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第 43 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.5 2015 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Shanghai Jiayou Municipal Construction Co., Ltd, Shanghai 200000, China Abstract Aiming at the slow dissolution and ideal perance of long time of drilling fluid materials, the surface active agent is suggested to reduce the tension and contact angle of water′s surface At the same time, the surface active agent has wetting and solubilization effect on materials. Through the analysis on the mechanism of surfactant and testing the influence of surface active agent on the basic properties of drilling fluid, the surface active agent is optimized. Observing the influence of surface active agent on soil Shanghai Jiayou soil, Ezhou soil and alkaline soil and high molecular material perance helps to optimize dosage of the surfactant. The results show that lecithin 1 has the best effect to promote hydration dispersion of the material in short period of time and optimal dosage is 0.2 ‰. For the 6 of Shanghai, Ezhou, Jiayou soils, the apparent viscosity increased respectively by 20, 20 and 6. 0.2 ‰ of lecithin can promote the ula 4 Jiayou soil 1 ‰ XC0.8DFD, the apparent viscosity increases by about 15, lubrication increases by 37, the surface tension decreases by 42. High mo- lecular material is more evenly dispersed and drilling mud cake is more dense. Key words Drilling fluid; surfactant; instant; lecithin 钻井过程中，从开孔到终孔都需要钻井液来平 衡地层压力、冷却钻头、携带岩屑等，且随着钻井 液不断被污染和消耗，随时需要替换新浆。为保证 连续钻进和钻孔的安全，需在最短时间内配置合适 的钻井液。但对于土、提黏剂、降失水剂等都要很 长时间才能充分水化分散。 例如非开挖钻进过程中， 泵量一般在 600700 L/min，现场罐容积在 23 m3， 每配置一罐，在 45 min 之内即可用完[1]。在短时 间内钻井液的性能会大大打折， 不仅危及钻孔安全， 还不经济，浪费材料。 表面活性剂可以降低水的表面张力和自由能， 使配浆水更容易进入土的片状层间，还会使水更容 易附着在土层表面，促进土的水化分散，同时表面 活性剂也可使水更容易进入提黏剂、降失水剂等， 使得处理剂能在短时间内充分水解[24]。 在此，针对钻井液速溶问题，提出采用表面活 性剂降低水的表面张力和自由能，改进钻井液溶解 速度的思路。这主要通过测量配方流性指数和失水 量来优选表面活性剂。观察优选出的表面活性对素 土、碱土和上海佳友土处理后的土黏度的影响； 118 煤田地质与勘探 第 43 卷 测量配方的表面张力和观察形成泥皮上大分子材料 溶解情况，最终优化出合适的表面活性剂和最优加 量，同时对表面活性剂作用机理进行分析。 1 实验材料和方法 1.1 实验材料 钻井液材料 XC黄原胶、DFD改性淀粉、 CMC羧甲基纤维素钠、上海佳友土、鄂州素土和 碱土。 表面活性剂 十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫 酸钠、卵磷脂国内、国外、司班、吐温、聚乙烯 比咯烷酮K-30。 实验仪器 QBZY 系列全自动界面张力仪； HC-TP11-5 架盘药物天平；ZNS-2 型中压滤失仪； ZNN-D6S 六速旋转粘度计；D90 型电动搅拌机。 