1、双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用摘要 阐述了不分散低固相体系 PHP-HPAN 双聚泥浆的功用、组成、指标及其工作原理和调配，以及在河南煤田勘探中的应用实例。 关键词：不分散低固相体系；双聚泥浆； 河南煤田；工程实例； 中图分类号：P634.6 文献标识码： A 前言 在煤田勘探过程中由于地层复杂，钻孔深度大，孔内事故（如坍塌，掉块，缩径，漏失，卡钻等）比较频发，所以对泥浆的要求比较严格，既要保证工程质量和效率，同时也要降低成本和工人的劳动强度。本文比较全面的介绍的不分散低固相体系的双聚泥浆的功用，性能指标，优点，以及各个组成的工作原理和作用，同时还介绍了泥浆的调配包括各个组成的用量以及配制方法
2、，还用工程实例证明了双聚泥浆在河南煤田勘探中显示出的优良性能。 一、钻井液的功能 定义：钻井液有称冲洗液，广义称循环介质或钻井液体，俗称泥浆，被喻 钻井的血液。 1、携带并悬浮岩屑，这是钻井液最基本的功用，通过其本身的循环，将孔底被钻头破碎的岩屑携至地面，保持孔内清洁，在接单根，起下钻或因事故停止循环时，能将孔内的钻屑悬浮在泥浆中，使钻屑不会很快下沉，避免沉沙卡钻等事故发生。 2、冷却钻头，钻具。钻头旋转破碎岩层，会产生很多热量，同时钻具不断与孔壁摩擦，也产生热量。通过泥浆不断循环将这些热量不断吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到了冷却钻头，钻具，延长其使用寿命的作用。 3、保护孔壁。井壁
3、稳定，井眼规则是安全，优质，快速钻进的基本条件，性能良好的钻井液具有良好的造壁的作用，在井壁上形成薄而韧的泥饼稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。 4、冲洗孔底。钻井液在钻头喷嘴处以极高的速度冲洗孔底，使钻头在孔底始终接触和破碎新地层，避免重复破碎，保证安全，快速钻进。 润滑钻具。由于钻井液的存在使钻头，钻具均在液体内旋转，特别是润滑性能优良的钻井液，将大大降低钻具摩擦的阻力。 5、平衡地层压力。在钻进过程中通过调节钻井液的密度，使液柱压力能够平衡地层压力，防止井塌，井喷，漏失等井下复杂情况的发生。 二、双聚泥浆 不分散低固相钻井液 不分散低固相钻井液是用高分子
4、聚合物处理低粘土含量原浆的产物。“不分散”是指高聚物凝剂能将泥浆中钻屑和劣质粘土絮凝成团，不分散于钻井液中， “低固相”是指包括粘土和钻屑的固相含量少，因为它固相含量低，密度小，性能优良，也称“优质轻泥浆” 。 1、不分散低固相钻井液的优点 钻井液密度低，固相含量小，有利于发现油气层，不易压死和堵死油层，同时可以提高钻速。 润滑性能好，可以减轻钻具及设备磨损，并减少卡钻事故； 由于剪切稀释能力强，携带岩粉能力强，抑制性好使得孔径规则，孔内事故少； 粘度低，流动性能好，钻头有可能获得较大的水力功率 有利于破碎岩石和清洗孔底；对泥页岩和粘土不起分散作用，可以保持孔壁稳定，并且可以防止粘土污染。 。
