岩土钻掘泥浆工艺学.doc

第一章 钻孔冲洗第一节 概述钻孔冲洗是钻进中不可缺少的一个环节，钻孔钻进的三项主要工序破岩、排粉及保护孔壁，冲洗液在这三方面都起着十分重要的作用，因此在钻探中素有钻孔的“血液” 之称。下面具体讲：冲洗液的功用及冲洗方式。一. 功用：1. 冷却钻头：钻头与岩石摩擦产生高热量，需及时冷却，否则就会降低钻头寿命，甚至烧钻。尤其是金刚石钻进。2. 润滑钻具：目的是开高转速（千 rpm 以上）以提高破岩效果。3. 清洗孔底，排带岩粉：保持井底清洁，防止重复破碎，否则钻孔寿命及效率下降，甚至烧钻。排粉与上返速度有关。石油钻 0.5m/s 。岩芯钻 0.3m/s 。金刚石钻 0.1～0.8m/s。4. 保护孔壁：泥浆还具有护壁作用。5. 破碎岩石：高压喷射钻井直接利用冲洗液射流（达 100m/s）来破碎岩石，也可用高压自射流（1000kg/m 2 以上）破碎中硬以上的岩石。6. 井底动力钻进时作动力传送介质：如冲击回转、涡轮、螺杆钻等。7. 输送岩芯：水力连续返芯。8. 降低泵压：起紊流减阻作用。降泵压，尤其是井底动力钻进。9. 传递信息：随钻技术，传递井底脉冲信号。10. 保护油气层及岩矿芯（如盐矿、石膏等） 。二、根据以上作用，钻探对冲洗液提出如下要求：1. 良好的冷却散热能力及润滑性，保证钻具正常工作。2. 清洗—排带—分离岩粉的能力强，保持井底及冲洗液清洁。3. 良好的剪切稀释作用。4. 护壁作用好，能护壁、防喷、防漏、堵漏。5. 抗污染能力强，自身稳定性好。防钙、镁、盐及粘土浸溶。高温高压下能保持稳定。6. 利于返芯、测井、防斜及泵送，无污染。第二节 钻孔冲洗液的分类及发展一、冲洗液的分类根据洗井介质，以气体、水、油为基础分成气体、液体及气液混合三大类。具体为：1. 清水及清水溶液：a. 清水：是最早使用的一种冲洗液，用于钻进稳定地层。特点：钻进效率高，冷却好，成本低，护壁排粉差。b. 各种盐水溶液：如饱和盐水溶液用于钻进盐层。c. 表面活性剂水溶液：如松香酸钠水溶液等用于金刚石小口径钻进，起润滑作用。d. 各种高分子聚合物溶液：如减阻液用于降泵压等。2. 乳状液：a.水包油乳状液：水是连续相，油是分散相。b.油包水乳状液，油是连续相，水是分散相。用于小口径金刚石钻进稳定岩层时起润滑减摩钻具作用。3. 泥浆：粘土分散在清水中并加入合适的处理剂形成的冲洗液，用于钻进不稳定地层起护壁作用，但效率较低。具体分类见第二章。4. 无粘土冲洗液：由高聚物及其处理剂配制的冲洗液，兼有泥浆的护壁作用和清水的低比重高钻效作用，是冲洗液发展的主要方向之一，逐步在岩芯钻中推广应用取代泥浆。5.气液混合钻进：a.泡沫钻进：以气体为主。由气 + 水 + 发泡剂组成。多用于漏失缺水地层b.混气水钻进：以水为主。由水 + 气 +发泡剂组成。6.空气钻进：a.压缩空气洗孔：钻速高，多用于缺水及漏失地层。b.高压天然气洗孔：钻速高，多用于缺水及漏失地层。冲洗液的发展：* 1. 公元前 250 ~ 1122 年以来，最早采用清水作冲洗液钻盐井取盐（我国四川自贡） ，当时是向井内注水。* 2. 1860 年以来开始采用循环冲洗液排岩粉，随着十九世纪九十年代回转钻进的出现，粘土自然造浆，逐步转入泥浆护壁。上世纪二十年代以来，开始出现泥浆原料及处理剂商品，泥浆仪器，逐步走上了科学应用泥浆的道路。1922 年开始采用重晶石加重泥浆，控制地层应力。1928 年开始广泛采用膨润土泥浆钻井。1930 年开始采用高 PH 泥浆，盐水泥浆及油钻井。1935 年采用硅酸钠泥浆钻井，均是解决页岩水敏性地层。