黑山煤田封堵涌水孔段的浆液和注浆方法

黑山煤田封堵涌水孔段的浆液和注浆方法
赵艳利;高兴文;关阔;郭宏伟
【摘要】黑山煤田处于沙漠边侧,地层有纯砂粒构成的、透水性较強的中细砂层,这类地层中如含有承压水时,会发生钻孔涌水,对于中细砂涌水钻孔,用泥浆冲孔时,可通过适当增大泥浆相对密度,来压制地下水涌出,ZK18-28孔是涌水孔,也是采用绳索取心钻进的孔,因此不宜使用高相对密度泥浆.用套管亦未奏效.若用注浆法,对于中细砂层是不适用水泥浆的.而溶液型浆液的注浆封堵中细砂层,在技术有可行性,对于涌水压力不大的孔,又有可用低强度,因而也是低成本的浆液,因此选择了比较亷价的水玻璃类的SPN浆液,并采用双隔离塞的注浆法,在ZK18-28孔中取得了封堵中细砂涌水层的初步封堵效果.
【期刊名称】《吉林地质》
【年(卷),期】2019(038)003
【总页数】3页(P101-103)
【关键词】中细砂层;水玻璃浆;双塞注浆
【作者】赵艳利;高兴文;关阔;郭宏伟
【作者单位】中化地质矿山总局吉林地质勘查院,吉林长春 130000;中化地质矿山总局吉林地质勘查院,吉林长春 130000;中化地质矿山总局吉林地质勘查院,吉林长春 130000;中化地质矿山总局吉林地质勘查院,吉林长春 130000
【正文语种】中文
【中图分类】P634.64
0 引言
黑山煤田处于内蒙古、甘肃和宁夏三省（区）交界处，位于滕格里沙漠南侧，地层中含砂岩层较多，有些砂层是没有粘粒胶结的纯砂粒组成的，其渗透性很好。

ZK18-28孔是用Φ96绳索取心钻进的钻孔，在钻进到孔深276 m左右时，遇到无粘粒胶结的中细砂层，因该层含承压水，导致孔口出现涌水现象，孔口涌水量估测在10 L/min左右，曾下Φ114套管至283 m，未止住涌水。

因为是绳钻施工又不宜于用大相对密度泥浆的平衡钻进方法。

如果采用注浆封堵，因涌水地层为中细砂层，砂粒间的孔隙很小，不适合用水泥、粘土等粒状浆液材料，而益用溶液型浆液，该孔采用有机聚合物（聚丙烯酰胺）和无机的可聚合物（碱性硅酸钠），在凝聚剂作用下，此溶液在可控时间内转变成冻胶状的封堵材料，经该封堵溶液的注入，取得了初步的止涌效果。

1 SPN溶液型浆液
用浆液注入砂层中，封堵砂层中的过水孔隙，对于粒状浆材，如普通水泥是需要条件的，其条件之一是水泥浆能均匀地以渗入方式进入砂粒孔隙内，之二是普通水泥浆能以渗入方式充填到砂层内，只有砂粒较大的粗砂和颗粒更粗的碎石等孔隙大的砂、石层，才能实现不用较大的注浆压力，水泥浆便会均匀地渗入到砂层孔隙内。

而该孔的涌水层是中细砂，粒状浆液是不能实现均匀的渗入式注浆的，如果采用加大注浆压力，对中细砂层会发生浆液沿几道新压开的裂缝进入砂层，即所谓劈裂式注浆，高的注浆压力下能将水泥浆压入中细砂层内，但浆液只是沿有限的几道裂缝进入，孔壁上仍有大面积的中细砂壁面沒有水泥浆进入，这些部位里中细层仍是透水的，因此水泥浆用大压力的劈裂式注浆，是不适用于封堵中细砂涌水层的。

对于不含颗粒的溶液型浆液，只要浆液粘度不高，基本上是水能渗入的小孔隙，只要注浆压力大于地下水的涌出压力，溶液型浆液就能顶推孔隙中的地下水而进入砂
层中，液态的溶液在胶凝剂的作用下，在可控的时间内转变成不流动凝胶体，这些分布在孔隙中的凝胶体便具有封堵孔隙、阻止水流过的作用。

1.1 SPN溶液型浆液的组成
SPN是由主剂——碱性硅酸钠（俗称水玻璃）。

增粘剂——水溶性高聚物，如水解聚丙烯酰胺等。

凝胶剂——可用铵盐类。

水玻璃常以液态为多，又有较强的碱性，其化学成分为多硅酸钠（NaO•nSiO2），它在液体水玻璃中的浓度，以波美度（Be，）表示，常用商品水玻璃的波美度为38～40。

水玻璃化学成分中二氧化硅和氧化钠的摩尔比SiO2/NaO=m， m-称为模数，常用水玻璃的模数是2.8～3.3之间，模数高意味着水玻璃中SiO2的含量多。

水玻璃中nSiO2和NaO，是以多个二氧化硅和氧化钠，形成以硅-氧为骨架的近
似平面结构的片状微小聚集体，这些微小的片状硅氧聚集体，在凝聚剂存在下，会发生紊乱无序的缩聚反应，形成失去流动性的、强度较小的凝胶体，类似于“皮冻”状。

虽其强度低，但因该类浆材成本较低，可以多配浆注入砂层，通过增大封堵范围，使弱势的凝胶体因数量大而有了强的封堵能力，加上该孔的涌水压力不大和砂粒细、砂粒间的孔隙也细小等，都是可用该浆液的有利条件。

