鉆孔沖洗及護(hù)壁堵漏培訓(xùn)課件

鉆孔沖洗及護(hù)壁堵漏培訓(xùn)課件概述一、概念鉆孔沖洗是鉆井的三大基本工序之一。各種類型的泥漿，是解決復(fù)雜巖層鉆進(jìn)的主要手段。要優(yōu)質(zhì)高效地完成鉆井任務(wù)，必須掌握鉆孔沖洗的有關(guān)工藝技術(shù)。1、鉆孔沖洗液的作用鉆孔沖冼是讓沖洗介質(zhì)在孔內(nèi)連續(xù)或定期的循環(huán)。由于沖洗使用的介質(zhì)主要是用液體，因此常稱沖洗液。它在孔內(nèi)的循環(huán)，稱為鉆孔沖洗。1、鉆孔沖洗液的功用(1)清洗孔底和攜帶巖粉鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的大量巖屑，如不及時(shí)沖離孔底，排出孔外，會(huì)造成孔底巖屑的重復(fù)破碎，影響鉆進(jìn)效率，增加磨損，甚至燒鉆、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。沖洗液攜帶巖粉到地表需要一定的上返速度，一般要求大于0.35m／s。(2)冷卻鉆頭與潤滑鉆具鉆頭碎巖時(shí)與巖石摩擦產(chǎn)生大量的熱如不及時(shí)冷卻，鉆頭將因高溫改變性能，失去碎巖能力，嚴(yán)重的會(huì)造成鉆頭與孔底巖屑和巖石燒結(jié)在一起的燒鉆事故。對于金剛石鉆進(jìn)，鉆頭的冷卻尤為重要。潤滑鉆具是指潤滑鉆頭、鉆桿和巖心管，減少它們與巖石之間的摩擦，降低摩擦功耗，延長鉆具的壽命。(3)護(hù)壁與堵漏：當(dāng)鉆井鉆穿巖層時(shí)，孔壁往往不穩(wěn)定。為維護(hù)孔壁穩(wěn)定，需采用具有護(hù)壁效能的沖洗液；沖洗液可平衡地層壓力，阻止坍塌掉塊；同時(shí)，不斷地形成具有一定強(qiáng)度的泥皮，增加孔壁的完整性，使孔壁穩(wěn)定。堵漏是指在地層涌、漏水時(shí)，選用相應(yīng)的泥漿、水泥漿、化學(xué)漿液，或采取其它措施，減輕或堵住涌、漏通道，保證沖洗液正常循環(huán)。(4)其它功用特殊情況下，沖洗液還可以起到:破碎孔底巖石-石油鉆井中的高壓噴射鉆井中，沖洗液直接破碎巖石，一些沖洗液對某些巖石能產(chǎn)生降低硬度的作用，有利于鉆頭碎巖；傳遞動(dòng)力，螺桿鉆、渦輪鉆、液動(dòng)沖擊器等孔底動(dòng)力鉆進(jìn)都是依靠沖冼液實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞；輸送巖礦心到地表，反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)利用沖洗液的循環(huán)，將巖礦芯連續(xù)不斷地通過鉆桿內(nèi)孔輸送到地表；傳遞孔底信息。2、鉆探對沖洗液的要求①類型與性能符合地層要求；完成沖洗孔底、冷卻鉆具、護(hù)壁的基本任務(wù)；性能應(yīng)在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)地層變化。②使用時(shí)能抵抗各種外界干擾，性能基本穩(wěn)定。外界干擾包括各種鹽侵、鈣侵、粘土侵、水泥侵和溫度升高等影響。③沖洗液對施工地區(qū)周圍環(huán)境不產(chǎn)生污染或很小污染，不腐蝕鉆具和設(shè)備。所用沖洗液對巖樣的溶蝕與污染小，不污染油、氣、水層，不影響其自然滲透率。④在施工地區(qū)使用品質(zhì)穩(wěn)定、材料來源方便、經(jīng)濟(jì)合理、配置方法與工藝簡單。3、沖洗液的類型：清水；泥漿；飽和鹽溶液；乳化液；高壓空氣。