抑制性泥浆在梓煤矿勘探应用

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摘要:结合工程实例介绍泥浆应用技术在煤矿勘探中的应用。通过抑制性泥浆在贵州省桐梓煤矿风水矿段ZK2802钻孔的试验应用，表明所采用的泥浆性能优良，对水敏性地层的抑制性良好，满足煤矿勘探钻进工艺要求，从而减少了孔内事故的发生，提高了钻进效率。

关键词:煤矿勘探；水敏性地层；抑制性泥浆

1桐梓煤矿风水矿段地层特点桐梓煤矿风水矿段地处桐梓、仁怀、习水三县交界，交通便利。地质构造发育，发育程度为中等-复杂。整个矿段共有4层可采煤和2层铝土矿层。钻孔主要穿越夜郎组的玉龙山段和沙堡湾段、长兴组、龙潭组、茅口组。

地层上部主要是灰岩、泥灰岩、泥质灰岩、泥岩、燧石灰岩、泥质粉砂岩。中部和下部地层以泥质粉砂岩、灰岩、粉砂岩、铝土质泥岩为主。整个地层普遍存在漏失、破碎、易坍塌、遇水膨胀等情况。

煤矿钻探的目的层是煤层。由于该矿段的煤层均为粉煤，胶结疏松，水敏性很强，容易吸附水。还有煤系地层中的粘土、泥岩等遇水后极容易产生水化膨胀、坍塌等现象。常常造成钻孔垮塌、埋钻等事故。所以煤矿钻探中的防塌、堵漏、抑制水化膨胀就成为煤矿钻探中泥浆技术的重点。

2钻井液技术措施

2.1上部地层钻井液的特点钻井液选择是否合理，直接影响钻探的质量和钻进成本。对上部地层，主要是以灰岩、泥灰岩为主，结构比较稳定。但是漏失严重，所以主要采用PHP1000~1200ppm配制成无固相钻井液。该钻井液润滑能力强，排砂能力强，机械钻速高，能够充分发挥金刚石钻进的优势。

2.2煤矿层钻井液的特点

风水矿段钻孔钻进到煤系地层以后，钻孔容易坍塌，地层漏失严重，煤层是粉煤层，吸附水的能力很强，所以极易遇水膨胀、坍塌，属水敏性地层。针对这种情况，必须配置高质量的钻井液。原浆采用优质膨润土加水再加纯碱适量，充分搅拌，水化20h以上。处理剂可以采用CMC、GSP、KL防塌护壁剂、聚丙烯腈铵盐(NH4-HPAN)、磺化沥青防塌护壁剂、803随钻堵漏剂等。粘度高时可以采用腐植酸钾作稀释剂，配制成低固相钻井液，性能参数控制在:密度1.03~1.04g/cm3，漏斗粘度20~31s，失水量5~15mL/30min，泥饼厚度小于1mm，pH值8.5~10，胶体率大于98%。

3抑制性泥浆

3.1试验配方的室内测试3.1.1泥浆处理剂选择根据试用配方选定方向选择了水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)、羧甲基纤维素钠(Na-CMC)、磺化沥青防塌护壁剂、803堵漏剂等四种泥浆处理剂。原因是:①水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)具有降滤失、降粘和抑制页岩分散的作用。②高粘羧甲基纤维素钠(Na-CMC)具有降滤失和增粘的作用。在泥浆中含量较高时，亦具有一定的抑制页岩水化膨胀能力。③磺化沥青防塌护壁剂具有良好的冷水分散性能，能够有效地抑制页岩膨胀和防止井壁坍塌；优良的降失水性能，泥皮致密坚韧；良好的润滑性能，可更好的防止粘附卡钻。

④803堵漏剂具有较好的随钻堵漏效果。

3.1.2水敏性地层+漏失地层泥浆配方试制根据拟定的泥浆配方选定方向和所选定的泥浆处理剂，在实验室经过多个泥浆配方实验，选出下列抑制性+随钻堵漏泥浆配方:(1)基浆的配制:350mL清水+纯碱0.1%+钠土粉5%。先把纯碱充分溶解在水里，再加入钠土粉后充分搅拌均匀，静止16h备用。

(2)试制配方:基浆+水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)0.1%+羧甲基纤维素钠(Na-CMC)0.03%+磺化沥青防塌护壁剂0.15%+803堵漏剂0.5%。

泥浆性能:密度1.03~1.04，漏斗粘度28~30s，滤失量小于12mL/30min，pH值为小于9.5，泥皮厚小于1.20mm，薄而有韧性。从泥浆性能来看，密度小，不易压裂压漏地层；粘度大，有利于悬浮或携带钻屑，同时阻碍泥浆中的自由水向地层渗漏；滤失量小，从而增大了渗滤阻力，减弱了泥页岩的水化膨胀作用；薄而有韧性的泥皮有利于保持孔壁的完整。

3.2抑制性泥浆现场试验

试验钻孔:贵州省桐梓煤矿风水煤矿段ZK2802，设计孔深为520m。使用XY-42型钻机，采用金刚石绳索取芯钻进。在孔深0~350m，地层裂隙发育，但是孔壁比较稳定，因此采用的是套管护壁堵漏。但是钻进到353m进入煤层以后煤层开始垮塌，钻孔越钻越浅，提下钻遇阻，强行钻进时发生断钻具事故，处理过程中，扫孔加杆困难，钻具到不了事故头，经过长时间多方处理无效，因此必须采用性能优良的泥浆维持孔壁的稳定才能处理事故和继续钻进。实验室工作人员接受委托以后到达施工现场进行试验。

