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1、钻孔冲洗与护壁堵漏,姜明和 山东冶金技师（技术）学院,概 述,一、钻孔冲洗的意义与功用 (1)清洗孔底，携带和悬浮钻屑。 (2)冷却钻头。 (3)保护孔壁，实现平衡钻进。 (4)润滑钻具。 (5)其它：参与碎岩、输送岩心或岩样、传递信息等。 二、钻探对冲洗介质的要求 1. 冲洗介质的性能应能在较大的范围内进行调节 2冲孔介质应有良好的冷却散热能力和润滑性能，以延长钻头寿命和提高钻进效率,3冲孔介质在使用中应能抗各种外界干扰，其性能基本稳定 4冲孔介质的使用应不妨碍或有利于取芯、防斜、测井等工作的进行 5. 冲孔介质应不腐蚀钻具和地面的循环设备；冲洗液应无毒和不污染环境 三、冲孔流体的分类及其使
2、用条件 （一）清水： 清水冲孔的特点 (1)清水冲洗孔底钻屑的能力强。因水的粘度低，流经钻头表面时易形成紊流，因而冲孔能力较强； (2)对钻头的冷却作用好；,(3)清水冲孔时，钻速较高。一是因为清水中不含固相颗粒，二是清水较泥浆的密度小,孔内水柱对孔底地层的压力小，岩石容易破碎，所以清水冲孔的钻速较高； (4)清水冲孔对钻具的磨蚀作用小； 清水冲孔的缺点是： (1)携带和悬浮钻屑的能力不如泥浆和空气泡沫； (2)水对松散、松软和水溶性岩层有剥落、膨胀和溶解作用，易使孔壁坍塌； (3)在石油钻井中，水对付井喷的能力不如泥浆。,3.清水冲孔的应用范围 清水作为冲洗液适用于完整致密，在水流冲刷下不受
3、浸润和剥落的地层；而不适合松散岩层(如流砂层、风化岩层、破碎带和蚀变带)、松软岩层(如泥质岩石、断层泥部位)和水溶性地层(如岩盐、钾盐、芒硝、石膏)，也不适合用于钻进高压油、气、水层。 （二）、空气 空气洗井一般用于缺水地区、干孔或严重漏失地层。 在有足够的流速下，孔底冲洗干净，钻进效率高。,(三)、泥浆 泥浆是粘土颗粒分散在水中形成的分散体系。其特点是：循环过程中在压差作用下能在孔壁上形成泥皮而加固孔壁；在循环停止时，泥浆能很快转为溶胶状而悬浮岩屑，防止岩屑沉淀而引起孔内事故。其性能均可在较大范围内调节（包括密度、粘度和切力、失水量等），可适应不同地层的要求，对钻头、牙轮轴承、钻具和套管有一
4、定的润滑作用，可减少其磨损。大多数泥浆是由粘土、水和化学处理剂组成。,泥浆的缺点是密度和粘度较大，钻进效率较低，需要有专门的配浆材料。对环境有一定的污染等。 泥浆主要用于风化、破碎、松散和遇水失稳的岩层，即用于人们常称的“复杂地层”钻进。石油和天然气钻井几乎都是在沉积岩中钻进，冲洗液主要是使用泥浆，因此称泥浆为石油钻井的“血液”。固体矿床勘探钻进，泥浆是对付复杂地层的主要手段。 泥浆分为：细分散泥浆：其组成为：水、粘土、纯碱和中低分子有机聚合物。它是含盐量小于l、含钙量小于120ppm、不含抑制分散性高聚物的分散型泥浆。泥浆中粘土颗粒被分散成很细的颗粒。,细分散泥浆中粘土加量约为1030，纯碱
5、加量为钙土重的56(如使用钠土配浆则不用加纯碱)。稀释剂可用NaK和FCLS，加量为0.12.0。降失水剂用腐殖酸盐和NaCMC，加量为0.12.0。 细分散泥浆的主要特点是：(1)组成简单，配制方便，成本低；(2)粘土含量高，泥浆密度大；(3)具有一定的护壁防塌作用；(4)因粘土含量高，粘土颗粒分散很细，导致钻速低；(5)泥浆对环境敏感，易受钙侵、盐侵和粘土侵；(6)用于钻进水敏性地层时，会引起孔壁缩径和坍掉。 细分散泥浆不适用于钻进深厚粘土岩、石膏层和岩盐层,粗分散泥浆（粗分散抑制性泥浆）： 它的组成成分有：水、粘土、纯碱、烧碱、无机聚结剂、降失水剂和稀释剂。 (1)钙处理泥浆，钙处理泥浆
6、中粘土加量应在15以内。含钙量120mg/L,依含钙量不同又有：石灰Ca(OH)2泥浆，石膏CaSO4泥浆和氯化钙CaCl2泥浆；(2)盐水泥浆，含盐量l，依含盐量不同又有：盐水泥浆、海水泥浆和饱和盐水泥浆；(3)钾基泥浆，含氯化钾KCl1的钾体系的泥浆。,钙处理泥浆的性能特点是： 抑制粘土质钻屑分散，减轻钻屑造浆对泥浆性能的不良影响。由于粘土保持粗颗粒故钻屑因粒粗而便于地面清除，使泥浆保持较低固相。而且它抗粘土侵入的能力较强； 泥浆中的Ca2+滤失到粘土质孔壁地层中去时，能起抑制水化膨胀作用，从而可以护壁防坍； 有一定的抗钙侵和抗盐侵的能力； 泥浆为高固相、高密度和高流变参数的体系，故钻速较
