1、绿色理念下聚合物钻井液在煤田深孔钻进施工中的应用雷永胜（甘肃煤田地质局一四五队，甘肃 张掖）摘 要：地质情况复杂多变，煤田勘查时需要对可能发生的问题进行分析。地层过于松散形成破碎现象，在钻孔过程中很容易发生坍塌、超径等事故。为了有效解决这一问题，可以利用钻井液进行深入调整，确保具备优异性能，可以满足施工要求。本文以煤田勘探项目作为主要出发点，分析煤田深孔钻进中聚合物钻井液的应用。关键词：聚合物钻井液；煤田；深孔钻进中图分类号：文献标识码：文章编号：（）世纪 年代以来，聚合物钻井液已发展成为广泛应用的钻井液体系。一般来说，利用任何水溶性聚合物质作为处理剂的钻井液体系都可以被称为聚合物钻井液体系。
2、在应用过程中，聚合物钻井液体系一般指高分子聚合物质为主要成分的钻井液体系。世纪 年代，聚丙烯酰胺作为包被剂被应用于钻井液。现阶段化学工业发展，改性的部分水解的聚丙烯酰胺适用于钻井液处理，内部具有选择性絮凝作用，可以进行絮凝包被有害固相，如钻屑和劣质黏土，有害固相的减少可以降低体系中的亚微米颗粒含量，提升机械钻速。聚合物钻井液被逐渐应用于多个行业，如油气田钻井、煤层气开采、有色金属开采的钻孔作业。其在应用过程中也出现了一些问题：其一，最优使用范围较窄，尤其是遇到大量的蒙脱石或伊蒙混层等强水敏感的地层时，絮凝效果较差；其二，形成的钻井液体系胶凝强度大、静切力较大，体系内部的流变性不容易控制。聚合物
3、在钻井液的领域范围内效果优异，得到了广泛应用。聚合物钻井液区别于其他钻井液，聚合物钻井液具备多个特点，在流变性方面表现良好，聚合物钻井液内部有大量的聚合物分子，可以对体系起到桥梁作用。其一，在剪切稀释性方面表现良好，结构强度取决于颗粒与聚合物分子的桥梁作用强度。在井下存在高剪切应力的情况下，桥梁作用被破坏，黏度和剪切应力也降低，呈现出较好的剪切稀释效果和触变性，岩屑产生的悬浮作用相对较高。对于钻头喷嘴而言，周围的高速流体作用产生的高剪切速度、低流体阻力可以对钻速和破岩起到促进提升作用。其二，在聚合物钻井液中的大分子聚合物可以有效吸附于井上，降低了由钻井液滤液浸泡而产生的剥落掉块现象，起到降低裸
4、露地面的作用，可以对井壁稳定起到维持作用，最大限度地降低了井眼扩大率和井下复杂事故的发生率，其中钻井液用聚丙烯酸钾如图 所示。图 钻井液用聚丙烯酸钾早期的聚合物钻井液主要包含水解聚丙烯腈铵盐、聚丙烯酸钾。其中，水解聚丙烯腈铵盐利用高温碱性条件下的聚丙烯腈水解制成，对钻井液黏度产生的影响较小，存在的可游离的 能对泥页岩的水化分散作用起到抑制作用，在抗高温降滤失作用方面表现良好；聚丙烯酸钾属于聚丙烯酰胺部分水解的产物，一般加量范围在 ，可以实现失水的有效降低，具有稳定井壁作用。聚合物钻井液的作用机理 井壁稳定机理聚合物钻井液的主要处理剂为具有极性官能团的高分子聚合物，在聚合物与井眼周围岩石接触的作
5、用下，可以借助氢键作用或静电吸附作用黏附在黏土颗粒表面，以避免水分进入。聚合物具有较高分子量和良好的线性膨胀力，实现黏土颗粒吸附的同时，还能进一步连接相邻的黏土颗粒，多个黏土颗粒连接或桥接DOI:10.13487/ki.imce.022888在一起。此种情况下，聚合物钻井液可以有效防止泥页岩分散，确保稳定性。聚合物钻井液内部钾离子、铵离子的水合键能分别为 、，属于锂、钠、钙、镁等离子的水合键能较低范围，可以对井眼附近的岩石表面进行优先吸附。此外，直径分为.、的钾离子、铵离子原子，进入黏土分子内部更容易，还可以从黏土的层间挤出水分，实现自由水降低黏土的水化分散作用。此外，对于原子半径相对较小的钾
