煤系复杂地层钻探护壁浆液研究与应用_韩建.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.6 Dec. 2013 COAL GEOLOGY 2.中南电力设计院，湖北武汉430071 摘要基于护壁材料对浆液的流变性和失水及造壁性的影响，通过室内试验，研究了适用于煤系 复杂地层的护壁浆液一一膨润土－高聚物浆液．采用正交试验法得出护壁浆液的优化配方5膨润 土＋0.3SM植物肢＋0.04聚丙烯眈脏（PAMl腐植酸钟（KHm）。将这种高聚物低固相泥浆用于 现场试验，在煤系复杂地层的钻探护壁中取得了良好的效果。 关键词护壁浆液；钻探；煤系；复杂地层 中图分类号P634.6文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2013.06.022 Research and application of well wall- protecting slurry in drilling in complex ation of coal measures HAN Jian1, LONG Wei 1, ZHENG Keqing2 I. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Central South Uniνersi纱， Changsha 410083, China; 2. Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China Abstract Starting from the point of view to solve the difficulties of drilling, th巳paperstudies the well wall pro- tecting slurry in coal-bearing complex fo口nation.Through the indoor test study of bentonite-polymer slurry system, then adopting the of orthogonal test, the optimization ula of wall-protecting slurry was obtained. Fi- nally the slurry of high polymer of low solid phase was used in field test, achieved good results in well wall pro- tection during drilling in coal-bearing complex ation. Key words wall-protecting slurry; drilling; complex ation 贵州省水城县腾巍煤矿区钻探遇到了复杂地 层，钻探施工非常困难。为此，贵州｜有色地质矿产 勘查院与中南大学地球科学与信息物理学院合作对 这一煤系复杂地层进行了钻探护壁工艺研究。 腾巍煤矿区主要含煤地层由粘土岩、泥岩、细 砂岩、粉砂岩、煤层组成。按岩性及含煤组合特征， 可划分为3段第一段为灰色、深灰色薄至中厚层 泥质粉砂岩，黄褐色、灰色细砂岩，粘土岩及1-3 层薄煤层；第二段为浅灰、灰色中至厚层状泥质粉 砂岩、粉砂岩、碳质泥岩、粘土岩，产植物化石及 碎片，含煤层2～3层；第三段为浅灰、灰色细砂岩、 泥质粉砂岩、粘土岩为主，夹透镜状菱铁矿及褐铁 矿结核，含煤层2～3层。 本文基于护壁材料对浆液的流变性和失水及造 壁性的影响，探索适用于该矿区煤系复杂地层护壁 浆液的配方，这也可为今后更好地解决复杂地层护 壁问题提供参考。 收稿日期2012-09-20 1 护璧浆液试验研究 1.1 护壁浆液流变性影晌因素 通过查阅有关资料与理论分析，试验最终采用 的护壁浆液材料为膨润土［I］、SM植物胶［川、聚丙 烯酌胶（PAM-1i4-6l、腐植酸饵（KHmi71。为了明确他 们分别对浆液流变性的影响情况，试验时通过罔定 其他因素、变化所研究因素的方法来确定其对流变 性的影响。试验用具体配方及结果如表1所示。 由表l可知漏斗粘度随着SM植物胶加茸的 增加迅速增大，而且上升速度越来越大；塑性粘度 和动切力随着SM植物胶的增加迅速增大，但在加 量超过0.4时，趋于平缓；表观粘度随着SM植物 胶的增加而增大，基本呈线性关系；流性指数随着 SM植物胶的增加，先是呈增大趋势，当超过0.4 时，呈减少趋势；稠度指数随着SM植物胶的增加， 先是呈减少趋势，当超过0.4时，呈增大趋势。