姜桂春

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四〇四隊(duì)，遼寧遼陽111000)

鉆探不僅是地質(zhì)勘探的最重要手段之一，而且在礦產(chǎn)采掘和一些大型的現(xiàn)代化施工中，也不乏應(yīng)用。鉆探效率往往決定了勘探和開發(fā)的速度。沖洗液被譽(yù)為鉆井工程的“血液”，加強(qiáng)對鉆井沖洗液的研究有助于保證鉆井工程順利進(jìn)行、提高鉆井效率、加快鉆井速度。

聚丙烯酰胺無固相沖洗液技術(shù)已在我國各類地質(zhì)勘探、鉆井施工中應(yīng)用多年，現(xiàn)已開拓國際地質(zhì)市場，將有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 聚丙烯酰胺無固相沖洗液的作用機(jī)理

PAM(水解的聚丙烯酰胺)和PHP(部分水解的聚丙烯酰胺)的護(hù)壁防塌機(jī)理，在于其分子鏈上有很多吸附基，由于無固相沖洗液滲透半徑大，吸附基與孔壁的破碎帶之間形成多點(diǎn)吸附，使得在孔壁上形成有長鏈分子結(jié)合的吸附壁，增加了孔壁的塑性強(qiáng)度，覆蓋孔壁巖石表面，隔水性，粘結(jié)性就大大增強(qiáng)，有阻止和抑制巖層分散、水化和膨脹作用，因此起到護(hù)壁防塌作用。另外，PHP無固相沖洗液的pH值偏低，這本身也是穩(wěn)定水敏地層的一種措施，再加上高聚物作用就起到了穩(wěn)定孔壁的作用(參見圖1)。

圖1 PHP無固相沖洗液防塌對比示意圖

2 聚丙烯酰胺無固相沖洗液的特點(diǎn)

2．1 潤滑性能好

聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺聚合而成的線型高聚物，具有絮凝和潤滑作用，利于沖洗液固相控制，摩阻相對較低。鉆頭進(jìn)尺有明顯提高，減輕了機(jī)械設(shè)備的磨損，并使卡鉆事故大量減少，鉆具磨損程度減小，同時因孔內(nèi)阻力小，可開高轉(zhuǎn)速，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速可提高40%(參見表1)。

2．2 具有較好的護(hù)壁防漏性能

表1 遼陽弓長嶺鐵礦高山深部2012—2013年采用2類沖洗液所使用的轉(zhuǎn)速比較

在鉆進(jìn)水敏地層等復(fù)雜地層時，聚丙烯酰胺無固相沖洗液能防止鉆孔漏失，在鉆進(jìn)不十分嚴(yán)重的滲透性漏失孔段時，聚丙烯酰胺無固相沖洗液能使漏失逐步減輕或完全停止。一方面，這是由于聚丙烯酰胺無固相沖洗液比普通泥漿密度輕，沖洗液在鉆進(jìn)中的液柱壓力就要低得多。只要液柱壓力大于地層孔隙的壓力，并能克服漏失產(chǎn)生的阻力，漏失才會發(fā)生。因此，聚丙烯酰胺無固相沖洗液降低了產(chǎn)生漏失的壓力。另一方面，聚丙烯酰胺無固相沖洗液粘度低，在鉆孔的環(huán)形空間上返速度較快，滲透裂隙速度快，高聚物在孔隙內(nèi)吸附逐漸形成凝結(jié)而產(chǎn)生堵塞。另外，聚丙烯酰胺的大分子鏈在漏失到孔隙中能吸附在孔壁上，相反巖粉顆粒表面性質(zhì)不同容易被PHP吸附—架橋—聚沉，一起產(chǎn)生堵塞。當(dāng)水流過時，這些吸附在孔壁的親水性大分子鏈還會努力伸向孔隙深處，形成很大的流動阻力。因此綜合這些原因就形成良好的防漏效果。當(dāng)遇到較大裂隙漏失嚴(yán)重時，可向沖洗液中加一些惰性物資，增加絮凝團(tuán)的粘度和長度，促使漏失停止。形成即經(jīng)濟(jì)又節(jié)省時間，邊鉆邊堵的沖洗液。我局生產(chǎn)實(shí)踐可參見表2。