含煤地層較復(fù)雜，多用泥漿為沖洗液。泥漿性能，對開展小口徑鉆進(jìn)和繩索取心鉆進(jìn)十分重要。泥漿為水、粘土、化學(xué)處理劑及一些惰性物質(zhì)的混合體。粘土是常用的主要固相成分，其顆粒大多小于2μm，具有帶電、吸附、離子交換、水化分散、觸變或絮凝等性能。水有淡水、礦化水之分，不同的水配制的泥漿具有不同的性能。為了使泥漿具有鉆進(jìn)工藝所要求的各種性能，還需加入一些無機(jī)和有機(jī)的處理劑。泥漿是以粘土顆粒為分散相，水為分散介質(zhì)的復(fù)雜分散體系。分散體系可分為粗分散體系、分子離子分散體系和膠體分散體系。依據(jù)分散相和分散介質(zhì)的不同，泥漿可分成三大類型（水基泥漿，乳化泥漿，油基泥漿）。2.泥漿性能及測定一、相對密度相對密度：指某一物體的重量與4℃時(shí)同體積純水的重量之比。①泥漿相對密度的大小取決于泥漿中固相的含量及液相中可溶鹽的數(shù)量，同一種固相泥漿，其相對密度隨固相含量的增加而增加。②水的相對密度為1。在正常條件下，泥漿相對密度要盡可能低些，這對提高鉆效有利。③測量泥漿相對密度的儀器類型很多，常用的有比重計(jì)和比重秤兩種。二、粘度泥漿粘度是泥漿作相對流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦阻力。以一定體積的泥漿通過給定孔徑時(shí)所需的時(shí)間來表示。①選擇泥漿的粘度是以攜帶和懸浮巖粉的能力、鉆進(jìn)速度、鉆孔滲漏情況、沉砂及除砂效率而定。②一般在粘土層和非含煤地層可用粘度為18~20s的泥漿；在含煤地層及容易坍塌、掉塊的地層中鉆進(jìn)時(shí)，則應(yīng)使用粘度為25~30s的泥漿。③為保證將孔底巖粉全部攜帶到地面，泥漿粘度應(yīng)盡量小一些為好。④粘度計(jì)流過清水的時(shí)間是15s，如不是，按下式換算：泥漿粘度=15×500ml泥漿流出的時(shí)間（s）|500ml清水流出的時(shí)間（s)三、含砂量指泥漿中大于74μm的砂子占泥漿體積的百分?jǐn)?shù)。①使用含砂量大的泥漿往往會(huì)加速水泵零件的磨損；②大量砂子沉淀易造成埋鉆事故；③孔壁上形成的泥皮厚而松散，也易發(fā)生泥皮脫落而埋鉆；④一般含砂量不應(yīng)大于4%。四、鉆井液的濾失性能及造壁性能1、概念（1）濾失（失水）：鉆進(jìn)液中的自由水，在壓力差的作用下向孔壁巖石的裂隙和孔隙中滲透的現(xiàn)象。在一定時(shí)間內(nèi)滲入地層中的水分多少稱為泥漿的失水量。（2）造壁：鉆進(jìn)液失水時(shí)，隨著鉆井液中的自由水進(jìn)入巖層，鉆井液中的固體（粘土）顆粒便附著在孔壁上形成濾餅，稱為鉆井液的造壁性。性能2、孔內(nèi)鉆井液的失水全過程（1）初失水：從鉆頭破碎孔底巖石形成新的自由面開始，鉆井液接觸到新的自由面，其中的自由水便向巖石孔隙中滲透，直到鉆井液中的固相顆粒及高聚物在孔壁上開始出現(xiàn)濾餅，這段時(shí)間的失水稱為初失水，也稱瞬時(shí)失水。（2）動(dòng)失水：在初失水之后，鉆井液在循環(huán)過程中繼續(xù)失水，濾餅不斷增厚，直至濾餅增厚的速度與被沖刷下來的速度相平衡，濾餅不再增厚而繼續(xù)失水，這段時(shí)間的失水，稱為動(dòng)失水。（3）靜失水：停止循環(huán)時(shí)，鉆井液僅在靜液柱壓力和地層壓力之差的作用下發(fā)生的失水，稱為靜失水。（4）失水全過程：停止循環(huán)時(shí)，隨著靜失水的發(fā)生泥餅逐漸增厚，單位時(shí)間內(nèi)的失水量逐漸減小；鉆井液繼續(xù)循環(huán)時(shí)，失水現(xiàn)象由靜失水轉(zhuǎn)為動(dòng)失水。