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钻井废弃泥浆注浆利用技术研究

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第 39 卷第 1 期煤 炭 科 学 技 术39 12011 年 1 月 2011钻井废弃泥浆注浆利用技术研究宋雪飞1, 王正胜1, 陈振国1, 徐 润1, 周兴旺2( 1. 北京中煤矿山工程有限公司 , 北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 , 北京 100013)摘 要 : 为了缓解煤矿钻井废弃泥浆排放处理难的问题 , 研究利用废弃泥浆配制成地面预注浆浆液 , 通过对研制的泥浆采用降黏改性处理后 , 浆液的密度及黏度降低 ; 塑性强度缓慢增长 , 约 15 0 北矿业集团袁店二矿主井井筒的 S 孔注浆工程利用钻井泥浆注浆材料 7 606经井筒掘进测量 , 注浆段井筒剩余涌水量仅为 3 m3/h, 注浆效果达到优良 。关键词 : 废弃泥浆 ; 注浆利用 ; 黏土浆 ; 地面预注浆中图分类号 : 4 文献标志码 : A 文章编号 : 0253 -2336 ( 2011) 01 -0037 -031. , 00013, . , 00013, In to of a on of  of of be of be 0 5 h.  o. 2  606 at of  m3/h ey   “十一五 ”国家科技支撑计划资助项目 ( 2008浆法 、钻井法和冻结法被称为我国煤矿的三大特殊凿井技术 。黏土水泥注浆技术因成本低廉 、注浆堵水效果好已在我国煤矿得到了普遍应用 , 截至目前黏土浆的注入量高达 1 000 000 在煤矿立井井筒建设中 , 钻井法凿井废弃泥浆排放问题突出 , 目前主要采取直接排放的处理方式[ 1 -3], 但因其占地面积大并且对环境污染严重 , 已经制约了钻井法凿井的发展 。注浆黏土浆与钻井泥浆中的固体组分都是黏土矿物 , 研究将钻井废弃泥浆用于注浆 , 在减少泥浆排放的同时 , 可以减少注浆时黏土浆的造浆量 , 具有经济意义和环保效益 。1 注浆黏土浆与钻井泥浆的性能比较1) 黏土浆的性能 。一般利用施工现场附近的当地黏土配制 , 以高岭石黏土或蒙脱石黏土为主[ 4], 颗粒粒径通常在 0. 075 下 。黏土中粒径在 0. 005 下的颗粒和水结合生成胶体分散体系 , 使黏土颗粒表面一般带负电荷 , 在黏土 - 水界面周围形成扩散双电层 。扩散层越厚 , 黏土颗粒周围的水化膜越厚 , 颗粒在运动时越不易因碰撞而粘结 , 黏土颗粒在水中越稳定 。黏土颗粒细小 , 具有较高的分散度 , 注浆过程中由于水泥的水化作用 , 使黏土水泥浆的稳定性明显优于单液水泥浆 ,表现为浆液的析水率低 , 析水速率小 , 有利于浆液的输送 。黏土是一种抗溶蚀性材料 , 黏土水泥浆帷幕比单液水泥浆帷幕具有更高的抗化学溶蚀性 。黏土浆的注浆应用 , 大幅节约了水泥用量 , 具有显著的经济性 。2) 钻井泥浆的性能 。钻井泥浆配浆是以蒙脱石为主的黏土 , 泥浆主要是粒径 0. 1 ~40 μm 的悬浮体和粒径 1 ~ 100 μm 的溶胶混合物[ 5], 其黏土主要由很细的高岭石 、伊利石和蒙脱石等黏土矿物颗粒组成 。泥浆处理剂是钻井泥浆不可或缺的组分 , 目前常用的处理剂[ 6]有羧甲基纤维素钠 、三732011 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术第 39 卷聚磷酸钠 、碱等 , 主要是提高泥浆的稳定性 , 《简明建井工程手册 》中规定钻井法泥浆的稳定性小于 0. 003, 即将泥浆倒入量筒中静放 24  上下 2 部分泥浆密度之差值[ 7]。3) 钻井泥浆注浆利用性能分析 。钻井泥浆和注浆黏土浆的主要组分都是黏土矿物 , 在水中有分散性 、带电性 、离子交换以及水化性 。表 1 是钻井泥浆和黏土浆的主要性能比较 , 由于施工要求的不同 , 钻井泥浆和黏土浆相比 , 前者的密度和黏度( 漏斗黏度 ) 大 , 析水率和含砂量低 。泥浆处理剂大幅提高了黏土矿物的分散性 , 使黏土与水形成稳定性好的泥浆体系 , 几乎没有游离水存在 。