由 作者简介韩建（1989一），男，吉林磐石人，硕士研究生，研究方向为地质工程专业． ChaoXing 第6期韩建等煤系复杂地层钻探护壁浆液研究与应用 91 此， SM植物肢的掺量应取0.2～0.4为宜。漏斗粘P灿1-1的掺量应取0.04～0.08为宜。漏斗粘度 度随着PAM-1加量的增加迅速增大，而且上升速度表现粘度随KHm的增加呈减小趋势，但是超过1 越来越大；塑性粘度和动切力随着P灿,1-1的增加而之后呈增大趋势；动切力随KHm的增加呈减小趋 增大；表观粘度随着PAM-1的增加而增大，基本呈势，但超过1以后基本不变；流性指数随KHm的 线性关系；流性指数随着P抽,1-1的增加，变化不大；增加呈增大趋势，而稠度指数随KHm的增加呈减 稠度指数随着PAM-1的增加，呈增大趋势。所以，小趋势。由此，KHm的掺量取0.5～2为宜。 表1膨润土＋SM植物胶＋PAM-lKHm浆液流变参数表 Table I The rheological parameters of the slurry added with bentonite , SM vegetable gum, polyacrylamide and KHm 基浆配方／泥浆处理剂／ 漏斗粘度塑性粘度动切力表现粘度流性指数稠度指数 粘土纯碱SM PAM-1 KHM Is /mPa.s /Pa /mPa.s n k 5 5 。。。17 3 4 0.68 0.037 5 5 0.2 。。19 4 5 0.74 0.031 5 5 0.4 。。21 5 0.5 5.5 0.87 0.013 5 5 0.6 。。24 5 1.5 6.5 0.71 0.051 5 5 0.8 。。27 8 2 10 0.74 0.061 5 5 0.2 。。19 4 5 0.74 O.o3 I 5 5 0.2 0.04 。23 9 3.1 12 0.68 0.109 5 5 0.2 0.06 。26 11.5 2.6 13.5 0.71 0.098 5 5 0.2 0.08 。30 10.5 3.3 13.8 0.69 0.112 5 5 0.2 0.1 。40 14 2.1 16 0.83 。.051 5 5 0.2 0.2 。55 17 4 21 0.75 0.117 5 5 。.20.3 。69 19 5.5 24.5 0.71 0.182 5 5 0.2 0.06 。26 11.5 2.56 13.5 0.71 0.098 5 5 0.2 0.06 0.5 21 6 1.02 7 0.81 0.026 5 5 0.2 0.06 20 5 0.51 5.5 0.87 0.013 5 5 0.2 0.06 2 23 6.5 0.51 7 0.91 0.013 5 5 0.2 0.06 3 23 7 0.51 7.5 0.91 0.014 5 5 0.2 0.08 。30 10.5 3.32 13.8 0.69 0.112 5 5 0.2 0.08 0.5 22 6.5 1.53 8 0.75 0.043 5 5 0.2 0.08 24 6.5 0.77 6.5 0.7 0.051 5 5 0.2 0.08 2 23 5 1.53 6.5 0.81 。.026 5 5 0.2 0.08 3 23 7 0.51 7.5 0.91 0.014 注纯碱的加量为膨润土加量的5；植物胶的加量为基浆的百分比，下同。 1.2 护壁浆痛失水和造壁性的影晌因素 试验时通过固定其他因素，变化所研究因素来确 定其对失水和造壁性的影响。具体设计配方及流变参 数如表2所示。 由表2可知SM植物胶可以很好的降低浆液 的失水量，随着其加量的增大，失水量先是明显降 低，而后变化越来越小；泥皮厚度变化不大，但是 随着加量增加，泥皮越来越致密。PAM-1对浆液的 失水量影响较大，随着加量的增大，失水量明显降 低，但之后变化较小；泥皮厚度总体变化不大，但 刚开始时，泥皮较厚且特别松散，随着加量的增大， 泥皮变得致密。KHm总体上对泥浆的失水量影响 较小，加人可增大其失水量，但随着加量的增加， 失水量又呈变小趋势；KHm对泥皮厚度有影响， 随着加量的增加，泥皮逐渐变薄，并且越来越致密。 1.3 护壁浆液的正交试验设计及最优化配方 正交试验采用3因素3水平正交表，以5膨润 土＋5碳酸铀浆液为基浆，来获得SM植物胶（A）、聚 丙烯酷胶（町、腐植酸饵（。的优化掺量。AB, C的 水平值均以基浆为基准。设定A的水平值为0.2、 0.3、0.4;B的水平值为0.04、0.06、0.08; C的水平值为0.5、1、2。试验结果如表3所示。 根据表3进行极差分析，失水量最佳组合是 CJ,43B1；泥皮厚度最佳组合是BJA2C2；流性指数最佳 组合是C1A3B2；稠度指数最佳组合是A1B1C1；漏斗 粘度最佳组合是A1C3B1。