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1、钻掘工程学,第十章 钻孔冲洗及护壁堵漏,Exploration Engineering,授 课 内 容,泥浆性能及其测定,煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,概述,复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔冲洗及护壁堵漏,要求,要求：了解钻孔冲洗及护壁堵漏在钻探中的重要性；熟悉各种冲洗介质和护堵材料的性能及适用性，熟悉各种钻孔冲洗介质、护壁堵漏方法的适用性。,钻孔冲洗及护壁堵漏,重点和难点：1、护壁堵漏的意义和常用的方法。2、钻孔冲洗及冲洗液的概念和冲洗液的功用。钻探对冲洗液的要求。3、常用冲洗介质的特点、适用性、性能参数及其测定。4、钻遇复杂岩层时孔内情况的分析判断及处理。,1.概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁
2、堵漏,第一节概述,钻孔冲洗是钻井的三大基本工序之一。各种类型的泥浆，是解决复杂岩层钻进的主要手段。要优质高效地完成钻井任务，必须掌握钻孔冲洗的有关工艺技术。,1、钻孔冲洗液的作用,钻孔冲冼是让冲洗介质在孔内连续或定期的循环。由于冲洗使用的介质主要是用液体，因此常称冲洗液。它在孔内的循环，称为钻孔冲洗。,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,(1)清洗孔底和携带岩粉 钻进时产生的大量岩屑，如不及时冲离孔底，排出孔外，会造成孔底岩屑的重复破碎，影响钻进效率，增加磨损，甚至烧钻、卡钻、埋鉆等孔内事故。冲洗液携带岩粉到地表需要一定的上返速度，一般要求大于0.35ms
3、。,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,(2)冷却钻头与润滑钻具 钻头碎岩时与岩石摩擦产生大量的热如不及时冷却，钻头将因高温改变性能，失去碎岩能力，严重的会造成钻头与孔底岩屑和岩石烧结在一起的烧钻事故。对于金刚石钻进，钻头的冷却尤为重要。润滑钻具是指润滑钻头、钻杆和岩心管，减少它们与岩石之间的摩擦，降低摩擦功耗，延长钻具的寿命。,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,(3)护壁与堵漏：当钻井钻穿岩层时，孔壁往往不稳定。为维护孔壁稳定，需采用具有护壁效能的冲洗液；冲洗液可平衡地层压力，阻止坍塌掉块；同时，不断地形成具有一定
4、强度的泥皮，增加孔壁的完整性，使孔壁稳定。堵漏是指在地层涌、漏水时，选用相应的泥浆、水泥浆、化学浆液，或采取其它措施，减轻或堵住涌、漏通道，保证冲洗液正常循环。,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,(4)其它功用 特殊情况下，冲洗液还可以起到:破碎孔底岩石-石油钻井中的高压喷射钻井中，冲洗液直接破碎岩石，一些冲洗液对某些岩石能产生降低硬度的作用，有利于钻头碎岩；传递动力，螺杆钻、涡轮钻、液动冲击器等孔底动力钻进都是依靠冲冼液实现动力的传递；输送岩矿心到地表，反循环连续取芯钻进利用冲洗液的循环，将岩矿芯连续不断地通过钻杆内孔输送到地表；传递孔底信息。,1.概
5、述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,2、钻探对冲洗液的要求,类型与性能符合地层要求；完成冲洗孔底、冷却钻具、护壁的基本任务；性能应在较大范围内进行调节，适应地层变化。使用时能抵抗各种外界干扰，性能基本稳定。外界干扰包括各种盐侵、钙侵、粘土侵、水泥侵和温度升高等影响。,冲洗液对施工地区周围环境不产生污染或很小污染，不腐蚀钻具和设备。所用冲洗液对岩样的溶蚀与污染小，不污染油、气、水层，不影响其自然渗透率。在施工地区使用品质稳定、材料来源方便、经济合理、配置方法与工艺简单。,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,2、钻探对冲洗液的要