7、低，而且Ca2+对粘土质地层的抑制钻屑分散和护壁防塌作用有限。,钙处理剂泥浆适用于以下情况： 从钻进岩层来看，它适用于粘土岩、泥页岩、泥质胶结地层、含钙盐岩层(如石膏)、钻进孔内水泥塞、硬水地区；不适于破碎带、风化岩和流砂层等复杂地层； 从适应的钻孔方法来看，它适用于硬质合金钻进和牙轮钻头钻进，而不适用于绳索取心钻进、孔底动力钻进和石油钻井中的高压喷射钻进； 从它适应的工程领域来看，它较多地应用在石油钻井、煤田地质钻探和钻孔桩施工中。,盐水泥浆 盐水泥浆是指氯化钠含量大于1的泥浆。它的配制方式有两种：一种是先用淡水制备细分散泥浆，然后加盐转化为盐水泥浆。按加盐多少，可分为盐水泥浆(含NaCl
8、37)和饱和盐水泥浆(含NaCl 3336)；另一种是直接用咸水配浆，如海水泥浆。不过此时要用抗盐能力强的粘土，如海泡土。 盐水泥浆抗盐侵、钙侵和粘土侵的能力较强，对粘土岩、泥页岩等水敏地层有抑制造浆和防止孔壁坍塌作用；对水溶性地层有抑制该层孔壁溶解扩径的作用。 饱和盐水泥浆适用于钻进岩盐地层；海水泥浆主要用于海上钻井。,不分散低固相泥浆： 固相含量(包括粘土和岩屑)4(体积百分数)的非分散型泥浆。 组成为：水、粘土、纯碱、降失水剂和选择性絮凝剂。有时根据需要加入无机盐防塌剂和润滑剂。其中起选择性絮凝作用的高聚物一般为高分子量的线型分子，主要有PHP(M250300万，H30左右)、80A51
9、、PAC，。降失水剂应与选择性絮凝剂在分子结构和性质上都相近，且分子量应较高。不应采用对粘土有分散作用的低分子聚合物。采用的降失水剂主要有HPAN、CPAN、NaCMC。,地质钻孔用不分散低固相泥浆的常用配方 成 分 加量（Kg/m3） 膨润土 4050 纯 碱 2 降失水剂；HPAN或NaCMC 25 选择性絮凝剂：PHP(M150万，H30左右) 0.10.15 乳化油(高转速钻进时加) 35,其配制方法是：向搅拌机内加入所需水量(扣除溶解降失水剂和选择性絮凝剂的水量)的大部分，加粘土和纯碱预水化后搅拌分散，再加降失水剂水溶液。然后缓慢加入选择性絮凝剂(如PHP)水溶液，边加边搅。PHP水
10、溶液常配成1的浓度加入。最后依次加入润滑剂(或防塌剂)和余下的水量，搅拌使之均匀。 不分散低固相泥浆的性能特点是： (1)钻速高。这是因为它固相含量少，粘土颗粒较粗，泥浆流变参数低，剪切稀释作用好，清洗孔底能力强； (2)具有较强的携带钻屑能力。这一点与该泥浆的剪切稀释性较强有关；,(3)具有较强的护壁能力，以及一定的防漏堵漏功能。其护壁作用主要有泥皮胶结作用、高聚物在孔壁和孔壁内部通道吸附胶结作用、高聚物对泥皮的胶结增密作用。其防漏堵漏原理在于高聚物在微裂隙处多点吸附胶结，能减轻和消除漏失，并且通过向冲洗液中加入无机交联剂(如FeCl3、A12(S04)3等)使高聚物在孔内交联成大团块，可堵
11、塞中小漏失层； (4)循环压力损失小。这是因为该泥浆的粘度小，剪切稀释性好，在小断面通道流动时粘度低及泥浆中的高聚物为线型高分子，有较好的紊流减阻作用；,乳化泥浆：在泥浆中加入051的乳化油而形成的小口径乳化泥浆； 地热井及深井泥浆 用海泡石粘土配浆，并加有抗高温处理剂的耐高温泥浆。 充气和泡沫泥浆 泥浆中充以压气或天然气形成的比重小于1的泥浆。,(四)、乳状液 将乳化油（剂）加进水中经过充分搅拌，就得乳状液。乳化油的加量一般为0.30.5%(即在100L水中加入0.30.5L乳化油)。 水包油乳状液有较高的润滑性能，它还可以降低或消除钻杆柱的振动，从而能提高转速。 乳状液能润滑机理：,(五)
12、、高分子聚合物冲洗液（无固相冲洗液) 它是不含有粘土成分，仅用水溶性高分子聚合物为基础配制而成的水溶液。它由水、高分子聚合物和无机盐组成。 (1)钻速高。不含有粘土，高聚物分子絮凝作用， (2)护壁性能强。高聚物的包被和交联成膜。 (3)有适宜于冲孔需要的流变特性。无固相冲洗液属于假塑性流体，其流变特性有较大的可调范围，以适应不同钻孔工艺的需要。 (4)紊流减阻作用好。 (5)有较强的预防冲洗液漏失能力和较好的润滑性。,无固相冲洗液可用于裂隙发育、易坍塌和轻微膨胀的地层。在小口径金刚石钻进中，特别适用于绳索取芯钻进，可防止钻杆内壁结泥皮和降低孔内液柱压力。 (六)、气-液混合液：雾气和泡沫冲洗