综合考滤失水量、泥皮厚 度、流性指数、稠度指数和漏斗粘度，确定护壁材料 各组分掺量推荐值为植物胶为A20.3）；聚丙烯酷 胶为B10.04）；腐植酸饵为C21），其性能参数如 表4所示。 ChaoXing 92 煤田地质与勘探第41卷 表2膨润土＋SM植物胶＋PAM-lKHm浆液失水量 和泥皮厚度参数表 Table2 The water loss and mud skin thickness parameters of the slurry added with bentonite, SM vegetable gum, polyacrylamide and KHm 基浆配方／泥浆处理剂／失水量泥皮厚度 粘土纯碱SM PAM-I K.Hm /mL Imm 5 5 。。。18.2 5 5 0.2 。。14.8 0.9 5 5 0.4 。。10.5 5 5 0.6 。。10.1 0.8 5 5 0.8 。。9.5 0.8 5 5 0.2 。。14.8 0.8 5 5 0.2 0.04 。11 1.5 5 5 0.2 0.06 。10.4 5 5 0.2 0.08 。9.8 5 5 0.2 0.1 。11 I.I 5 5 0.2 0.2 。11.2 5 5 0.2 0.3 。10.2 I.I 5 5 0.2 0.08 。9.8 0.8 5 5 0.2 0.08 0.5 14.8 0.8 5 5 0.2 0.08 9.6 0.7 5 5 0.2 0.08 2 10.2 0.6 5 5 0.2 0.08 3 9.4 0.5 表3正交试验安排表 Table 3 Orthogonal experimental schedule 失水量 泥皮流性稠度漏斗 序号AB c 厚度指数指数粘度 /mL Imm n k Is 10.4 0.9 0.74 0.031 20 2 2 2 10.0 0.8 0.74 0.031 19 3 3 3 9.8 0.7 0.87 O.o35 20 4 2 2 8.9 0.9 0.65 0.06 22 5 2 2 3 8.0 0.74 0.04 21 6 2 _ 3 10.4 0.7 0.79 0.08 28 7 3 1 3 8.4 1.0 0.85 0.028 20 8 3 2 9.8 0.9 0.78 0.04 25 9 3 3 2 9.4 0.8 0.76 0.042 24 表4优化护壁浆液配方各项性能参数表 Table 4 Various perance parameters of op“mized wall pro tee创onslurry 基浆配方／泥浆处理剂／ 漏斗粘度塑性粘度 粘土纯碱SM PAM K.Hm Is /mPa吵 5 5 0.3 0.04 22 4 表观粘度流性指数稠度指数失水量密度 pH /mPa.s n k /mL /gcm-3 5.5 。.650.06 8.9 1.03 9 2 现场实验 对腾巍矿区ZKlOl孔从深25m开始到钻进结束 使用了该配方。钻探过程中采用的技术参数为转速 400700 r/min，钻压3～7kN，流量20-30L/min。钻 探过程中泥浆冲洗液性能为肢体率98以上，漏斗 粘度21-26s，失水量8～11mL，泥皮厚度lm。使用 该配方共进尺305.7m，平均每班进尺11.1mm，取心 率达到90以上。实验证明了该配方能很好地解决破 碎胡塌、水敏性地层及不易取心等复杂地层钻进问 题，而且现场配制方便，减少了孔内事故的发生率， 对人体、环境及岩心无污染。该护壁冲洗液的优点体 现在以下几个方面a.ZKlOl孔钻探中未出现垮孔 事故，说明该冲洗液防塌性能好，满足了实际钻探工 作需要。b.在该钻孔内，岩层多为水敏性地层，但 实验过程中未出现钻孔缩径或埋钻事故，说明该冲洗 液能很好的抑制水敏性地层。c.在钻探过程中，孔 底保持洁净，说明该冲洗液具有较好的剪切稀释作 用，携带岩屑和悬浮岩粉效果好。d.所采取的岩心 基本保持原状，层位清晰，特别是煤系采取的岩心较 完整，说明该冲洗液具有护心作用。e.钻机高速运 转时，钻进仍很平稳，大大提高了钻进效率；同时也 减少了对机械的破坏，延长了钻机钻具的寿命，说明 该冲洗液减振润滑效果好。 3结论 高聚物低固相泥浆属于假塑性流体［町，具有防塌、 降失水、护心、减振、润滑和抑制水敏地层水化等特 性。通过室内试验研究确定了研究矿区钻孔护壁浆液 的优化配方为5膨润土＋0.3SM0.04PAM 1阳m。现场实验结果表明，该冲洗液配方在解决煤 系复杂地层的护壁问题方面取得了良好的效果。 参考文献 [1] 史建鳞．膨润土的性质及其对水泥浆溶液的影响［巧山西建 筑，2010,368 116-117. 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