6、求,3、冲洗液的类型,清水,泥浆,饱和盐溶液,乳化液,高压空气,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1、钻孔冲洗液的功用,2、钻探对冲洗液的要求,3、冲洗液的类型,含煤地层较复杂，多用泥浆为冲洗液。泥浆性能，对开展小口径钻进和绳索取心钻进十分重要。,泥浆为水、粘土、化学处理剂及一些惰性物质的混合体。粘土是常用的主要固相成分，其颗粒大多小于2m，具有带电、吸附、离子交换、水化分散、触变或絮凝等性能。水有淡水、矿化水之分，不同的水配制的泥浆具有不同的性能。为了使泥浆具有钻进工艺所要求的各种性能，还需加入一些无机和有机的处理剂。,1.概述,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,1
7、、钻孔冲洗液的功用,2、钻探对冲洗液的要求,3、冲洗液的类型,泥浆是以粘土颗粒为分散相，水为分散介质的复杂分散体系。分散体系可分为粗分散体系、分子离子分散体系和胶体分散体系。依据分散相和分散介质的不同，泥浆可分成三大类型。,2.泥浆性能及测定,一、相对密度,钻孔冲洗及护壁堵漏,相对密度：指某一物体的重量与4 时同体积纯水的重量之比。,泥浆相对密度的大小取决于泥浆中固相的含量及液相中可溶盐的数量，同一种固相泥浆，其相对密度随固相含量的增加而增加。水的相对密度为1。在正常条件下，泥浆相对密度要尽可能低些，这对提高鉆效有利。,第二节泥浆性能及其测定,第一节概述,一、概念,钻孔冲洗及护壁堵漏,二、泥浆
8、性能及其测定,1、相对密度,测量泥浆相对密度的仪器类型很多，常用的有比重计和比重秤两种。,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,泥浆粘度是泥浆作相对流动时的内摩擦阻力。以一定体积的泥浆通过给定孔径时所需的时间来表示。,一、相对密度,二、粘度,2.泥浆性能及测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,一般在粘土层和非含煤地层可用粘度为1820s的泥浆；在含煤地层及容易坍塌、掉块的地层中钻进时，则应使用粘度为2530s的泥浆。,二、粘度,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,选择泥浆的粘度是以携带和悬浮岩粉的能力、钻进速度、钻孔渗漏情况、沉砂及除砂效率而定。,钻孔冲洗及护壁堵漏,为保
9、证将孔底岩粉全部携带到地面，泥浆粘度应尽量小一些为好。粘度计流过清水的时间是15s，如不是，按下式换算：,二、粘度,泥浆粘度=,500ml泥浆流出的时间（s）,500ml清水流出的时间（s),15,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,指泥浆中大于74m的砂子占泥浆体积的百分数。,二、粘度,三、含砂量,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,二、粘度,使用含砂量大的泥浆往往会加速水泵零件的磨损；大量砂子沉淀易造成埋钻事故；孔壁上形成的泥皮厚而松散，也易发生泥皮脱落而埋钻。一般含砂量不应大于4%。,三、含砂量,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及
10、其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,四、钻井液的滤失性能及造壁性能,1、概念,（1）滤失（失水）：钻进液中的自由水，在压力差的作用下向孔壁岩石的裂隙和孔隙中渗透的现象。在一定时间内渗入地层中的水分多少称为泥浆的失水量。,（2）造壁：钻进液失水时，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固体（粘土）颗粒便附着在孔壁上形成滤饼，称为钻井液的造壁性。,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,四、钻井液的滤失性能及造壁性能,1、概念,2、孔内钻井液的失水全过程,（1）初失水：从钻头破碎孔底岩石形成新的自由面开始，钻井液接触到新的自由面，其中的自由水便向岩石孔隙中渗透，直到钻井液中的固相