周而復(fù)始。泥皮厚度：泥漿在失水過程中，粘土顆粒被留在孔壁上，在泥漿柱的壓力作用下，孔壁上形成一層泥皮的厚度。在松散和易膨脹巖層中鉆進(jìn)，如使用失水量大的泥漿會(huì)造成孔壁坍塌、掉塊、或縮徑，或因泥皮厚而松散發(fā)生泥皮脫落等不良后果。一般要求泥漿失水量不超過30ml／30min(用專門氣壓式失水儀測定)。五、靜切力和觸變性觸變性：泥漿靜止時(shí)，粘土顆粒兩端水化薄膜互相粘結(jié)，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稠化成膠狀物質(zhì)。當(dāng)再進(jìn)行攪拌或振蕩時(shí)，又恢復(fù)原有的流動(dòng)性，這種性質(zhì)稱為泥漿的觸變性。靜切力：要使靜止?fàn)顟B(tài)的泥漿開始運(yùn)動(dòng)，破壞單位面積網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力，稱為靜切力。①一般規(guī)定，靜止1min后測得的靜切力，稱為初切力；靜止10min后測得的靜切力，稱為終切力。泥漿觸變性能好壞，以終切力和初切力的差來表示。差值越大表示觸變性能越好。②一般要求泥漿的靜切力在0.98～3.92Pa。③泥漿靜切力的測量一般采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。我國目前常用ZNN-D6型高速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，其轉(zhuǎn)筒有６個(gè)轉(zhuǎn)速；3、６、100、200、300、600r/min。Ｔ初＝0.5×φ3讀數(shù)（lmin);T終＝0.5×φ3讀數(shù)（l0min)式中：Ｔ初、T終——泥漿的初切力和終切力；φ3讀數(shù)——粘度計(jì)在３r/min時(shí)的讀數(shù)六、膠體率及穩(wěn)定性膠體率：靜止鉆井液（泥漿）經(jīng)過24h后，分離出來的水量與體積的百分比，即為泥漿的膠體率。膠體率是選擇造漿粘土的重要指標(biāo)，正常泥漿的膠體率不得低于96%。七、酸堿度（ph值）：表示泥漿中含酸、堿的程度，也是影響泥漿性能的重要指標(biāo)。泥漿在堿性范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，一般要求ph值為8~10，ph值過高，易腐蝕鉆具。ph值的測定采用比色法。八、濾餅粘滯性：衡量鉆進(jìn)過程中鉆具回轉(zhuǎn)與升降時(shí)受濾餅阻尼的特性。濾餅粘滯性大時(shí)往往造成起鉆困難或形成粘附卡鉆事故。濾餅粘滯性可用濾餅粘附系數(shù)測定儀測定。第三節(jié)煤田鉆探常用泥漿的配制及化學(xué)處理配制泥漿前應(yīng)對粘土和水進(jìn)行化驗(yàn)和鑒定，泥漿配制常用機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，泥漿化學(xué)處理劑的品種也越來越多，煤田鉆探中常用的幾種如下：一、鈣離子控制劑鉆孔沖洗及護(hù)壁堵漏作用：使泥漿中粘土顆粒表面吸附的離子產(chǎn)生交換，將鈣基泥漿轉(zhuǎn)化為鈉基泥漿，以改善粘土的水化與分散程度，并沉淀泥漿中過多的鈣、鎂離子。品種：純堿（NaCO3)和燒堿（NaOH）用量：與粘土和水質(zhì)相關(guān)，需經(jīng)小型實(shí)驗(yàn)而定。