第四讲----钻探冲洗液与护壁堵漏

48第四讲钻孔冲洗与护壁堵漏第一部分：钻孔冲洗液一、冲洗液概述1、冲洗液的定义：用于钻孔冲洗的液体和气体，统称为“冲洗介质”，习惯上叫冲洗液。2、冲洗液的功用排除、携带和悬浮岩粉；冷却钻头；润滑钻头、钻具，降低回转阻力；保护孔壁，平衡地层压力，防止塌孔、掉块、漏失、井喷、超径、缩径等复杂情况具有良好的效果；软化和破碎岩石；传递动力，驱动孔底钻具；保护岩矿心、传递孔内信号。3、冲洗液的种类及适用条件①清水。适应于稳定地层钻进时的钻孔冲洗。②泥浆。由粘土、水和处理剂共同组成的悬浮液和胶体溶液的混合物。适应于复杂地层钻进时的钻孔冲洗与护壁。土为分散相，水为分散介质。③乳状液。两种互不相溶的液体（如水和油）加入乳化剂后，经强力搅拌而制成的稳定的胶体的一种冲洗液，乳状液具有良好的润滑性能，有利于钻具开高转速。适应于小口径金刚石钻进稳定地层时的钻孔冲洗。④空气。以压缩空气为钻孔循环介质。适应于沙漠、干旱缺水、高山缺水、严重漏失地层和永冻层钻进时的钻孔冲洗。⑤无固相冲洗液。由无机盐和有机高分子（或聚合物）配制而成的，不含粘土或其它固相的冲洗液。适应于裂隙发育、易坍塌和轻微膨胀的地层钻进时的钻孔冲洗。⑥气液混合液（泡沫冲洗液、低密度冲洗液）。通过泡沫剂向水中充以气形成稳定的气液混合体的冲洗液。适应于低压油层和水层、严重漏失和供水困难的地区以及寒冷冰冻地区钻进时钻孔的冲洗护壁。⑦饱和盐水冲洗液。盐溶于水中形成的饱和盐水冲洗液。适应于钻进冻结岩层、岩盐层及可溶性岩层钻孔冲洗。4、钻孔冲洗方式与地表循环系统①钻孔冲洗方式②地表循环系统A、组成：地表循环系统由水源箱（池）、水泵及吸水管、高压胶管、循环49槽、沉淀坑（池）等组成。B、作用：为了净化冲洗液，即将冲洗液携带上来的岩粉、岩屑通过自然沉淀排除掉一部分。二、泥浆概论1、泥浆的基本概念：由粘土、水和化学处理剂共同组成的悬浮液和胶体溶液的混合物。其中，粘土作为分散相（固相），水作为分散介质（液相），组成固－液分散体系。2、造浆用粘土①粘土矿物的化学组成和粘土矿物的分类②粘土的带电性：粘土颗粒表面带有负电。③粘土的水化作用和水化分散：A、水化作用：粘土颗粒表面吸附水分子的状态和能力称为粘土的水化作用。B、水化分散：粘土吸水膨胀，分散成颗粒并稳定在水中叫水化分散。粘土的水化分散过程就是造浆过程。C、水化作用对泥浆性能的影响：泥浆中粘土颗粒水化膜的厚薄，对泥浆的分散稳定性、粘度、切力、失水量的大小有很大的影响。④粘土的吸附作用：在泥浆中，粘土表面吸附处理剂分子（或离子）的现象，称为粘土的吸附作用。化学处理剂通过在粘土颗粒表面的吸附作用，改变粘土表面的性质，从而改变泥浆的性能。⑤粘土的预处理：为提高粘土颗粒的水化分散能力，用低价钠离子把钙离子交换出来，使钙土转型为钠土的操作过程，叫粘土的预处理。⑥粘土的鉴定A、粘土的浸泡试验：将粘土试样放入水中浸泡，易分崩剥落于水中，产生体积膨胀并进一步分散成凝胶状物的粘土为钠质膨润土，水中不加强碱不能很好分散或分散但体积增加不大的粘土为钙质膨润土。B、粘土的膨胀试验C、粘土的造浆试验：以每吨干粘土能配制多少立方合格泥浆作为造浆率单位，即m3/T土。优质钠膨润土造浆率可达15m3/T土，劣质粘土的造浆率仅有3m3/T土。⑦粘土的野外简易鉴定方法A、看：细腻者为优质土，粗糙者为劣质土。优质土具有浅灰色、浅肉红色、50白色或浅蓝色；B、捏：湿的土块，可塑性强者好，手捏时滑而无砂感者好，否则差；C、切：用小刀切开土块，切口有油脂光泽者好，否则差；D、尝：放在嘴里嚼，粘牙者好，有砂子感觉者差；E、泡：好的粘土用水浸泡能形成混浊的悬浮液；F、查：优质粘土大多集中在侏罗纪、白垩纪和新生代。3、配浆用水①水中可溶盐的种类和含量、高价阳离子或过多低价阳离子都会使粘土水化减弱，使泥浆稳定性下降。②总矿化度：水中可溶性固体含量的指标，单位为g/L。③水的硬度：指水中钙、镁离子及其它杂质的含量，单位为mg当量/升水。