* 1940 年以来先后发展了木质素泥浆，丹宁泥浆，聚合物泥浆。随后发展了油乳化泥浆及深井泥浆。为了提高钻进效率，发展应用了不分散低固相泥浆和无粘土冲洗液。并取得了较好的效果。* 小口径金刚石钻进在岩芯钻中发展较快，其冲洗液也从清水发展到目前使用的各种润滑冲洗液。如乳状液、乳化泥浆及表面活性剂水溶液。为了解决高价离子破乳问题，七十年代以来发展应用了多种抗高钙离子的各种复合型乳状液。空气钻进等也得到了较大的发展，尤其缺水的西北高原地区。* 全世界目前有数百家泥浆公司，粘土有 60 多种，各种处理剂超过 2600 种。* 从 1931 年以来，先后发展应用了各种泥浆仪器如粘度计，失水仪、固相含量测定仪等。且许多泥浆性能监测已广泛采用电脑控制，泥浆参数采用电子计算机设计。泥浆理论在化学、流变学，生物工程学等各方面都得到了发展。* 钻井冲洗液目前的国内外动态深入研究各种处理剂的作用机理，争取在理论上有所突破，进而发展高效处理剂；研制多功能处理剂，做到一剂多用；粘土处理剂的改型；超深井泥浆及处理剂；岩芯钻探逐步研究推广无粘土冲洗液；泥浆净化，尤其是小于 2μm 的 固 相 粒 子 的 净 化 ；钻 井 现 场 泥 浆 监 测 系 统 的 配 套 及 现 代 化 。第三节 钻孔冲洗方式1. 正 循 环 ：全 孔 正 循 环 是 目 前 常 用 的 循 环 方 式 。 冲 洗 液 通 过 水 泵 及 钻 杆进 入 孔 底 ， 经 钻 头 水 口 返 出 ， 沿 钻 杆 与 井 壁 的 环 空 上 返 携 带 岩 粉排 出 井 口 。 如 图 1.1 a 所 示特 点 ： 1） 循 环 系 统 简 单 ， 应 用 广 泛 ；2） 有 利 于 破 岩 及 排 粉 ；3） 冲 洗 液 直 接 冲 刷 岩 芯 ， 影 响 采 芯 率 及 岩 芯 质 量 。2. 反循环：全孔反循环如图 1.1 b 所示，冲洗液的流动方向正好与正循环相反。为了将冲洗液压入孔内，孔口必须加密封装置密封。孔口密封器同时要能让钻杆自由回转和上下提动。优点：1）由于钻杆内径断面较小，冲洗液上返流速较较大，有利于排粉（较大的） 。尤其是大口径钻进和空气钻进；2）能实现水力连续取芯，提高岩芯采取率和钻速；3）由于反循环冲洗液流动方向与岩芯进入岩芯管方向一致，并使其处于悬浮状态，冲洗液不能直接冲刷岩芯，故有利于提高岩芯采取率，防止堵芯缺点：1）冲洗液流速过大时可能使岩芯次序颠倒；2）孔壁漏失时，不适合用之，但可采用双层或三层钻杆隔离实现全孔反循环钻进，可同时解决漏失与孔壁坍塌问题。3. 孔底局部反循环：如图 1.1 c 所示，它是在正循环的基础上在井底加上一个喷反接头，冲洗液自钻杆内输入，由喷反接头处流出，在下面的岩芯管内产生负压抽吸力，从而形成井底部分是反循环，井上部分是正循环结构。由于其结构简单效果较好，目前在岩芯钻探中也广泛使用，尤其是钻进破碎地层。优点：1）避免冲洗液直接冲刷岩芯，可提高采取率，防止堵芯；2）由于只限于井底局部反循环，故克服了全孔反循环受钻孔漏失的限制，可用于破碎难采芯地层钻进。缺点：同反循环一样，岩芯次序易颠倒。小结：本章主要介绍了钻孔冲洗液的功用及分类。主要有 10 大功用，分成六大类。在此基础上介绍了冲洗液的三种循环方式及其特点。简介了冲洗液的发展。要求了解掌握各类冲洗液的特点、功用及适用范围。能合理选择合适的钻井冲洗液洗井及合适的钻孔循环方式钻进。思考题：1. 冲洗液有什么主要功用？2. 各类冲洗液有什么特点？分别适用于什么情况（地层、钻进方法）？3. 钻孔循环有几种方