鉆探泥漿和堵漏專題培訓課件

鉆探泥漿和堵漏

內(nèi)容提要一、基本概念二、泥漿的基本原料三、泥漿的處理及其處理劑四、泥漿基本性能及其測定五、各種類型的泥漿六、常用泥漿的配制七、泥漿性能的調(diào)節(jié)八、泥漿的侵污和處理九、泥漿的凈化與現(xiàn)場管理第一節(jié)基本概念泥漿是指在鉆進過程中，利用某些流體介質(zhì)沖洗鉆孔底部（在地質(zhì)勘探中稱為沖洗液、在石油鉆井中稱為鉆井液,在施工現(xiàn)場常稱為泥漿）一、鉆孔沖洗的作用與分類為排除孔底的鉆渣、降低或消除鉆頭熱量，平衡巖層壓力而進行的鉆孔沖洗工作稱為鉆孔沖洗。鉆孔沖洗的方式：全孔正循環(huán)、孔底局部正循環(huán)、孔底局部反循環(huán)、全孔反循環(huán)。二、沖洗液（泥漿）的主要循環(huán)方式1、全孔正循環(huán)2、全孔反循環(huán)3、孔底局部反循環(huán)1、清洗孔底，攜帶和懸浮鉆屑；2、冷卻鉆頭，潤滑鉆具和鉆頭；3、保護孔壁，平衡地層壓力；4、作液、氣動工具（沖擊器、潛孔錘、螺桿馬達）的動力源；5、輸送巖心或巖樣、輸送孔底信息。三、鉆孔沖洗介質(zhì)的功用四、常用鉆探泥漿的種類

1、氣體——利用高壓空氣吹洗鉆孔達到清除孔底巖粉和冷卻鉆頭的目的。2、泡沫——由氣體、液體、發(fā)泡劑等組成，它除了沖洗鉆孔外，因其相對密度低，還可起減少孔內(nèi)鉆井液漏失的作用。3、泥漿——利用水泵將液體送入孔內(nèi)，起到?jīng)_洗巖粉，冷卻鉆頭，保護孔壁的作用。常用的鉆井液主要分為清水、泥漿和加有各種化學劑的水溶液等三大類，而煤田鉆探工作中常用的鉆井液為泥漿。五、對泥漿（鉆井液）的要求

由于地層巖性復雜，因此鉆進中要求泥漿（鉆井液）必需具備以下性能：1、有良好的造壁性，便于防塌保護孔壁2、有良好的堵漏、壓涌、隔水性能3、能抑制水敏巖層的水化、分散作用4、有抗鹽、鈣和粘土侵而不被污染的性能5、能抗高溫和自身不變質(zhì)的性能6、在孔內(nèi)可以攜帶巖屑和懸浮巖屑，在地面能迅速沉淀巖屑7、要有適當?shù)臐櫥裕芷饻p阻和減震作用8、可保護礦心不被溶解和污染第二節(jié)泥漿的基本原料一、基本概念組成水基泥漿的基本物質(zhì)除水之外就是粘土和各種處理劑了。粘土對于泥漿性能的影響，是一個決定性的因素。泥漿的性質(zhì)和性能主要取決于粘土微粒的礦物類型及其在水中的性質(zhì)、分散粒度的大小和分布、粘土的總含量和這些粘土微粒與處理劑的作用等。二、粘土的組成粘土是巖石經(jīng)過水、空氣、陽光和冷熱變化的多種作用，經(jīng)過若干年的變遷而形成的。粘土的粒徑大多數(shù)在2微米（1微米=0.001毫米）以下。粘土的礦物成分相當復雜，多數(shù)粘土中常含有非晶質(zhì)的膠體礦物，如蛋白石、氫氧化鐵、氫氧化鋁等，有些粘土中還有不定量的石英、長石等非粘土礦物。組成粘土的化學元素主要是鋁（Al）、硅（Si）、氧（O）、氫（H），另外還有少量的鎂（Mg）、鐵（Fe）、鈉（Na）、鉀（K）等。粘土的化學分析表明，它們的化學成分主要是二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）和水（H2O），其次還有氧化鐵（Fe2O3）、氧化鈉（Na2O）、氧化鉀（K2O）、氧化鎂（MgO）和氧化鈣（CaO）等。三、粘土礦物1、高嶺石粘土它主要由高嶺石礦物組成，其含量有時可達90%以上。其次含有多水高嶺石、伊利石等粘土礦及雜質(zhì)，顏色多為白色、淺灰色、淺黃色等。2、膨潤土粘土它又叫微晶高嶺石、蒙脫土、膠嶺土、主要由微晶高嶺石組成。顏色多為粉紅色、白色、淡黃色、淺灰色等。純微晶高嶺土礦比較少見，但它造漿性能好。3、伊利石粘土主要有伊利石（伊利水云母），還有綠海石等。含伊利石礦物為主的粘土巖。4、海泡石粘土海泡石族礦物包括海泡石、凹凸棒石、坡縷縞石等，是鋁和鎂的水硅酸鹽，其晶體構(gòu)造常為纖維狀、鏈狀和棒狀。四、粘土礦物的基本結(jié)構(gòu)特點1、硅氧四面體（Si-O）四面體每個四面體中都有一個硅（Si）原子與四個氧（O）原子（或OH原子因）以相等的距離相連，硅在四面體的中心，四個氧原子（或氫氧原子團）分別在四面體的各頂點。2、鋁氧八面體（Al-O）八面體六個氧原子圍繞一個鋁原子組成八面體結(jié)構(gòu)，即鋁在中間，鋁上面的三個氧（或氫氧）組成了一個四面體結(jié)構(gòu)，鋁的下面的三個氧（或氫氧）也組成了另一個四面體結(jié)構(gòu)。

3、高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)

高嶺石晶體由一個硅氧四面體晶片和一個鋁氧八面體晶片組成高嶺石的片狀結(jié)構(gòu)，故稱之為1:1晶體構(gòu)造型粘土礦物。這種片狀結(jié)構(gòu)在垂直方向上一層層的重疊，而在水平方向上晶層連續(xù)延伸。在每一個片狀結(jié)構(gòu)中，一面為氧層，一面為氫氧層，而氫氧具有強的極性，晶層與晶層之間容易形成氫鍵，因而晶胞之間聯(lián)結(jié)緊密，故高嶺石的分散性較差，陽離子交換容量?。痪娱g聯(lián)結(jié)緊密，水分不易進入其間，水化性能差，不易吸水膨脹，為非膨脹類型的粘土礦物，造漿性能不好。因此，它不是配制泥漿的好材料。4、蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)微晶高嶺石的晶體構(gòu)造是由兩個硅氧四面體晶片和夾在它們中間的一個鋁氧八面體晶片組成一個微晶高嶺石晶層。其中硅氧四面體的尖頂指向鋁氧八面體，鋁氧八面體晶片與上下兩層硅氧四面體晶片之間，通過共用氧原子和氫氧原子團聯(lián)結(jié)形成緊密的晶層，所以稱為2:1晶體構(gòu)造型粘土礦物。由于蒙脫石晶層上下兩個外表面皆為氧原子層，所以蒙脫石晶層與晶層之間沒有氫鍵，是以分子間力相結(jié)合的。由于晶層與晶層之間吸力小，聯(lián)結(jié)力弱，晶層之間距離較大，水分子容易進入兩個晶層之間發(fā)生膨脹，有較強的晶格取代現(xiàn)象，使晶體帶負電，且?guī)щ娦詮姡⒛芪捷^多的陽離子，有較強的離子交換能力。因此，蒙脫石水化分散性能好，造漿能力強，是配制泥漿的好材料。4、伊利石的晶體結(jié)構(gòu)伊利石的晶體結(jié)構(gòu)和蒙脫石相似，也是2:1型晶體構(gòu)造，也是由兩層硅氧四面體晶片中間夾一層鋁氧八面體晶片組成。伊利石的硅氧四面體晶片中較多的四價硅離子（Si4+）被三價的鋁離子（Al3+）取代，晶格中出現(xiàn)的負電荷由吸附在伊利石晶層表面的氧原子層中的一價鉀離子（K+）所中和。鉀離子直徑為2.66?，而晶層表面的氧原子六角環(huán)的空穴直徑為2.80?，K+離子正好嵌入氧原子六角環(huán)中。由于嵌入的K+離子的作用，將伊利石垂直方向上的相鄰二晶層拉得很緊，連結(jié)力很強，水分子不易進入其晶層之間，因此它不易水化膨脹。因此，伊利石的造漿性能不好。五、粘土遇水后的性質(zhì)