4、泥浆的稳定性①泥浆稳定性的概念：粘土颗粒的分散或凝聚、稳定或不稳定，是泥浆体系内部存在的一对主要矛盾。泥浆分散系若能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不被破坏，就称其为具有稳定性，它包含沉降稳定性和聚结稳定性两层含义。②泥浆的沉降稳定性（也称动力稳定性）：指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的性质。泥浆中固相颗粒（包括粘土、岩粉、岩屑等）的沉降决定于其重力和阻力的关系。当重力占优势时，就表现为颗粒的下沉；当阻力大于重力时，则表现为颗粒的悬浮。泥浆中粘土颗粒的大小、形状不同，产生沉降时的阻力不同；同时，粘土颗粒之间还能形成一定强度的网状结构，对沉降稳定性也有较大的影响。③泥浆的聚结稳定性：指泥浆中的固体颗粒是否易于自动降低分散度而粘结变大的性质。粘土颗粒聚结与否，取决于其间吸力与斥力的关系。当吸力大于斥力时，就会产生聚结；当斥力强于吸力时，就保持聚结稳定性。粘土颗粒间的吸力是由分子间引力引起的，吸力随颗粒间距离增大而下降；粘土颗粒间的斥力是由粘土颗料表面带负电、同性静电相斥所引起的。聚结稳定性同粘土颗粒表面水化膜的厚薄、吸附高价阳离子的多少也有关系。5、泥浆分散系中的几种内部状态51①细分散状态。一般具有沉降稳定性和聚结稳定性的泥浆分散体系，均可称为细分散泥浆。在这种泥浆中，粘土颗粒的分散度很高，水化膜较厚，双电层中的电动电位较高。这种泥浆在一定固相含量和PH值条件下能保持相对稳定，但这种泥浆易受电解质的影响而发生凝聚（絮凝），使泥浆性能变坏而失去聚结稳定性和沉降稳定性。②粗分散状态。当泥浆中加入或混入适量的电解质时，泥浆中的粘土颗粒会发生适度的絮凝，这些絮凝团尺寸较细分散状态下的粘土颗粒粗大，双能在水中分散，故称粗分散体系。由于这种泥浆中的滤液中含有一定量的聚沉阳离子，所以对易于水敏性的地层有抑制作用，例如钙处理泥浆和盐水泥浆等。③凝胶状态。在有些情况下，泥浆中由于粘土特性和电解质的作用，使整个体系失去流动性，变成豆腐脑状的凝胶状态，形成凝胶特有的布满整个体系有效空间的连接网状结构。这种结构包住了全部液体，使体系失去流动性。④凝聚沉降状态。泥浆失去聚结稳定性后，会导致泥浆体系的沉降不稳定而发生沉降，出现水土分层现象。产生这种现象的原因有两个：一是电解质对粘土颗粒双电层电动电位的降低，使粘土颗粒失去静电排斥能力而相互粘结变大，失去沉降稳定性；二是高分子物质的吸附絮凝作用，也可使泥浆中的粘土完全絮凝沉淀，水土分层。凝聚沉降状态的泥浆不得用于钻孔冲洗，因为它已失去泥浆的基本性质和功用，会导致钻孔复杂情况的出现。但有时为了堵塞钻孔中裂隙漏失，会特别向泥浆中加入絮凝剂，使泥浆絮凝，用来防漏和堵漏。⑤凝聚和分散的结合状态。当泥浆中的有用固相保持分散稳定状态，而颗粒较大的无用固相发生聚沉的状态，称为凝聚和分散的结合状态。如用水解聚丙烯酰胺配制的不分散低固相泥浆的选择絮凝状态，高分子物质对有用粘土颗粒起保护作用，而对无用固相（如岩粉）则起絮凝作用。三、泥浆性能及其测定1、泥浆的比重和固相含量①定义及影响因素；②对钻进的影响；③比重测定；④固相含量的测定2、泥浆含砂量：①定义；②对钻进的影响；③泥浆含砂量的测定3、泥浆的粘度A、定义：泥浆流动难易程度的指标。B、对钻探的影响：一定的粘度可以增加悬浮岩粉的能力。粘度过大，泥浆52中岩粉不易沉淀，含砂量增多，加剧钻具的磨损；水泵工作困难。泵压增高，排量减小，钻头处形成泥包现象，影响钻进效率；起下钻时易发生抽吸或压力激动，容易引起漏、喷、塌等事故。粘度过小，裂隙地层易发生漏失，不利于防漏；携带岩粉困难，孔内较大的岩屑不易排出，造成重复破碎，影响钻进效率；另停泵后岩粉即下沉，容易造成埋钻事故。C、漏斗粘度测量4、泥浆失水量和造壁性（泥皮厚度）A、定义；B、对钻探的影响；C、测定5、泥浆的PH值；PH值测定：PH值试纸6、泥浆的润滑性和泥饼的粘滞性、泥饼粘滞性测量7、泥浆的流变性：A、概念；B、流体的种类；C、泥浆流变性指标；D、泥浆流变性质测量。