1.2 实验方法 表面活性剂的优选方法 通过 0.5‰的表面活性 剂对配浆水进行处理， 钻井液配方为 3上海佳友土 1‰XC1DFD，通过测试 20 min 和 24 h 后钻井 液的基本性能，对比不同表面活性剂对钻井液性能 的影响， 优选出对钻井液速溶性能最优的表面活性剂。 表面活性剂加量的优化在水中加入不同浓度 的优选出的表面活性剂，测试 6上海佳友非开挖 土、鄂州素土或碱土钻井液基本性能，观察不同浓 度卵磷脂对不同土的影响效果。 表面活性剂作用原理分析 结合前面优化结果， 测量配方表面张力，观察泥皮中大分子材料溶解情 况，来分析卵磷脂对钻井液主要成分土、提黏剂和 降失水剂的作用原理。 1.3 表面活性剂作用原理 大部分的表面活性剂的分子结构具有两亲性 一端为亲水基团，另一端为憎水基团。亲水基团常 为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基 及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而憎水基 团常为非极性烃链，如 8 碳原子以上烃链。表面活 性剂用量虽小，但作用很大，主要分为阴离子类型、 非离子类型、阳离子类型和两性类型表面活性剂[57]。 表面活性剂对钻井液的作用主要表现在两个方 面，第一，可降低配浆水的表面张力、接触角和自 由能，使其和钻井液材料接触面积更大，表现为更 容易进入黏土片状的晶层，且与晶层接触面更大， 如图 1；第二，对钻井液材料有增溶和润湿作用， 可改善膨润土的吸附性能，使膨润土钻井液具有分 散稳定、絮凝、润滑等作用，同时为结构复杂的大 分子材料提供不同极性的微观增溶环境。 图 1 表面活性剂对钻井液黏土作用 Fig.1 Effect of surfactant on the drilling liquid clay 两性表面活性剂的分子结构中同时具有正、负 电荷基团，相对于其他表面活性剂，具有更好的润 湿、增溶和乳化分散作用。其中卵磷脂是天然的两 性表面活性剂，有很好的保护环境作用。 2 表面活性剂的优选 2.1 表面活性剂的初选 使用表面活性剂 0.5‰十二烷基本磺酸钠g、 0.5‰国内卵磷脂 1g、 0.5‰十二烷基硫酸钠g、 5‰ 司班mL、5‰吐温mL、5‰乳化剂mL、0.5‰国 外卵磷脂2g分别对配浆水进行处理。 然后分别取500 mL 处理后的水，加入 30 g 上海佳友土、2 gXC 和 10 gDFD。其中 XC黄原胶是提粘剂，DFD改性淀 粉是降水剂。搅拌 10 min，然后在 20 min 和 24 h 后分别加入 500 mL 水稀释，并测量各组的基本性 能，实验结果如表 1，其中AV为表观黏度；PV 为塑性黏度；YP为动切力；Φ6为旋转黏度计六转 下读数；Φ3为旋转黏度计三转下读数；FLAPI为失 水量。 对比表 1 中结果和图 2，相对于未加表面活性 剂，十二烷基硫酸钠、卵磷脂和司班提高了钻井液 的表观黏度；十二烷基本磺酸钠、吐温和乳化剂反 而降低了钻井液的表观黏度；仅有卵磷脂和司班降 低钻井液失水量。由于加入十二烷基硫酸钠会产生 很多泡沫，所以不重点考虑。 2.2 表面活性剂的优选 根据表面活性剂的初选可知，卵磷脂和司班效 果较好。为进一步优化，提高土与处理剂的加量表 2，实验方法同上。先用表 1 中配方配制钻井液， 24 h 后稀释一倍测试其性能，对比两种表面活性剂 增溶的效果表 3。 提高土与处理剂的加量可以进一 步发现卵磷脂效果较好，相比没有加表面活性剂的 情况下，钻井液的表观黏度提高了 24，而此时司 班反而降低了钻井液的性能。 3 卵磷脂的效果评价 为了研究卵磷脂加量对钻井液中黏土的分散影 响， 取上海佳友土、 鄂州素土和碱土进行分散效果评 价。上海佳友土是已经加碱加高分子材料的处理土。 第 5 期 王道宽等 表面活性剂改善钻井液速溶的效果评价 119 表 1 实验结果 Table1 The experimental results 表面活性剂的类型 时间/min AV/mPas PV/mPas YP/Pa YP/PV/ks–1 Φ6 Φ3 FLAPI/mL 20 16.00 11.50 4.50 0.39 3.6 3.0 11.5 未加 1 440 17.25 12.30 4.95 0.40 3.5 3.0 20 17.00 12.00 5.00 0.42 3.7 3.0 11.5 十二烷基本磺酸钠 1 440 18.00 12.80 5.20 0.41 3.8 3.0 20 16.25 11.00 5.25 0.48 3.0 2.8 11.0 卵磷脂1 1 440 17.50 12.00 5.50 0.46 3.8 3.0 20 14.25 11.50 2.75 0.24 2.5 2.0 16 十二烷基硫酸钠 1 440 12.50 9.10 3.40 0.37 2.4 2.0 20 19.50 13.50 6.00 0.44 4.3 3.5 11.0 司班 1 440 20.00 13.00 7.00 0.54 4.9 4.0 20 14.75 10.20 4.55 0.45 3.2 2.5 13.5 吐温 1 440 14.95 10.00 4.95 0.50 3.5 3.0 20 14.10 