粘土在水中極易分散成細小的顆粒，形成粘土-水的懸浮液體，這時粘土顆粒就具有了表面帶電性質(zhì)、表面吸附性質(zhì)，離子交換性質(zhì)以及水化、分散性質(zhì)等。粘土的這些性質(zhì)對于研究泥漿性能及變化規(guī)律，對于研究井壁泥頁巖問題和油層中粘土的影響，粘土造漿能力的大小等問題，都具有重要意義。粘土礦物的組成和結(jié)構(gòu)不同，其遇水后的性質(zhì)也不同。六、粘土的尋找與鑒定

粘土是配制泥漿的主要原料，其質(zhì)量好壞對造漿能力和泥漿性能影響很大。過去，因使用泥漿規(guī)模較小，且對泥漿質(zhì)量要求不高，采用就地取土、稍加化學處理（甚至不處理），即用來鉆進沖孔的方法，隨著小口徑金剛石鉆進技術(shù)的推廣和鉆探領(lǐng)域的擴大，已遠不符合要求。因此，尋找好的粘土并對其進行比較、鑒定，選擇已成為鉆探的一項重要的工作。

1、粘土的尋找造漿用粘大主要是膨潤土（包括鈉質(zhì)、鈣質(zhì)）。我國目前發(fā)現(xiàn)的膨滑土礦床多屬于中、酸性火山凝灰?guī)r蒙脫石化而成，應(yīng)盡可能在火山凝灰?guī)r廣泛分布地區(qū)尋找膨潤土。我國在高陽、安丘（山東），九臺·(吉林)，黑山（遼寧），余杭（浙江），信陽（河南），三臺（四川），夏子街（新疆）等地有專門生產(chǎn)膨潤土粉的工廠。

2、粘土的鑒定（1）將粘土用水浸泡后，蒙脫石往往成為渾濁的懸浮體；而高嶺石往往分散為碎塊，上部液體仍為清水。（2）好的粘土用水潤濕，可搓成直徑為0.5毫米粗細的長條而不拆斷。用手捻搓泥條，有滑膩的感覺而無砂粒存在。（3）用濃度為5％的鹽酸（HCl）檢驗粘土中是否含有碳酸鈣。將鹽酸滴在土塊上，若冒氣泡則表示粘土中含有碳酸鈣（CaCO3）。七、粘土的造漿試驗

造漿率——以每噸干粘土粉（含水量不大于10％）能配制成表觀粘度為15mPa.s合格泥漿的立方米數(shù)。（單位m3/噸土）。優(yōu)質(zhì)鈉膨潤土造漿率可達15m3／噸土以上；鈣膨潤土要差許多，但用純堿改性處理為鈉土后，造漿率仍可較高。劣質(zhì)土（高嶺土）的造漿率非常低，只有3方左右。八、鉆探用水鉆進時沖洗液（清水、泥漿、乳狀液……)都要用到水（空氣沖洗除外），水質(zhì)對沖洗液影響是很大的。自然界中的水中含有不同數(shù)量的鈣、鎂、鈉、鉀的碳酸鹽、重碳酸鹽；硫酸鹽和氯化物、氧化物等。它們能溶于水中，呈離子狀態(tài)存在。如水中存在高價陽離子較多，對泥漿和乳狀液均有很大影響。因此，使用前最好能對水質(zhì)進行分析及處理。影響較大的是水的總礦化度和水的硬度。水的總礦化度——水中離子、分子和各種化合物的總含量稱為水的總礦化度。通?？梢悦可?05～110℃烘干時所得千涸殘渣重量來表示。（見P245）水的硬度——一般指水中鈣、鎂離子及其它雜質(zhì)的含量。標準是：1升水中含有氧化鈣1／150克為一度。（見P245）

配置泥漿、乳狀液時最好采用軟水。第三節(jié)泥漿的處理及其處理劑一、泥漿的處理為了使泥漿能適應(yīng)鉆進各種地層的要求，要對泥漿進行處理，主要是進行化學處理。這種處理工作包括:——造漿時的初步處理，使新配泥漿的性能達到鉆進的要求：——其次是在鉆進過程中對泥漿性能進行調(diào)節(jié)而需要作的補充處理。

初步處理主要是通過加入化學藥劑幫助粘土顆粒分散或適度絮凝，配制出各種性能指標都合乎要求的不同類型的泥漿；

補充處理主要是加入化學處理劑調(diào)節(jié)泥漿性能以適應(yīng)鉆進過程中地層變化的需要。泥漿性能的調(diào)節(jié)主要包括：降低泥漿失水量、增加或降低泥漿粘度和切力、增加或降低泥漿比重、絮凝、乳化、發(fā)泡、消泡、調(diào)節(jié)PH值、增加潤滑性和防卡減阻、防腐蝕、殺菌、增加表面活性、去鈣……等處理工作。正確使用化學處理劑來改善和控制泥漿性能，是順利鉆進復雜地層、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高速鉆進的重要措施。二、泥漿處理劑及其作用原理

1、無機處理劑及其作用原理

（1）分散或絮凝作用（2）調(diào)節(jié)泥漿PH值

（3）增加有機處理劑的溶解或水解

（4）其它作用如無機凝膠堵漏，抑制鹽層溶解等等。2、常用無機處理劑

(1)碳酸鈉，又名純堿，加入泥漿能增加粘土的水化和分散性。常用于粘土改性和硬水軟化，配制泥漿時，其加量按土質(zhì)量的百分比計算。(2)氫氧化鈉，又名燒堿、火堿，易溶于水，常用于調(diào)節(jié)泥漿pH值和調(diào)整控制有機處理劑特性。(3)石灰，生石灰是CaO，吸水后變成熟石灰Ca(OH)2，石灰可提供Ca＋＋，配合稀釋劑和降失水劑進行鈣化處理，配成對泥頁巖防塌性能較好的鈣處理泥漿。(4)氫氧化鈣，又名熟石灰、消石灰。能與水配制成石灰乳。常用于配制鈣處理泥漿，可防泥頁巖分散和防微漏失。(5)氯化鈣(CaCl2)，它比石灰石膏的溶解度大得多，故可用來配制防塌性能較好的高鈣泥漿。

(6)磷酸鈉，主要用作泥漿稀釋分散劑，也可將其用于除鈣或增粘。3、有機處理劑的作用原理

有機處理劑是目前廣泛應(yīng)用于泥漿處理。有機處理劑品種要比無機處理劑多得多，而且其作用也是多方面的，主要有：分散穩(wěn)定、絮凝、發(fā)泡、消泡、乳化、潤滑減阻，抑制泥頁巖水化、膨脹、抑制水敏地層的坍塌，抑制對鉆具的腐蝕、殺菌等作用。從其對泥漿性能調(diào)節(jié)方面看，可用來降低泥漿失水量，降低泥漿粘度和切力（稀釋作用）或增加泥漿粘度和切力（增稠作用），增加泥漿潤滑性等。（1）使粘土分散和穩(wěn)定的作用（2）絮凝作用（3）乳化作用（4）發(fā)泡和消泡作用（5）潤滑減摩作用（6）其它作用（防止鉆具腐蝕、防多糖處理劑發(fā)酵、抗鹽，抗鈣、抗高溫等）

4、常用有機處理劑

稀釋劑

(1)丹寧酸鈉(NaT)，(磺化產(chǎn)品為SMT)，是一種稀釋(降粘)劑。由丹寧粉和氫氧化鈉按一定比例加水配制而成。加入泥漿主要起稀釋(降低粘度、切力)作用，增加泥漿的流動性；同時有一定的降失水作用。

(2)栲膠堿液(NaK)，(磺化產(chǎn)品為SMK)，也是一種泥漿稀釋劑。栲膠因丹寧含量少，屬粗制丹寧的物質(zhì)，故處理泥漿效果不及丹寧堿液。

(3)鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽(FCLS)，簡稱鐵鉻鹽。它具有比丹寧和栲膠強的多的抗鹽、抗鈣、抗溫能力。常作為淡水泥漿、鹽水泥漿和鈣處理泥漿的稀釋劑，降低泥漿的粘度和切力。

降失水劑

(1)鈉羧鉀基纖維素(Na-CMC)，是一種抗鹽、抗鈣能力強的降失水劑具有降失水，增粘等主要作用。

(2)煤堿劑：(主要成分是腐植酸鈉，常用NaHm，KHm)，煤堿劑在降失水的同時也有稀釋作用，作稀釋劑的煤堿劑一般比降失水用的煤堿劑配得稀一些。

(3)水解聚丙烯腈(HPAN)，它是一種很好的非分散性失水劑。也有絮凝作用，其分子量較小，分子鏈還不夠長，因而絮凝作用不大。

(4)野生植物膠類，把這種物質(zhì)磨成粉后，極易溶于水中，0.5～1％的溶液就具有較大的粘度。

絮凝劑

聚丙烯酰胺(PAM)，是一種高分子聚合物絮凝劑。產(chǎn)品有全絮凝劑(PAM)和部分選擇性絮凝劑(即HPAM或PHP)之分。通過加堿處理方法可以使PAM轉(zhuǎn)化為PHP。加入泥漿對粘土、巖粉等顆粒可分別起到保護和選擇性絮凝作用，是配制低固相不分散聚合物泥漿和無固相沖洗液的主要原料?！?CH2—CH)x—(CH2—CH)y—||CONH2 COONa