凝胶剂可用铵盐，它的作用是调节浆液从液态到开始形成凝胶体的时间，这个时间的长短由泵送浆液需要的时间决定，加量多则胶疑时间短。

需经试验确定凝胶体的用量，常按注浆时间40-60 min试验铵盐用量。

1.2 SPN浆液配方与配制
（1）配方：配1000 L浆液用各剂量,
主剂:碱性硅酸钠 10% , 100 L,
增稠剂: 聚丙烯酰胺（PHP） 0.2%（干粉）取1%PHP溶液200 L，
凝胶剂 :铵盐 2.0%～2.1% , 20～21 kg，用45 L水溶解,
水 :1000-100-200-45=655 L，
配制:
①预溶 1%PHP水溶液如溶500 L1%PHP水溶液，容器内加水不足500 L，搅拌下以撒面式加入PHP干粉5 kg，搅匀后放置不少于5 h，期间要多次进行搅拌，最后补加缺水量，使总量达到500 L，并搅匀待用；
②预溶铵盐如欲配SPN浆液1000 L，经小样试验确定用铵盐20 kg，要用水将
20 kg铵盐溶解成45 L的水溶液；
③SPN浆液的配制 :浆液配制之前要把预溶的溶液准备好；还要把孔内处理好等一切都准备妥当了，才可开始配浆；尤其是加完凝胶剂后，接着就需开泵注浆。

④配浆搅拌加剂的顺序搅拌机内加入水655 L，搅拌下加入1% PHP溶液200 L，搅匀后接着加入水玻璃100 L，搅匀后，最后加入铵盐45 L，搅匀并记时,接着应
是开泵注浆。

2 SPN浆液的双隔离塞灌注方法
2.1 注浆前的准备工作
（1）本次注浆液量V=1000 L，配方及各剂用量和预溶同前述；
（2）注浆封堵涌水孔段
Φ114×6套管下端，即孔深283 m上（套管外）和下（套管下）部孔段；
（3）下注浆管
注浆管用绳索取心钻杆，Φ89钻杆，下到与套管同深283 m，钻杆上头与主动钻
杆相连，孔口处套管上头与钻杆和主动钻杆三者间，最好是准备有特制的接头相连接，或者备有足够的棉织物备用并随时将其塞紧实。

套管与孔壁间需密封严实；（4）计算替浆水量
当实施注浆时，注完1000 L浆液之后，需用水将水泵管线内、钻杆内的浆液顶替出去，把钻杆内浆液面下推到距钻杆下端5 m处，此替浆水量为Vt：
式中 d--Φ89绳钻钻杆内径，d=0.77 dm；
V0-水泵管路和主动钻杆的容积，取100 L。

代入并算得Vt=1294 L。

计算泵送浆液、替浆水需要的时间T
式中 V-泵送浆液量，1000 L；
Vt-替浆水量，1294 L；
Q -泵送浆、水的实际泵量，50 L/min。

代入并算得T=46 min。

以此要求浆液的胶凝时间要长于46 min，按55 min胶凝时间试验铵盐用量。

（6）准备两个纸质隔离塞卷捆式手纸，卷捆的长在200 mm左右，要卷紧，直径能塞进Φ89绳钻用钻杆内孔（Φ77）中。

2.2 注浆作业
（1）开泵注浆之前
注浆管己下到位，孔口连接密封措施已明确，但此刻主动钻杆还未与孔内钻杆上头连接时，先用卷棒状手纸团塞入孔口钻杆内，作为注浆时浆液与钻杆内泥浆间的隔离塞。

之后连接主动钻杆，但此时孔口钻杆与套管间是敞开的，不要密封。

（2）开泵注浆
注浆过程中从孔口返出泥浆，当注完1000 L浆液时，钻杆内浆液前端还在钻杆内（钻杆内容积1317 L，水泵管路内还有100 L），此时要泵送约100 L替浆水，停泵并进行下述两项工作：一是卸开主动钻杆，向钻杆内再塞进一个纸隔离塞；二是连接钻杆与主动钻杆及套管，或者用破布和编织袋等密封。

（3）泵送替浆水
此时浆液才开始进入砂层，此间要注意泵压升高，及时调小泵量，以免高压劈裂砂层和使孔口密封失效，浆液沿钻杆与套管间上返而失用。

（4）候凝
泵完替浆水后，关泵候凝，候凝时间可稍长一点，不用担心凝胶堵钻和粘钻问题。

候凝到点时，可打开孔口，观察是否涌水，如果仍然涌水，可以考虑是否再行配浆灌注。

（5）提钻
当决定提钻时，将钻杆提起几米后，先慢开车，小水量试送水，送水畅通后再接续正常提钻。

3 结论
孔内中细砂涌水地层，不适宜用粒状浆材封堵涌水孔段，而适宜用溶液型封堵浆液，在不发生劈裂砂层的注浆压力下，实现渗入式注浆，对于涌水压力不大的涌水孔，更适宜用廉价的水玻璃类浆液；
绳钻施工钻孔的涌水治理，不适宜用大相对密度泥浆的平衡钻进方法；
钻孔注浆封堵涌水和漏水孔段时，采用隔离塞，特别是用双隔离塞，会显著地减少浆液被孔内冲洗液的稀释作用，尤其在注浆管道断面大时更加明显。

【相关文献】
[1]王文臣.钻孔冲洗与注浆[M]. 北京：冶金工业出版社 ,1996.。