二、降失水劑作用：降低泥漿的失水量，提高粘度品種：（1）煤堿劑（代號NaC）用量：一般為泥漿體積的10%~30%。（2）羧甲基纖維素（CMC)由纖維素經(jīng)燒堿處理后，再與一氯乙酸反應(yīng)而成的，為高、中、低粘度三類，一般用中粘度。（3）硝基腐植酸堿劑用煤與硝酸反應(yīng)后，用燒堿溶液中和至ph值為9~10，即為硝基腐植酸堿劑。其降失水量作用比煤堿劑和羧甲基纖維素都要強(qiáng)。（4）鉻制劑屬非離子型有機(jī)化學(xué)處理劑。在泥漿中，鉻制劑不離化，而是以絡(luò)合狀態(tài)吸附在粘土顆粒表面，形成牢固的保護(hù)膜，并帶有強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水化層，促使粘土顆粒高度分散，不易聚結(jié)下沉，故有良好的減稠稀釋效果。在泥漿中加入0.1%~0.5%的鉻制劑，能使泥漿保持較好的穩(wěn)定性。（5）鉻木素是一種非離子型親水處理劑，具有抗污染能力強(qiáng)，稀釋減稠效果好，觸變性好，失水量小，熱穩(wěn)定性好，加入量一般為0.1%~0.5%。三、稀釋劑又叫減稠劑或降粘劑，主要作用降低泥漿粘度和切力，改善流動(dòng)性，常用有三種：鐵鉻鹽；單寧堿液；栲膠堿液四、絮凝劑用于絮凝、聚沉、消除泥漿中過多的固體顆粒，使膠體粒子凝聚成不同程度的粗分散或非分散狀態(tài)。同時(shí)，還能防止或減輕水敏地層的水化不穩(wěn)定性和抑制地層自然造漿。目前常用的絮凝劑有兩種：（1）聚丙稀酰胺（PAM)（2）醋酸乙烯酯-順丁烯二酸共聚物第四節(jié)復(fù)雜巖層及其護(hù)壁堵漏復(fù)雜巖層：鉆進(jìn)過程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的鉆孔坍塌、掉塊、漏失、涌水、井噴、膨脹、縮徑等復(fù)雜情況。凡出現(xiàn)上述情況的巖層，通稱復(fù)雜巖層。一、對復(fù)雜巖層的分析判斷及其技術(shù)處理1、分析判斷在鉆孔開孔前，應(yīng)根據(jù)勘探區(qū)的地層、巖性、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，在鉆探施工設(shè)計(jì)中，對可能發(fā)生或?qū)?huì)發(fā)生復(fù)雜情況的孔段、位置有明確的指示及預(yù)防處理措施。1）對鉆孔坍塌、掉塊與縮徑的分析判斷二、對復(fù)雜巖層的分析判斷及其技術(shù)處理1、分析判斷當(dāng)鉆進(jìn)過程中遇到這樣的復(fù)雜孔段時(shí)，要注意觀察各種異?，F(xiàn)象和發(fā)生異常時(shí)的準(zhǔn)確深度，動(dòng)力機(jī)及鉆機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，泥漿性能的變化，水量消耗，巖心變化，水泵壓力的變化及提鉆后、下孔前孔內(nèi)水位的變化情況等。這些都是對復(fù)雜情況進(jìn)行分析判斷的重要資料。同時(shí)，還要作好原始記錄。（1）對鉆孔坍塌、掉塊與縮徑的分析判斷①松散孔隙地層，堅(jiān)硬的構(gòu)造裂隙地層，含粘土礦物的泥頁巖、片巖、千枚巖以及煤系地層鉆進(jìn)時(shí)，若泥漿性能調(diào)節(jié)不好，則往往出現(xiàn)掉塊與坍塌現(xiàn)象。②在鉆進(jìn)松散的流砂礫石地層時(shí)，有時(shí)會(huì)因泥漿質(zhì)量不好而發(fā)生坍塌埋鉆事故。在鉆進(jìn)時(shí)，若孔內(nèi)發(fā)生坍塌，水泵壓力及泥漿的含砂量相對密度都會(huì)增高，在這種情況下不要停泵，以免造成埋鉆事故。