5、 （二） 不分散低固相钻井液的组成和性能指标 不分散低固相钻井液一般由淡水、膨润土和选择性絮凝剂组成（用选择性絮凝剂来提高膨润土原浆的粘度、动切力、并降低滤失量） ，只在某些特殊情况下才加入一些降滤失剂，但尽量不要使用分散剂因为分散剂不仅削弱聚合物絮凝岩屑（劣质粘降低钻速，因为分散剂的作用是使钻井液能够容纳更多的岩屑，而不能清降岩屑。 不分散低固相钻井液的性能指标应满足： 1钻井液中总固相含量应维持在 4%（体积）以下。 2岩屑和膨润土的比例应不超过 2：1; 3动/塑比值应为 0.360.48。 4动切力保持在 1.52.9 帕能有效的携带岩粉，若超过 2.9 帕不仅不能提高携带岩粉的能力，
6、而且不能发挥钻头水力因素来提高钻速，同时易产生压力激动，对在地面清除岩屑也不利。 5滤失量应从孔壁稳定和钻速考虑。 6PH 值应控制在 78.5 之间。 7钻井液密度小于 1.08/L。 （三） 不分散低固相钻井液的工作原理 1有机高聚物的絮凝原理 有机高聚物，由于高分子链节上吸附粘土颗粒，并通过“桥联”作用联结起来，最后絮凝成团并沉淀，分子量越大的高聚物，絮凝作用越明显，絮凝作用可分为全絮凝和选择性絮凝，选择性絮凝又可分为增强型和非增强型。 2不分散低固相钻井液工作原理 如前所述，不分散低固相钻井液具有絮凝作用和很好的防塌作用，防塌的原理是：长链聚合物在泥页岩表面上发生多岩吸附后粘附在孔壁的
7、微裂缝上，可以阻止泥页岩的剥落，同时 HPAM 或 PAN 的浓度较高时，在泥页岩孔壁表面上形成较致密的吸附膜，可以降低液相进入泥页岩的速度，对泥页岩水化起到一定的抑制用用，再者，水溶性长链高聚物在钻井液中的浓度达到一定数值后，钻井液成为假塑性流体，在层流时，表现粘度随着剪切速率的增大而降低，高聚物浓度越高，N 值越小，动/塑比值越大，剪切稀释能力越强，流速剖面的平板化程度 也就越大。 三、双聚泥浆各组成成分的机理与作用 （一）水解聚丙烯腈（代号 HPAN） 水解聚丙烯腈是腈伦废丝废布等经碱水解反应后的白色粉末产物，密度 1.141.15g/cm3，平均分子量 12.5 万20 万，其水解反应
8、为： 腈基（-CN）和酰胺基（一 CONH2）的存在有利于该共聚物在粘土颗粒上的吸附，可与羧钠基（-COONa）的水化作用相配合，在配制水解聚丙烯腈时，可稍加一点烧碱（聚丙烯腈：烧碱=12.5：1）以保留一部分腈基和酰胺基，实践表明，聚丙烯腈完全水解时其降滤失性能有所下降，用作降滤失剂的水解聚丙烯腈，水解度为 60%左右，水解聚丙烯腈除降滤失作用外，还具有好的抗温（达 240250） 、抗盐能力，但抗钙能力较弱，且有一定的絮凝和抗菌作用，加量一般取 0.2%1%。 （二）水解聚丙烯酰胺（代号 PHP 或 HPAM） 1水解聚丙烯酰胺是 PAM 在一定温度下与一定量的 NaOH 溶液进行水解反应
9、的产物，水解产物是聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺的共聚物，水解度越大，表示聚丙烯酸钠含量越大，水溶性也越好，PHP 有粉状和胶状两种，水解度一般为 5%3%，主要用作不分散低固相水基钻井液的絮凝剂，并兼有改善钻井液流变性能，降低摩阻等效能，水解度 30%时，选择性絮凝效果最好。 2水解聚丙烯酰胺的防塌机理 部分水解聚丙烯酰胺分子链中含有羧钠基（-COONa）和酰胺基（-CONH2） ，酰胺基（-CONH2）吸附在孔壁上而羧钠基（-COONa）的水化，其周围带有一定水化半径的水化膜，在水化膜压力的作用下，水化后的羧钠基（-COONa）将使形成致密的吸附膜，当同类分子间的距离较远时，分子间以吸引力为主，距