酰胺基（吸附基） 羧鈉基（水化基）

5、惰性物質(zhì)及其它材料

(1)泥漿加重劑，如重晶石粉(又稱硫酸鋇)，是目前最好的泥漿加重材料，主要用來提高泥漿的密度。

(2)泥漿堵漏材料，分別有纖維狀、片狀、粒狀材料。如：石棉纖維、碎云母片、棉子殼及各種果殼等。加入泥漿循環(huán)，可達到堵塞鉆孔漏失通道。

(3)無機惰性增粘劑，如膨潤土粉、鈣鎂石棉(蛇紋石石棉)纖維等，可作為增粘劑用于提高淡水或鹽水泥漿的粘度，增加攜帶、懸浮巖粉能力。

(4)無機潤滑材料，加入泥漿可降低泥皮摩擦系數(shù)。如二硫化鉬(MoS2)、石墨粉第四節(jié)泥漿基本性能及其測定泥漿性能是泥漿物理化學性質(zhì)的反映，泥漿主要性能有：——泥漿的比重和固相含量；——泥漿的粘度；——泥漿的觸變性和靜切力；——泥漿含砂量；——泥漿的失水和造壁性；——泥漿的PH值；——泥漿的膠體率和穩(wěn)定性；——泥漿的潤滑性和泥皮的粘滯性等。一、泥漿的比重和固相含量

1、泥漿的比重泥漿比重是指泥漿重量與同體積水的重量之比。它的大小主要取決于泥漿中固相（粘土、巖粉、加重劑等）的濃度和固相比重的大小。泥漿比重大小應(yīng)針對不同地層進行調(diào)節(jié)。如：涌水地層、易坍塌地層，可適當提高泥漿比重來壓涌防塌；而鉆進漏失層時，則要降低泥漿比重，其目的在于調(diào)節(jié)液柱的壓力平衡。提高泥漿比重可加入重晶石粉等加重劑，降低泥漿比重則可采用充氣發(fā)泡的方法。在正常鉆進中，應(yīng)盡可能采用比重較低的低固相泥漿。隨著泥漿比重降低，鉆速可以提高。據(jù)有關(guān)資料介紹，泥漿中固相含量每降低1％，鉆速至少可以提高10％左右。特別是泥漿中存在小于1微米以下的粘土顆粒較多時，對鉆速影響很大。比重測定的方法常用1002型泥漿比重秤。密度的測定

泥漿的密度是單位體積泥漿的質(zhì)量。實際測量泥漿密度時，可不考慮溫度的影響。密度用符號r表示。測量泥漿密度的方法很多，現(xiàn)場一般用密度秤來進行測量。泥漿密度秤如下圖所示。測量前應(yīng)先校正密度秤是否準確，其方法是在泥漿杯內(nèi)倒?jié)M清水，蓋好蓋，移動游碼，看密度是否在為1的位置上，再增減調(diào)重管內(nèi)的重物，使之達到水平為止。測量時把要測量的泥漿倒人泥漿杯中蓋好蓋。把橫梁的刀口放在支架的刀口座內(nèi)，調(diào)整游碼使其水平，游碼左側(cè)在秤桿上所指示的刻度值，即為泥漿密度。2、泥漿的固相含量

泥漿固相含量是指泥漿中所含的有用和無用固相顆粒總量的百分數(shù)（多用體積百分數(shù)表示，少用重量比）。

泥漿固相含量對鉆進速度影響很大，要求固相含量應(yīng)盡量降低，對于低固相泥漿，固相含量一般應(yīng)小于4％。（如圖所示）泥漿固相含量的測定通常采用ZNG型固相含量測定儀二、泥漿的粘度

泥漿的粘度是指泥漿流動難易程度的指標。泥漿流動時，液體分子之間、固體顆粒之間以及液體與固體顆粒之間具有內(nèi)摩擦力，抵抗泥漿的流動。泥漿內(nèi)摩擦力的大小可用粘度來示。粘度的大小對鉆進影響很大：適當?shù)恼扯瓤梢栽黾討腋r粉的能力。粘度過大，影響泥漿中巖粉的沉淀，含砂量增多，加劇鉆具磨損；水泵工作困難，泵壓增高，排量搏小，鉆頭處形成泥包現(xiàn)象，影響鉆進效率，起下鉆時易發(fā)生抽吸或壓力激動，以至引起漏、噴、塌等孔內(nèi)事故。粘度過小，裂隙地層易發(fā)生漏失，不利于防漏，攜帶巖屑困難，孔內(nèi)較大的巖屑不易排出，停泵時即下沉，容易造成埋鉆?，F(xiàn)場測量泥漿粘度使用1006型漏斗式粘度計最為簡便，這雖然是一種間接的、不夠精確的測量方法，但因其快速易行，現(xiàn)場使用很廣泛。漏斗粘度的單位是“秒”。

粘度的測定：方法一（漏斗粘度）

測定的方法是：先用手指堵住漏斗下面的小管口，并用專用量筒量出500mL的和200mL的泥漿倒入漏斗中，然后同時打開秒表和放開手指，讓泥漿流入容量500mL的量筒內(nèi)，待流滿500mL后立即停表，所需的時間即為該泥漿的粘度。標準的漏斗粘度計，測量清水時(與測泥漿粘度同)應(yīng)為15秒，若大于或小于15秒，說明該粘度計不標準。在使用不標準的粘度計測量泥漿粘度時，泥漿的實際粘度應(yīng)按公式進行換算。

現(xiàn)場一般常用漏斗粘度計測量泥漿的相對粘度(又稱為視粘度和表觀粘度)。野外標準漏斗粘度計結(jié)構(gòu)如下圖所示。粘度的測定：方法二（旋轉(zhuǎn)粘度）

旋轉(zhuǎn)粘度計的工作原理是利用內(nèi)圓筒和外圓筒的回轉(zhuǎn)造成的流速梯度，使內(nèi)外圓筒之間的泥漿受到剪切應(yīng)力，并以和外筒或內(nèi)筒相連接的扭力彈簧或鋼絲的扭轉(zhuǎn)角來反映回轉(zhuǎn)時摩擦阻力的大小，即泥漿粘度的大小。目前用得最多的是外筒轉(zhuǎn)內(nèi)筒不轉(zhuǎn)的范氏粘度計。該儀器的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)比較復雜，但使用簡單方便，能直接讀數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖所示。采用旋轉(zhuǎn)粘度計，只要直接讀取600轉(zhuǎn)／分、300轉(zhuǎn)／分、200轉(zhuǎn)／分、100轉(zhuǎn)／分、6轉(zhuǎn)／分、3轉(zhuǎn)／分的讀數(shù)；再用換算公式計算，就能測量出某種泥漿表觀粘度、塑性粘度、動切力、稠度系數(shù)、流性指數(shù)等有關(guān)流變參數(shù)的大小。

