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钻井泥浆基础知识

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钻井 泥浆 基础知识
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第一节 钻井泥浆的分类与造浆粘土第一单元 钻井泥浆的分类按适用条件,可以把泥浆分为:①用于沙层、砾卵石层、破碎带等机械性分散等地层的泥浆,简称松散层泥浆;②用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的抑制性泥浆,简称水敏抑制性泥浆;③用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆,简称水溶抑制性泥浆;④用于较为稳定、漏失较小的硬岩钻进的泥浆,简称硬岩钻进泥浆;⑤用于异常低压或异常高压地层的低比重泥浆或加重泥浆;⑥用于超深井、地热井等高温条件下的抗高温泥浆。配制泥浆用的基本液体是水或油。若粘土在水中分散形成的泥浆即以水为连续相的泥浆称为水基泥浆;若粘土在油中分散形成的泥浆即以油为连续相的泥浆称为油基泥浆。大部分钻井场合下,使用成本较低,配制方便的水基泥浆。油基泥浆在一些特定情况下使用,它又分为油包水乳化泥浆和油基泥浆两种类型,前者油水比在 50~80 和 50~20 之间,后者含水量不超过 5%。从粘土在泥浆中的分散程度来看,又可将水基泥浆划分为细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆和不分散低固相泥浆。细分散淡水泥浆是靠粘土在水中高度分散得到,是泥浆的早期类型。泥浆中的含盐量小于 1%,含钙量小于 120含抑制性高聚物。其组成除粘土、碳酸钠和水外,为了满足钻井需要,往往还加有降失水剂和防絮凝剂(稀释剂) 。依所加处理剂的不同,可有铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。虽然这类泥浆在稳定性、流动性和对地层抑制性方面存在明显缺陷,但在一些以提高泥浆粘性为主的钻井场合还常使用。粗分散抑制性泥浆是在细分散泥浆的基础上,加入无机聚结剂,使粘土颗粒适度变粗,同时加入有机护胶处理剂而形成。它对井壁岩土的分散有抑制作用,自身抗侵能力强而且性能稳定、流动性好钻进效率高,在钻井工程中得到广泛的应用。这类泥浆的含盐或含钙量较高,具体又分为钙处理泥浆(含钙量大于 120,如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆) ,盐水泥浆(含盐量大于1%,如盐水泥浆、海水泥浆、饱和盐水泥浆)和钾基泥浆(量大于 1%) 。不分散低固相泥浆是较新型的泥浆体系。低固相是指泥浆体系中的固相含量(造浆粘土和钻碴等所有固相)按体积计不超过 4%,由此使得机械钻速提高,尤其是在硬岩钻进中效果更为明显;所谓不分散,有 3 层含义:①粘土颗粒因高聚物存在而变得较粗;②对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用,不使其分散,利于除碴净化泥浆;③对井壁不起分散作用而起抑制保护作用。目前,这种泥浆已成为我国钻井部门使用的主要泥浆类型。国内外也有直接用泥浆的主要处理剂成分、关键特性或特殊用途等来命名分类的,如:腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、非水基泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆、地热井和深井泥浆、石油天然气完井泥浆、小口径金刚石钻进泥浆、基桩钻孔循环泥浆、地下墙槽壁稳定泥浆等第二单元 土的组成土主要由粘土矿物组成,另外还可能含有非粘土矿物和其他杂质。土中的非粘土矿物主要有长石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黄铁矿、沸石等。这些非粘土矿物的含量不一,它们是泥浆中含砂量的主要来源,对泥浆性能起负面影响,因此,这些物质的含量越少越好。