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，孔內(nèi)會越復(fù)雜，施工難度會越大，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，造成無效鉆探進(jìn)尺、埋鉆，塌孔報廢。

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、形成無效鉆探進(jìn)尺的問題，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)室對現(xiàn)場巖芯進(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)場使用方法進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)來證明實(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)行鉆探施工對鉆孔沖洗液的要求，分析了現(xiàn)有沖洗液對軟巖的適應(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、潤滑和深孔排粉困難問題，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測量杯內(nèi)，然后在四個測量杯內(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)過程中所得數(shù)據(jù)見表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應(yīng)的開始垮塌和完全垮塌的時間，垮塌的時間即可從側(cè)面反應(yīng)出沖洗液的防塌能力：巖石試件垮塌的時間越長，則對應(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，試液需沒過圓柱試件，觀察并記錄試件開始垮塌和完全垮塌的情況和時間，由該試驗(yàn)見表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間不盡相同，但都經(jīng)歷了較長的時間，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，具有最佳的防塌效果，此時，若濃度再增加，水溶液的防塌能力雖然較強(qiáng)，但已沒有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，具有較好的防塌效果。

(3)通過對泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖垮塌時間的對比，易知對于易垮塌巖層(如泥巖)，PAM沖洗液的濃度較低時，防塌效果并不明顯，只有具有較高的濃度(≥14‰)時，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)有沖洗液對軟巖的適應(yīng)性，提出了高應(yīng)力軟巖條件下對水溶液的特殊要求，最終選取聚丙烯酰胺(PAM)水溶液在現(xiàn)場應(yīng)用。

二.現(xiàn)場使用方法

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，及時改用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，具有最佳的防塌效果避免了鉆孔的垮塌；此時，若濃度再增加，水洗液的防塌能力雖然較強(qiáng)，但沒有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，具有較好的防塌和攜帶巖粉效果，能夠較順利通過應(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，減少了煤礦財力物力人力的浪費(fèi)。

附圖說明

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)室對現(xiàn)場巖芯進(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)場使用方法進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)來證明實(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測量杯內(nèi)，然后在四個測量杯內(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)過程中所得數(shù)據(jù)見表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應(yīng)的開始垮塌和完全垮塌的時間，

見表4-2：

垮塌的時間即可從側(cè)面反應(yīng)出水溶液的防塌能力：巖石試件垮塌的時間越長，則對應(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)場使用方法

利用實(shí)驗(yàn)室配制的泥漿拿到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)來證明實(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，及時改用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，具有最佳的防塌效果避免了鉆孔的垮塌；此時，若濃度再增加，水洗液的防塌能力雖然較強(qiáng)，但沒有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，具有較好的防塌和攜帶巖粉效果，能夠較順利通過應(yīng)力集中而且易坍塌地層。