非开挖:平衡淤泥质地层的泥浆比重设计及配方调整

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淤泥及淤泥质土是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积,并伴有微生物作***的一种结构性土。就其成因来看,有滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积及沼泽沉积四种。在天津、上海和广州等沿海城市,长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等平原地区,洞庭湖、洪泽湖、太湖和鄱阳湖四周,以及昆明滇池地区,都埋藏有厚度达数米***数十米的淤泥及淤泥质土。天然含水量大于液限、天然空隙比大于或等于1.5的粘性土为淤泥。天然含水量大于液限而天然空隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土为淤泥质土。

淤泥质地层具有流塑性,既要防止欠平衡造成内撑压力不足而缩径,又要防止超平衡造成地层软化而缩径,孔内泥浆的压力应与孔深处的地应力相平衡。因此需要配制合理比重的泥浆,以保证循环中的泥浆快速形成致密的泥皮。利***泥浆的压强和强韧的泥皮,来平衡易可引起塌陷的地层压力。

1泥浆比重设计

非开挖铺管时泥浆比重宜控制在1.02g/cm31.25g/cm3

由于淤泥质地层质软,泊松比大,扩孔时缩颈程度明显高于常规地层,因此淤泥质土的比重应尽量取上限值。要配制***重泥浆,可直接***增大膨润土加量的方法来加重,但过量的膨润土会使泥浆粘度、切力增大,导致泥浆在流动性方面不符合要求。而且膨润土的重度不高,***来增加泥浆的比重效果不显著。因此,一般采***专门的加重剂对泥浆进行加重。

1.1泥浆常***加重剂

加重剂又称加重材料,由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。可加入钻井液中以提高钻井液密度,起到稳定井壁等作***。加重材料应具备的条件是密度大、磨损性小、易粉碎、不与钻井液中的其它组分发生相互作***。

泥浆常***加重材料有重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉和方铅矿粉等。

1.1.1重晶石粉

重晶石是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石,经过机械加工后而制成的白***末状产品。按照API标准,其比重应达到4.2g/cm3,粉末细度要求过200目筛子,筛余不大于3%。重晶石只溶于浓***,不溶于水、***、其他酸和碱溶液,一般***于加重密度不超过2.30g/cm3的水基或油基钻井液,是目前应******广泛的一种钻井液加重剂。

1.1.2石灰石粉

石灰石粉主要成分是CaCO3,密度为2.2g/cm32.9g/cm3,易与***等无机酸发生反应,因而适***于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使***,以减轻钻井液对产层的损坏。但由于其密度较低,一般只能***于配置密度不超过1.68g/cm3的钻井液。

1.1.3铁矿粉

铁矿粉的主要成分为Fe2O3,密度一般为4.9g/cm35.3g/cm3,为棕色或黑褐***末。密度大于重晶石,可***于配制密度更高的钻井液。选***铁矿粉将某种钻井液加重***某一给定的密度,加重后钻井液的固相含量比选***重晶石时低。加重后固相含量低有利于调节流变性和提高钻速。此外,由于铁矿粉具有一定的酸溶性,因此可***于需进行酸化的产层。

由于铁矿粉硬度约为重晶石的两倍,因此耐研磨,在使***中颗粒尺寸保持较好,损耗率较低。但另一方面,对钻具、钻头和泵的磨损也较为严重。在我国,铁矿粉是***量仅次于重晶石的钻井液加重材料。

1.1.4方铅矿粉

方铅矿粉是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末,一般呈黑褐色。由于其密度高达7.4g/cm37.7g/cm3,可***于配制超高密度钻井液。由于该加重剂的成本高、货源少,一般***于在地层孔隙压力***的特殊情况下使***。我国滇黔桂石油勘探局在***-3井曾使***方铅矿配制出密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液。

1.2泥浆加重剂的优选

同一种加重剂,粒度分布不同,其临界密度和摩阻系数也不同。显微电镜观察显示:石灰石、重晶石颗粒表面为球形,有利于滑动,摩阻较小;铁矿粉颗粒表面为四面体,有阻碍滑动的作***。加重剂的纯度、粒度分布和颗粒表面形状都会影响钻井液的润滑性能,加重剂的纯度高、杂质少、粒度分布均匀、比表面积小、颗粒表面为球形,都会使钻井液的摩阻减小,润滑性能提高。

另外,根据斯托克斯公式,重晶石颗粒下沉速度与其颗粒半径,也就是与其目数有关。斯托克斯公式如下所示:

V=2gr212)/(9η)      (1

式中,V:悬浮颗粒的沉降速度,m/sg:重力加速度,m/s2r:悬浮物颗粒的半径,mmρ1:悬浮颗粒的比重,kg/m3ρ2:分散介质的比重,kg/m3η:散介质的粘度,s

所以,重晶石目数越大,悬浮物颗粒半径越小,悬浮物沉降速度也就越小,悬浮效果就越好。建议采***400目以上的加重剂进行加重,以保证现场加重剂的悬浮稳定性。考虑到石灰石加重效果较低,铁矿粉磨损性较高、方铅矿粉成本较高,而重晶石粉货源广、价格适中等因素,实验室进行实验时通常采***重晶石粉。

1.3泥浆加重剂的加量

配制加重泥浆时,加重1m3泥浆所需加重剂的重量W(Kg)为:


式中:γB———加重剂的比重,g/cm3γ2———加重泥浆的比重,g/cm3γ0———原浆的比重,g/cm3

根据公式算得***比重为4.0g/cm3的重晶石加重1m3泥浆,所需重晶石粉的重量如下表所示。表中泥浆的比重单位均为g/cm3。由于实际操作的误差,以及测试时搅拌不够均匀等因素的影响,计算出来的加重材料***量与实际所需***量存在一定差别,在实际应***时可结合经验对计算结果进行一定调整。