因升降鉆具而發(fā)生坍塌，常表現(xiàn)為阻力大、鉆具下不到底。嚴(yán)重的孔壁坍塌，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的孔內(nèi)埋鉆事故。③掉塊是出現(xiàn)鉆具擠夾征兆，如回轉(zhuǎn)鉆具阻力大，動(dòng)力機(jī)工作不太正常，致使提鉆具困難。但水泵工作正常，返水也正常。若在地層傾角比較大的節(jié)理裂隙地層中鉆進(jìn)時(shí)，升降鉆具如有阻留現(xiàn)象，往往是發(fā)生卡鉆事故的征兆。出現(xiàn)這種情況多為孔壁上有活動(dòng)石塊造成。當(dāng)?shù)魤K使鉆具在中途遇阻，并經(jīng)活動(dòng)鉆具仍下不去時(shí)，則需要開車，把掉塊慢慢掃到孔底。④在水敏性地層鉆進(jìn)時(shí)，地層因吸水膨脹而使鉆孔直徑變小。鉆進(jìn)及升降鉆具阻力大，泥漿比相對密度、粘度增大，出現(xiàn)蹩泵現(xiàn)象。⑤當(dāng)鉆孔發(fā)生歪斜時(shí)，有些情況與上面提到的現(xiàn)象有相似之處，因此要根據(jù)情況綜合分析判斷，得出符合實(shí)際的結(jié)論。（2）對鉆孔漏失的分析判斷鉆孔的涌水及漏失，多是由內(nèi)因造成的。鉆孔漏失量的大小，不僅取決于漏失通道的大小，最重要的是決定于地下水的壓力與鉆孔中液柱的壓差，地下水位越低，漏失量越大。在鉆進(jìn)過程中，原始報(bào)表上提供的水文地質(zhì)觀測資料，是判斷鉆孔漏失層位準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行判斷：①巖層結(jié)構(gòu)：當(dāng)鉆孔發(fā)生漏失后，首先對取出的巖心進(jìn)行分析，觀察接近孔底的巖心是否有松散、裂隙、節(jié)理發(fā)育或溶蝕現(xiàn)象及其完整程度。-在鉆進(jìn)中初次發(fā)生漏失往往在孔底；聯(lián)系水文地質(zhì)情況，分析靠近孔底這一層位的巖性是否含水層、漏失層、破碎帶等；若開始時(shí)沖洗液是優(yōu)質(zhì)的，中途泥漿性能變壞，如失水量增大，粘度變小等，這種情況的出現(xiàn)，會(huì)使上部容易產(chǎn)生漏失或曾經(jīng)產(chǎn)生過漏失的孔段再次發(fā)生漏失。②鉆進(jìn)過程：如果鉆進(jìn)過程中突然出現(xiàn)漏失，并且鉆進(jìn)速度加快或鉆具墜落，則應(yīng)考慮是否遇到了破碎帶、大裂隙或大溶洞。③孔內(nèi)水位：根據(jù)動(dòng)態(tài)水位和穩(wěn)定水位情況來大致判斷漏失部位--在不含水地層中發(fā)生孔底漏失時(shí)，孔內(nèi)沒有穩(wěn)定水位，即所謂全孔漏失。在含水的漏水層中發(fā)生孔底漏失時(shí)，若漏水層為非含水層，穩(wěn)定水位在漏失層之下；若為含水層，則穩(wěn)定水位可能在漏失層之上，也可能在漏失層中。2、技術(shù)處理（1）膠結(jié)和堵塞法①用水泥、各種化學(xué)漿液、粘土等具有粘結(jié)性的材料，來膠結(jié)孔壁破碎巖石和堵塞巖石裂縫孔洞，達(dá)到護(hù)壁和堵漏的目的。②根據(jù)不同地層選用不同的泥漿類型，是鉆孔護(hù)壁和堵漏的基本措施。③對較大的裂隙或孔洞，可往各種漿液中加入填充料，如石塊、砂子、植物纖維等進(jìn)行堵塞，以減少流失通道斷面。④一般泥漿也可起到堵塞并膠結(jié)裂隙的作用。加入結(jié)構(gòu)絮凝材料以提高泥漿粘度和切力，增加其堵塞能力。（2）套管隔離法對坍塌、超