6、离子和铵离子，可以直接嵌入伊利石层间内部。钾离子吸附到黏土表面而失去吸附水后，离子半径进一步缩小。此外，硅氧四面体和铝氧八面体的空间结构在压缩的作用下，实现相互靠近，钾离子向相邻晶体间的负电荷中心靠近，形成了致密的连接结构，可以对钾离子的晶格固定效应起到稳固作用。降滤失机理聚合物钻井液内部聚合物处理剂应用过程中，主要利用桥接作用实现与黏土颗粒的作用，形成稳定的空间网格结构，防止黏土颗粒之间发生碰撞聚集，还可以在裸露的井壁上形成致密的滤饼，具备较强水化能力的酰胺基团，水化膜的厚度可以产生以水堵水的作用，泥饼包含的高黏度细肤水实现防止钻井液中的自由水渗入井壁附近地层中的作用。另外，降滤失剂可以对地
7、层中的微裂缝提升，泥饼间变得紧密，确保滤液的侵入进一步减少。聚合物钻井液的性能控制及配制 控制目前聚合物钻井液中常用的处理剂有部分水解聚丙烯酸钾（）、聚丙烯腈铵盐（）、聚阴离子纤维素（）、黄原胶（）和磺化沥青，水解聚丙烯酸钾属于选择性絮凝剂，去除体系中的有害固相，有效抑制泥页岩的水化分散，在增黏作用方面具有一定影响，一般来说加量的范围在 ，可以应用于井底温度不超过 的深井。聚丙烯腈铵盐主要可以当做降滤失剂，加量的范围一般在 ，应用过程中根据钻井施工的情况进行失水要求的设计配置。聚阴离子纤维素和黄原胶主要可以对聚合物钻井液的流变性调整，加量分别为 、，对体系切力起到提升作用。在钻井深度不断增加的
8、状态下，不稳定地层的几率也会逐渐增大，需要利用沥青类材料提高泥饼的致密性和降低失水的措施有效避免出现井壁坍塌、剥落等现象，还需要适当增加黏度，随时补充随钻防漏材料。配制深孔钻进施工过程中进行钻井液配置的水主要从河流当中提取，在进行水质检验分析时，其钻井液的质量以及性能和水的硬度具有一定关系，水的硬度过大。在配制钻井液之前需要进行水处理，在处理过程中借助适量的氢氧化钠、碳酸钠和水体充分融合，确保水中所含的钙离子和镁离子得到沉淀，实现水质软化。配制钻井液的过程中需要在深孔钻进的施工现场借助搅浆机，在添加了 水的搅浆机中，加入氢氧化钠和碳酸钠，持续搅拌 后加入适量的水化膨润土，对其进行 的搅拌，实现
9、充分混合。进行水化膨胀剂配制的过程中，充分混合 水和 的膨润土，根据一定的比例要求添加搅拌处理剂。加入处理剂时需要从大分子量到小分子量顺序加入。进行配制钻井液时还需要适量的润滑剂和 的添加，利用此种方式促进较高韧性和黏附性的泥皮形成。同时，一定的铵根离子和钾离子促进钻井液的润滑性和井壁的保护作用发挥。基于此，深孔钻进过程中，需要借助煤层体系的地层特征调整钻井液成分，根据实际情况进行调整配制，确保提高钻井液的胶结能力，对于泥皮的质量可以起到有效的促进提升作用。实际应用 概述本文中，主要分析研究了某省地质勘探队对某地发现的煤田开发，该煤田存在着极易破碎、松散等问题，影响了煤层的深孔钻进。因此，需要
10、改进钻井液，在钻井液中配制纯碱和烧碱，确保沉淀软化后进行适当的铵根离子、高分子聚合物以及钾离子的加入，确保钻孔施工的效果。在大量的研究之后可以得出钻井液自身具备携砂能力，确保钻进的事故过程可以实现顺利操作，煤粉在清水当中进行搅拌之后会出现分层现象，煤粉的颗粒越小分层现象越明显，产生的上浮颗粒也就越多。煤粉颗粒力度不断增加，其在重力的作用下所产生的沉降速度也会不断加快，沉降现象如图 所示。煤粉在清水中中悬浮效果（）煤粉在钻井液中悬浮效果（）煤粉在钻井液中悬浮效果（）图 煤粉在清水和钻井液中悬浮效果对比 地层与钻孔结构文中在勘查范围内需要从新到老揭露底层分别是新生界、上石盒子、下石盒子、二叠系山西