土中的杂质主要是有机物和可溶性盐。有机物为植物的茎、根、叶及其他腐植质等。可溶性盐为钙、镁、钠、钾的碳酸盐,硫酸盐,氯化物和硝酸盐等。这些物质明显影响泥浆的纯度和性能。粘土矿物分为 4 个族类,它们均属于含水铝硅酸盐,并有一定量的金属氧化物。典型粘土矿物的化学组成含量如表 4示。(1)高岭石族 代表性矿物为高岭石,其他矿物包括埃洛石、地开石、珍珠陶土等,含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土。(2)蒙脱石族 代表性矿物为蒙脱石,其他矿物包括绿脱石、拜来石、皂石等,含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土或蒙脱土。(3)水云母族代表性矿物为伊利石(伊利水云母) ,其他矿物包括绢云母、水白云母等,含伊利石矿物为主的粘土称为伊利土或水云母土。(4)海泡石族代表性矿物为海泡石,其他矿物包括凹凸棒石、坡缕缟石等,相应的粘土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。典型粘土矿物的化学组成含量表 表 11种化学成分的含量(%)名称 产地 2O 9高岭石江苏苏州阳山 2 - - 7 - 2 4美国怀俄明 9 0山东滩县 2 6蒙脱石膨润土新疆夏子街 4 4 4伊利石水云母 湖南澧县 2 - - 5 - 苏盱眙 3 4江西乐平 0海泡石南澳大利亚 类粘土矿物在化学组分上的特点和差别:高岭石的三氧化铝(量较高,蒙脱石的二氧化硅(量较高,伊利石的钾离子含量较高,而海泡石族的 量较高。另外,三氧化二铁(、氧化镁(、氧化钙(的含量也各有不同。依据化学成分的含量,可以初步确定粘土的种类。为什么 4 类粘土矿物在化学组分上有明显差别?不同粘土矿物在造浆性能上的差别又怎样?这就需要从粘土矿物本身的构造特点出发,进行深入分析。第三单元 粘土矿物的构造特点分析一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞(片)堆叠形成,而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。不同种类的粘土矿物,它们的最小构造单元都是一样的。但是,基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同,因而形成不同粘土矿物各自的特点。粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。 硅氧四面体的结构如图 11示,每个四面体的中心是一个硅原子,它与四个氧原子以相等的距离相连,四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。从单独的四面体看,4 个氧还有 4 个剩余的负电荷,因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。依此,四面体在平面上相互连接,形成四面体层。铝氧八面体的结构如图 11示,每个八面体的中心是一个铝原子,它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。由于还有剩余电荷,氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。依此,八面体在平面上相互联结,形成八面体层。硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同粘土矿物所共同具有的基本晶层。但是,这两种基本晶层在不同粘土矿物中的结合方式是不同的,因而主要导致了不同粘土矿物在造浆等性能上的差异。还有一个影响粘土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换,它是指在晶格构架不变的情况下,四面体中的硅(+4)被低价离子铝(+3)或铁(+3)置换,八面体中的铝(+3)被低价离子镁(+2)等置换。同晶置换导致粘土颗粒带负电,而粘土颗粒的负电性是影响其性能的重要因素。一般情况下,同晶置换是粘土原生条件所决定的,不同粘土矿物的同晶置换程度有着明显的差异。