表 1 钻井泥浆和黏土浆的性能比较泥浆 密度 /( g·) 黏度 /s 24 h 析水率 /% 含砂量 /%黏土浆 1. 13 ~1. 20 16 ~18 ≥15 ≤5. 0钻井泥浆 1. 18 ~1. 25 20 ~23 <1 ≤1. 5将钻井泥浆用于注浆时 , 需要考虑处理剂对水泥水化的影响 。在石油系统 , 将泥浆转化成水泥浆的技术比较成熟[ 8 -10], 认为泥浆处理剂基本不影响水泥的最终水化[ 11 -12]。从注浆利用的角度分析 ,析水率低和含砂量低是有利的 , 关键是需要降低钻井泥浆的黏度 , 因为在浆液中加入水泥和水玻璃后 , 浆液黏度迅速增加 , 会导致泵送困难 。2 降黏试验研究黏度是流体的一种属性 , 指流体内部抵抗流动的阻力 , 数值上等于单位速度梯度下流体所受的剪应力 。钻井泥浆处理剂的加入 , 通过水化作用使黏土颗粒表面 ξ 电位的绝对值升高 , 提高了黏土颗粒的聚结稳定性 , 使泥浆的黏度增大 。关于降低高分子材料引起浆液的黏度增大 ,    、 协同降解和微波 /混凝协同降解[ 13]的试验效果不错 。作为工程应用 , 还需考虑施工是否能操作易行 。2. 1 稀释降黏钻井泥浆是带有表面双电层的固相颗粒的分散体系 , 泥浆的特性决定于颗粒间的相互作用 , 具体体现在双电层的厚度及 ξ 电位上 , 双电层越厚 、ξ电位越高 , 颗粒的分散性越高 。加水稀释减弱了泥浆中黏土颗粒之间的键作用力 , 也就降低了双电层的厚度及 ξ 电位 , 释放出了部分结合水 , 减小了钻井泥浆的动力黏度 。钻井泥浆的密度一般大于1. 18 g/而在注浆施工中 , 使用黏土浆的密度一般为 1. 15 ~1. 18 g/钻井泥浆中加入适量水 , 可以降低浆液的密度 。表 2 是不同密度钻井泥浆在稀释前后黏度的变化 。钻井泥浆的密度越大 ,稀释加水量越多 , 降黏效果越明显 。表 2 钻井泥浆稀释前后黏度变化钻井泥浆密度 /( g·)钻井泥浆黏度 /%稀释后密度 /( g·)稀释后黏度 /25 23 56. 25 1. 16 21. 01. 20 21 25. 00 1. 16 20. 01. 18 20 12. 50 1. 16 19. 52. 2 添加剂降黏根据钻井泥浆颗粒表面双电层理论 , 通过反离子调整离子浓度 , 可压缩扩散层的厚度 , 降低 ξ 电位 。表 3 是添加降黏剂后的黏度测定结果 , 其中降黏剂是配制成溶液使用的 , 考虑到溶液的稀释作用 , 试验还测定了相同水量稀释下的注浆浆液黏度 。加水稀释可在一定程度上降低钻井泥浆配制的注浆浆液黏度 , 而降黏剂的降黏效果更明显 。表 3 降黏对比测定结果泥浆编号水泥用量 /( g·)水玻璃用量 /( -1)降黏剂占水泥质量比 /%浆液黏度 /*1100 10 1. 5 40. 26 51. 45150 20 3. 0 74. 62 73. 28 后滴流200 30 4. 5 78. 97 10. 59 后滴流2150 15 2. 0 55. 24 71. 34200 20 3. 0 60. 88 滴流200 30 5. 0 83. 67 12. 39 后滴流3100 10 3. 0 84. 69 136. 76150 15 4. 5 77. 54 滴流200 20 5. 0 63. 25 滴流注 : * 为与降黏剂相同用量的水 ; 滴流是指用漏斗黏度计测定黏度时 , 浆液从漏斗流出时不连续 、断续的状态 , 滴流说明浆液的黏度较大 。3 析水率研究通过加水稀释降黏后 , 钻井泥浆析水率依然比注浆黏土浆低很多 。试验将密度为 1. 25 g/ 加水稀释至密度为 1. 16 g/83宋雪飞等 : 钻井废弃泥浆注浆利用技术研究 2011 年第 1 期与水泥 、水玻璃配制成注浆浆液 , 其析水率小于3%。钻井泥浆加水稀释至适当密度 , 通过降黏剂降黏 , 制成注浆浆液的析水率也较低 。试验将稀释后密度 1. 18 g/ 与水泥 、水玻璃配制成注浆浆液 , 降黏剂处理后其析水率小于 2%。钻井泥浆的析水率很低 , 从泥浆处理剂增黏作用原理可知 , 将钻井泥浆配制成注浆浆液后 , 其析水率仍然较低 。4 抗剪切强度研究将黏土水泥浆液充填到裂隙中 , 起到堵水作用的不是结石体的抗压强度 , 而是其抗剪切强度 , 塑性强度就是表示这种抗剪切能力的力学指标 , 其来源于水泥水化的胶结作用 。本文研究了以钻井泥浆配制注浆浆液的塑性强度 , 以衡量其能否达到堵水目的 。