=表觀粘度:ηA=

600/2（mPa·s）塑性粘度:ηp

=600－300（mPa·s）動切力:0

=0.511（300－ηp)（Pa）

流性指數(shù)：n=3.322lg（600/300）稠度系數(shù)：K=（0.511×300）/511n

（Pa·sn）三、泥漿的觸變性和靜切力

泥漿是懸浮體，各粘土顆粒處在不同的狀態(tài)，在運動過程中，它們互相推動著，當其表面活動中心相接觸時，就彼此粘著在一起形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。觸變性——泥漿在攪動時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就被破壞，流動性增加，而在靜止時又重新形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種可逆的變化過程，可以出現(xiàn)無限次，這種特性稱為泥漿的觸變性。這是泥漿在鉆進中重要性能之一，很符合鉆探對泥漿的要求。因為泥漿在流動時變稀，就可以用較小的泵壓或功率而維持其循環(huán)，同時鉆桿在孔內(nèi)高速回轉(zhuǎn)時，還可以減少回轉(zhuǎn)阻力，在地面循環(huán)凈化時巖粉也容易沉落在泥漿槽底。但是一旦循環(huán)停止時，由于泥漿處在靜止狀態(tài)中，在內(nèi)部馬上形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以起懸浮巖粉的作用，避免大量巖粉聚沉而造成埋鉆事故。觸變性能大小，用靜止不同時間后的靜切力來表示。靜切力——就是泥漿靜止時，受外力影響而開始流動所需最小力，單位是：Pa（過去的單位是：達因/CM2）。靜切力即表示泥漿結(jié)構(gòu)的強度，其值大小與靜止時間有關(guān)，靜切力隨著靜止的時間增大而增加，懸浮巖粉能力也增大，能有效地攜帶巖粉。過大，則水泵泵壓升高，耗費功率大；返回泥漿中的巖粉不易沉淀、清除，影響泥漿質(zhì)量。泥漿切力的測定采用此法測量時先取500mL泥漿攪勻后立即倒人泥漿杯內(nèi)，隨即將浮筒沿刻度標尺套人并輕輕接觸泥漿液面，然后讓其自由下降，待靜止時，便可從浮筒上端面與標尺相對應(yīng)的刻度值讀出泥漿的初切力。取出浮筒，擦凈浮筒內(nèi)外粘著的泥漿再將泥漿杯中的泥漿充分攪勻。讓其靜止10min后，仍按上述方法即可測出泥漿的終切力。1、浮筒切力計測定法使用該儀器測量切力時，應(yīng)注意的事項為：標尺一定要保持垂直，浮筒一定要保持干凈、完整，浮筒與泥漿面接觸時一定要輕，要讓其自由下落。

測量靜切力時：先用600r／min的高速攪拌泥漿，然后靜置10秒，再用3轉(zhuǎn)／分鐘的速度轉(zhuǎn)動外筒，得到最大讀數(shù)乘以5倍即為初切力，單位為10-5N／cm2。同理，按上述方法測定靜置10min讀數(shù)乘以5倍為終切力。

2、旋轉(zhuǎn)粘度計測定法四、泥漿的含砂量

泥漿含砂量是指泥漿中不能通過200目篩孔（200孔／英寸），即直徑大于0.74毫米（74微米）的砂子所占泥漿體積的百分數(shù)。危害：含砂量高時對水泵（如：缸套、活塞、閥門及座等）鉆具和鉆頭的磨損都很嚴重；在孔壁上形成的泥皮厚而疏松易發(fā)生泥皮脫落埋鉆；當沖洗液循環(huán)中斷時，易發(fā)生砂子沉淀造成埋鉆。因此，過去規(guī)定泥漿含砂量不能大于4％。對于小口徑金剛石鉆進來說，現(xiàn)在的要求是含砂量最好小于1％。因此，在鉆進過程中，必須做好泥漿除砂與凈化工作。含砂量的測定現(xiàn)場測定泥漿含砂量多用ZHN型含砂量測定儀，亦可用1004型含砂量測定儀，前者為篩析法，后者為沉降法。

測定方法是：在玻璃量筒中裝入20～40mL泥漿，加入適量的清水，用手蓋住筒口，用力搖晃，使泥漿和水充分混合，然后將混合液倒入過濾筒內(nèi)，反復用水沖洗過濾，直至通過篩網(wǎng)的液體清澈透明為止，此時篩網(wǎng)上留下的全是不能通過200目篩網(wǎng)的砂。將漏斗套在過濾筒上，慢慢翻過來，插入玻璃筒，再用清水將篩網(wǎng)上附著的砂子全部沖到玻璃量筒里，最后待砂子全部沉底后，將讀數(shù)代人下式，即可得出含砂量數(shù)值：

ZHN含砂量測定儀五、泥漿的失水和造壁性

由于孔壁巖層有一定的孔縫或小裂隙，因此．在鉆孔內(nèi)循環(huán)的泥漿在壓力差（即孔內(nèi)泥漿柱壓力大于地層壓力）作用下，泥漿中的自由水會通過孔壁而往巖層流動，這種現(xiàn)象稱為泥漿的失水。在泥漿失水的同時，泥漿中的粘土等固體顆粒沉積在孔壁上，形成一層泥皮，這就是泥漿的造壁性，如圖所示。如果泥漿中粘土細顆粒較多，所形成的泥皮薄而致密，失水?。ㄈ鐖Da所示）；反之，如粗顆粒多，所形成的泥皮厚而疏松，則失水大（如圖b所示。）影響泥漿失水量的因素很多，主要與造漿粘土礦物的類型、粘土的水化和分散度、壓差的大小、泥皮松散或致密等因素有關(guān)。若采用優(yōu)質(zhì)粘土造漿，水化性能好，分散度高，泥皮致密，泥漿失水量小；反之，泥漿失水量會增大。泥漿失水的三種狀況瞬時失水——即鉆頭破碎巖石形成新孔底的瞬時失水（又稱孔底失水）。這種失水所占比重小影響不大。動失水——即泥漿循環(huán)過程中的孔壁失水。這種失水開始較大，而后由于泥皮的形成與破壞保持動平衡狀態(tài)后，失水便逐漸平衡下來。

泥漿在環(huán)狀空間上返速度越高，泥皮被沖刷破壞越厲害，動失水量也會增加。而沖刷程度是與上返速度的平方或正比的。特別是小口徑金剛石鉆進中，上返速度達1.5～3.5米／秒，泥皮被沖毀，動失水增加很快。靜失水——指泥漿停止循環(huán)時孔內(nèi)泥漿的失水。由于無沖刷力影響，泥皮會逐漸變厚，失水會隨之減小。

在鉆進中要求使用失水量小，造壁性好的泥漿，孔壁泥皮致密，對保護孔壁和增進孔壁穩(wěn)定性有利、若失水量太大，在孔內(nèi)易形成厚泥皮，泥頁巖地層容易產(chǎn)生地層吸水膨脹，造成孔壁垮塌、掉塊或縮徑，嚴重者會引起下鉆遇阻、卡鉆，發(fā)生孔內(nèi)事故，影響安全高效鉆進。測量泥漿失水量的標準（API）儀器為ZNS型氣壓式泥漿失水量儀。1009型泥漿失水量儀已淘汰。

泥漿失水量要求：一般控制在B<15mL／30min(0.7MPa壓力)泥皮厚度要求：<2mm。失水量和泥皮厚度的測定六、泥漿PH值

PH值的大小反映出泥漿酸堿性的強弱。

——PH值為7時，泥漿為中性；——PH<7，泥漿呈酸性，值越小，酸性愈強；——PH>7，泥漿呈堿性，且PH值越大，堿性愈強。泥漿PH值對泥漿性能有很大影響，也是泥漿進行化學處理的重要條件之一。一般情況下，泥漿PH值應(yīng)控制在8～10之間；即呈微堿性。酸堿性不適合，往往使泥漿的粘度、切力、失水量等性能不合要求，而且酸堿性過強，容易腐蝕鉆具，對人的皮膚也有傷害。目前現(xiàn)場測定泥漿PH值多用廣泛PH試紙測試七、泥漿的膠體率和穩(wěn)定性

泥漿膠體率——是粗略表示泥漿中粘土顆粒分散和水化的程度。泥漿靜置24小時后，常常會析出清水，成為上部清水下部泥漿的兩層。以下層泥漿體積占總體積的百分數(shù)來表示泥漿的膠體率。測量泥漿膠體率的方法是：將100ml泥漿倒入100ml量筒中，然后用玻璃片蓋上，靜置24小時，觀察量筒上部澄清液的體積，如果上部沒有澄清液體析出，則泥漿的膠體率為100％，如果上部出現(xiàn)的澄清液體為2ml，則泥漿膠體系為98％。一般要求泥漿膠體率應(yīng)達95％以上。1、膠體率2、穩(wěn)定性泥漿穩(wěn)定性——表示泥漿中粘土顆粒分散的均勻程度。分為沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。泥漿穩(wěn)定性主要指沉降穩(wěn)定性。測定穩(wěn)定性的方法是：泥漿放入特制的穩(wěn)定測定儀中，靜置24小時，將測定儀上塞閥打開，把中部泥漿放出。然后，分別測量上、下兩部分泥漿的比重。用上、下兩部分泥漿比重差來表示泥漿的穩(wěn)定性。一般規(guī)定，比重差值小于0.02才合格。