图 11氧四面体及其晶层示意图1氧八面体及其晶层示意岭石的结构特点高岭石的化学式是 ,晶体构造是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成,两层间由共同的氧原子联结在一起组成晶胞,如图 11示。图 11岭石的结构特点高岭石矿物,即高岭石粘土颗粒是由上述晶胞在 C 轴方向上一层一层重叠,而在 A 轴和 B 轴方向上延伸而形成的。由于晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成,故称为 1:1 型粘土矿物。其相邻两晶胞底面的距离为 另外,其晶体构造单位中电荷是平衡的。高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对,形成结合力较强的氢键,因而晶胞间联结紧密,不易分散。故高岭石粘土颗粒一般多为许多晶胞的集合体,与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗,小于 2μm 的颗粒含量仅占 10~40%。高岭石矿物晶体结构比较稳定,即晶格内部几乎不存在同晶置换现象,仅有表层 电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡,因而其负电性较小。由于负电性很小,致使这种粘土矿物吸附阳离子的能力低,所以水化等"活性"效果差。由上可知,高岭石矿物由于晶胞间连接紧密,可交换的阳离子少,故水分子不易进入晶胞之间,因而不易膨胀水化,造浆率低,每吨粘土造浆量低于3时因可交换的阳离子量少,粘土接受处理的能力差,不易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。因此,高岭石不是好的造浆粘土。从钻井的井壁稳定性看,如果钻进遇到高岭石类粘土或富含高岭石的泥质岩层时,一般井壁不易膨胀而缩径,但易产生剥落掉块。2.蒙脱石的结构特点蒙脱石化学式是(·晶体构造是由两层硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞,四面体和八面体由共用的氧原子联结(图 11。同样,在 C 方向重叠,沿 A、B 方向延伸。形成蒙脱石粘土颗粒。由于蒙脱石矿物晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成,故称为 2:1 型粘土矿物。其晶胞底面距为 吸水后可达 图 4脱石的结构特点(图中右侧数值是叶蜡石结构中电荷的数值,不是蒙脱石的数值)蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是,重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对,其间的作用力是弱的分子间力。因而晶胞间联结不紧密,易分散微小颗粒,甚至可以分离至一个晶胞的厚度,一般小于 1μm 的颗粒达 50%以上。从形状上看,晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍,是薄片状的颗粒。蒙脱石矿物晶体构造的另一特点是同晶置换现象很多,即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换,置换量可达 20~35%。硅氧四面体中的硅也可被铝所置换,置换量较小,一般小于 5%。因此,蒙脱石晶胞带较多的负电荷,其阳离子交换容量大,可达 80~150上可以分析出,蒙脱石粘土由于晶胞间联系不紧密,可交换的阳离子数目多,故水分子易进入晶胞之间,粘土易水化膨胀,分散性好,造浆率高,每吨粘土可达 12右。同时,因可以吸引较多的阳离子,故"活性"大,接受处理的能力强,易改性或用化学处理剂调节泥浆性能,是优质的造浆粘土矿物。从钻井的井壁稳定性看,如果钻进中遇到蒙脱石类粘土或富含蒙脱石的泥质岩层时,易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。3.伊利石的结构特点伊利石又称伊利水云母,其化学式是 准 16准 16前苏联标准 6~10含砂量>a) ,所以可由以上 3 式整理得到井壁处(r=a)的应力状态为:σr=- 2σz=γ·h(121212于垂直井的特殊性即单元体面上的切应力为零,三个正应力也可以直接看出为三个主应力。