10.70 3.40 0.32 3.0 2.5 11.5 乳化剂 1 440 13.75 9.50 4.25 0.45 3.0 2.7 20 16.25 11.50 4.75 0.41 3.8 3.0 10.5 卵磷脂2 1 440 14.00 8.10 5.90 0.73 3.1 2.9 1浓缩未添加；2十二烷基本磺酸钠；3卵磷脂 1；4十二 烷基硫酸钠；5司班；6吐温；7乳化剂；8卵磷脂 2 图 2 表面活性剂处理后各组钻井液的黏度和 20 min 时 失水量 Fig.2 Drilling fluid viscosity after surfactant treatment and water loss after 20 min 表 2 实验配方 Table2 The experimental ula 序号 配 方 1 500 mL 水80 g 上海佳友土2 gXC10 gDFD 2 500 mL 水0.5 g 卵磷脂80 g 上海佳友土2 gXC 10 gDFD 3 500 mL 水5 mL 司班80 g 上海佳友土2 gXC 10 gDFD 这里在 6上海佳友土、鄂州素土和碱土配方中加入 不同量的卵磷脂， 评价不同量的卵磷脂对 3 种土水化 分散影响效果。 实验步骤a. 取 1 g 卵磷脂溶解于 1 000 mL 水 表 3 24 h 后各组性能 Table3 Perance of different groups after 24 h 序号 AV /mPas PV /mPas YP /Pa YP/PV /ks–1 Φ6 Φ3 1 57.1033.7023.40 0.69 57.1033.70 2 70.7540.3030.45 0.76 70.7540.30 3 55.5032.0023.50 0.73 55.5032.00 中， 且分别取五份 500 mL、 400 mL、 300 mL、 200 mL、 100 mL 的水，并编号 1、2、3、4、5；b. 分别取溶 解了卵磷脂的水 0 mL、100 mL、200 mL、300 mL、 400 mL，加入到 1、2、3、4、5 中去；c. 分别在低 速搅拌的条件下在 1、2、3、4、5 中加入 30 g 素土， 搅拌 20 min，记录下六速旋转黏度。 卵磷脂对鄂州素土、碱土、上海友佳土的分散 效果评价见表 4表 9。碱土分散效果评价，实验配 方和结果分别如表 6 和表 7。卵磷脂上海佳友土分 散效果评价，实验配方和结果分别如表 8 和表 9。 表 4 卵磷脂对素土的影响实验配方 Table 4 The experimental ula for effect of lecithin on Soil 序号 配方 1 500 mL 水6素土 2 500 mL 水0.1 g 卵磷脂6素土 3 500 mL 水0.2 g 卵磷脂6素土 4 500 mL 水0.3 g 卵磷脂6素土 5 500 mL 水0.4 g 卵磷脂6素土 表 5 卵磷脂对素土的影响 Table 5 Effect of lecithin on soil 序号 AV /mPas PV /mPas YP /Pa YP/PV /ks–1 Φ6Φ3 1 1.25 1.00 0.25 0.25 0.10 2 1.50 1.20 0.30 0.25 0.20.1 3 1.50 1.20 0.30 0.25 0.20.1 4 1.60 1.30 0.30 0.23 0.20.1 5 1.70 1.40 0.30 0.21 0.20.1 120 煤田地质与勘探 第 43 卷 表 6 卵磷脂对碱土的影响实验配方 Table 6 The experimental ula for the effect of lecithin on alkaline soil 序号 配方 1 500 mL 水6加碱土 2 500 mL 水0.1 g 卵磷脂6加碱土 3 500 mL 水0.2 g 卵磷脂6加碱土 4 500 mL 水0.3 g 卵磷脂6加碱土 5 500 mL 水0.4 g 卵磷脂6加碱土 表 7 卵磷脂对碱土的影响 Table7 Effect of lecithin on alkaline soil 序号 AV /mPas PV /mPas YP /Pa YP/PV /ks–1 Φ6 Φ3 1 1.45 1.40 0.05 0.04 0 0 2 1.75 1.50 0.25 0.17 0 0 3 1.50 1.50 0.00 0.00 0 0 4 1.60 1.60 0.00 0.00 0 0 5 1.75 1.70 0.05 0.03 0 0 表 8 卵磷脂对佳友土的影响实验配方 Table 8 The experimental ula for effect of lecithin on Jiayou soil 序号 配方 1 500 mL 水6上海佳友土 2 500 mL 水0.1 g 卵磷脂6上海佳友土 3 500 mL 水0.2 g 卵磷脂6上海佳友土 4 500 mL 水0.3 g 卵磷脂6上海佳友土 5 500 mL 水0.4 g 卵磷脂6上海佳友土 表 9 卵磷脂对佳友土的影响 Table 9 Effect of lecithin on Jiayou soil 序号 AV /mPas PV /mPas YP /Pa YP/PV /ks–1 Φ6 Φ3 1 11.60 9.10 2.50 0.27 3.0 2.5 2 12.30 8.40 3.90 0.46 3.9 3.5 3 12.00 8.00 4.00 0.50 4.0 3.2 4 12.00 9.10 2.90 0.32 2.0 1.9 5 12.25 9.00 3.25 0.36 2.5 2.0 从图 3 可知， 使用两性表面活性剂卵磷脂对水进 行预处理，在短时间内对素土、碱土或非开挖土的配 方速溶分散都有增强；对于 6的素土、碱土和上海 佳友土使用 0.2‰的卵磷脂效果最好，表观黏度分别 提高 20、20和 6。 