泥漿的潤滑性和泥皮的粘滯性的好壞，對鉆進工藝關(guān)系很大。特別是小口徑金剛石鉆進中，由于鉆具與孔壁之間環(huán)狀間隙很小，如果泥漿潤滑性不好或泥漿粘滯性大，使鉆進實現(xiàn)不了高轉(zhuǎn)速，還容易發(fā)生卡鉆事故。當泥漿中加入石墨粉，乳化劑、專用潤滑劑時，就可改善泥漿的潤滑性，降低摩擦阻力。八、泥漿的潤滑性和泥皮的粘滯性第五節(jié)各種類型的泥漿泥漿類型是隨著鉆探生產(chǎn)的發(fā)展而產(chǎn)生、發(fā)展與不斷完善的。類型——由細分散的淡水泥漿發(fā)展到粗分散的鈣處理泥漿和鹽水泥漿，進而出現(xiàn)了不分散低固相泥漿，以及無粘土沖洗液；體系——由水基泥漿發(fā)展到油基泥漿；種類——由淺孔泥漿至深孔、地熱井泥漿，適用于特殊情況的乳化泥漿、泡沫泥漿和適應(yīng)金剛石鉆探特點的泥漿類型。一、細分散泥漿

細分散泥漿是最早使用的一種泥漿類型。是由淡水，·粘土和一般處理劑(主要作用為分散及降失水)配制而成的一種普通泥漿。這種類型的泥漿配制方便，處理劑用量少、成本低，并能滿足一般鉆進的要求，因而在鉆探施工中仍然得到廣泛的應(yīng)用。此類泥漿的特點是粘土在水中能進行高度分散，用較好的粘土造漿具有粘度低、失水量小、含砂量少、容易進行化學處理、造漿性能強。細分散泥漿最大的弱點卻是經(jīng)不起粘土侵、鹽侵和鈣侵等影響。二、粗分散泥漿(鈣處理泥漿、鹽水泥漿)

1、概述

粗分散泥漿——是指粘土顆粒較粗的分散性泥漿。粗分散泥漿是用無機絮凝的方法對粘土顆粒進行適度絮凝變粗，同時加入有機護膠劑維持分散的體系。目前采用的鈣處理泥漿和鹽水泥漿，都屬于這一類型的泥漿。

粗分散泥漿是在細分散泥漿基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。當用有機處理劑處理的淡水細分散泥漿鉆進鹽，鈣侵地層時，發(fā)現(xiàn)泥漿性能并無變壞的現(xiàn)象，仍能保持泥漿的穩(wěn)定和分散，而且這類泥漿能夠抗鹽、鈣，粘土的侵污。人們便逐漸發(fā)展到有意識地在泥漿中加入鈣鹽或鈉鹽，同時加入有機處理劑，配成粗分散泥漿，用于鉆進易發(fā)生鈣、鹽或粘土侵的地層。例：粗分散體系——鈣處理泥漿的特點

（1）鈣處理泥漿中一定含有適量的Ca離子，才可使細分散泥漿的粘土顆粒進行適度絮凝變成粗分散狀態(tài)。

（2）控制鈣處理泥漿的PH值很重要。對石灰泥漿，一般PH值控制在11左右．才能使泥漿性能保持穩(wěn)定。

（3）鈣處理泥漿必須用稀釋劑和降失水劑進行處理。一是拆散因鈣離子作用所形成較大、較強的粘土絮凝結(jié)構(gòu)，使泥漿中的粘土顆粒處于適度絮凝狀態(tài)；二是保護粘土顆粒使它保持適度絮凝的尺寸。2、典型煤田鈣處理泥漿（1）黑龍江東榮煤田使用鈣處理泥漿后，較好地解決了沖積層的護壁問題，改善了泥漿的流變性。下表是鉆進不同巖層時的鈣處理泥漿配方及性能：地層巖性及特點泥漿配方（kg/m3）泥漿性能TγBPHG第四系由流沙、粘土、卵石組成，含砂量大、易塌孔石灰3栲膠堿液3～10CMC1～324～251.15～1.181.5～2.09～10<5%第三系半膠結(jié)泥巖、粉砂巖、礫石，造漿嚴重，縮徑栲膠堿液5～10CMC2加石灰水調(diào)整20～221.10～1.151.0～1.29～10<3%侏羅系粉砂巖、砂巖火燒層、斷層帶、破碎、掉塊、漏水栲膠堿液3～5CMC3加石灰水與燒堿調(diào)整19～211.10～1.151.0～1.39～10<3%（2）河南修武——武涉煤田普查勘探區(qū)為解決黃河故道鉆進中的護孔難題，在室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，使用CaCl2—PHP—KHm相配合的適度絮凝的鈣處理泥漿，有很好的護壁作用，且流變性好，攜砂能力強。泥漿配方（kg/m3）泥漿性能γT(s)B(mL)H(mm)PHηA(mPa·s)ηp(mPa·s)τ0（Pa）τ0/ηpnK粘土130CaCl20.5‰Na2CO39.1KHm4PHP0.2‰1.072370.599.28.50.70.0820.890.19三、不分散低固相（聚合物）泥漿

1、概述不分散低固相泥漿主要由淡水（也有用鹽水或海水的）、膨潤土、化學絮凝劑和降失水劑配制而成，造漿的粘土必須選用優(yōu)質(zhì)膨潤土。一可保證有較高的造漿率，二可擴大優(yōu)質(zhì)粘土顆粒與巖粉（包括劣質(zhì)粘土）之間表面性質(zhì)的差異，有利于選擇性絮凝的進行。不分散低固相泥漿具有以下優(yōu)點：

——提高機械鉆速。固相含量低，比重小，機械鉆速提高。

——潤滑性能好。保證了高轉(zhuǎn)速鉆進，提高了鉆速和鉆頭壽命。

——泥漿流變性好，攜帶巖粉能力強，孔底干凈，設(shè)備機具磨損小。

——護壁性能好。高分子聚合物在孔壁能形成薄而堅韌的泥皮，能防止復雜地層的坍塌掉塊。

——減輕了對環(huán)境和人畜的污染?！滔嗪康凸?jié)約了大量的粘土，減輕了粘土的運輸工作量。

——提高了鉆探效率，降低鉆探成本約30～40％。

由于這種泥漿具有很多優(yōu)點，它在鉆探中得到越來越廣泛的應(yīng)用。2、典型煤田不分散低固相（聚合物）泥漿

(1)PHP—CMC泥漿PHP—CMC泥漿是煤田地質(zhì)鉆探最初使用的聚合物泥漿。它是用羧甲基纖維素作護膠劑，水解聚丙烯酰胺作絮凝劑配制而成的。這種泥漿具有配制簡單，適應(yīng)性強、性能可調(diào)范圍大等特點。

(2)PHP—HPAN泥漿這種泥漿在煤田地質(zhì)鉆探中簡稱為雙聚泥漿，即聚丙烯酰胺—聚丙烯腈泥漿，具有粘度低、失水量小、流變性好和護壁能力強等特點，而且可有效地控制泥漿中地固相含量。雙聚泥漿配方（kg/m3）泥漿性能γT(s)B(mL)PH值膠體率（％）粘土粉＋H2O+Na2CO3＋HPAN＋PHP＝50＋1000＋3＋5（1/10濃度）＋5～10（1％濃度）1.03～1.0421～238.5～107.5～8.597～100

(3)CPAN—KHm泥漿這是由聚丙烯腈鈣鹽與腐植酸鉀相配伍組成的泥漿。江西煤田226隊在江西萍鄉(xiāng)黃塘煤田勘探區(qū)使用CPAN—KHm泥漿,事故率下降到0.5%，純鉆時間利用率為45％，煤心采取率達94％。泥漿配方（kg/m3）泥漿性能γT(s)ηA(mPa·s)ηp(mPa·s)τ0（Pa）B膨潤土＋Na2CO3＋KHm＋CPAN＋H2O＝60＋3.6＋1＋1＋10001.0420～216～85～70.2～0.610～16(4)KP共聚物泥漿KP共聚物是一種復合型泥漿處理劑，它由PHP、KHm、CMC和表面活性劑等組成，使用起來比較方便，并且具有多功能效果。由于KP共聚物中PHP成分含量較低，在造漿嚴重的巖層中鉆進時，還要加一定數(shù)量的PHP。泥漿配方（kg/m3）泥漿性能T(s)γB（mL）H（mm）PH值τ0（Pa）ηp(mPa·s)（基漿）膨潤土粉68Na2CO32.4211.0422190.56.5基漿＋KP1.5‰281.04110.790.4512.5基漿＋KP1‰＋PHP0.1‰321.04110.791.712.5四、其他類型泥漿其它類型泥漿有：——乳化泥漿——鹽水泥漿——泡沫泥漿——地熱井泥漿——無固相沖洗液等第六節(jié)常用泥漿的配制一、泥漿基漿的配制1、基漿的配制基漿也稱普通泥漿，由粘土和水配制而成，是一種成分最簡單的泥漿類型，也是配制各種不同成分泥漿類型的基礎(chǔ)。也稱為原漿。用化學處理劑處理就可以改變其性能。2、配制基漿的計算（1）粘土量：配制一定密度的泥漿所需的粘土量計算原理：泥漿質(zhì)量＝粘土質(zhì)量+水質(zhì)量式中：W土——配制一定泥漿所需粘土量（公斤）；

r土——粘土的密度；一般r土=2300～2500公斤/立方米；

V漿——所需配制的泥漿量（立方米）；

r漿——泥漿的密度（公斤/立方米）。例：

要求配制2立方米密度為1.1g／cm3的基漿

1、按上列公式計算出所需粘土粉和水的質(zhì)量；2、并按粘土質(zhì)量的4％～6％稱取Na2C03；3、先將水和粘土粉分別倒人攪拌機內(nèi)進行攪拌，攪拌時間約為30min；4、再將稱好的Na2C03倒入泥漿中，充分攪拌后，靜止24小時，使粘土充分預水化。5、測試基漿的密度和粘度以及其它性能，最后取出樣品作泥漿性能測定，符合要求后即可使用。注意：若需要再作其它化學處理，可按攪拌機容量加入相應(yīng)的泥漿處理劑。二、細分散泥漿的配制