图 1 是用钻井泥浆和黏土浆配制的浆液的塑性强度对比曲线 , 所用钻井泥浆与黏土浆的密度均为1. 16 g/可以看出利用钻井泥浆配制的注浆浆液 , 其塑性强度还略高于用黏土浆配制的浆液 。图 1 钻井泥浆 、黏土浆配制浆液的塑性强度对比图 2 降黏前后浆液塑性强度增长趋势图 2 是在钻井泥浆中加入降黏剂之后浆液塑性强度对比曲线 , 所用钻井泥浆与黏土浆的密度均为1. 16 g/降黏剂预先配制成溶液 , 考虑到溶液对浆液的稀释作用 , 试验还对比了与降黏剂溶液相同用量水的稀释作用 。在图 2 中 , 加入降黏剂溶液后 , 浆体的塑性强度有所下降 , 但其约 15 h 的塑性强度仍可达到 50 对地面预注浆来说还是可用的 。5 工程应用以淮北矿业集团袁店二矿主井井筒注浆工程为例 , 该井筒深度 600. 5 m, 净径 5. 0 m, 采用直孔段和 S 孔段地面预注浆施工技术 。施工进行至 S 孔段注浆时 , 利用该矿井筒凿井法排放的钻井泥浆 ,取代黏土浆用于地面预注浆 。S 孔段注浆段长215. 5 m, 全部利用钻井废弃泥浆配制注浆浆液7 606 面预注浆施工的井筒属于隐蔽工程 , 经井筒掘进测量 , 注浆段井筒剩余涌水量为 3 m3/h。根据 《煤矿井巷工程质量检验评定标准 》, 注浆效果达到了优良 。钻井泥浆的注浆利用 , 在皖北煤电集团朱集西矿矸石井 、风井注浆工程中也得到了应用 。在煤矿井筒建设中 , 注浆法与钻井法施工平行作业中 , 可以充分利用钻井泥浆进行注浆 , 在降低注浆黏土造浆的同时 , 解决了钻井泥浆排放处理的难题 。钻井废弃泥浆与黏土浆的主要成分相同 , 主要差异是钻井泥浆中含有一定比例的处理剂 , 其对水泥的最终水化影响很小 。通过降黏处理 , 钻井泥浆配制的浆液黏度降低 , 析水率小 , 塑性强度缓慢增长 , 可以用于地面预注浆 。参考文献 :[ 1] 孙建荣 . 钻井法凿井泥浆再生调制与废弃处理 [ J] . 煤炭科学技术 , 2008, 36 ( 1) : 26.[ 2] 孙吉昌 . 破稳固化法处理废弃钻井泥浆应用效果分析 [ J] .生产与环境 , 2010, 10 ( 6) : 26.[ 3] 阮文军 . 国内勘探领域钻井冲洗液的研究应用现状综述[ J] . 地质找矿论丛 , 2006, 21 ( 1) : 37.[ 4] 王星华 . 黏土固化浆液在地下工程中的应用 [ M] . 北京 :中国铁道出版社 , 1998: 22.[ 5] 李功洲 , 沈长柱 , 孙建荣 . 深厚冲积层钻井泥浆稳定性控制技 [ C] / /矿山建设工程新进展 ———2005 全国矿山建设学术会议文集 : 上册 . 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 2005:462.[ 6] 王中华 . 对中国钻井液处理剂及钻井液体系发展的认识[ J] . 钻井液与完井液 , 2001, 18 ( 1) : 32 -34.[ 7] 崔云龙 , 曹 静 , 虞咸祥 , 等 . 简明建井工程手册 [ M] .北京 : 煤炭工业出版社 , 2003: 1441.( 下转第 43 页 )93林 青等 : 顶板预裂爆破技术在防止压架事故中的应用 2011 年第 1 期16 日之后实施预爆破 ) 工作阻力变化曲线可以直观的发现 ( 图 4) , 在实施顶板预爆破之后 , 支架压力明显减小 , 来压的持续长度也明显减小 。图 4 工作面 12 号支架在预爆破前后工作阻力变化情况对预爆破前后带式输送机机头受影响段的支架来压特征进行对比分析 , 见表 2。采用运输巷顶板超前预爆破之后 , 支架阻力减小 246 来压持续长度由 20. 2 m 减小为 5. 0 m, 减小了 15. 2 m;而周期来压步距由 34. 1 m 变为 23. 0 m, 减小了11. 1 m。可见顶板预爆破对弱化坚硬顶板和释放顶板压力的作用明显 。表 2 预爆破前后来压特征对比分析不同阶段来压时工作阻力 / 735 20. 2 34. 1预爆破后 4 489 5. 0 23. 0采取顶板预爆破措施是一种积极主动的手段 ,在工作面回采过程中 , 还必须以良好的工程支护质量为基础 , 即严格保证支架初撑力和工作阻力 ; 及时移架 , 以支护悬露顶板 , 避免端面距和煤壁片帮 、漏顶量过大 。