1、1吸水膨胀树脂在唐山煤田孔堵漏的应用王海涛 李魁广 袁东翔 刘德发 张幕文 张远丰 齐路恒（河北省煤田四队 河北省 宣化区 075100）（第一作者简介：王海涛（1988.8- ）河北省宣化区人，助理工程师，研究方向为煤田地质勘探。 ）摘要：唐山地处太平洋板块与亚欧大陆板块的交界地带，地壳活跃。所以地层裂隙较发育，给钻探工作带来了许多困难，泥浆漏失严重是最大的问题。河北省煤田四队 415 钻机在唐山丰南胡家庄施工的煤田孔 17-10，就遇到了大裂隙地层，钻进过程中，随钻随漏，泥浆消耗量极大，不见成效，泥浆消耗仍然严重。针对这一问题，结合吸水膨胀树脂的作用机理，对吸水膨胀树脂在地下水贯通的大裂隙
2、漏水钻孔中的堵漏工艺进行了研究，使用结果表明吸水膨胀树脂在富含地下水的大裂隙地层中堵漏见效快，经济实用，绿色环保，是堵塞地下水贯通的大裂隙地层中较为科学实用的堵漏材料。关键词：煤田漏水孔 吸水膨胀树脂 堵漏工艺 堵漏效果The absorbing water and inflating resin is in the application for leaking of the coal field bore in TangshanLikuiguang，liudefa，zhangmuwen，wanghaitaoAbstract：Tangshan is located in the handin
3、g over of Pacific Ocean tectonic plate and second mainland tectonic plate in Europe boundary district, the earth crust is active, easily cause earthquake.Because of the cause of earthquake, the geologic strata splits Xi more, brought drilling work many difficulties, the mud leaked to lose seriously
4、is the biggest problem.Coal field 4 brigades in Hebei 415 drill the machine is plentiful southern Chuang in the beard house starts construction in Tangshan of coal field bore 17-10, met great crack Xi geologic strata, drill into process, with drill with leak, mud consumption brought normal construct
5、ion many difficulties biggest, after 2sloth material, glue a soil ball, cement to leak after still disappear result, the mud consumes still seriously.This text combines the function mechanism of absorbing water the inflation resin and emphasized to elaborate to absorb water to inflate the great crac
6、k Xi leak that the resin masters in the groundwater to drill a hole to mediumly block up to leak an application.Key：The coal field leaks bore Absorb water to inflate resinBlock up to leak a craft Block up to leak effect一 钻孔概况本孔位于唐山市丰南区胡家庄，设计孔深 1200 米，终孔深度 1156 米，190mm 钻头钻至 610m，下入 146mm 套管，94mm 钻头钻至
