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井下鉆進(jìn)破碎松軟地層配制泥漿的技術(shù)方案的制作方法

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井下鉆進(jìn)破碎松軟地層配制泥漿的技術(shù)方案的制造方法與工藝

本發(fā)明涉及煤礦水文地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng)域。



背景技術(shù):

目前,在松軟巖層中進(jìn)行鉆孔施工一直是國(guó)內(nèi)外鉆探技術(shù)的難題之一,煤礦井下鉆孔尤其是在復(fù)雜地層例如在(二疊系上石盒子組、下石盒子組和山西組)進(jìn)行深立孔鉆探中最大障礙是巖粉排出、塌孔、鉆孔越深,鉆穿的地層越多、施工周期越長(zhǎng),孔內(nèi)會(huì)越復(fù)雜,施工難度會(huì)越大,而發(fā)生塌孔的外部因素是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地應(yīng)力集中以及地層松軟遇水易膨脹,鉆探設(shè)備能力不足。內(nèi)部原因是軟巖鉆孔施工過(guò)程中主要是沖洗液沖選用和配比不當(dāng),巖粉排出因難,造成無(wú)效鉆探進(jìn)尺、埋鉆,塌孔報(bào)廢。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

為解決在松軟巖層中進(jìn)行鉆孔施工,尤其是在二疊系上石盒子組、下石盒子組和山西組造成塌孔、埋鉆、形成無(wú)效鉆探進(jìn)尺的問(wèn)題,巖粉排出因難,本發(fā)明了井下鉆進(jìn)破碎松軟地層配制泥漿的技術(shù)方案:

一是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖芯進(jìn)行分析,完成在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際地層條件的實(shí)驗(yàn),做膨脹量試驗(yàn)和防塌試驗(yàn);

二是利用實(shí)驗(yàn)室配制的泥漿,利用現(xiàn)場(chǎng)使用方法進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)來(lái)證明實(shí)驗(yàn)效果,從理論上和實(shí)驗(yàn)條件下滿足該地質(zhì)條件鉆進(jìn)所需要的泥漿。

考慮到地應(yīng)力集中軟巖條件進(jìn)行鉆探施工對(duì)鉆孔沖洗液的要求,分析了現(xiàn)有沖洗液對(duì)軟巖的適應(yīng)性,用聚丙烯酰胺(PAM)良好的絮凝性、粘合性、降阻性和增稠性,將PAM水溶液用作應(yīng)力集中區(qū)軟巖地層深立孔鉆進(jìn)沖洗液,進(jìn)行科學(xué)地配比,合理的使用,解決了孔壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑和深孔排粉困難問(wèn)題,有效提高鉆進(jìn)效率和鉆探工程質(zhì)量,為了保障現(xiàn)場(chǎng)鉆孔成孔把握,首先在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。

一.實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)如下:

1.膨脹量試驗(yàn)

取礦區(qū)泥巖巖芯,粉碎后過(guò)60目篩,加水捏成團(tuán),手壓入模具內(nèi),沖壓成直徑20mm,高10mm的圓柱泥餅。該試驗(yàn)所用的試液分別為:清水、泥漿、7‰的PAM水溶液及14‰的PAM水溶液。將所制泥餅分別放入四個(gè)測(cè)量杯內(nèi),然后在四個(gè)測(cè)量杯內(nèi)分別放入清水、泥漿、7‰的PAM水溶液及14‰的PAM水溶液,每30分鐘觀察一次百分表讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù),直至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4-1:

表4-1 泥巖試件在四種試液中的膨脹量

根據(jù)表4-1中數(shù)據(jù)將泥巖的膨脹量繪制成圖,如圖2所示:

本試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論:

(1)由圖2易知,泥巖試件在四種試液中的膨脹量有明顯不同:在清水中膨脹迅速,三小時(shí)內(nèi)即達(dá)到最大膨脹量,且最大膨脹量明顯高于其他三種試液;泥漿對(duì)泥巖的膨脹有一定的抑制作用,但效果并不理想;7‰及14‰的PAM水溶液有效地抑制了泥巖的膨脹,最大膨脹量控制在了0.2mm之內(nèi),所以,PAM水溶液抑制泥巖膨脹的能力最強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中采用PAM水溶液。

(2)由圖2曲線易知,14‰的PAM沖洗液比7‰的PAM水溶液抑制泥巖膨脹的能力更強(qiáng),故采用14‰的PAM水溶液。

2、防塌能力試驗(yàn):本試驗(yàn)由于條件所限采用最簡(jiǎn)單、直觀浸飽巖芯法。

巖芯浸泡法即將實(shí)驗(yàn)室所制巖石試件在不同濃度的水溶液中浸泡,觀察其垮塌情況并記錄對(duì)應(yīng)的開(kāi)始垮塌和完全垮塌的時(shí)間,垮塌的時(shí)間即可從側(cè)面反應(yīng)出沖洗液的防塌能力:巖石試件垮塌的時(shí)間越長(zhǎng),則對(duì)應(yīng)的該濃度的沖洗液抑制巖石試件垮塌的能力越強(qiáng),其防塌性能越好,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中即可采用該濃度的水溶液;反之,其防塌性能較差。