但是对于斜井或水平井,由于单元体面上存在切应力,其应力状态比较复杂,必须通过主应力变换公式计算得到。σr、σθ、σz 三者究竟谁为最大主应力 σ1、中间主应力 σ2 和最小主应力 σ3,要视具体参数代入后的计算结果来确定。第三单元 井壁岩土的强度井壁岩土的强度是指在标准测试条件下所获得的该岩土的通用强度指标,如单轴抗压强度 σ轴抗拉强度 σ。这些强度指标可以通过对钻进所取出的岩心做单轴强度等试验直接地得到,也可根据所钻地层岩土名称查岩石性质资料间接地得到。第四单元 井壁失稳破坏的理论判别运用材料力学强度理论,将上面得到的井壁单元主应力和岩土强度指标代入到材料破坏判别式中即可得出井壁是否失稳破坏的结论。公式(12较常用的材料破坏判别准则之一论) 。式中的 σ1 和 σ3在此是井壁单元体的最大和最小主应力;τ σb 是井壁岩土的强度指标。具体数值代入后,若不等式成立,则井壁失稳破坏,否则井壁稳定。(12可依莫尔圆理论,用图形方法求得相应的结果。图 12尔应力圆图解图 12莫尔圆图形方法示例。以对象地层岩土的单轴抗拉强度 σ单轴抗压强度 σ直径作外切圆(图中的两个实线圆)和公切直线 L;以两圆的切点为应力原点 0,将井壁单元的最大主应力 σ1 和最小主应力 σ3 在 σ 轴上标出;以 σ1直径, (σ1+σ3)/2 为圆心作井壁单元莫尔圆(图中的虚线圆) ,若虚线圆超出了公切直线 L,则井壁失稳破坏,否则井壁稳定。第三节 井眼漏涌水的研究、测试第一单元 井眼漏涌水影响因素分析井眼中的液体向地层中漏失或地层向井眼中涌水,从根本上看是压力不平衡的表现。当井眼中的流体压力与地层孔隙流体压力不相等时,漏失或涌水这种渗透现象就有可能发生。同时,地层的空隙性和流体的粘性对渗透的程度也起到重要影响作用。压力平衡和流体粘度可以人为进行控制,而地层的空隙性则是客观的存在。地层的空隙分为孔隙、裂隙和溶隙。这些空隙多互相贯通,成为液体的流动通道。与之相应的地层为孔隙地层、裂隙地层和岩溶地层以及各种空隙相互穿插共存的混合地层。相应地,反映地层空隙性的参数指标分别为:孔隙率细分为绝对孔隙率和有效孔隙率,前者含全部孔隙,后者仅含相互贯通的孔隙。裂隙率细分为体积裂隙率、面积裂隙率、线性裂隙率、裂隙密度、裂隙张开程度等。岩溶率体积岩溶率、面积岩溶率和线性岩溶率之分。与空隙性紧密相关的是地层渗透性。关于地层渗透性的基本原理在第二章中已做过详细介绍,其中两个重要指标是渗透率 k 和渗透系数 K。以达西渗透定理微分方程为基础,可以从理论上解析推导出水平辐射状渗透条件下钻井井眼漏、涌的计算公式:(12中:于裂隙地层,若裂隙张开量为 δ,裂隙率为 m 时,则其渗透率为:k=m(δ2/12) (12张开量巨大的裂隙中,液体流动多呈紊流状态,因而其运动服从非线性渗透定律:(12中:二单元 在钻进时研究漏失层(一)机械钻速的观测钻速的变化能反映地下岩层的坚硬或松软程度。钻速的变化不仅能了解到所钻岩石的性质变化,还能了解漏失层裂隙尺寸的变化,如在溶洞地层中钻进时的钻具突然坠落,在有松软充填物的大裂隙中钻速的突然加快等现象均可对溶洞或裂隙出现的深度和尺寸进行直接考察。 可以利用 1:500 比例尺的地质预测柱状图,在计算纯钻进时间、时效分析和指导钻进和采取岩心的同时,配合钻孔结构绘制钻孔深度与钻速或钻时的关系曲线图,以便及时判断地层岩性的变化和漏失层出现的深度、厚度、洞隙及裂隙大小等。这种方法虽然粗略,但对于没有必要采用物探测井或没有测井资料的钻孔中划分地层、对比地层既及时、直观,又方便。应当指出,钻速虽然与岩性密切相关,但还受其他很多影响因素的制约,如钻头类型、新旧程度、钻进工艺参数、操作技术等,都会使钻速的真实性受到不同程度的影响。所以在使用钻速资料时,尚应综合考虑各种因素的影响。使得到的结论比较接近地层的真实情况。(二)岩心和岩粉的观测岩心的资料是最直观地反映地下岩层特征的第一性资料,通过对岩心的分析研究可以了解地层的倾角、接触关系、孔隙、裂隙、溶洞及断层的发育情况,通过岩心采取率可以评价岩石的破碎程度,间接判断岩石的透水性及含水层的厚度。因为钻孔漏失通常都发生在含水层中,特别是含裂隙和溶洞的地层,所以要特别注意岩心裂隙的观察和描述。