13、液 气-液混合液，特别是稳定泡沫洗井主要用于低压油气层和水层、严重漏失和供水困难地区、干旱和沙漠地带、以及寒冷冰冻地区。 (七)、盐溶液和饱和盐水,五、钻孔冲洗方式 (一)全孔正循环 (二)全孔反循环 (三)综合式循环：综合式循环是正反循环相结合的洗井方式，通常是孔的上部是正循环而孔底部分是反循环冲洗。 岩芯钻探中用得较多的喷射式反循环冲洗，是综合式循环最好的例子，它用于提高岩矿芯采取率。此时冲洗液由钻杆柱内孔送到钻杆柱的下部，经由喷反接头而流到钻杆柱与孔壁的环状间隙中，由于喷嘴高速喷出液流，在附近造成负压，从而形成孔底局部反循环。由喷反接头流入环空中的液流，一部分在负压下流经孔底，一部分上返
14、携带岩屑至地表。,造浆粘土,（一）、粘土的组成与粘土矿物的种类 粘土的主要组成是粘土矿物。 1高岭石族 其代表性矿物为高岭石，含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土。 2蒙脱石族 其代表性矿物为蒙脱石，含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土。,3.水云母族 其代表性矿物为伊利石(伊利水云母)，含水云母矿物为主的粘土称为水云母粘土或伊利土。 4海泡石族 其代表性矿物为海泡石，包括凹凸棒石、坡缕缟石等，所组成的粘土分别为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土,（二）主要粘土矿物的晶体构造和特点 1高岭石：在水中不易膨胀分散，分散后的土粒大，造浆率低，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。 在
15、钻孔中钻到高岭石类粘土，或含高岭石的泥质岩层，一般孔壁不易膨胀而缩径，但易产生剥落掉块。 2蒙脱石 蒙脱石粘土易膨胀水化，分散性好，其造浆率高，每吨粘土可达1216m3左右。故接受处理的能力强，易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。 (4)在钻孔中钻到蒙脱石粘土或含蒙脱石的泥质岩层，易造成膨胀缩径等孔内复杂情况。,3伊利石或称伊利水云母 伊利石粘土由于不易分散，阳离子交换能力低，故其造浆能力低，且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。 (4)在钻孔中钻到伊利石粘土或含伊利石的泥质岩层时，不易膨胀缩径，但易剥落掉块。 4海泡石 具有较高的热稳定性(能耐260以上的高温)，因而适用于配制深井和地热井泥浆
16、。 (4)这类粘土在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样，因而具有良好的抗盐性，是配制盐水泥浆的好材料。,（三）、粘土的水化与膨胀 粘土的水化与膨胀是指粘土颗粒的表面吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。 1.粘土水化膨胀的原因 (1).粘土表面直接吸附水分子 (2)粘土吸附的阳离子的水化 2、粘土水化膨胀的过程 (1)由表面水化引起的膨胀：水分子进入粘土颗粒表层，引起膨胀 (2)由渗透水化引起的膨胀：在渗透压力作用下水分子便继续进入粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。,粘土水化膨胀达到平衡距离(层间距大约为120倍分子间距离 )的情况下，在剪切力作用下晶胞便分离，粘土分散在水中，形成粘土悬浮液。 （四）、粘土水分散体系的稳定与聚结 粘土水分散体系内部状态的稳定性，是用“沉降稳定性”和“聚结稳定性”表述在很长时间内粘土颗粒不下沉或下沉很慢，就认为其“沉降稳定性”好；粘土颗粒不聚结变大，能保持其分散程度，就认为其“聚结稳定性”好。 (1)泥浆的沉降稳定