細分散泥漿是由淡水、粘土和一般處理劑配制而成。最好采用鈉膨潤土造漿。如用鈣膨潤土造漿時，必須用純堿處理，還要陳化24小時，可以起到對粘土改性——即：改鈣膨潤土為鈉膨潤土的目的。反應(yīng)式如下：

Ca粘土＋Na2CO3——2Na粘土＋CaC03純堿的加量一般為粘土的4％～6％，最好通過試驗確定。對水質(zhì)的要求是采用礦化度低的軟水，如用礦化度高的硬水，則需預先進行軟化處理。

注：1、用燒堿處理鈣粘土泥漿，降失水效果不好，主要是除鈣效果不好；2、許多細分散泥漿，只加堿處理所得泥漿性能是不能滿足鉆進要求的，必須進一步加入有機降失水劑、稀釋劑或增粘劑等；

3、對一些氫質(zhì)土加純堿處理降失水效果不好，而加燒堿處理則效果好。三、常用的細分散泥漿細分散泥漿中往往加有無機處理和有機處理劑。依所加處理劑的不同類的泥漿，常用的有如下幾種：

1、纖維素泥漿（也稱CMC泥漿）一般配方是在1m3基漿中先加0.3kg燒堿，然后加2~3kgCMC。此種泥漿具有較高的粘度，失水量低，在復雜地層中鉆進，能有效地保護孔壁。

2、栲膠泥漿

一般配方是1m3基漿中先加1kg燒堿，再加5～10kg栲膠堿液，泥漿特點是粘度、切力低、流動性好、護壁性能好，有利于深孔鉆進。

3、鐵鉻鹽泥漿一般配方是1m3基漿中加3~4kg鐵鉻鹽。泥漿流動性好，能有效地防止孔壁坍塌。

四、不分散低固相泥漿的配制不分散低固相泥漿的固相(包括粘土和巖屑)含量小于4％(以體積計)。不分散是指泥漿中無用的固相(劣質(zhì)土、巖粉等)不加分散劑加以分散，而是采用選擇性絮凝劑(水解聚丙烯酰胺)并配合機械分離法及時加以絮凝和清除，而泥漿中有用的固相(如搬土)始終保持最低含量，這種泥漿也稱為聚丙烯酰胺(PAM)不分散低固相泥漿。常用的有以下幾種類型：

1、基本型配制聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿的要點是必須先對泥漿中的有用固相（粘土）進行護膠，一般是在基漿中加入CMC來實現(xiàn)。方法是按基漿體積的0.3%加入CMC，攪拌20~30分鐘使其充分溶解。再按所配泥漿體積加入100～300ppm的水解度為30％的水解聚丙烯酰胺（PHP），攪拌20~30分鐘使其充分溶解。

注：不同泥漿中添加PHP的具體量一定要通過試驗確定

2、雙聚泥漿

在1m3基漿中加入水解度為50％、濃度為8.7％的水解聚丙烯腈(HPAN)10kg，分子量為300萬、水解度為30％、濃度為1％的水解聚丙烯酰胺(PHP)1kg。此種泥漿可用于一般松軟和水敏性地層鉆進。

3、聚丙烯酰胺——腐殖酸鉀泥漿

在1m3基漿中，加入0.3%的護膠劑CMC充分攪拌，再加入200ppm的部分水解聚丙烯酰胺(PHP)，再加入腐殖酸（KHM）20～40kg。此種泥漿可用于水敏性膨脹剝落地層鉆進。

4、聚丙烯酰胺——氯化鉀泥漿配方

在1m3基漿中，加入0.3%的護膠劑CMC充分攪拌，再加入100~300ppm水解度為30％的部分水解聚丙烯酰胺(PHP)，再加入3～5％的KCl。此種泥漿主要用于解決水敏性地層的坍塌孔段。

1、必須對造漿粘土進行護膠處理，防止加入聚丙烯酰胺后出現(xiàn)泥漿全部絮凝；2、必須對聚丙烯酰胺的合適加量進行現(xiàn)場試驗；3、泥漿粘度降低時，不得隨意加粘土提粘；4、泥漿失水量增大時，不可用其他分散劑；

5、泥漿動塑比失調(diào)時禁止任意用加粘土的辦法調(diào)節(jié)；6、使用低固相泥漿應(yīng)配備泥漿凈化設(shè)備。

為了使泥漿性能適應(yīng)各種地層的鉆進要求。必須經(jīng)常對泥漿進行維護處理（除砂和添加處理劑），以保持泥漿性能滿足鉆進要求。五、不分散低固相泥漿使用注意事項

第七節(jié)泥漿性能的調(diào)節(jié)當泥漿中的固體含量相同時，所加的固體相對密度越大，則泥漿的相對密度也越高。因此，一般是采用在泥漿中加入一定數(shù)量的加重劑的方法來提高泥漿的相對密度；或是加入分散性差的劣質(zhì)粘土和含沙量少的黃土來提高泥漿的相對密度。采用加入加重劑來提高泥漿相對密度，可使泥漿相對密度大幅度提高(最高可達到2.0)，而泥漿粘度提高不大。采用增加粘土來提高泥漿相對密度時，泥漿相對密度提高不大，一般達1.2~1.4左右，而泥漿粘度有較大提高。具體采用哪種方法，可根據(jù)地層情況來選擇。一、提高泥漿密度的方法

二、降低泥漿密度的方法1、適當減少泥漿中的粘土含量；2、勤撈砂，加強泥漿的凈化處理或者利用振動篩和旋流除砂器除砂；3、加入一定量的化學絮凝劑（如PAM等），使泥漿中的粘土顆粒聚沉，以降低密度。

三、提高和降低泥漿粘度1、提高粘度的方法(1)增加粘土含量，提高粘土分散度；如：加強機械攪拌和增加分散劑等。(2)適當加入增稠劑進行提高粘度；如：Na-CMC、野生植物膠、鉆井粉等。2、降低粘度的方法(1)加清水稀釋降低泥漿中固相含量，但要配合使用降失水劑；(2)加入有機稀釋劑；如：鐵鉻鹽(FCLS)、丹寧堿液(NaT)、栲膠堿液(NaK)等。

四、降低泥漿失水量的方法1、增加泥漿中粘土含量，提高泥漿中粘土顆粒的濃度。2、提高粘土在水中的分散和水化程度，方法有：(1)加入適量的Na2C03或NaOH進行處理；(2)加入適量的有機高分子降失水劑；如：Na-CMC、水解聚丙烯腈、聚丙烯酸鈉等。

泥漿中pH值過高或過低，會使泥漿性能變壞；同時也容易腐蝕鉆具、設(shè)備，也會對人的皮膚造成傷害。泥漿的pH值一般控制在7～9以內(nèi)，在金剛石鉆進中，通常使用PAM不分散低固相泥漿，其pH值應(yīng)控制在8～8.5之間。當pH值過高而泥漿性能變壞時，可加入適當?shù)奈灞蹲臃?、栲膠粉或褐煤粉；也可用三氯化鐵、三氯化鋁、硫酸鋁降低泥漿的pH值。當pH值過低而泥漿性能變壞時，可用Na2C03、NaOH、多磷酸鈉等提高泥漿的pH值。五、泥漿pH值的調(diào)節(jié)