这项工作对及时发现漏失并间接了解漏失通道的大致尺寸,有时是很有用的。例如钻进风化裂隙岩层时,由于裂隙对岩体的分割使采取岩心很困难。如果能注意收集岩屑和岩粉并及时地进行观察研究,就可以对漏失层作出正确的判断并提出合理的治漏措施。另一方面,还可以通过岩屑颗粒的大小间接判断漏失通道的尺寸。因为漏失通道的尺寸大于岩屑的尺寸时,冲洗液中就不会含有岩屑。因为石油钻井多采用无岩心钻进,所以对岩屑录井非常重视。井场通过对岩屑的观察和分析研究,可以得到很多地层和油、气、水层的信息资料。可以根据岩屑的粒度组成来评价漏失通道的张开量,在双目镜下挑出所有裂隙和溶洞充填物,用面积法估计裂隙和溶洞中岩屑在全部岩屑中所占的比例,得出裂隙和溶洞发育系数和张开系数等。(三)钻井液性质变化及消耗量的观测钻井液的性质在现场主要指颜色、稠度、比重、含砂量等,它们的变化通常能反映孔底的岩石性质。如果遇到含水层时,冲洗液比重和稠度可能降低,在砂、砾石含水层中钻进时,可使冲洗液含砂量增加。因而必须经常注意对冲洗液性质变化的观测,以便即时采取防止漏失的措施。钻进中冲洗液消耗量的非正常变化,最能说明岩层透水性的变化。在隔水层钻进时冲洗液消耗甚微。而当遇到含水层并发生漏失时,冲洗液消耗量就可能突然增加。所以要特别注意观测冲洗液突然大量漏失时单位时间的消耗量(漏失强度)。如果漏失严重,孔内不返水时,则应尽快观测孔内水位高度。必要时应提钻观测含水漏失层的静止水位,并通过向孔内定量注水,测量不同时间的动水位变化数据,按动静水位差及漏失强度初步计算该地层的渗透性。在能维持正常循环时的漏失条件下,应该在每次提升钻具后和下降钻具前各测一次孔内水位并记录两次测量的间隔时间。停钻期间,每隔 1~4h 测量一次水位,钻进时应按时测量记录冲洗液的增添量和消耗量。总之,对钻孔漏失应观察收集下列资料:①钻孔漏失起止时间、井深、层位、钻头位置,②冲洗液单位时间的漏失量和漏失的总量;③漏失前后及漏失过程中泥浆性能的变化;④孔内是否有返出物,返出量及返出特点;⑤孔内静止水位及动水位的变化情况。如已进行堵漏,还应了解堵漏时间、堵漏物质、堵漏数量及方法,堵漏前后孔内液柱变化情况,⑥堵漏前后的钻进情况,以及泵量和泵压的变化情况。此外,还应记录漏失原因的分析及处理效果的分析。(四)涌水现象的观测钻孔涌水时往往伴随有孔壁坍塌、涌砂,钻具陷落等现象出现,这时应立即观测其发生的起止深度,并接长孔口管或压力表,测量其水头高度和单位时间的涌水量,以及水的温度。第三单元 研究漏失层的物探方法物探方法是勘探地壳上层岩石构造与寻找有用矿产的重要技术手段之一。常用的方法有电法测井、放射性测井、声波测井、温度测井和钻孔技术测井等。对研究地下含水层和钻孔漏失都很有用。(一)视电阻率测井所谓视电阻率测井,就是沿井身测量各点的视电阻率变化曲线。根据所用电极不同又分为普通视电极系测井、微电极系测井和井液电阻率测井。视电阻率测井曲线(图 12用于划分钻孔地质剖面,确定含水层的位置、厚度和孔隙度。因为孔隙、裂隙和溶隙的存在对坚硬岩石的电阻率影响很大,当空隙中充满不同矿化度的水时,它们的电阻率会降低很多。图 12电阻率测井曲线当一定类型的岩石孔隙中完全被地层水饱和时,则多孔岩石的电阻率ρ1 与孔隙中水的电阻率 ρo 的比值 ρ 可以看作是孔隙度 m 的函数,即:(12中:ρ岩性在 变化; 岩石结构和胶结程度有关,其值为 二)放射性测井放射性测井又称核测井,它是利用元素的核物理特性而进行工作的一种井中物探方法。其特点:①核性质一般不受温度、压力、化学性质等因素的影响,因而它能更本质地反映岩石的性质;②γ 射线和中子流具有较强的穿透能力,它不仅能在裸眼井中使用,也能在下有套管的钻孔中应用。同时,对干孔或有泥浆的孔中均可应用。目前常用的方法有:自然伽玛法(γ) 、伽玛一伽玛法(γ中子中子及放射性同位素法等。典型的示例见图 12图 12 12 γ 一 γ 曲线确定岩层孔隙度实例图 12 线确定含水层1234)声波测井利用声波在岩石中的传播速度、幅度和反射特性研究钻井剖面的方法称为声波测井。由于通常使用的声波频率约为 20000又称超声波测井。目前常用的方法有以下几种:一是按声波速度研究岩石性质的声波速度测井,二是按声波幅度的衰减反映岩性的声波幅度测井,三是利用声波在孔壁上的反射特性研究孔壁结构情况的声波电视测井。