在现场进行泥浆配方试验时，考虑到水质偏酸性，因此先在清水中加入1kg纯碱改性，然后再按将实验室所选配方进行配制泥浆。

现场配方:清水1m3+钠土粉75kg+纯碱1.0kg+水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)0.5kg+羧甲基纤维素钠(Na-CMC)0.3kg+磺化沥青防塌护壁剂1.5kg+803堵漏剂5.0kg。

泥浆性能:密度1.04，漏斗粘度28~30s，滤失量10mL/30min，pH值为9.5。实验室用膨胀仪器测定的膨胀量为0.75mm/8h。

将上述配方泥浆送入孔内顶替原浆，经过24h的扫孔护壁，孔壁基本稳定，孔壁坍塌现象减弱，扫孔快时有憋泵现象。钻机阻力小，泥浆循环正常，消耗量减小。

从泥浆初步应用效果来看，孔壁坍塌得到抑制但不完全，需进一步改善；泥浆漏失现象明显好转但仍有漏失，需进一步完善。因此在第一次试验泥浆中加入降滤失剂水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)1kg，磺化沥青防塌护壁剂2kg，803堵漏剂10kg。经现场泥浆性能测试，其密度1.04，漏斗粘度30~31s，滤失量8.5mL/30min，pH值为9.5。实验室用膨胀仪器测定的膨胀量为0.71mm/8h。

将经过改性的泥浆送入孔内进行24h扫孔护壁，孔壁稳定，无坍塌、缩径现象。扫孔至事故头，清孔、排砂直至孔内清洁。起下大钻，换锥子，处理孔内断钻具事故完毕。整个处理事故过程相当顺利，未发现起下钻遇阻现象。钻孔恢复正常钻进后，泥浆循环良好，但仍有漏失，需加大803堵漏剂用量。泥浆pH值为9.5，稍偏高，需加减纯碱调整。

钻孔正常钻进2d后，因泥浆含砂量较高，泥浆性能有所改变而从新配制泥浆。新的泥浆配方为:清水1m3+钠土粉75kg+纯碱2kg+水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)1.2kg+羧甲基纤维素钠(Na-CMC)0.5kg+磺化沥青防塌护壁剂2.5kg+803堵漏剂12.5kg。其性能指标为:密度1.04，漏斗粘度28~32s，滤失量7mL/30min，pH值为8.5。实验室用膨胀仪器测定的膨胀量为0.65mm/8h。

将第三次配制的泥浆送入孔内顶替原浆进行钻孔正常施工，孔壁稳定，无坍塌、缩径现象，泥浆循环良好，无憋泵现象，在钻孔施工中，出现一次断钻头事故。在处理事故过程中，钻具起下顺利，未发生遇阻遇卡现象。

因为该泥浆配方性能优良，满足了钻进工艺的要求；有效地防止了泥岩地层和煤层坍塌、缩径现象。因此ZK2802钻孔一直使用该配方直至顺利终孔。

现场泥浆维护:现场配备一台泥浆搅拌机，使钠膨润土粉能充分水化分散；配备加药桶，将待加入的处理剂预先分散、水化、溶解；配备泥浆比重称、马氏漏斗粘度计、打气筒失水仪和pH试纸以便测量泥浆性能指标；泥浆池、沉淀池、循环槽用水泥砂浆修筑，以免混入杂物污染泥浆。每班测量一次泥浆性能指标，根据测量数据加入相应处理剂调节泥浆以保持泥浆性能基本不变；停钻时除尽沉淀池、循环槽内的沉砂以保证泥浆较小的含砂量。泥浆性能指标与最初泥浆性能指标相差较大时换浆。

本次现场泥浆试验配方经过了多次泥浆性能调试，其真正有意义、有价值的是上述3次配制与调试。三次调试后的泥浆配方与普通泥浆配方各项指标对比见表1。

4泥浆试验应用效果试验泥浆配方与试验之前的普通泥浆配方相比较，有以下优点:泥浆性能稳定，满足了钻井工艺的要求；有效地防止了泥、页岩地层和煤层坍塌、缩径现象；克服了因煤层坍塌引起的遇阻、遇卡事故发生，提高了钻探生产效率；井身质量好，保证了钻孔的顺利完工。现场试验经济技术指标对照如表2所示。

5结论与建议经过现场试验表明，在桐梓煤田勘探中，针对该地层特点，试验了这一抑制性泥浆体系。经过桐梓风水矿段ZK2802钻孔的泥浆试验，所选用的泥浆配方能够很好地抑制水敏性地层和煤层水化、膨胀，并兼有地层微裂隙堵漏效果。上述泥浆配方可在同类地层中推广应用。针对不同的煤系地层泥浆配方并不是一成不变的，应该根据不同矿区的地层和水质等具体情况，采用不同的泥浆配方，才能满足煤层钻进取芯的需求。此外，钻井液性能的现场维护是十分重要的，一般要求控制低固相、低粘度、小滤失量，抑制性能良好，泥饼薄而韧性好，堵漏效果明显，就可以起到较好钻进效果和护壁作用。