内容主要包括聚乙烯醇、部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺以及水解聚丙烯腈，交联剂无机盐选择内容包括硫酸铝、氯化铁、氯化铝、硼砂以及明矾等。试验方法为正交试验、漏斗黏度实验。

其中正交试验方法借助三水平四因素正交试验表分析，其中的四个因素包括：①A，选择聚乙烯醇为主剂；②B，选择部分水解聚丙烯酰胺为主剂；③C，以硼砂为交联剂；④D，以硫酸铝为交联剂。各因素赋予三个水平，试验给予1000mL拌和用水，具体试验方案如表1所示。而漏斗实验方案，要求借助六速旋转黏度计、API失水仪、漏斗黏度计做相关性能指标测定，包括动切力（YP）、表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、API失水量以及漏斗黏度（FV）等，具体实验方案如表2所示。

根据上述实验结果，综合平衡各因素，本次研究选定A282C2D2作为配比，除上述相关指标外，利用K表示稠度系数，n表示流性指数，YP/PV表示动塑比，试验后得出的结果如表3所示。由这些试验数据结果可发现，在无固相泥浆流性指数为1以下的情况，与无固相泥浆特征吻合。

3.聚合物无固相泥浆固壁作用实验研究

由于聚合物无固相泥浆作用主要体现在其固壁效果上，本次研究中通过室内实验方式对泥浆渗析胶结能力进行分析。实验过程中取淤质土加入砂中，形成两个泥沙团均保持50mm直径，于聚合物无固相泥浆内分别浸泡10min、2h，其中浸泡10min的泥沙团取出后置于清水内，取出后切开，可发现浸泡2h后，泥沙球未出现消散情况，而另外泥沙团消散极快，提示聚合物固相泥浆在胶结作用上明显。另外，室内实验中，选择中空环形砂柱2个，800mm高度，实验选择清水、聚合物固相泥浆对砂柱浸泡，对比发现清水浸泡下直接坍塌，而另外选择聚合物固相泥浆的则无坍塌情况，说明胶结固壁作用明显。

4.煤炭地质钻探中聚合物无固相泥浆应用实证分析

4.1项目介绍

本次研究中选择某煤田地质区域为实例，施工操作中要求做钻孔设计，保持1045m孔深，但施工中发现自深度为200m时便有煤层、风化破碎层存在，石灰岩、砂质泥岩与砂岩均较多，若继续操作可能出现地层坍塌情况。对此情况，考虑自160m孔深起，直至1045m，均选择聚合物无固相泥浆护壁方法。现场操作中，对聚合物无固相泥浆稳定性、固壁性分析。施工操作流程：①设备选择，主要以液动冲机器、泥浆泵、钻机为主；②钻进方法，以普通回转钻进方式，选择φ311m牙轮钻头在0m-350m孔深位置钻进，通过冲击回转钻进与φ216mm牙轮钻头配合在350m-650m孔深位置钻进，以普通回转钻进方式配合φl52mm牙轮钻头于650m～1045m孔深位置钻进。

4.2聚合物无固相泥浆应用效果

上述钻进方法应用于该项目下，取得了显著的成果，具体表现为：①孔壁稳定效果较好，整个施工过程中做涉及抽水试验4次，抽水层位为200m左右风化带，地层稳定性较差，此时考虑才采取隔离封固措施。值得注意，该井上部孔径较大，井身整体结构相对复杂，这为施工操作带来极大难题。而在聚合物无固相泥浆引入，发现风化带抽水试验开展中，地层较为稳定，且在缩小井深结构体系下，使施工难度降低；②稳定的泥浆性能，项目开展中，受-CONH2基团影响，泥浆直接包被所有钻屑，最后聚沉在沉淀池内，同时配合地面固控系统应用，起到除砂效果，使泥浆体系无固相得以维持，此时钻探效率将得到明显提高，且固壁效果稳定；③设备使用寿命延长，以液动冲机器为例，操作过程中，一般含沙量较高的泥浆可能对设备带来一定冲击，特别在设备无较强携带钻屑能力下，易发生溢流孔磨损、运动部件磨损问题，零部件寿命因此降低，实验发现运行15h左右主要零部件基本无法继续使用。而引入聚合物固相泥浆钻进工艺，因上返泥浆无较多泥沙量，可以降低零部件磨损程度，使用寿命延长，实验发现使用时间可维持在40h，且该过程内未见钻进异常表现。

5.结论

聚合物无固相泥浆的应用是煤田地质钻探水平提高的关键性保证。实际引入聚合物无固相泥浆中，应注意正确认识其固壁作用机理，在配方上进行合理选择，保证其应用优势发挥到最大程度。本次研究中通过选择具体的实例，分析发现聚合物无固相泥浆应用下孔壁稳定效果好、泥浆性能稳定、设备使用寿命延长，所以应在实践操作中将聚合物无固相泥浆进一步应用。