声速测井仪常采用单发射双接收井下仪器[图(12-6)a],当声波由声波发射器发出后,经由泥浆射向孔壁时,一部分透过孔壁射向地层(透射波),一部分反射回来(反射波),其中以临界角入射的一部分,则在孔壁上产生滑行波,另外还有一部分直接沿泥浆传播称为直达波。声速测井主要是记录滑行波通过厚度等于仪器间距的一段地层所需要的时间 Δ位为 μs/m。习惯上把声波在岩层中走过 需要的时间(μs)称做旅行时间。显然,各种岩石均有自己的波速特性,因而声速测井曲线可用于划分岩性剖面图 12-6(a) 、 (b) 。(a)          (b)         (c)图 12速测井原理与应用示意图(a)1、b)1c)井径变化时在砂岩上下界面造成声波时差曲线的异常岩石中的声波是通过固体颗粒(岩石骨架)和孔隙中的液体进行传播的,实验证明,声波通过岩石的时间等于通过固体颗粒和孔隙内液体时间之和,若 m 为岩石的孔隙度,则:(12中: a= - ,b= ,则:(12岩石骨架成分和孔隙内液体性质确定后,△△为常数,因而上式为一直线方程,它说明了孔隙度与时差的关系。即可以从实测的声速时差曲线上直接读出△,然后利用上式计算出岩石的孔隙度 m 值。(四)温度测井井内温度测量可以解决地热勘探中测量岩层的温度、地温梯度、井内温度等问题。对于钻孔漏失,井温测量可以确定漏失位置。温度测井可以使用多种类型的温度传感器,将其下入井中,沿井深测得温度分布情况,用以分析判断井内漏、涌情况。在不稳定情况下常用抽水法,若估计漏水处温度为 先将温度为 液体注入井中,然后循环泥浆,立即进行检查性测量,这时沿井深温度变化较小。然后从井内向外抽水,降低井内液面高度,使地层水进入井内。当 1时,则井内温度升高;当 1 时,则井内温度降低。沿井深温度曲线变化大的位置即为明显漏水位置。在稳定的条件下可采用注入法,将低温液体压入地层后,测出的温度曲线在漏水位置以上总是明显的降低,因而根据井温曲线突变位置即可确定漏失位置。第四单元 用测漏仪及流速流向仪研究漏失层近一二十年来,采用测漏仪确定钻孔漏失位置,并通过流速及钻孔直径计算流量已得到广泛应用。用这类仪器不仅能测定漏失位置、漏失量,还能测定含水层、隔水层的层次,以及各层的厚度、埋藏深度。当使用流速仪及流速流向仪时还可以直接测定各含水层由于压力不同而造成的各层间的地下水流动状态、流量及含水层的渗透系数。由于钻孔中各含水层的水文地质条件不同,所以在进行流速测量时可以采用不同的方法,如图 12示。图 12-7(a)表示孔内有两层压力不同的含水层,层间地下水从上层向下层越流,即上层出水下层漏水,在这种情况下可直接用流速仪测量孔内水文地质参数,图 12-7(b)表示含水层压力很低所导致的漏失,需要用水泵从孔口向孔内注水才能测得漏失参数,图 12-7(c)说明孔内含水层压力较高,孔口必须安装密封器并用水泵向孔内压水才能测得含水层的水文地质参数(孔口压力由压力表指示),图 12-7(d)说明在钻杆下端装有封隔器及流速仪,来自水泵的水经钻杆送入井内使封隔器膨胀隔离层间的水力联系,同时用流速仪测定下层的渗漏参数。(a)      (b)      (c)      (d)图 12失测量示意图第四节 遇水不稳定地层的研究第一单元 页岩水化的力学机理在复杂地层分类中,将遇水不稳定地层划分为两种类型,即水溶性地层和水敏性地层。前者依地层遇水后的溶解程度进行分析,其方法在一般化学领域中较为通用。本节只讨论水敏性地层遇水不稳定问题。引起页岩与水作用的力有表面水化力和渗透水化力。由于粘土易于水化分散的构造特点(见第十一章) ,当页岩与水接触后,通过粘土对水的吸附、吸入、吸进和吸收,以很大的力把水吸到页岩内部来。页岩的表面水化力可以用埋藏某一深度的页岩的挤压力来估算。岩石埋藏愈深,挤压力愈大,岩石中所含水分被挤掉的就愈多,本身储藏的能量就愈大,它剧烈地需要从外界吸附水分来恢复平衡,故它有巨大的吸水力即表面水化力。例如,正常情况下,在 3048m 深处,页岩的表面水化力高达 岩的渗透水化力是在地层与钻井液之间存在含盐量差异时产生的。用盐的溶解扩散来理解这个力,当粘土中的含盐量大于钻井液的含盐量时,页岩吸附井内液体中的水分,同时向钻井液中扩散盐分。