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应用综合技术解决钻井泥浆污染问题

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泥浆固化 钻井废弃泥浆 泥浆试验 泥浆固化技术
资源描述:

© 1994     王 秋 敏   王 晓 健   王   新摘   要   本 文 阐 述 了 我 国 钻 井 法 施 工 中 制 约 技 术 发 展 的 泥 浆 污 染 问 题 ,论 述 了近 年 来 发 展 起 来 的 泥 浆 新 技 术 及 其 特 点 ,提 出 综 合 应 用 这 些 技 术 解 决 钻 井 施 工 中 的泥 浆 污 染 问 题 。关 键 词   钻 井 法   泥 浆 污 染   泥 浆 处 理   抑 制1   钻 井 工 程 中 的 泥 浆 污 染 问 题在 钻 井 过 程 中 泥 浆 起 着 支 护 井 帮 、 提 升 岩屑 、 冷 却 钻 头 等 作 用 。 泥 浆 循 环 过 程 中 需 不 断地 排 除 废 渣 和 废 浆 ,钻 进 结 束 后 需 全 部 排 除 ,变为 废 浆 。目 前 ,我 国 钻 井 施 工 中 泥 浆 排 放 量 一 般 是井 筒 破 岩 量 的 2. 5~ 3. 5 倍 ,废 浆 直 接 排 放 占 用大 片 土 地 ,造 成 地 表 植 被 破 坏 ,自 70 年 代 末 我国 就 着 力 于 钻 井 泥 浆 污 染 处 理 方 面 的 技 术 研究 ,先 后 开 展 了 钻 井 地 层 自 然 造 浆 的 抑 制 、 钻 井泥 浆 沉 降 工 艺 的 改 进 、 钻 井 泥 浆 水 土 分 离 等 技术 研 究 ,最 近 又 成 功 地 完 成 泥 浆 闭 路 循 环 技 术的 研 究 ,这 些 新 技 术 各 有 其 特 点 ,应 综 合 各 技 术优 势 ,优 化 成 本 ,因 地 制 宜 地 解 决 钻 井 泥 浆 污 染问 题 。2   钻 井 泥 浆 新 技 术 及 其 特 点2. 1   钻 井 地 层 自 然 造 浆 的 抑 制地 层 自 然 造 浆 是 由 于 在 钻 进 过 程 中 钻 屑 不断 分 散 、 水 化 ,造 成 泥 浆 自 然 增 稠 增 多 。 抑 制 地层 自 然 造 浆 的 关 键 应 从 防 止 钻 屑 高 度 分 散 着手 。(1)防 止 钻 屑 的 细 粒 化 :通 过 合 理 组 合 钻 具和 优 化 钻 进 工 艺 参 数 可 避 免 钻 屑 的 细 粒 化 ,达到 降 低 地 层 自 然 造 浆 率 。 在 粘 性 表 土 中 采 用 刮刀 钻 头 时 自 然 选 浆 率 比 采 用 滚 刀 钻 头 降 低 1/ 3~ 1/ 2。 在 岩 层 中 采 用 滚 刀 钻 头 时 ,应 根 据 岩 层的 裂 隙 条 件 ,合 理 布 局 钻 头 切 削 轨 迹 ,避 免 重 复破 碎 。(2)抑 制 水 化 膨 胀 :其 手 段 是 在 泥 浆 中 加 入高 聚 物 ,阻 止 泥 浆 中 水 源 与 钻 屑 和 土 帮 的 接 触 。将 粘 土 浸 泡 在 清 水 和 高 聚 物 溶 液 中 ,可 以 直 观看 出 高 聚 物 对 粘 土 水 化 膨 胀 的 抑 制 作 用 ,抑 制水 化 膨 胀 率 可 达 到 30~ 50 % ,见 图 1。 