11、组和本溪组、石炭系太原组以及奥陶系峰组。进行钻孔时需要确保第一次钻孔直径要求，钻孔开到基岩下方后需要确保可以深入至直径为 的套管内部。第二次的钻孔直径需要达到，且直径开孔需要直到终孔。施工过程中的问题施工过程中，遇到了多个方面问题：其一，煤层层数较多且埋藏深度较大，钻井液具备流变性以及防缩径性能，在钻进施工时要求较高；其二，对于钻进施工，可借助较大深度且地层应力实现较大钻进力度，对于钻井液内部具有润滑性能和造壁性能，在施工时很可能出现水化膨胀现象。钻井液配制过程中，基浆用水部分可能对钻井液质量会产生一定程度的影响，甚至失水。对此可以进行周边的河水配制，河水内部的矿物质含量较高，不符合饮用标准，
12、在水质方面问题较为严重。其次，新生界的最大厚度高达，对其进行钻孔施工时，在其破碎松散的地层造成掉块坍塌或者超径等现象的影响下，经常产生施工质量和安全事故。对于黏土层的施工，其产生的造浆现象针对钻井液中的固体物质含量具有提升和促进作用，促使其黏稠度不断提升，产生厚的泥皮吸附卡钻现象。针对勘查区域范围内存在的多个钻孔卡钻现象，利用钻井液抑制，防止坍塌。解决措施针对深孔钻进施工，根据实际情况选择措施，确保提升钻孔质量。第一，借助软化用于配浆水内部进行适量的纯碱或者火碱的添加，实现沉淀矿物质，以改善水质，确保钻井液性能的不良影响降到最小；第二，根据实际情况适当选择钻井液体系，确保地层当中没有河水和雨水
13、等地表水渗入，有效减少钻井液的失水量。钻井液在黏土发生分散造浆能力的抑制方面，利用适当的铵根离子和钾离子在钻井液内部实现，借助高分子聚合物的添加实现包被、交联和吸附作用的发挥；第三个，对于深孔钻进施工过程中，需要确保安全，钻进到结构相对完整的基岩层，需要将浆套管提前下到其中，以实现隔离覆盖层，有效避免钻孔的漏失以及井壁坍塌的安全事故；第四，对于选择钻井液，不同的地层呈现出了不同的特点，需要对其进行实际情况的分析和选择，避免由于钻井液的不当选用给深孔钻进工程的施工质量和施工安全造成不良影响。维护钻井液深孔钻进施工开始前，需要进行钻井液配制，根据施工情况进行调整和维护，确保钻井液的质量和性能。其一
14、，在深孔钻进施工的过程中，需要定期检查钻孔入口出口的钻井液，对于返浆性能和钻井液的性能有效掌握和分析，最大限度地避免在不正常状态下调整钻井液，符合深孔钻进施工的标准。其二，对于深孔钻进施工的过程，做好现场的施工防水操作，防止由于河水或者雨水等地表水渗漏进钻井液造成污染现象，在深孔钻进施工的过程中注意旋流除砂器，确保深孔纯钻进所用的时间和旋流除砂器的开动时长比例在 左右。应用效果根据上文提到的方式调整钻井液，不会出现吸附卡钻等施工事故。同时，和高聚物钻井液相比，钻具在钻孔施工当中产生的磨损情况具备减轻状态，说明高聚物钻井液润滑性能优异，可以起到保护钻具作用。结束语综上所述，煤田勘探过程中，深孔钻
15、进施工时在地层当中存在比较严重的掉块、坍塌以及破碎松散情况下，需要利用钻头进行钻进施工，很容易造成卡钻、泥皮过厚等不利于施工进度和施工质量的情况，需要调整钻井液的配方，利用聚合物钻井液进行深孔钻进施工。参考文献：沈渭滨，李玲香，薛鹏辉聚合物膨润土协同作用对钻井液性能影响评价当代化工，（）：赵艳，张太亮，范劲水基钻井废泥浆破胶脱稳处理工艺研究内蒙古石油化工，（）：赵东亮聚合物驱影响水泥环胶结质量的因素分析石油和化工设备，（）：黄乘升，褚奇，李涛，等抗高温聚合物纳米微球封堵剂的合成与性能评价钻井液与完井液，（）：周大宇聚合物钻井液的发展情况研究西部探矿工程，（）：幸雪松，何松，谷林，等基于活性泥岩的聚合物钻井液絮凝剂评价方法精细石油化工，（）：作者简介：雷永胜（），男，甘肃会宁县人，本科，工程师，研究方向：深井钻探钻井液的高效应用。