利用配方 4佳友土1‰XC0.8DFD，第 1 组不 加卵磷脂，第 2 组加入 0.2‰卵磷脂，搅拌 20 min 测试 其基本性能如表 10，同时观察形成的泥皮，如图 4。 由表 10 和图 4 可知， 加入 0.2‰的卵磷脂后在短 时间内，可提高配方的表观黏度 15左右， 配方的润 滑性提高了 37，表面张力降低了 42，同时低速 下表现也有增强， 对失水量影响很小。 观察泥皮可知， 卵磷脂是大分子材料在短时间内分散得更均匀， 同时 也使整体分散更均匀，泥皮更致密。 总的来说，卵磷脂可以通过降低水的表面张力 图 3 各组的黏度变化 Fig.3 The viscosity change of each group 表 10 卵磷脂对配方的综合影响 Table10 The comprehensive effect of lecithin on ula 序号AV/mPas PV/mPas YP/Pa YP/PV/ks–1 1 25.90 20.70 5.31 0.26 2 29.90 15.90 14.31 0.90 序号Φ6Φ3FLAPI/mL 润滑系数 表面张力/Nm–1 1 2.502.509.8 0.43 26.04 2 8.007.5010.8 0.27 15.20 图 4 加表面活性剂前后对比 Fig.4 Comparison of mud cake before and after adding surfactant 和接触角，促进水进入黏土晶层和大分子材料，同时 增大了水和材料之间的接触面积， 促进了材料的水化 分散，缩短了钻井液性能发挥的时间，同时降低了钻 井液本身的表面张力和摩擦系数。 4 结 论 通过室内实验， 对比离子表面活性剂和两性表面 活性剂对钻井液性能的影响，分析其作用原理。十二 烷基本磺酸钠、 司班和卵磷脂对钻井液分散速溶性都 有一定的促进作用， 而十二烷基本磺酸钠发泡作用比 较强，司班在配方中土比较多的情况下效果不明显。 同时对于 6的素土、碱土和处理后的土上海佳友 土，卵磷脂可大幅度提高其表观黏度。 a. 表面活性剂对钻井液材料黏土、 提黏剂等具润 湿和增溶作用， 降低钻井液材料的表面、 界面张力和自 由能，但同时也会影响钻井液的基本性能。 下转第 124 页 124 煤田地质与勘探 第 43 卷 是煤与瓦斯突出矿井，开采的二1煤层是唯一可采 煤层。2123工作面、2143工作面属突出危险区。在 2123上顺槽、 2143下顺槽施工时需采取区域与局部 四位一体防突措施。 其中测定预测与效果检验的突 出危险性指标 q 值施工 Φ42 mm 钻孔，局部排放孔 为 Φ75 mm 钻孔。两条煤巷长度约1 300 m，试验了 400个 Φ42 mm 钻孔，1 200个 Φ75 mm 钻孔。结果 表明 施工 Φ42 mm 钻孔， 推进速度控制在0.75 m/min 以下时，能够顺利完成钻孔施工；推进速度控制在 0.751.0 m/min，有轻微吸钻现象，能够完成钻孔施 工；推进速度控制在1.0 m/min 以上时，吸钻现象严 重，甚至卡钻，不能完成钻孔施工。施工 Φ75 mm 钻孔，推进速度控制在0.95 m/min 以下时，能够顺 利完成钻孔施工；推进速度控制在0.951.5 m/min， 有轻微吸钻现象，能够完成钻孔施工；推进速度控 制在1.5 m/min 以上时，吸钻现象严重，甚至卡钻， 不能完成钻孔施工。 试验结果还表明，施工上向孔时，因煤粉自重 增加了排煤粉能力，推进速度可适当提高；施工下 向孔时，因煤粉自重阻碍了排煤粉，推进速度需适 当降低。 4 结 论 通过分析螺旋钻杆钻进过程中煤粉在叶片间的 受力和速度，结合煤粉运动速度方程，探讨了螺旋 钻杆排煤粉的力学机理。对松软煤层钻进过程中经 常发生的吸钻和卡钻现象从产煤粉量与排煤粉能力的 角度进行了分析，提出了控制推进钻进速度解决吸钻 卡钻的有效措施。研究表明，对于常用的 Φ42 mm 和 Φ75mm的螺旋钻杆， 将钻进速度分别控制在0.012 6 m/s 0.75 m/min、0.015 8 m/s0.95 m/min可有效防止吸 钻卡钻现象。据此在鹤壁六矿现场试验验证，取得 了良好的效果，提高了钻进速度和成孔率。 参考文献 [1] 高魁，刘泽功，刘健，等．构造软煤的物理力学特性及其对 煤与瓦斯突出的影响[J]．中国安全科学学报，2013，232 129–133． [2] 煤炭科学研究总院西安研究院. 松软煤层钻进工艺原理及应 用[R]. 西安煤炭科学研究总院西安研究院，2007. 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