其 原 理是 高 聚 物 的 柔 性 长 链 结 构 及 强 吸 附 性 ,使 得 官能 团 在 土 体 表 面 形 成 较 致 密 的 吸 附 膜 ,抑 制 了钻 屑 或 土 帮 的 水 化 膨 胀 。图 1   高 聚 物 抑 制 粘 土 膨 胀 曲 线 图2. 2   钻 井 泥 浆 沉 降 工 艺 的 改 进在 泥 浆 循 环 系 统 中 ,由 井 筒 返 回 的 浆 液 在地 面 必 须 及 时 净 化 ,以 避 免 重 复 破 碎 。 有 如 下技 术 手 段 :(1)控 制 地 面 循 环 系 统 内 泥 浆 流 态 ,利 用 触变 性 能 ,降 低 泥 浆 切 力 提 高 钻 屑 沉 降 效 果 。 具体 办 法 为 设 计 泥 浆 沉 淀 池 的 流 程 ,采 用 设 置 挡板 或 沉 淀 池 分 段 尺 寸 ,控 制 泥 浆 流 态 ,达 到 提 高钻 屑 沉 降 效 果 。(2)化 学 方 法 泥 浆 降 切 :在 泥 浆 中 加 入 适 量三 聚 磷 酸 钠 ,削 弱 泥 浆 内 聚 力 ,增 加 钻 屑 的 沉 降能 力 ,见 图 2。 沉 降 效 果 与 加 量 ,泥 浆 稠 度 及 固含 量 有 关 。 对 稠 化 高 固 相 泥 浆 体 系 ,提 高 沉 降量 3~ 4 倍 。 一 般 泥 浆 体 系 可 提 高 l~ 2 倍 。(3)化 学 方 法 增 大 钻 屑 粒 径 :在 泥 浆 中 加 入·41· 煤 矿 设 计                       1998 年 第 9 期© 1994   。例 如 在 粘 土 地 层 内 加 入 聚 丙 烯 酰 胺 等 能 有 效 地增 大 钻 屑 粒 径 ,提 高 沉 降 率 30~ 48 %。 其 原 理是 利 用 其 强 吸 附 官 能 团 与 各 类 钻 屑 的 吸 附 差异 ,优 先 吸 附 欲 除 去 的 钻 屑 ,依 靠 高 聚 物 的 伸 展性 及 可 弯 曲 性 ,形 成 较 大 直 径 的 钻 屑 。图 2   三 聚 磷 酸 钠 切 沉 降 曲 线2. 3   钻 井 泥 浆 水 土 分 离 技 术为 了 解 决 废 浆 排 放 带 来 的 地 面 污 染 问 题 ,90 年 代 初 ,我 国 成 功 地 研 究 出 了 泥 浆 水 土 分 离技 术 及 其 装 置 ,使 得 钻 井 泥 浆 处 理 技 术 达 到 一个 新 的 水 平 。 其 原 理 是 首 先 采 用 化 学 方 法 使 得废 浆 絮 凝 形 成 絮 团 和 自 由 水 ,然 后 再 用 机 械 方法 分 离 水 分 。 废 浆 经 絮 凝 和 机 械 脱 水 后 形 成 可堆 积 的 废 渣 ,含 水 量 降 至 40~ 50 % ,接 近 粘 土的 自 然 饱 和 含 水 率 ,分 离 土 可 回 填 工 业 场 地 ,分离 水 可 排 放 。用 于 絮 凝 的 化 学 药 剂 主 要 以 聚 丙 烯 酰 胺 类的 高 聚 物 为 主 体 ,配 以 少 量 的 无 机 盐 类 。 用 于脱 水 的 工 艺 有 离 心 分 离 和 堆 积 挤 压 两 种 ,前 者废 浆 处 理 量 较 小 ,但 脱 水 速 度 快 。 后 者 处 理 量大 ,经 济 实 用 。2. 4   泥 浆 闭 路 循 环 系 统传 统 的 地 面 循 环 是 敞 开 的 、 需 要 建 沉 淀 池 ,泥 浆 沟 等 临 时 设 施 ,占 用 较 多 的 工 业 场 地 ,且 带来 较 大 的 后 续 工 作 ,不 利 于 文 明 施 工 与 管 理 。