第八節(jié)泥漿的侵污和處理

鉆進粘土層、泥巖層和含有粘土礦物的地層時，粘土變?yōu)閹r粉侵入泥漿，在不斷的循環(huán)運動中，粘土礦物逐漸水化、膨脹，分散得越來越細，使泥漿變得越稠，甚至流不動，這種現(xiàn)象稱為泥漿的粘土侵。所用泥漿的粘度、切力增加，密度和含砂量上升，泥皮增厚，泥漿流動性差，開泵困難，孔內(nèi)阻力增大，甚至造成鉆孔縮徑等現(xiàn)象，這些都易造成孔內(nèi)事故。粘土侵的處理方法：可根據(jù)泥漿發(fā)生粘土侵的程度進行加水稀釋；用丹寧堿液、栲膠堿液及鐵鉻鹽等減稠劑(也稱為稀釋劑)進行處理；如果效果不好時，則對泥漿進行鈣處理。一、粘土侵

鉆進砂層或含砂質(zhì)巖層時，大量細砂侵入泥漿，破壞了泥漿的性能，這種情況叫砂侵。處理泥漿砂侵的方法是：用丹寧堿液或鐵鉻鹽降低泥漿的粘度和切力，采用振動篩及旋流除砂器對泥漿進行凈化處理；或采用先用水稀釋泥漿后除砂，再提高泥漿粘度及切力的方法，但必須注意孔內(nèi)安全，應(yīng)分批逐步替出孔內(nèi)泥漿；

二、砂侵

鉆進含水層時，由于泥漿密度小，所形成的孔內(nèi)液柱壓力小于含水層壓力時，就會出現(xiàn)含水層的水侵入泥漿，這種現(xiàn)象叫水侵。水侵會使泥漿稀釋，粘度、切力、密度下降，失水量增加。

水侵處理方法：調(diào)節(jié)泥漿密度，使液柱壓力大于含水層壓力，一般用加粘土來提高泥漿密度，樣粘度和切力也可能得到恢復；如果密度差太大時，可用重晶石粉來增加泥漿密度，同時還應(yīng)加入增稠劑如鉆井粉、CMC、香葉粉等來提高泥漿粘度及切力，目的是以懸浮重晶石粉。若是鹽水浸時，除加大泥漿密度外，一般是對泥漿進行鈣處理或鹽處理。三、水侵

四、可溶性鹽的污染當鉆進巖鹽層、石膏層、芒硝層和水泥充填物時，這些鹽類混入和溶解于泥漿中，破壞泥漿性能，發(fā)生鹽侵、石膏侵、芒硝侵和水泥侵，這些統(tǒng)稱為可溶性鹽類對泥漿的污染。可溶性鹽侵的共同點是使泥漿的粘度、切力失水量、泥皮厚度都上升，pH值大多數(shù)都下降，只有水泥侵時pH值上升?？扇苄喳}侵引起泥漿性能變化的主要原因是由于出現(xiàn)了Ca+2、Mg+2等離子。這些離子在泥漿中與粘土進行離子交換吸附，使粘土顆粒表面雙層壓縮，粘土顆粒水化膜變薄，結(jié)果使粘土顆粒凝結(jié)形成結(jié)構(gòu)或聚沉。在可溶性鹽類(或膏鹽層)鉆進時，比較有效的措施是采用鈣處理泥漿或鹽水泥漿作沖洗液。

第九節(jié)泥漿的凈化與現(xiàn)場管理一、泥漿的配制方法

泥漿的配制可采用分散配制和集中配制兩種方式。由于多數(shù)情況是鉆機分散施工，因此，用分散配制的較多。如果鉆機較集中，可采用泥漿供應(yīng)站集中供應(yīng)泥漿，用管道或水罐車送到各機場使用。分散配制泥漿，可根據(jù)消耗量的大小，分別采用人力攪拌和機械攪拌。若淺孔鉆進，泥漿消耗量較小時，可用人力攪拌；若深孔鉆進時，泥漿用量很大，應(yīng)用機械攪拌。機械泥漿攪拌機可分為臥式和立式兩種。臥式泥漿攪拌機比較笨重，搬運不方便。立式泥漿攪拌機結(jié)構(gòu)簡單、輕便。一般攪拌速度為80～100轉(zhuǎn)／分鐘。

二、泥漿的凈化與現(xiàn)場管理在鉆進過程中，巖粉(屑)不斷進入泥漿內(nèi)，使泥漿比重、粘度和含砂量等增加。因此，必須及時進行除砂凈化工作，否則，將加速水泵和鉆具的磨損，影響鉆孔沖洗效果，嚴重時會導致孔內(nèi)事故的發(fā)生。最簡單的凈化措施是經(jīng)地表的泥漿循環(huán)槽、沉淀箱除砂后，再進入水源箱中。這是利用重力作用原理，巖粉及其固體雜物隨泥漿慢慢流動時，在重力作用下，從泥漿中沉淀出來。泥漿槽的寬度一般為300毫米，高度為200～250毫米，長度視孔深而定，一般長12～20米不等。泥漿槽應(yīng)有一定坡度，一般為1／80～1／100，這樣可使泥漿在槽中保持15～18厘米／秒的流速。泥漿槽中每隔1.5～2米應(yīng)裝有一塊擋板，以造成局部渦流。這樣，泥漿流動時其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，便于巖粉沉淀下來。泥漿槽可用地面挖溝或用鐵板、木板、塑料板制成。泥漿槽上最好有遮蓋。

為了清除較細的巖粉，可采用旋流除砂器。由于巖粉的重量大于泥漿粘土顆粒的重量，在離心力的作用下，巖粉很快下沉。從孔內(nèi)返回的泥漿在一定的壓力作用下從側(cè)面切線方向以9～12米／秒的流速，進入圓筒體后，在離心力的作用下，產(chǎn)生旋流運動破壞了泥漿的結(jié)構(gòu)，使較粗的固相顆粒從泥漿中分離出來，沿筒壁迅速沉淀至錐體下部，并由排砂嘴排出。由于離心力比重力沉砂的能力要高幾百倍，除砂效果良好，可以清除20微米左右的顆粒。因此，應(yīng)推廣使用。

二、泥漿的凈化與現(xiàn)場管理此外，還可采用震動式泥漿篩來除砂。泥漿通過篩網(wǎng)流入泥漿槽里，巖粉則留在篩面上。由于震動篩的架子有一定的坡度(150左右)，在篩子跳動時，巖粉從篩網(wǎng)上滑下去，使泥漿達到凈化的目的。

第二部分鉆孔堵漏技術(shù)

內(nèi)容提要一、水泥漿護壁堵漏技術(shù)二、隨鉆堵漏技術(shù)1.高分子聚合物+惰性材料堵漏

2.凍膠泥漿堵漏

3.石灰乳泥漿堵漏

4.專用堵漏材料堵漏

5.干性堵漏材料堵漏6.粘土水泥球堵漏第一節(jié)水泥漿護壁與堵漏地質(zhì)勘探中護壁堵漏對水泥漿的性能要求：——流動度大，流動性好；——凝結(jié)時間適當（即：初凝時間適當、初終凝間隔愈短愈好）；

——早期強度高，后期強度持續(xù)增長；

——膠結(jié)性好；

——不透水性；

——抗腐蝕性強；

——體積安定性好；注：多用452號以上的硅酸鹽水泥或?qū)Ｓ盟嘁?、水泥的基本知識1、水泥——凡細磨材料在加入適量水后，成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等顆粒狀材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料，通稱為為水泥。2、硅酸鹽水泥——凡以適當成分的生料，燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量的石膏并磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥。3、普通硅酸鹽泥——凡由硅酸鹽水泥熟料，少量混合材料，加入適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥，簡稱普通水泥。注意：當硅酸鹽水泥中摻入的混合材料超過普通硅酸鹽水泥中含量時，則硅酸鹽水泥的名稱前應(yīng)冠以所摻混合材料的名稱。按所摻的成分不同命名，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥。（一）水泥的定義與分類1、標號——水泥在標準條件下（溫度20±3℃、濕度>95％）養(yǎng)護28天的抗壓強度值。2、常用硅酸鹽水泥的標號：硅酸鹽水泥：425、525、625三個標號；普通水泥：225、275、325、425、525、625六個標號；礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥：225、275、325、425、525五個標號；注：（1）按照新標準，水泥的抗壓強度值采用MPa，相應(yīng)的水泥標號改為：

22.5、27.5、32.5、42.5、52.5、62.5等；

（2）為了區(qū)別，各種水泥還使用了代號：如：普通水泥：P?O；礦渣水泥：P?S；火山灰水泥：P?P；粉煤灰水泥：P?F；（二）水泥的標號1、水泥的原料：石灰質(zhì)原料——提供CaO