11、颗粒及高聚物在孔壁上开始出现滤饼，这段时间的失水称为初失水，也称瞬时失水。,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,（2）动失水：在初失水之后，钻井液在循环过程中继续失水，滤饼不断增厚，直至滤饼增厚的速度与被冲刷下来的速度相平衡，滤饼不再增厚而继续失水，这段时间的失水，称为动失水。,（3）静失水：停止循环时，钻井液仅在静液柱压力和地层压力之差的作用下发生的失水，称为静失水。,（4）失水全过程：停止循环时，随着静失水的发生泥饼逐渐增厚，单位时间内的失水量逐渐减小；钻井液继续循环时，失水现象由静失水转为动失水。周而复始。,钻孔冲洗及护壁堵漏,四、钻井液的滤失性能及造壁性能,泥皮厚度：泥浆在失水
12、过程中，粘土颗粒被留在孔壁上，在泥浆柱的压力作用下，孔壁上形成一层泥皮的厚度。,在松散和易膨胀岩层中钻进，如使用失水量大的泥浆会造成孔壁坍塌、掉块、或缩径，或因泥皮厚而松散发生泥皮脱落等不良后果。一般要求泥浆失水量不超过30ml30min(用专门气压式失水仪测定)。,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,五、静切力和触变性,触变性：泥浆静止时，粘土颗粒两端水化薄膜互相粘结，从而形成网状结构，稠化成胶状物质。当再进行搅拌或振荡时，又恢复原有的流动性，这种性质称为泥浆的触变性。,静切力：要使静止状态的泥浆开始运动，破坏单位面积网状结构所需的力，称为静切力。,2.泥浆性能及
13、测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,一般规定，静止1min后测得的静切力，称为初切力；静止10min后测得的静切力，称为终切力。泥浆触变性能好坏，以终切力和初切力的差来表示。差值越大表示触变性能越好。一般要求泥浆的静切力在0.983.92Pa。,五、静切力和触变性,泥浆静切力的测量一般采用旋转粘度计。我国目前常用ZNN-D6型高速旋转粘度计，其转筒有个转速；3、100、200、300、600r/min。,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,初0.5 3读数（lmin);T终0.5 3读数（l0min),式中：初、T终泥浆的初切力和终切力；3读数粘度计在
14、r/min时的读数,五、静切力和触变性,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,钻孔冲洗及护壁堵漏,六、胶体率及稳定性,胶体率：静止钻井液（泥浆）经过24h后，分离出来的水量与体积的百分比，即为泥浆的胶体率。胶体率是选择造浆粘土的重要指标，正常泥浆的胶体率不得低于96%。,2.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,稳定性：表示钻井液静止时固相颗粒沉降的倾向，以钻井液上下两层的密度差值来衡量。,钻孔冲洗及护壁堵漏,七、酸碱度（ph值）：表示泥浆中含酸、碱的程度，也是影响泥浆性能的重要指标。泥浆在碱性范围内比较稳定，一般要求ph值为810，ph值过高，易腐蚀钻具。ph值的测定采用比色法。,2
15、.泥浆性能及测定,第二节泥浆性能及其测定,八、滤饼粘滞性：衡量钻进过程中钻具回转与升降时受滤饼阻尼的特性。滤饼粘滞性大时往往造成起钻困难或形成粘附卡钻事故。滤饼粘滞性可用滤饼粘附系数测定仪测定。,3.煤田钻探泥浆,钻孔冲洗及护壁堵漏,配制泥浆前应对粘土和水进行化验和鉴定，泥浆配制常用机械搅拌机进行。随着化学工业的发展，泥浆化学处理剂的品种也越来越多，煤田钻探中常用的几种如下：,第三节煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,第三节煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,一、钙离子控制剂,钻孔冲洗及护壁堵漏,作用：使泥浆中粘土颗粒表面吸附的离子产生交换，将钙基泥浆转化为钠基泥浆，以改善粘土的水化与分散程度，并