两种不同含盐量的溶液之间的渗透压力可由下式计算:(12中:气压) ;;θ二单元 简单的浸泡试验将被测试的岩土样品粉末在立方体(例如 50×50×50)或圆柱体(例如φ50×50)模具中压制成试验样块,再将样块放入清水或其他试验液体中浸泡,观察样块状况随时间的变化情况,如膨胀、开裂、崩塌、分散等。第三单元 页岩稳定性钻井模拟试验图 12示为模拟孔内压力、温度和循环条件而设计的实验室装置。利用这个装置开展对页岩等遇水不稳定性的研究。岩心试样用格伦劳斯( 级页岩浆滤去水分而制成。页岩浆是由 2250g 的地面页岩用750水均化而成,并在 31力下压实,成为水分含量占 9%的岩心。压实以后,切成水分含量相等的 100岩心试样。度为 76孔眼,然后将试样用密封圈和环氧涂层固定好,以控制孔隙压力、井眼中泥浆压力和覆盖重量产生的上覆压力。试验液体在 通过在岩心内钻孔循环 6h,覆盖压力和泥浆循环压力都是 后停止加热和循环,使泥浆和孔隙压力达到与大气压相平衡,而将试样留在泥浆中 16~18h。然后将试样切成两半,用来检验模拟井眼条件时各种液体对页岩稳定性的影响。第四单元 页岩稳定性指标(试验方法图 12力室内页岩试样示意图验的基本原理是采用了测量岩心侵蚀(或膨胀)量 D 值,以及测量可塑性固体的针入度 f 表示物体硬度和受力产生塑性流动变形能力的大小),用来表示人造或天然页岩岩心遇水膨胀和剥落的特征和大小。页岩浆液是用七份干的格伦劳斯 C 级页岩粉和三份人造海水混合配成的。配制岩心试样时用一个特殊的活塞与标准的高温高压失水仪压滤室相配合,把页岩浆液中的水挤出来,260g 页岩接受 7压力差作用 2h,就配成坚固的岩心试样,然后打开压滤室,推出坚实的岩心这个重新组成的岩心放入允许岩心有些过量的圆柱形钢杯中,然后用 9负荷将岩心挤入杯中,再用一个标准的油脂针入度仪(测其表面硬度。杯子和压好的岩心被固定在瓶罩内,并浸入包含各种试测溶液的品脱瓶中。岩心试样在 暴露在试验溶液中 16h,并用低速滚动以模拟冲洗液对岩心的冲蚀影响。然后将瓶冷却,试样试验结束。利用下式计算不同溶液中的页岩稳定性指标((12中:五单元 英苏林(体吸收仪用英苏林(体吸收仪测量页岩岩屑的膨胀性,建立相应的数学模式,然后用方程中的参数对页岩的本质进行分析和评价,提出页岩分类新方法,以解决控制页岩稳定的有关问题。图 12苏林(胀仪英苏林膨胀仪(图 12试验程序如下:将页岩粉末或碎屑放入样品杯内的多孔玻璃片上,系统内充满电解质溶液,使样品杯内液面维持在能润湿玻璃片上的滤纸。关 B 阀,开 A 阀,样品杯与带刻度的移液管相通,记录页岩吸水时间和移液管内被吸收的液体量。移液管内液体吸出太多时,打开 B 阀补充溶液。由于页岩在双对数坐标上呈线性关系,因而描述页岩膨胀的方程式可表达为:(12中:t 内被吸附的液体量,g/g; 时吸附的液体量,g/g;; 化速度,每分钟每克页岩吸附液体的克数。液体吸附规律与页岩的膨胀性相对应,截距 页岩吸附液体前的吸附状态近似值,它与粘土和水的含量以及压实程度有关。液体吸附达到平衡状态所需时间是相当长的,一般不必进行测量,但任何时间 t 内吸附液体产生的膨胀量,能用下列方程式来计算:(12(12双对数坐标上表示的是线性关系。使用英苏林膨胀仪也可以研究化学处理剂对页岩的液体吸附性能的影响。第六单元 毛细管吸收时间(作为分析、评价和提出页岩分类新方法的另一仪器是 置图12用来测定页岩的分散性。置由过滤漏斗(直径约 5~6不锈钢圆筒)、标准孔隙度滤纸、计时器及与之相连的电极组成。电极距漏斗边缘分别为 置进行页岩分散试验程序如下:将 15%的 100 目页岩浆液在恒速下剪切不同的时间,漏斗置于标准滤纸上,滤纸覆盖带电极的试验板。取 5拌好的浆液倒入漏斗中,测定浆液在滤纸上流动 离所需的时间。同一试验至少应进行三次,其误差不超过 3%~5%。为了评价不同电解质对页岩的作用,制备 验样品时,要求用蒸馏水冲洗页岩岩屑,直至水中无氯离子存在为止,然后再将岩屑烘干。图 12种页岩的 散性试验曲线图 12示为三种页岩的 散性试验曲线。图中 与剪切时间呈线性关系,因此,页岩分散性方程可表达为:(12中:例所需的时间 s;示页岩在溶液中的分散速度;s;示瞬时细分散的胶体粒子量(初分散)图 12置原理图13泥护壁堵漏第一单元 堵漏对水泥性能的要求水泥是一种良好的胶凝材料,不仅在建筑行业广泛使用,而且早在 20 世纪 40年代钻井工程中就已经开始用水泥护壁堵漏了。