粘土質(zhì)原料——提供SiO2、Al2O3、Fe2O3校正原料——鐵粉、高鐵粘土2、水泥的生產(chǎn)：“兩磨一燒”（三）水泥的生產(chǎn)二、水泥熟料礦物的主要特性與作用1、硅酸二鈣——2CaOSiO2（簡寫：C2S）2、硅酸三鈣——3CaOSiO2（簡寫：C3S）3、鋁酸三鈣——3CaOAl2O3（簡寫：C3A）4、鐵鋁酸四鈣——4CaOAl2O3Fe2O3（簡寫：C4AF）（一）水泥的主要熟料礦物

名稱

對水泥性能的影響強

度

發(fā)

展水

化

熱

耐

腐

蝕

能力反應(yīng)速率

早期

后

期C3S

快

快

快

中較強C2S

慢

慢

快

小強C3A

最快

快

慢

大弱C4AF

較快

慢

較快

小強（二）熟料礦物的主要特性與作用1．硅酸三鈣硅酸三鈣是硅酸鹽水泥熟料中的主要礦物，其含量通常在50％以上，有時可高達60％左右。

特性：具有水化快、水化放熱量大、強度發(fā)展比較快、早期強度高的特點。硅酸三鈣的強度增長率較大，如28天的硅酸三鈣強度可達到它1年強度的70～80％，就28天或1年強度來說，四種熟料礦物中硅酸三鈣最高。

作用：是決定水泥強度的主要礦物。2．硅酸二鈣硅酸二鈣也是硅酸鹽水泥熟料中的主要礦物之一，通常其含量為20％左右。

特性：硅酸二鈣水化極慢，水化熱較低，早期強度很小，但對水泥后期強度起重要作用，一年后強度增長可與硅酸三鈣相當。此外，硅酸二鈣耐化學侵蝕性和干縮性較好。

作用：是決定水泥后期強度的主要礦物。3．鋁酸三鈣

特性：鋁酸三鈣水化最快，能放出大量熱，水化熱最高，如不加石膏緩凝，易使水泥速凝。它的強度增長很快，一天內(nèi)就具有強度，三天就能大部分發(fā)揮出來，但速值不高，以后幾乎不再增長，甚至倒縮。但鋁酸三鈣耐化學侵蝕性差，特別是抗硫酸鹽性能差，干縮性大。

作用：是決定水泥凝結(jié)速度的主要礦物。4．鐵鋁酸四鈣

特性：鐵鋁酸四鈣的早期水化速度高于硅酸三鈣，后期水化速度次于硅酸二鈣，能放出較高的水化熱，后期強度增加緩慢，且耐化學侵蝕性好、干縮性小。

作用：對水泥的抗折強度和耐磨性起重要作用。三、硅酸鹽水泥的主要技術(shù)性能1、細度——80μm方孔篩篩余量不大于10％。2、比重與容重——一般是3.0～3.15之間。3、凝結(jié)時間初凝時間——從水泥加水到開始失去塑性的時間。終凝時間——從水泥加水到完全失去塑性并開始產(chǎn)生強度的時間。4、體積安定性5、水泥的強度、標號、強度等級強度——按照標準檢驗方法測得的水泥28天的抗壓強度值。標號——水泥在標準條件下養(yǎng)護28天的抗壓強度值。強度等級——水泥強度值用國際單位制表示的水泥等級。6、流動度四、硅酸鹽水泥的幾種主要性能測定方法1、流動度2、凝結(jié)時間3、抗壓強度五、水泥漿液的配制1、水灰比（m）及其計算注：1、水灰比大，水泥漿的流動度大，初凝和終凝時間長，有利于灌注和深孔段的泵送，但水泥結(jié)石強度低。

2、水灰比小，水泥漿的流動度小。初凝終凝時間短，水泥漿結(jié)石的強度高。但不適應(yīng)于深孔泵送。

3、水灰比的大小，應(yīng)根據(jù)所需護壁或堵漏的孔段的深淺，孔內(nèi)狀況與要求、灌注的方法以及水泥的質(zhì)量等因素來決定。一般情況下，普通硅酸鹽水泥的水灰比為0.4～0.5。

4、夏季氣溫高，水泥質(zhì)量好，水灰比可稍大些，反之水灰比應(yīng)小。

2、計算一定體積水泥凈漿所需的水泥量和水量（1）灌注孔段所需水泥凈漿用量（V）式中:V——灌注孔段所需水泥漿用量（升）；

D——灌注孔段直徑（分米）

H——灌注孔段長度（分米）

K——附加系數(shù)（包括超徑、漏失、地面損耗等因素）一般K＝1.8（2）配制1升水泥凈漿所需的干水泥重量式中:q——配制1升水泥凈漿所需的干水泥重量（公斤/升）

γ水泥——水泥密度

γ水——水的密度

m——水灰比

2、計算一定體積水泥凈漿所需的水泥量和水量

（3）灌注孔段所需水泥用量式中:Q水泥——配制體積為V的水泥漿所需水泥重量（公斤）；

q——配制1升水泥漿所需的干水泥重量（公斤/升）

（4）灌注孔段所需用水量式中:Q水——配制體積為V的水泥漿所需水量（公斤）；

m——水灰比例題：為治理孔壁坍塌，需采用水灰比為0.5水泥凈漿灌注孔徑為?91的孔段50米，求所需的干水泥和水的用量。

（孔壁破碎K=2.5；γ水泥=3.15;γ水=1)

解：1、先求出灌注50米孔段所需水泥凈漿體積：

V=0.785KD2H=0.785×2.5×0.912×500=812.57（升）

2、再求配制1升水泥凈漿所需干水泥重量：

（公斤/升）

3、求灌注50米孔段所需干水泥用量：

Q水泥=q×V=1.22×812.57=991.33（公斤）

4、求配制相應(yīng)水泥凈漿所需水量：Q水=m×Q水泥=0.5×991.33=495.67（公斤）

六、水泥外加劑（添加劑）

水泥外加劑——凡是加入水泥當中，能顯著改善水泥性能，一般加量不大于水泥重量5%的化學物質(zhì)。常用的水泥外加劑有：1、減水劑：緩凝性——M型、MF、

標準型——NNO、FDN、

促凝型——SM、DL-12、早強劑：氯化鈣（CaCl2）、氯化鈉（NaCl）、

硫酸鈉（Na2SO3）、三乙醇胺3、緩凝劑：石膏、酒石酸鈉、糖蜜、亞硫酸紙漿廢液4、速凝劑：紅星一型、“711”、芙蓉牌等5、水泥——水玻璃混合漿液七、水泥漿灌注工藝1、主要灌注方法

水泵灌注法——此法成敗的關(guān)鍵再也是否按規(guī)定的水灰比配漿，以及注入孔內(nèi)的水泥漿是否被稀釋。

管柱灌注法——只能用于孔內(nèi)無水或地下水位很低的情況，以及孔內(nèi)沒有阻礙的情況。

灌注器灌注法——是一些借助于灌注器的特殊的灌注方法。2、灌注前的準備工作

1、地面準備(1)利用各種探測方法摸清孔內(nèi)復雜地層的類型、構(gòu)造特征、巖性特點(如破碎坍塌程度、孔隙、裂縫)，溶洞的漏失層結(jié)構(gòu)及漏失程度，含水層情況以及涌水程度，以確定灌注孔深，漿液用量，灌注方法等。

(2)根據(jù)灌注方法和要求，選用水泥品種和外加劑，并進行室內(nèi)水泥性能試驗，選定合理配方。

(3)灌注前應(yīng)準備好并檢查灌注系統(tǒng)各部件(動力機、水泵管線、鉆具，灌注器等)的工作可靠性，避免和消除灌注過程中的各種故障。

(4)進行灌注漿量、替水量的計算，確保所用材料(水，水泥、外加劑等)配齊夠用。

2、孔內(nèi)準備

(1)通過分析、判斷、確定封堵孔段位置。

(2)進行掃孔、沖孔，保證孔底和充填孔段清潔干凈，需中部灌漿應(yīng)作好架橋工作。(3)丈量鉆具，校正孔深。(4)測定孔內(nèi)靜，動水位。3、水泵灌注法水泵灌注法的基本操作過程為：（1）鉆具下到預定深度距孔底約0.3~0.5m左右時，先泵入清水檢查鉆桿內(nèi)部確實暢通；（2）將水泵蓮蓬頭放入水泥漿桶內(nèi)泵送水泥漿；（注意：開泵時應(yīng)先打開水泵回水管，將吸水管及水泵中的清水排出，噴漿后再將水泥漿送入孔內(nèi)。）（3）水泥漿泵吸完成后，立即將蓮蓬頭放人準備好的替漿水桶中，開泵替漿。為了使孔底返流均勻，替漿時可適當慢轉(zhuǎn)鉆具。4、替漿壓水量的計算必須高度重視替漿！替漿的壓水量應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)水位高低，以達到孔內(nèi)液柱壓力平衡為原則，按下式進行