16、沉淀泥浆中过多的钙、镁离子。品种：纯碱（NaCO3)和烧碱（NaOH）用量：与粘土和水质相关，需经小型实验而定。,3.煤田钻探泥浆,钻孔冲洗及护壁堵漏,二、降失水剂,作用：降低泥浆的失水量，提高粘度,品种：,（1）煤碱剂（代号NaC）,用量：一般为泥浆体积的10%30%。,（2）羧甲基纤维素（CMC),由纤维素经烧碱处理后，再与一氯乙酸反应而成的，为高、中、低粘度三类，一般用中粘度。,3.煤田钻探泥浆,第三节煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,钻孔冲洗及护壁堵漏,（3）硝基腐植酸碱剂,用煤与硝酸反应后，用烧碱溶液中和至ph值为910，即为硝基腐植酸碱剂。其降失水量作用比煤碱剂和羧甲基纤维素都要强
17、。,二、降失水剂,（4）铬制剂 属非离子型有机化学处理剂。在泥浆中，铬制剂不离化，而是以络合状态吸附在粘土颗粒表面，形成牢固的保护膜，并带有强结构的水化层，促使粘土颗粒高度分散，不易聚结下沉，故有良好的减稠稀释效果。在泥浆中加入0.1%0.5%的铬制剂，能使泥浆保持较好的稳定性。,（5）铬木素 是一种非离子型亲水处理剂，具有抗污染能力强，稀释减稠效果好，触变性好，失水量小，热稳定性好，加入量一般为0.1%0.5%。,3.煤田钻探泥浆,第三节煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,钻孔冲洗及护壁堵漏,三、稀释剂,又叫减稠剂或降粘剂，主要作用降低泥浆粘度和切力，改善流动性，常用有三种：,铁铬盐,单宁碱液
18、,栲胶碱液,3.煤田钻探泥浆,第三节煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,钻孔冲洗及护壁堵漏,四、絮凝剂,用于絮凝、聚沉、消除泥浆中过多的固体颗粒，使胶体粒子凝聚成不同程度的粗分散或非分散状态。同时，还能防止或减轻水敏地层的水化不 稳定性和抑制地层自然造浆。目前常用的絮凝剂有两种：,（1）聚丙稀酰胺（PAM),（2）醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸共聚物,3.煤田钻探泥浆,第三节煤田钻探常用泥浆的配制及化学处理,4.复杂岩层护堵,钻孔冲洗及护壁堵漏,复杂岩层：钻进过程中，有时会发生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水、井喷、膨胀、缩径等复杂情况。凡出现上述情况的岩层，通称复杂岩层。,第四节 复杂岩层及其护壁
19、堵漏,一、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,1、分析判断,在钻孔开孔前，应根据勘探区的地层、岩性、构造及水文地质条件，在钻探施工设计中，对可能发生或将会发生复杂情况的孔段、位置有明确的指示及预防处理措施。,1）对钻孔坍塌、掉块与缩径的分析判断,第四节 复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔冲洗及护壁堵漏,二、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,1、分析判断,当钻进过程中遇到这样的复杂孔段时，要注意观察各种异常现象和发生异常时的准确深度，动力机及钻机的运转状况，泥浆性能的变化，水量消耗，岩心变化，水泵压力的变化及提钻后、下孔前孔内水位的变化情况等。这些都是对复杂情况进行分析判断的重要资料。同时，还要作好原始记
20、录。,（1）对钻孔坍塌、掉块与缩径的分析判断,4.复杂岩层护堵,第四节 复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔冲洗及护壁堵漏,松散孔隙地层，坚硬的构造裂隙地层，含粘土矿物的泥页岩、片岩、千枚岩以及煤系地层钻进时，若泥浆性能调节不好，则往往出现掉块与坍塌现象。,在钻进松散的流砂砾石地层时，有时会因泥浆质量不好而发生坍塌埋钻事故。在钻进时，若孔内发生坍塌，水泵压力及泥浆的含砂量相对密度都会增高，在这种情况下不要停泵，以免造成埋钻事故。因升降钻具而发生坍塌，常表现为阻力大、钻具下不到底。严重的孔壁坍塌，有时会导致严重的孔内埋钻事故。,掉块是出现钻具挤夹征兆，如回转钻具阻力大，动力机工作不太正常，致使提钻具困难。