泥 浆 闭 路 循 环 系 统 技 术 特 点 是 取 消 泥 浆 沉 淀 池等 敞 开 设 施 ,充 分 利 用 泥 浆 循 环 的 原 动 力 ,采 用新 设 计 的 多 分 级 高 效 除 渣 机 设 备 ,并 配 用 移 动式 旋 砂 机 ,使 得 泥 浆 循 环 封 闭 ,并 实 现 废 渣 ,废浆 的 同 时 分 离 和 处 理 。 该 系 统 工 艺 流 程 如 图 3所 示 。多 分 级 除 渣 机 的 处 理 能 力 150  / h ,处 理的 岩 屑 粒 径 达 到 0. 4单 机 就 可 满 足 小 型 井筒 的 钻 井 施 工 ,大 井 可 同 时 启 用 4~ 5 台 。图 33   泥 浆 新 技 术 综 合 应 用3. 1   陈 四 楼 风 井 泥 浆 处 理陈 四 楼 风 井 成 井 深 度 为 416. 1m , 采 用“4m 超 前 , “5. 5m、 “7. 3m 二 级 扩 孔 钻 进 。 通过 第 三 、 第 四 系 不 稳 定 表 土 层 厚 360. 2m。 其 中粘 土 层 总 厚 181. 06m ,占 表 土 层 厚 的 50. 27 % ,井 筒 总 破 岩 量 为 17452  。 该 风 井 与 采 用 冻 结法 施 工 的 主 、 副 井 筒 处 同 一 工 业 场 地 ,施 工 场 地有 限 ,要 求 占 地 面 积 小 于 600  ,钻 井 施 工 结 束后 ,对 永 久 工 业 场 地 布 置 及 原 始 地 表 无 影 响 。1990 年 1 月 30 日 清 水 开 钻 ,利 用 地 层 自然 土 配 置 基 浆 。 取 消 新 浆 池 ,采 用 浅 挖 高 筑 法砌 筑 沉 淀 池 ,设 置 闸 门 逐 渐 增 大 泥 浆 循 环 量 。既 减 少 了 占 地 面 积 ,又 降 低 废 浆 处 埋 量 。 在 整个 施 工 过 程 中 ,针 对 不 同 阶 段 的 泥 浆 问 题 综 合应 用 了 以 下 三 项 技 术 。(1)钻 井 地 层 自 然 造 浆 抑 制陈 四 楼 风 井 地 层 中 ,直 接 造 浆 地 层 共 有 9种 ,总 厚 291. 4m ,间 接 造 浆 地 层 2 种 ,厚 度 由 于 井 筒 较 深 ,采 用 刮 刀 钻 具 使 用 寿 命短 ,提 钻 次 数 多 ,因 此 采 用 了 滚 刀 钻 具 ,但 将 面临 较 大 自 然 造 浆 ,根 据 超 前 孔 前 150m 的 钻 进 ,实 测 地 层 的 平 均 造 浆 能 力 达 到 了 68. 17 %。① 采 用  加 剂 抑 制 水 化 。 主要 对 付 地 层 的 预 水 化 、 钻 屑 在 循 环 中 的 水 化 以及 扩 孔 过 程 中 的 掉 入 前 级 钻 孔 中 粘 土 的 长 期 浸泡 水 化 ,平 均 加 量 为 24 砂 层 钻 进 前 及 时 开 启 旋 流 器 除 砂 ,降 低含 砂 量 ,避 免 因 含 砂 量 较 高 引 起 泥 浆 稠 化 及 比·51·1998 年 第 9 期                         煤 矿 设 计© 1994   ,为 提 高 化 学 抑 制 造 浆 创 造良 好 的 工 作 环 境 。