試驗(yàn)過(guò)程中,在礦區(qū)選取足量的泥巖及粉砂巖試驗(yàn)所需鉆屑,在95-105℃下烘干,研磨,過(guò)20目篩,盛入干燥瓶中備用;稱取NaCl30g加入盛有1000ml水的搪瓷杯中,攪拌使之完全溶解,即質(zhì)量濃度為30g/L的鹽水,用這種鹽水作為人造巖芯的粘合劑;稱取三份131g的巖粉,分別倒入三個(gè)搪瓷杯中,再分別加入17ml質(zhì)量濃度為30g/L的鹽水粘合劑,均勻攪拌潤(rùn)濕即可;經(jīng)壓力機(jī)沖壓成直徑20mm,高15mm的圓柱試件,于105℃下烘4.5h;將加工好的不同巖性的圓柱試件分別同時(shí)放入盛有清水和不同濃度PAM水溶液的實(shí)驗(yàn)量杯中,試液需沒(méi)過(guò)圓柱試件,觀察并記錄試件開(kāi)始垮塌和完全垮塌的情況和時(shí)間,由該試驗(yàn)見(jiàn)表4-2:

可得到如下結(jié)論

(1)PAM水溶液的防塌能力與清水相比效果十分顯著:在清水中,巖石試樣在不足一分鐘內(nèi)即完全垮塌:在PAM水溶液中,泥巖和砂巖垮塌的時(shí)間不盡相同,但都經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間,而且當(dāng)PAM水溶液的濃度11‰后,泥巖及砂巖試件雖都有一定的膨脹,但最終不會(huì)完全垮塌。

(2)PAM溶液的防塌能力隨濃度增高而增強(qiáng),當(dāng)濃度達(dá)14‰時(shí),具有最佳的防塌效果,此時(shí),若濃度再增加,水溶液的防塌能力雖然較強(qiáng),但已沒(méi)有14‰的水溶液防塌效果好。一般認(rèn)為PAM水溶液的濃度為11‰-14‰時(shí),具有較好的防塌效果。

(3)通過(guò)對(duì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖垮塌時(shí)間的對(duì)比,易知對(duì)于易垮塌巖層(如泥巖),PAM沖洗液的濃度較低時(shí),防塌效果并不明顯,只有具有較高的濃度(≥14‰)時(shí),才具有良好的防塌作用;

實(shí)驗(yàn)室做了膨脹量試驗(yàn)及防塌試驗(yàn),證明現(xiàn)有沖洗液對(duì)軟巖的適應(yīng)性,提出了高應(yīng)力軟巖條件下對(duì)水溶液的特殊要求,最終選取聚丙烯酰胺(PAM)水溶液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

二.現(xiàn)場(chǎng)使用方法

1.在孔深100m以內(nèi),可以使用清水鉆進(jìn)為主,隨著孔的延伸,適當(dāng)用專用7‰PAM水溶液泵壓循環(huán)排粉。

2.在孔深100~200m孔深段,每鉆進(jìn)30m排粉洗孔1次,每次用量4~6m3;PAM水溶液濃度11‰~15‰排粉達(dá)到50%

3.在孔深200m-300m,PAM水溶液濃度增加1.5倍后的PAM絮凝劑排粉洗孔,每次用量5~8m3;PAM排粉50%;

4.在孔深300m以深孔段,則用PAM水溶液定期每班排粉洗孔1~2次,每次用量不低于5m3

5.遇到孔內(nèi)坍塌、巖粉過(guò)多,或循環(huán)液供給壓力突然增大反映出孔內(nèi)有其它異常時(shí),及時(shí)改用PAM水溶液濃度14‰的水溶液進(jìn)行洗孔。

PAM水溶液的防塌隨濃度增高而增強(qiáng),當(dāng)濃度達(dá)14‰時(shí),具有最佳的防塌效果避免了鉆孔的垮塌;此時(shí),若濃度再增加,水洗液的防塌能力雖然較強(qiáng),但沒(méi)有PAM水溶液濃度14‰的水溶液攜帶巖粉效果好,一般認(rèn)為PAM水溶液的濃度為11‰-14‰時(shí),具有較好的防塌和攜帶巖粉效果,能夠較順利通過(guò)應(yīng)力集中而且易坍塌地層。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明解決了鉆進(jìn)應(yīng)力集中區(qū)、易坍塌軟巖地層所需要的泥漿,鉆孔孔壁穩(wěn)定了,深孔排粉困難解決了,可有效提高鉆進(jìn)效率和鉆探工程質(zhì)量,減少了煤礦財(cái)力物力人力的浪費(fèi)。