10、离较近时，分子间以排斥力为主，部分水解聚丙烯酰胺分子中的羧钠基（-COONa）在分子力的作用下，产生聚集，使体系成膜的强度大，密实性高，防塌能力比较强，成本低，良好的环境相容性。 3钠羧甲基纤维素（Na-CMC）有低粘、中粘及高粘三种产品，它是一种良好的降滤失剂，同时还具有一定的抗盐、抗钙和抗温能力（抗温130140） ，也可作增粘度剂。 4腐植酸甲，加量 3%左右可提高钻井液的分散度，降低滤失量和稀释作用。 四、双聚泥浆的配制 钻井液配制的计算 1、钻井液的配制的计算 Vr1（r2-r） W=（kg） r1-r 式中：r1粘度密度（2.22.6） ； r2所配钻井液的相对密度； r水的密度（
11、淡水为 1.0，海水为 1.03） ； V所需钻井液量（l） 2、配制钻井液所需水量 V1 W V1=V（l） r1 3、降低钻井液相对密度所需加水量 V1 V（r5-r6） V1=（l） r6r 式中：r6加水稀释后的钻井液相对密度 4、钻井液中所需化学处理的配制与用量 无机、有机处理剂用量的计算，无机处理剂加水量一般按干粉量计算，然后配成一定浓度的水溶液，如用纯碱或烧碱对粘土进行改性时，应按粘土质量计算其用量，例如，用 6%的纯碱处理钙膨润土，即每 100g钙膨润土中应加 6g 纯碱。 有机处理剂的加量（如钠羧甲基纤维素，腐植酸钾、腐植酸钠，铁羟盐，聚丙烯酰胺等）是按钻井液体积百分比计算出
12、干粉的用量，有些处理剂（如钠羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺等）应将计算出的干粉用量事先配成一定浓度的水溶液，再加入钻井液中。 钠羧甲基纤维素配制时将纤维素（棉花花短纤维，甘蔗纤维）置于烧碱液中浸沧，度为碱纤维素后，再经氯醋酸酸醚，化可得羧甲基纤维素（CMC）,醚化过程中同时加入烧碱或纯碱液，即可得 Na-CMC 也可直接从市场购买成品。 Na-CMC 的两个重要指标是聚全度（n）各取代度（x，醚化度）它们对产品的水溶性、粘度和降失水效果均有较大影响。 聚全度即分子链数的大小，由于制造时纤维素链节断裂，使 Na-CMC聚合度比原来纤维素的低处理泥浆的 Na-CMC 的聚合度范围在 200-600（即分
13、子量 4.5-13.5 万）之间。聚合度越高，则其水溶液粘度越高，以此来区分 Na-CMC 的高、中、低三种粘度的工业产品，一般以浓度为 2%的 Na-CMC 溶液粘度为标准粘度产品为 08-1.2Pa.S 以上，中粘度 0.3-0.6Pa.S，低粘度为 0.01-0.03Pa.S。 取代度是每个环式葡萄糖链节上的羧甲基的数目，取代充一般在0.5-0.85 之间，它是决定 Na-CMC 水溶性的主要因素。取代度大于 0.5 才溶于水，其值越高水溶性越好。 用 Na-CMC 处理泥浆时加入量要达到 0.06%-0.1%以上，淡水泥浆用Na-CMC 降失水时，其加入量为泥浆产量的 0.5%以下。