(2)钻 井 泥 浆 沉 降 工 艺① 泥 浆 池 优 化 和 泥 浆 流 态 控 制 :泥 浆 的 循环 量 为 900  ,池 宽 10m ,池 长 50m ,以 地 表 为池 底 ,池 内 设 两 道 堰 墙 ,形 成 三 次 溢 流 ,第 一 道设 在 20m 处 ,第 二 、 第 三 分 别 设 在 15m。 第 一区 段 边 墙 的 高 度 1. 9m ,后 部 为 1~ 7m ,堰 墙 的高 度 1. 5m、 1. 25m、 1m。 沉 淀 池 的 前 两 节 末 端分 别 设 闸 和 沟 槽 以 适 应 清 水 开 钻 的 需 要 。② 常 规 运 转 中 采 用 加 入  高 聚 物 聚集 钻 屑 ,增 大 粒 径 ,首 先 配 制 0. 1 %水 溶 液 ,每次 加 量 5~ 20当 粘 度 大 于 30s 或 16适 量 加 入 三 聚 磷 酸 钠 ,降 低 泥 浆 的 切 力 ,提 高 自重 沉 降 效 果 。 三 聚 磷 酸 钠 配 制 溶 液 浓 度  0. 4 底 盘 尺 寸 2. l. 5m ;除 渣 级 数 :4 级 ,可 调 ; 设 备 总 重 量 1. 1t ;除 渣 率 : ≥ 40 % ;经 现 场 两 种 工 艺 的 实 际 对 比 ,闭 路 循 环 的除 渣 效 果 明 显 高 于 开 路 循 环 ,开 路 循 环 中 的 泥浆 平 均 比 重 下 降 率 为 2. 6 ‰ ,而 闭 路 循 环 的 平均 下 降 率 为 4. 48 ‰ 。对 于 砂 层 与 砂 质 粘 土 层 钻 进 过 程 中 ,沉 淀池 的 平 均 除 砂 率 为 24. 61 % ,除 渣 机 的 平 均 除砂 率 为 34. 56 %。钻 进 各 类 地 层 统 计 的 除 渣 效 果 表 明 ,除 渣机 的 平 均 除 渣 率 达 到 65. 5 % ,泥 浆 比 重 对 除 渣率 的 影 响 不 显 著 。从 整 体 上 来 讲 ,泥 浆 流 程 更 短 ,除 渣 效 率好 ,占 地 少 ,设 备 投 资 小 ,以 破 岩 量 16243  / 井(80 年 代 与 90 年 代 的 均 值 ) 计 算 ,每 井 节 省 费用 28. 97 万 元 以 上 ,更 能 减 少 泥 浆 的 排 放 量 ,同时 其 工 业 场 地 无 流 动 的 泥 浆 ,给 钻 井 施 工 形 象上 带 来 了 质 的 飞 跃 。4   结   语陈 四 楼 风 井 钻 井 法 施 工 中 综 合 应 用 了 泥 浆处 理 技 术 ,使 得 占 地 面 积 比 以 往 平 均 占 地 面 积减 少 了 60. 9 % ,其 中 地 面 泥 浆 系 统 占 地 面 积 减少 了 83 % ,减 少 永 久 占 地 30329  ,在 钻 井 史 上取 得 突 破 性 进 展 ,这 说 明 根 据 工 程 实 际 综 合 应用 泥 浆 处 理 技 术 是 钻 井 法 泥 浆 处 理 的 方 向 。 随着 矿 井 建 设 的 发 展 ,社 会 环 保 意 识 的 增 强 ,应 进一 步 加 强 钻 井 泥 浆 处 理 方 面 的 研 究 ,可 以 预 见 ,彻 底 解 决 钻 井 泥 浆 污 染 问 题 已 为 期 不 远 了 。(责 任 编 辑   王 耀 义 )·61· 煤 矿 设 计                       1998 年 第 9 期

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