用水泥进行护壁堵漏是将水泥浆注入钻孔内,并使其进入所封堵和护壁的孔段漏失层裂隙、孔洞的坍塌部位,利用水泥浆的凝固硬化作用,将其堵塞并与岩层胶结为一整体。水泥还可作为钻井封孔、止水、固井、防喷、加固基础等。由于水泥具有货源广、成本低、无毒、使用方便、利于孔内灌注等优点,目前仍然被广泛用作钻井护壁堵漏的固结材料。本节重点讨论水泥在钻井护壁堵漏中的应用。当钻井遇到卵砾石层、破碎带、大裂隙、溶洞、厚砂层,用泥浆难以护壁堵漏时,即应采用水泥等固结材料进行护壁堵漏。这时,在工艺上需要停止钻进,从井内提出钻具,再向井内灌注水泥浆材,待水泥浆材渗挤、充填到地层空隙中并凝固复杂层段后,再重新下入钻具扫孔钻进成井。因此,与泥浆随钻护壁堵漏相比,水泥护壁堵漏在工序上增加了专门灌注、候凝固结和重新扫孔时间。(1)护壁堵漏灌注水泥最常用的方法是用水泵通过钻杆将水泥浆液输送到井底,然后水泥浆液在井底能够有效地渗入地层的孔裂隙中。这就要求水泥浆液在这一阶段具有良好的流动性。(2)普通建筑用硅酸盐水泥的候凝固结时间很长,如要达到它们的最终强度往往需要 10d 以上,这么长的停待时间对钻井工作来说是难以接受的,因此希望能够尽量缩短水泥的候凝固结时间(如 1~2d,甚至更短) 。(3)钻井护壁堵漏对水泥的后期强度并不要求很高,只要满足井眼稳定和阻塞漏失即可,它一般的抗压强度只需达到建筑用固结体强度的 20%。所以钻井护壁堵漏对水泥性能的主要要求可以归结为:初期流动性好,能够快凝早强,后期强度要求不高,可用图 12曲线来反映这种要求。图 12井护壁堵漏水泥特性曲线实线为钻井水泥,虚线为普通建筑水泥另外,在一些特殊情况下,对护壁堵漏水泥还有一些特殊要求。如在低压地层中要求减轻水泥的重度;在高温地层下应该增加水泥的抗温能力;对于要求严格封堵的地层应使水泥具有较明显的膨胀性,等等。第二单元 钻井常用的水泥与外加剂长期以来,普通硅酸盐水泥用于地质钻探护壁堵漏的为数众多,由于受其性能的限制,一般需要配用水泥促凝早强剂来调整其性能。护壁堵漏对水泥性能的主要要求是快凝早强,因此,选用一些具有快凝早强特性的其他品种水泥,也是可以适合护壁堵漏需要的。此外,由于孔内条件的特殊性,如高温、高压、低压、漏失等以及各种工程的施工需要,需选用某些特种水泥。为此,现将有关的水泥外加剂和其他品种水泥作一概括介绍,以便于根据需要加以选用。关于水泥的基本原理详见第三章第五节。(一)普通水泥的外加剂钻探施工中,常遇到地层的坍塌、漏失、破碎掉块等复杂问题,需要用水泥进行护壁堵漏。但是,由于普通水泥早期强度低、凝结时间过长、浆液流动性差,就需要使用水泥外加剂来改善和调整各种水泥性能,采用水泥外加剂对改善和调整某些水泥性能是个有效的途径。如需要提高早期强度宜用早强外加剂;需缩短凝结时间,则用速凝剂;若需改善流动性,要用减阻剂等等。水泥外加剂的类型品种很多。用于地质钻探的水泥外加剂依其功用和成分,有不同的分类方法:Ⅰ. 按功用分类(1) 调节水泥凝结硬化速度的速凝剂和缓凝剂;(2) 供使水泥早期强度提高的早强剂;(3) 降低水灰比、改善浆液流动性能的减阻剂或减水剂、稀释剂;(4) 减少浆液的析水和失水的降失水剂;(5) 降低水泥浆比重的减轻剂;(6) 增强水泥与岩层粘结强度的膨胀剂;(7) 防止浆液流失的堵漏剂等。Ⅱ. 按化学成分分类(1) 无机化合物类包括各种无机盐类,一些金属单质,少量氧化物和氢氧化物等。这类物质大多用作早强剂、速凝剂等。(2) 有机物类这类物质种类很多。其中大部分属于表面活性剂的范畴,有阴离子、阳离子、非离子型以及高分子型表面活性剂等。为了满足各种工程施工需要,水泥外加剂在改善水泥某些性能的使用中,应考虑以下五个方面问题:①按水泥品种合理选用外加剂;②选用外加剂应明确改善和调整水泥性能的目的;③选用外加剂合适掺量;④考虑具体施工条件,如气温、孔内温度、压力、灌注方式、灌注工具等;⑤尽可能选用复合外加剂。(二)快硬早强水泥快硬早强水泥按其矿物组分,一般可分为四类:1.
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