21、但水泵工作正常，返水也正常。若在地层倾角比较大的节理裂隙地层中钻进时，升降钻具如有阻留现象，往往是发生卡钻事故的征兆。出现这种情况多为孔壁上有活动石块造成。当掉块使钻具在中途遇阻，并经活动钻具仍下不去时，则需要开车，把掉块慢慢扫到孔底。,在水敏性地层钻进时，地层因吸水膨胀而使钻孔直径变小。钻进及升降钻具阻力大，泥浆比相对密度、粘度增大，出现蹩泵现象。当钻孔发生歪斜时，有些情况与上面提到的现象有相似之处，因此要根据情况综合分析判断，得出符合实际的结论。,二、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,1、分析判断,（1）对钻孔坍塌、掉块与缩径的分析判断,4.复杂岩层护堵,第四节 复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔
22、冲洗及护壁堵漏,钻孔的涌水及漏失，多是由内因造成的。钻孔漏失量的大小，不仅取决于漏失通道的大小，最重要的是决定于地下水的压力与钻孔中液柱的压差，地下水位越低，漏失量越大。,在钻进过程中，原始报表上提供的水文地质观测资料，是判断钻孔漏失层位准确性的基础，应从以下几方面进行判断：,二、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,1、分析判断,（1）对钻孔坍塌、掉块与缩径的分析判断,（2）对钻孔漏失的分析判断,4.复杂岩层护堵,第四节 复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔冲洗及护壁堵漏,岩层结构：当钻孔发生漏失后，首先对取出的岩心进行分析，观察接近孔底的岩心是否有松散、裂隙、节理发育或溶蚀现象及其完整程度。-在钻进中初
23、次发生漏失往往在孔底；联系水文地质情况，分析靠近孔底这一层位的岩性是否含水层、漏失层、破碎带等；若开始时冲洗液是优质的，中途泥浆性能变坏，如失水量增大，粘度变小等，这种情况的出现，会使上部容易产生漏失或曾经产生过漏失的孔段再次发生漏失。,钻进过程：如果钻进过程中突然出现漏失，并且钻进速度加快或钻具坠落，则应考虑是否遇到了破碎带、大裂隙或大溶洞。,孔内水位：根据动态水位和稳定水位情况来大致判断漏失部位-在不含水地层中发生孔底漏失时，孔内没有稳定水位，即所谓全孔漏失。在含水的漏水层中发生孔底漏失时，若漏水层为非含水层，稳定水位在漏失层之下；若为含水层，则稳定水位可能在漏失层之上，也可能在漏失层中。
24、,二、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,1、分析判断,（2）对钻孔漏失的分析判断,4.复杂岩层护堵,第四节 复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔冲洗及护壁堵漏,2、技术处理,（1）胶结和堵塞法,用水泥、各种化学浆液、粘土等具有粘结性的材料，来胶结孔壁破碎岩石和堵塞岩石裂缝孔洞，达到护壁和堵漏的目的。,根据不同地层选用不同的泥浆类型，是钻孔护壁和堵漏的基本措施。,对较大的裂隙或孔洞，可往各种浆液中加入填充料，如石块、砂子、植物纤维等进行堵塞，以减少流失通道断面。一般泥浆也可起到堵塞并胶结裂隙的作用。加入结构絮凝材料以提高泥浆粘度和切力，增加其堵塞能力。,二、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,4.复杂岩层护
25、堵,（1）胶结和堵塞法,第四节 复杂岩层及其护壁堵漏,钻孔冲洗及护壁堵漏,对坍塌、超径、老窿、大溶洞、地下河等严重漏失，用其它方法无法控制时，必须采用下套管(暗管、局部管等)的办法护壁堵漏，但套管底部必须封闭止水。套管隔离是护壁、堵漏的根本方法。,（3）控制液柱压力法：用泡沫泥浆降低液柱压力可防止漏失；用加重泥浆可防止井喷；用无泵钻进及孔底局部循环等方法，可防止冲洗液对孔壁的冲刷破坏。,（4）其它方法 如边漏边钻法、爆破法、冻结法、电化学法加固孔壁及快速通过复杂层等方法。,（2）套管隔离法,在复杂岩层中钻进或钻孔出现复杂情况时，针对实际情况，正确选择处理方案或方法，是解决复杂问题的关键。出现问题，首先要做好调查研究，摸清情况，做到目标明确，少走弯路，见效快。,2、技术处理,二、对复杂岩层的分析判断及其技术处理,4.复杂岩层护堵,复习参考题,1、说明护壁堵漏的意义和常用的方法。2、简述钻孔冲洗液的概念和冲洗液的功用。3、简述钻探对冲洗液的要求。4、说出三种常用冲洗介质的特点及适用性。5、简述如何对复杂地层进行分析判断。,