7、 1156 米，完钻后水泥封孔。0-580m 为第四系冲积层，580-620m 为二叠系紫色泥岩，620-630m 为二叠系青灰色粉砂岩，630-670m 为石炭系灰白色中砂岩，670-860m 为石炭系灰白色泥岩，860-900m 为石炭系粉砂岩，900-950m 为石炭系炭质泥岩，950-1000m 为石炭系浅蓝色细砂岩，1000-1030m 为石炭系砂质泥岩，1030-1100m 为石炭系灰黑色泥岩，夹杂煤层 8 层，1100-1156m 为奥陶系灰岩。其中 630 米-670 米中砂岩层漏失严重。34二 施工设备钻机主要施工设备表设备名称 设备型号钻塔 A-17钻机 TXB-1000泥
8、浆泵 NBB-250/6柴油机 4135AN-1钻杆 50mm钻铤 83mm三 漏失情况本孔地层由于受到异常高压和构造运动的影响，而形成裂缝漏失地层，裂缝发育，宽度较大。它是与断层有关的构造裂缝，其发育程度和宽度与断层性质、规模、断距及地层离断层距离等因素有关，断层附近裂缝发育，且宽度大。地层漏失的岩石为中砂岩，灰-灰白色，成分以长石为主，次为石英，分选差，磨圆度为棱角，含有裂隙，局部被方解石充填，中部夹杂灰紫色粉砂岩条带及斑块。提钻后漏失水位在 20-30 米之间，630 米处孔内温度为 25 摄氏度。钻进过程中随钻随漏，泥浆有进无出。四 吸水膨胀树脂简介吸水膨胀树脂是一种含有羧基、羟基等强
9、亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型的高分子聚合物，不溶于水也不溶于有机溶剂，能够吸收自5身重量的几百倍甚至上千倍的水，且吸水膨胀后生成的凝胶具有良好的保水性和耐候性,一旦吸水膨胀成水凝胶 ,即使加压也难以将水分离出来。吸水膨胀树脂为白色、颗粒状。密度 084gcm。 ，PH 值 l 2，水份 1 O，其间含溶胀性物质 70，含水溶性共聚物 20，吸液(地层出水)能力 40 1O0 倍，膨胀率 3O 一 90 倍。吸水性膨胀树脂具有很强的吸水膨胀能力，可吸收几十倍至上百倍的地层出水， 膨胀率可达几十倍。当其吸水溶胀时，初期快，(30 分钟至 2小时内)，后期慢，最后达到全饱和(6-8 小时)。
10、吸水后成凝胶状， 吸水溶胀时先从边缓形成羽状基片， 再从外向里扩张形成花絮状、蟹状、树枝状、云雾状、网络状等，向水体空间扩散。吸水后的凝胶具有良好持水性能，即使在压力下也可持水膨胀而失水很少，具有弹性胶性质。吸水膨胀树脂是一种高分子聚电解质， 阴离子型树脂， 因此溶液中含电解质及PH 值对其吸液能力有影响。而吸水膨胀树脂的 PH 值应用范围为 6-10，适用钻井泥浆的 PH 值参数，其化学稳定性及抗热性(200)都很强。五吸水膨胀树脂的作用机理6吸水膨胀树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子
11、通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。当水中含有少量盐类时，反渗透压降低，同时由于反离子的屏蔽作用，使高分子链收缩，导致树脂的吸水能力大大下降。通常，高吸水树脂在 0.9% NaCl 溶液中的吸水能力只有在去离子水中的 1/10 左右。吸水膨胀树脂凝胶后具有柔顺性、粘结性、可塑性、胶体应变等特征，故能充满岩石缝隙并糊置在岩石裂
12、隙上起屏蔽作用， 当它吸水少时，表现胶粘性很强， 而起防水的“帷幕” 作用，充分吸水膨胀后则表现出润滑性，进入裂隙深处起堵塞作用。在提高液相 PH 值时， 吸水性聚合物分子链充分舒展，将粘土粒子吸附在其链节上，以聚合物为主体形成树枝状、蟹状物，进入裂隙吸附着隙壁，协同作用，增加阻力，从而阻渗截流，制止泥浆漏失。又聚合物亲水基(羧基、磺酸基)，因亲水性伸入水中形成结构水，增大阻力，使泥浆中水渗流速受阻。吸水膨胀树脂堵漏机理简图7六 吸水膨胀树脂使用工艺根据本孔的地质情况，吸水膨胀树脂在使用中应注意提高树脂本身的强度和吸水膨胀树脂的膨胀时间。吸水膨胀树脂若强度不够，会在进入裂隙后，在孔内的液柱压力
13、下，发生破碎变形，造成堵漏失败。在提高吸水膨胀树脂强度方面，加入了高岭土和水泥，以控制吸水膨胀树脂的膨胀率，加强其相互交联的作用。同时高岭土表面存在羟基和带电荷的表面活性点，与液体中的阳离子相斥，提高了吸水膨胀树脂的抗盐性。但高岭土和水泥的用量不能过大，太大易使堵漏液的比重升高，反而会将吸水膨胀树脂携带走，达不到堵漏的效果，所以应将堵漏液的比重控制在 1.03-1.06 之间。1m 清水配置堵漏液的材料用量材料名称 用量(Kg) 配置百分比（%）高岭土 60 5.48水泥 20 1.8吸水膨胀树脂 20 1.8食盐 40 3.6吸水膨胀树脂的膨胀时间也较为关键，如果控制不好，会增加泵送的难度，