14、现场使用 Na- CMC 时，最好先配成浓度 2-3%的水溶液，随时用随时加入。 纯碱，纯碱易溶于水，在 40时溶解度最大，水溶液呈强碱性，泥浆中加纯碱，可使其中的钙离子多碳酸钠中的碳酸根作用于，置换出钠离子，同进，产生不溶于水的碳酸钙沉淀，消除了粘土中钙离子对泥浆的有害作用。此外，在泥浆中加入少量纯碱，能使粘土颗粒的湿润性变好，就是在粘附着的两个粘土颗粒这间形成薄的水膜，使粘土颗粒分散性好，泥浆中的细粒增多碳酸钠加量的不同，引起泥浆性能的变化也不同，失水量由大变小再变大，粘度、静切力由小变大再变水，最后趋于不变，因此，纯碱的加入量必须严格控制。 5、烧碱 烧碱又叫火碱，苛性钠，它的化学名称叫
15、氢氧化钠，分子式是NaOH，分子量 40。 纯品为无色透明晶体，工业固体烧碱量乳白色常温下相对密度 2.0-2.2，能溶于等量的水中，呈强碱性酸碱值 12.6，易吸潮，从空气中吸收二氧化碳，变为碳酸钠烧碱浓溶液及固体能侵蚀皮肤和衣物，使用时应戴防护眼镜及胶皮手套，不同漫度下烧碱在水中的溶解度如表 3 表 3 不同温度下烧碱在水中的溶解度 从表中可见，即使在常温下，烧碱的溶解度也是很大的工业烧碱除固体外，还有液体烧碱，烧碱是调节泥浆 PH 值，最常用的药剂，同时，也用它来配制单宁酸钠、腐殖酸钠及进行水解等用在现场，有时单独用烧碱液处理泥浆调节 PH 值。 粘土：水：纯碱：HPAN：HPAM=1：
16、20：0.06:0.1:0.1-0.2 用上述配方处理的泥浆，其性能为，相对密度 1.06，失水量 8.5ml/30min，胶体率 100%，PH 值 7.5-8 调节粘度时利用 Na-CMC 增粘同时降失水，利用腐殖酸钾来防塌、降粘、降滤失，根据情况的需要调节用量。 钻场制造泥浆的方法 在普查找矿，钻机分散，单机作业的情况，钻机要自行搅拌泥浆，下面介绍两种钻机搅拌泥浆的简便方法 1、水泵喷射搅拌法 搅拌方法是，将一特制喷头接在水泵安全水门的乏水管的出口一端，放入容积 2-3m3 的铁水箱或泥浆坑中，水箱内的粘土事先捣碎，有条件的地区最好加工成粘土粉，用水在箱（坑）内浸泡 2-4h，然后把水龙
17、头放入水箱内，开动水泵，喷头也放在水箱里，即可喷射，喷头插入水内不得超过粘土面防止堵塞，这种方法是借喷头在水内产生的急剧涡流，使粘土振动循环，使粘土颗粒更好地分散，如此往返循环 1-1.5h 后，测量其性能，若合乎标准，即可放放泥浆坑内，再搅拌第二箱，此种方法简单方便，很适合现场。 2、 卧式搅拌机 水加喷射或人工搅拌泥浆，在春、夏、秋三季使用较为方便，冬季，特别是北方冬季时间长，应以搅拌机在场房内搅拌为宜，如果夏季多雨，也应采用这种方法。 五、工程实例 工程概况 河南省平顶山煤田贾寨王楼勘探项目是河南省国土资源厅下发、河南煤田地质局四队中标并钻探施工的项目，本次钻探的目的是获取目标煤层的煤质、埋深及瓦斯含量，和煤层实际厚度及其顶底板岩石力学性质。该钻孔设计深度 1250 米，实际终孔深度 1436.94 米。 地层情况 该钻孔自上而下钻进所遇地层有： 第四系（Q）：厚度 0180m，分上中下三段，褐色粘土，松软，夹有砾石，砾石以火成岩、石英为主，分选差，滚园度好；中段，灰绿色、褐色粘土、砂质粘土具可塑性，夹砾石，砾石成分复杂，有火成岩、石英岩、平顶山砂岩及金斗山砂岩，分选差，滚园度中等；下段棕红色，灰绿色，粘土、砂质粘土，致密，可塑性强，含钙质结核，粘土夹砾石，砾石以石英砂岩为主。