表2 弓長嶺工區(qū)2012—2013年2類沖洗液施工鉆孔事故對比

另外，我隊(duì)2013年于東鞍山礦區(qū)ZK－16號孔2種沖洗液處理事故時間對比見表3。

表3 ZK－16號孔2種沖洗液處理坍塌事故時間對比

2．3 堵漏性能

聚丙烯酰胺無固相沖洗液密度輕，加入聚丙烯酰胺，沖洗液具有絮凝作用，觸變性較強(qiáng)。所以當(dāng)鉆入有滲透性漏失的地層，能防止鉆孔漏失。當(dāng)遇到鉆孔漏失嚴(yán)重地層時，可變化一下沖洗液的性能，即可達(dá)到堵漏作用。如在鞍山黑石砬子工區(qū)ZK－418號鉆孔當(dāng)施工至97 m時鉆孔出現(xiàn)漏失，低固相泥漿供應(yīng)不上，出現(xiàn)了多次等待。改用聚丙烯酰胺無固相沖洗液鉆進(jìn)后，僅用4 h鉆孔漏失減輕至微漏。

2．4 降低了施工成本

由于配制聚丙烯酰胺無固相沖洗液使用的聚丙烯酰胺量少，鉆進(jìn)速度快，可大幅度地降低鉆探成本。根據(jù)我們多年生產(chǎn)證明，可降低鉆探成本40%左右。表4為我隊(duì)在弓長嶺工區(qū)鉆探單位成本對比。

表4 弓長嶺工區(qū)鉆探單位成本對比

2．5 降低工人的勞動強(qiáng)度

聚丙烯酰胺本身無腐蝕，無毒性，用量少。不像普通泥漿需要大量白泥粉和純堿等。由于聚丙烯酰胺無固相沖洗液配制簡便，勞動強(qiáng)度低，因此，受到了廣大工人的歡迎。

2．6 減輕了對農(nóng)田和環(huán)境的污染

聚丙烯酰胺無固相沖洗液所用的處理劑是無毒物。pH值在8左右，比普通泥漿低。并且聚丙烯酰胺本身就是一種土壤改良劑，可以增加土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，分子中含有的酰胺基在土壤中緩慢水解，可增加土壤的含氮量，故對農(nóng)田和環(huán)境污染大大減輕。

3 聚丙烯酰胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子量

聚丙烯酰胺是由丙稀酰胺聚合而成的線型高聚物。它由許多相同的鏈節(jié)構(gòu)成，每個鏈節(jié)的化學(xué)分子式可寫成:

若有n個鏈節(jié)組成一個大分子的聚丙烯酰胺，那么整個聚丙烯酰胺大分子式就可以寫成:

鏈節(jié)數(shù)n就叫做聚合度。一個鏈節(jié)中原子量的總和叫做鏈節(jié)分子量。聚丙烯酰胺的鏈節(jié)大分子是71.08。用鏈節(jié)分子量乘以聚合度n就等于高聚物的分子量。所以，聚合度和分子量都能表示高聚物分子的大小。由于在聚合反應(yīng)中，不可能每一個大分子鏈都一樣長，所以聚合后的產(chǎn)品都是一個多種分子量的混合物。

分子量對于高聚物是一個非常重要的參數(shù)。對于沖洗液而言，隨著聚丙烯酰胺分子量的增加，絮凝能力，提粘效果，堵漏和防塌效果都會提高。分子量太高，溶解將變得越困難，剪切穩(wěn)定性也會相應(yīng)降低。目前用于我們地勘行業(yè)的是兩種形狀的聚丙烯酰胺。一種是含量為7% ～8%的膠凍狀產(chǎn)品，因其純度較低，現(xiàn)很少有人使用。另一種是粉狀產(chǎn)品，較常用。

4 聚丙烯酰胺沖洗液的配制

聚丙烯酰胺溶解慢，為避免急用時造成困難，使用聚丙烯酰胺時，首先要配成一定濃度的溶液。聚丙烯酰胺是高聚物，它的溶解過程比較復(fù)雜。它在溶解時，首先是溶解分子(水分子)向高聚物內(nèi)部擴(kuò)展，先使高聚物膨脹，使大分子之間的排列疏松起來，到一定程度，可溶性的大分子才從高聚物的邊緣脫落，并緩慢地向溶劑深處擴(kuò)散。由于分子體積大，擴(kuò)散速度要比小分子量慢。所以，高聚物處理的正確配制是十分重要的。下面介紹幾個影響高聚物速溶方法。

(1)分子量越高，溶解也就越困難;網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)要比線型結(jié)構(gòu)溶解困難。所以，加溫和攪拌能加速聚丙烯酰胺的溶解。