通过采取上述措施 , 在后期的开采过程中 , 有效地避免了压架事故的发生 。5 结 论1) 由于高水压松散含水层的载荷传递作用 ,使覆岩关键层整体复合破断 , 引发 7121 工作面的压架事故 。因此 , 防止压架事故必须从破坏顶板硬岩的整体性入手 。顶板预裂爆破是一种合适可行的方法 。2) 根据 7121 工作面的开采地质条件和来压特征 , 确定了顶板预爆破的方案和技术参数 , 并从装药效果和预爆破前后支架工作阻力变化 2 个方面对顶板预爆破的效果进行评价 , 认为顶板预爆破可以减缓工作面来压剧烈程度 , 能够减小周期来压步距和来压持续长度 , 使坚硬顶板及时垮落 , 达到了防止压架事故的目的 。参考文献 :[ 1] 宫世文 , 张荪茗 , 孙 震 , 等 . 深孔预裂爆破强制放顶技术的应用 [ J] . 煤矿安全 , 2007, 38 ( 1) : 21 -22.[ 2] 庞家平 , 韩玉友 . 预裂爆破技术在坚硬顶板突出煤层回采工作面中的应用 [ J] . 安徽科技 , 2007 ( 4) : 52 -53.[ 3] 刘志忠 . 利用深孔控制预裂爆破技术提高综放工作面顶煤回收率 [ J] . 煤矿安全 , 2006, 37 ( 3) : 33 -35.[ 4] 许家林 , 陈稼轩 , 蒋 坤 . 松散承压含水层的载荷传递作用对关键层复合破断的影响 [ J] . 岩石力学与工程学报 ,2007, 26 ( 4) : 699 -704.[ 5] 许家林 , 蔡 东 , 傅昆岚 . 邻近松散承压含水层开采工作面压架机理与防治 [ J] . 煤 炭 学 报 , 2007, 32 ( 12) :1239 -1243.[ 6] 娄金福 , 许家林 , 王志刚 , 等 . 祁东煤矿回采工作面压架机理探讨 [ J] . 煤炭科学技术 , 2007, 35 ( 8) : 92 -96.[ 7] 钱鸣高 , 缪协兴 , 许家林 , 等 . 岩层控制的关键层理论[ M] . 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 2003.[ 8] 许家林 , 钱鸣高 . 覆岩关键层位置的判别方法 [ J] . 中国矿业大学学报 , 2000, 29 ( 5) : 463 -467.[ 9] 刘文华 , 王自力 . 预裂爆破参数的选择与改进 [ J] . 西部探矿工程 , 1999, 11 ( 5) : 61 -62.作者简介 : 林 青 ( 1970—) , 男 , 安徽滁州人 , 工程师 , 现任祁东煤矿总工程师 , 一直从事矿井技术管理工作 。3645216184, E - 63.  2010 -10 -10; 责任编辑 : 张檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶扬( 上接第 39 页 )[ 8] 朱和平 . 泥浆转化为水泥浆 ( [ J] . 西南石油学院学报 , 1996, 18 ( 4) : 116 -119.[ 9] 徐 进 , 柬明全 , 罗德明 . 矿渣 井技术在川孝 169井中的应用 [ J] . 石油钻探技术 , 1999, 27 ( 3) : 14 -15.[ 10] 胥尚湘 . 国外钻井废泥浆处理技术发展动向 [ J] . 石油与天然气化工 , 1992, 21 ( 2) : 122 -125.[ 11] 马保国 , 许永和 , 董荣珍 , 等 . 三聚磷酸钠对硅酸盐水泥初始水化历程的影响 [ J] . 混凝土 , 2004 ( 11) : 14.[ 12] 齐从丽 , 马喜平 , 吴建军 . 新型两性离子聚合物在油田的应用现状 [ J] . 化工时刊 , 2004, 1 ( 6) : 20 -24.[ 13] 王艳华 . 钻井废弃泥浆中羧甲基纤维素钠的分析方法及降解技术研究 [ D] . 西安 : 长安大学 , 2009: 34 -40.作者简介 : 宋雪飞 ( 1976— ) , 女 , 山东烟台人 , 高级工程师 , 硕士 , 主要从事煤矿注浆 、地基处理等特殊工程的材料研究工作 。010 -84263074, E - 63.  2010 -08 -16; 责任编辑 : 王晓珍34

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