8、钻进各类地层对泥浆性能的要求（见下表）地质情况比重粘度（秒）失水量（ml）泥皮厚度(mm)切力(mg/cm2)含砂量（%）PH值1min10min一般地层1.1~1.1518~202540~1015~2548~12吸水膨胀地层1.1~1.218~201020~1015~25坍塌掉块地层1.225~3015310~1530~50渗漏地层1.125~3015330~5050~80承压油气层1.3~1.5251535~1510~20涌水层1.3~1.525~301535~1510~20四、泥浆的处理及泥浆处理剂1、泥浆的处理：为了使泥浆能适应钻进各种地层的要求，要对泥浆进行化学处理。泥浆的处理包括造浆时的初步处理和钻进过程中对泥浆性能进行调节的补充处理两种。初步处理主要是通过加入化学药剂帮助粘土颗粒分散或适度絮凝，配制出各种性能指标都合乎要求的，不同类型的泥浆；而补充处理主要是加入化学处理剂调节泥浆性能以适应钻进过程中地层变化的需要。调节泥浆性能主要包括：降低泥浆失水量、增加或降低泥浆粘度和切力、增加或降低泥浆比重、絮凝、乳化、发泡、消泡、调节PH值、增加润滑性和防卡减阻、增加表面活性剂等处理工作。532、泥浆处理剂的定义：调整泥浆性能指标时所用的化学处理剂。3、泥浆中化学处理剂的作用：泥浆中所加的化学处理剂，主要是为了使粘土颗粒在水中能够更好地分散和稳定，并可对泥浆性能进行调节。4、无机处理剂的作用P73：分散和絮凝作用、调节PH值、增加有机处理剂的溶解或水解、进行无机凝胶堵漏、抑制盐层溶解等。5、常用的无机处理剂6、惰性材料添加剂：可以起到加重、堵漏、增粘和润滑等作用。①泥浆加重剂：主要是用来提高泥浆的比重，要求是不起化学反应的惰性材料。常用的加重剂有重晶石粉、石灰石粉、方铅矿粉、磁铁矿粉、碳酸钡粉等。②泥浆堵漏材料：用于钻孔的防漏堵漏。常用的堵漏材料形状有纤维状、片状材料、粒状材料和具有膨胀性的堵漏材料。③无机惰性增粘剂：用于低固相泥浆的惰性增粘。如膨润土粉、蛇纹石棉等。④无机润滑材料：用于降低泥皮摩擦系数。材料有二硫化钼、石墨粉等。7、有机处理剂的作用8、常用的有机处理剂9、常用处理剂的配制与预处理五、泥浆的配制与管理1、原浆的配制方法①计算原料用量和纯碱用；②将粘土、水、纯碱按比例加入容器或搅拌机中搅拌后陈化备用，搅拌的方法有机械搅拌法、水枪冲拌法或人力搅拌法等。2、泥浆材料用量计算3、粘土预处理4、泥浆的净化①重力沉淀法，普遍采用但效率低；②加水稀释法，影响泥浆性能，消耗处理剂；③机械除砂法，效率高，可除去较小颗粒；④化学絮凝法，配合其它方法可清除小颗粒。8、泥浆现场管理的①现场配备符合要求的泥浆性能测试仪器、配浆工具及原料；②每班至少测定一次泥浆性能并填入报表；54③爱护泥浆性能测试仪器，用后擦净并妥善保管；④根据地层变化及时调整泥浆性能；⑤钻进中泥浆性能逐渐变化时，应加强净化并适时补充处理剂来恢复其性能；⑥粘土应加碱预浸泡一天以上，搅拌均匀备用，在正常消耗情况下避免现配现用；⑦妥善保管化学处理剂，难溶处理剂要提前浸泡，使用时加量力求准确。9、冲洗液循环系统安装的原则按规定的长度、坡度和规格安装，布置方式可因地制宜，以管理方便、节省场地为原则。10、冲洗液循环系统安装要求是什么？一般距井口3~5米处安第一个沉淀池，8~10米处安第二个沉淀池，最后安装两个泥浆池，总长不得少于15米，钻孔深则应增大泥浆池容量。11、泥浆粘度的调整方法①提高泥浆粘度、改善泥浆悬浮状态的方法A、增加粘土含量，提高粘土分散度（机械搅拌或增加分散剂）；B、适当加入增稠剂。如各种无机盐类及高分子有机电解质、纤维素等。②降低泥浆粘度，改善泥浆流动性的方法A、减少泥浆中的粘土含量，或在原浆中加水稀释（此时要配合使用降失水剂）；B、适当加入稀释剂（如铁铬木素磺酸盐、丹宁酸、栲胶及其衍生物等）。12、泥浆比重的调整方法①提高泥浆比重的方法A、在泥浆中加入惰性固体（如重晶石粉、