14、堵漏液在中途堵塞，未进入到漏失地层就膨胀，起不到堵漏作用。本孔主要采用包裹法对吸水膨胀树脂进行处理，根据外部溶液中的离子对吸水膨胀树脂有抑制吸水的作用，将吸水膨胀树脂先在柴油浸泡半个小时，由于柴油属于碳氢化合物，在泵送过程中不会发生吸水膨胀，当吸水膨胀树脂到达漏失地层后，与地层水接触，稀释掉碳氢化合物，使吸水膨胀树脂发生膨胀，堵塞漏失通道。将吸水膨胀树脂倒入原浆前，应将食盐放入原浆中，进行混合，增加堵漏液的离子浓度，也可抑制吸水膨胀树脂的膨胀，同时经过实验表明，食盐对吸水膨胀树脂的膨胀抑制作用较大，但清洗后的膨胀率影响较小。七 堵漏工艺唐山胡家庄钻探地层裂隙属于天然大裂隙，漏失层段在 630-
15、670 米之间，孔径 94mm，漏失水位在 20-30 米之间，钻进中泥浆有进无出，泥浆液面急剧下降，水泥等堵漏措施实施后，均不见效果，所以我们选用了当今较为有效的堵漏剂吸水膨胀树脂。将 1m水、60kg 高岭土、20kg 水泥进行充分搅拌，混合均匀后在加入 40kg 食盐、混合均匀后再加入 20kg 吸水膨胀树脂，相对密度 1.05，粘度 30s，用喷浆头将堵漏液泚均匀，然后用50mm 钻杆下至漏失层位上 1-2 米处，开泵送浆，中途不得空转钻杆，堵漏液泵完后，在将顶替液顶入，由于有上部泥浆的液柱压力，所以堵漏液到达孔内后，会被压入到漏失层的裂隙中。9由于考虑到这次漏水的地层裂隙较大，漏失情
16、况较为严重，所以决定再次选用隔离法灌注工艺。首先选用 6m 长的 73mm 岩心管，将干燥的高岭土和吸水膨胀树脂混合后装入岩心管中，管的底头用粘土搓成泥球封堵，在用锤子夯实，使堵漏材料与孔内泥浆隔离，以防吸水膨胀树脂在中途遇水膨胀，起不到堵漏的效果。准备好后，将岩心管下入到漏失层位以上 1m处时，开泵将堵漏材料顶入到孔内，在液柱压力的作用下吸水膨胀树脂进入裂隙，等待 20 分钟后，开泵孔内开始返水，堵漏成功。为了保证堵漏的效果，又等待了 8 个小时的膨胀时间，下钻扫孔，泵压和孔内反水情况均正常。10吸水膨胀树脂堵漏效果示意图八与常规水泥堵漏的比较水泥在堵漏中也有一定的适用范围，受水泥凝固时间的
17、影响主要应用在中小裂隙，如果是大裂隙就会发生没有凝固便发生漏失的情况，起不到封堵的效果。同时水泥堵漏还有一些不足：水泥堵漏在封堵裂缝的同时也封堵了井筒，需要二次钻孔，通常这样的操作需要重复好几次直到形成有效的封堵。在封堵住破碎性地层之前，水泥浆常发生固相与液相相分离的情况，水泥浆中比重较大的水泥颗粒倾向于从水中分离出来，发生脱水。11由于水泥浆当中固相含量较高比重较大，钻具在孔内易被粘附卡钻，造成事故。另外水泥浆比重较大，在地层中的驻留性欠佳，往往在没有封堵住漏层之前就已漏入地层深处。水泥堵漏还对施工技术有严格的要求，若操作不当，容易造成孔内事故。水泥堵漏和吸水膨胀树脂堵漏材料用量表材料名称
18、用量（袋） 金额（元）水泥 600 12000吸水膨胀树脂 10 5000九效果总结经过这次在唐山胡家庄地区使用吸水膨胀树脂进行堵漏得知，吸水膨胀树脂是一种有效的堵漏材料，它有变形性好，吸附性强，吸水膨胀性大，保水性好，稳定性高等优点。同时它本身具有吸水膨胀的作用，与粘土、水泥、使用可以提高胶粘性和胶体强度，它们进入裂隙吸附着隙壁，一起协同作用，增加阻力，从而阻渗截流，制止泥浆漏失。并且吸水膨胀剂易被优质的粘土颗粒表面吸附，其水溶性的共聚物大分子链不但易于相吸，而且起架桥作用，这样形成空间网架结构，产生结构性粘度并高于分散介质粘度， 稳定性更好，保护泥浆中水不易流失。吸水膨胀树脂被柴油浸泡后，
19、由于碳氢化合物的疏水作用，可以减少其与水的接触面积，降低膨胀速率，加入的食盐有一定的离子浓度也可对吸水膨胀树脂的膨胀起到抑制作用，又不会对稀释后的吸水膨胀树脂造成膨胀率的降低。同时，对劣质土及岩屑产生凝聚作用，其絮凝物进入裂隙可起堵漏作用。吸水膨胀树脂是一种取材容易，造价低，无毒无害，绿色环保的产品，堵漏效果明显，可以被充分的应用在裂隙偏大、富含地下水的地层中。这12次该地区进行的吸水膨胀剂堵漏工作得到了良好的技术效果，积累了宝贵的堵漏经验，并有效的将漏失地层堵住，为以后提高堵漏的成效打了重要的基础。参考文献【1】 崔英德，黎新明，尹国强.绿色高吸水树脂.北京.化学工业出版社.2008-08-
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