(2)水解的聚丙烯酰胺比不水解的聚丙烯酰胺溶解要快。水解度越高溶解也就越容易。

(3)pH值在7～8之間，聚丙烯酰胺的溶解較快。pH值過低影響其溶解速度。

(4)凡能提高高聚物中親水基團(tuán)的親水性或能促進(jìn)高聚物在溶解中伸展的藥劑，都能改善高聚物的溶解性。如:NaOH，Na2CO3。

(5)以電解質(zhì)存在的鹽水，能降低高聚物的溶解度。在現(xiàn)場使用的聚丙烯酰胺，一般是配成1%濃度的溶液。

5 聚丙烯酰胺無固相沖洗液應(yīng)用

5．1 試驗(yàn)與現(xiàn)場效果

在金剛石鉆進(jìn)中，孔壁坍塌是經(jīng)常發(fā)生的井內(nèi)事故之一。因?yàn)榻饎偸@進(jìn)環(huán)狀間隙小，沖洗液上返速度快，壓頭損失大，孔壁易沖刷破壞和增加漏失，造成鉆具回轉(zhuǎn)阻力大等。根據(jù)HPAM分子鏈上具有很多吸附基，這些吸附基與孔壁的破碎帶形成多點(diǎn)吸附，使得在孔壁上形成有長鏈分子結(jié)合的吸附壁，增加了孔壁的塑性強(qiáng)度。我們做過室內(nèi)試驗(yàn)PAM無固相沖洗液的PHP防坍塌浸泡實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 PHP防坍塌浸泡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)證明:PHP的濃度愈高，防塌護(hù)壁效果愈好。具有穩(wěn)定孔壁的作用。在生產(chǎn)施工中，要根據(jù)鉆孔情況采用不同濃度的PHP(見表6)。

表6 弓長嶺工區(qū)采用不同濃度PHP無固相沖洗液使用效果

實(shí)踐證明:根據(jù)不同的鉆孔條件，要配制不同濃度PHP無固相沖洗液，因?yàn)镻HP濃度越高，PHP在孔壁上的吸附量就越多，吸附膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就越高，橋聯(lián)網(wǎng)目增加，覆蓋孔壁表面，隔水性，粘結(jié)性就大大增強(qiáng)，防塌護(hù)壁效果愈好，具有穩(wěn)定孔壁的作用。

5．2 使用方法

經(jīng)多年使用聚丙烯酰胺無固相沖洗液證明:只要配制、管理得當(dāng)，對預(yù)防和減輕鉆孔坍塌、掉塊和輕微漏失、穩(wěn)定孔壁是十分有效的。下面介紹2種配方。

在一般鉆孔的配方:PHP(H=20% ～40%;分子量M=200～400;濃度1%)0.02%(200 ppm)，癸脂或切削油0.3%。

在復(fù)雜地層的配方:PHP(H=40%;分子量M=400～800;濃度1%)0.1%，癸脂0.3%。

配制:把PHP加入清水中攪拌5～10 min，在加入潤滑劑攪均即可。鉆孔較淺可不加潤滑劑。

性能要求:密度1.02～1.05 g/cm3;粘度16～18 s;pH值7～8;巖粉沉降，在100 mL無固相沖洗液中加5 g巖粉，攪勻后靜放2 min，大部分巖粉沉淀即可。

使用注意事項(xiàng):(1)聚丙烯酰胺無固相沖洗液要攪拌均勻，不能有塊狀，否則易造成糊水龍頭情況;(2)由于巖粉吸附PHP，要定期補(bǔ)充PHP;(3)定期清理水源箱，嚴(yán)禁造成巖粉惡性循環(huán);(4)鉆進(jìn)破碎層時，應(yīng)及時加大PHP濃度。

6 結(jié)語

在東鞍山礦區(qū)施工中，分別在ZK－16、ZK－17、ZK－19、ZK－22、ZK －24孔等坍塌破碎鉆孔使用了聚丙烯酰胺無固相沖洗液及普通沖洗液，均取得了效果，但聚丙烯酰胺無固相沖洗液效果更佳，施工更順利，圓滿完成了鉆探施工任務(wù)。到目前為止，東鞍山礦區(qū)使用聚丙烯酰胺無固相沖洗液已完成40余個鉆孔施工任務(wù)，進(jìn)尺43000余米，孔優(yōu)秀率90%以上，為探明東鞍山鐵礦做出了巨大貢獻(xiàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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