附圖說(shuō)明

圖1井下鉆進(jìn)破碎松軟地層配制泥漿的技術(shù)方案流程。

圖2根據(jù)表格圖數(shù)據(jù)將泥巖的膨脹量繪制圖。

具體實(shí)施方式

由圖1可以詳解井下鉆進(jìn)破碎松軟地層配制泥漿的技術(shù)方案流程;一是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖芯進(jìn)行分析,完成在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際地層條件的實(shí)驗(yàn),做膨脹量試驗(yàn)和防塌試驗(yàn);二是利用實(shí)驗(yàn)室配制的泥漿,利用現(xiàn)場(chǎng)使用方法進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)來(lái)證明實(shí)驗(yàn)效果,從理論上和實(shí)驗(yàn)條件下滿足該地質(zhì)條件鉆進(jìn)所需要的泥漿。

1.膨脹量試驗(yàn)

取礦區(qū)泥巖巖芯,粉碎后過(guò)60目篩,加水捏成團(tuán),手壓入模具內(nèi),沖壓成直徑20mm,高10mm的圓柱泥餅。該試驗(yàn)所用的試液分別為:清水、泥漿、7‰的PAM沖洗液及14‰的PAM沖洗液。

將所制泥餅分別放入四個(gè)測(cè)量杯內(nèi),然后在四個(gè)測(cè)量杯內(nèi)分別放入清水、泥漿、7‰的PAM水溶液及14‰的PAM水溶液,每30分鐘觀察一次百分表讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù),直至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4-1泥巖試件在四種試液中的膨脹量

本試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論:7‰及14‰的PAM沖洗液有效地抑制了泥巖的膨脹,最大膨脹量控制在了0.2mm之內(nèi),所以,PAM水溶液抑制泥巖膨脹的能力最強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中采用PAM水溶液。

2.防塌能力試驗(yàn)

本試驗(yàn)由于條件所限采用最簡(jiǎn)單、直觀浸飽巖芯法。

巖芯浸泡法即將實(shí)驗(yàn)室所制巖石試件在不同濃度的水溶液中浸泡,觀察其垮塌情況并記錄對(duì)應(yīng)的開(kāi)始垮塌和完全垮塌的時(shí)間,

見(jiàn)表4-2:

垮塌的時(shí)間即可從側(cè)面反應(yīng)出水溶液的防塌能力:巖石試件垮塌的時(shí)間越長(zhǎng),則對(duì)應(yīng)的該濃度的水溶液抑制巖石試件垮塌的能力越強(qiáng),其防塌性能越好,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中即可采用該濃度的水溶液;反之,其防塌性能較差。

現(xiàn)場(chǎng)使用方法

利用實(shí)驗(yàn)室配制的泥漿拿到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)來(lái)證明實(shí)驗(yàn)效果,從理論上和實(shí)驗(yàn)條件下滿足該地質(zhì)條件鉆進(jìn)所需要的泥漿:

1.在孔深100m以內(nèi),可以使用清水鉆進(jìn)為主,隨著孔的延伸,適當(dāng)用專用7‰PAM水溶液,泵壓循環(huán)水排粉。

2.在孔深100~200m孔深段,每鉆進(jìn)30m排粉洗孔1次,每次用量4~6m3;PAM水溶液濃度11‰~15‰排粉達(dá)到50%

3.在孔深200m-300m,PAM水溶液濃度增加1.5倍后的PAM水溶液排粉洗孔,每次用量5~8m3;PAM排粉50%;

4.在300m以深孔段,則用PAM水溶液定期每班排粉洗孔1~2次,每次用量不低于5m3。

5.遇孔內(nèi)坍塌、巖粉過(guò)多,或循環(huán)液供給壓力突然增大反映出孔內(nèi)有其它異常時(shí),及時(shí)改用PAM水溶液濃度為14‰的水溶液進(jìn)行洗孔。

PAM水溶液的防塌隨濃度增高而增強(qiáng),當(dāng)濃度達(dá)14‰時(shí),具有最佳的防塌效果避免了鉆孔的垮塌;此時(shí),若濃度再增加,水洗液的防塌能力雖然較強(qiáng),但沒(méi)有PAM水溶液濃度14‰的水溶液攜帶巖粉效果好,一般認(rèn)為PAM水溶液的濃度為11‰-14‰時(shí),具有較好的防塌和攜帶巖粉效果,能夠較順利通過(guò)應(yīng)力集中而且易坍塌地層。

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