钻井堵漏新方法

钻井护壁堵漏新方法

[摘要] 针对矿区地质钻探钻孔严重漏失问题,从堵漏材料水泥—水玻璃的水化、水合、水解、胶溶及电离过程,详细分析了其堵漏机理。提出了利用帆布袋堵漏方法,确定了合适的注浆压力及最大注浆量,现场应用证明其效果良好。

钻井施工作业如遇地质情况复杂、含有破碎带和含盐层及溶洞裂隙发育, 时常发生泥浆漏失问题。如泥浆漏失严重,将会影响施工速度和施工质量, 使工期延长, 成本增加。因此, 应细化、完善护壁堵漏配套技术。

从地层漏失通道的形式可把漏失分为裂隙型、孔隙型和洞穴型3类。对于孔隙型和洞穴型漏失多以水泥和水玻璃为堵漏材料。笔者介绍一种自创的以水泥和水玻璃为材料、以帆布袋包裹堵漏的新方法。

1　水泥—水玻璃堵漏机理

1. 1　水泥—水玻璃的基本组成和特性

普通硅酸盐水泥的成分主要有以下4种矿物: 硅酸三钙3CaO・SiO2, 记为C3S 占37%～60%, 硅酸二钙 (2CaO・SiO2, 记为C2S) 约占15%～37%, 铝酸三钙 (3CaO・Al2O3, 记为C3A)含量约为7%～15%, 以及铁铝酸四钙 (4CaO・Al2O3 ・Fe2O3, 记为C4AF) 含量约为10%～18%,此外还含有少量游离氧化钙及含碱土矿物和玻璃体系等。

水玻璃俗称泡花碱, 其主要成分为Na2O・nSiO2水玻璃是最早采用且目前用量最大的堵漏材料,与其他化学浆材相比,水玻璃的成本最低, 对环境污染最小、使用工艺灵活方便, 属于化学类防渗堵漏材料。

水泥—水玻璃浆材的特性如下: ①凝结时间快, 可在30～120s内, 根据要求任意调节, 凝胶时间易于控制; ②固化率高, 近100%, 几乎不收缩, 克服了其他材料固化收缩留空的缺点; ③可灌性好;④浆液稳定性好; ⑤固结体具有较高的强度; ⑥水泥2水玻璃具有表面活性作用, 与土体、岩石结合力强; ⑦材料来源广、价格便宜、无毒副作用、使用方便。

1. 2　水泥—水玻璃的加固机理

1. 2. 1水泥的加固机理　

① 水泥水化

普通硅酸盐水泥主要矿物成分各自的水化反应过程如下:

硅酸三钙 (C3S)2 (3CaO・SiO2) +6H2O ——3CaO・SiO2・3H2O+3Ca (OH)2 (1) 完全水化的硅酸三钙含有40%的氢氧化钙。

硅酸二钙 (C2S)2 (3CaO・SiO2) +4H2O ——3CaO・SiO2・3H2O+Ca (OH)2 (2) 完全水化的硅酸二钙大约含有18%的氢氧化钙。

铝酸三钙 (C3A) 与水反应迅速, 生成水化铝酸钙:

3CaO・Al2O3+6H2O ——3CaO・Al2O3・6H2O (3)

水化铝酸钙与液相中的硫酸盐激烈反应生成的产物为三硫型水化硫铝酸钙, 其分子式为3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O, 也叫钙矾石。钙矾石生长在铝酸盐的表面, 延缓了水的扩散进入, 因而阻止了水泥的迅速凝结。铝酸三钙还会与钙矾石反应生成单硫酸盐硫铝酸钙。

2(3CaO・Al2O3) +3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O+4H2O ——3(3CaO・Al2O3・CaSO4・12H2O (4)

单硫型水化硫铝酸钙中的硫酸盐和结晶水含量较少。钙矾石转化成单硫型水化硫铝酸盐,这种产物具有较大的透水性, 有助于反应的进一步进行。在硅酸盐水泥中, 一般认为, 单硫型水化硫铝酸盐是硬化水泥石中稳定的硫铝酸盐矿物。

铁铝酸四钙 (C4AF) 遇水后能生成立方晶体的水化铝酸三钙和胶体状的水化铁酸一钙。铁铝酸四钙的水化反应比铝酸三钙慢得多:

4CaO・Al2O3・Fe2O3+4Ca (OH)2+22H2O——4CaO・Al2O3・13H2O+4CaO・Fe2O3・13H2O (5)

由此可见, 如果忽略一些次要的和少量的成分, 硅酸盐水泥与水作用后, 生成的主要水化产物是:水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶,氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥石中,水化硅酸钙约占50%, 氢氧化钙约占25%。水化过程阶段的特征是水化热稳定下降, 水通过增厚的凝胶层的扩散逐渐变得困难。

②碳酸化作用

除上述反应外，水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水中和空气中的二氧化碳，生成不溶于水的碳酸钙：

Ca（OH）2+CO2——CaCO3↓+H2O (6)

这种反应也能使井壁固化，提高强度。

１.２.２ 水玻璃的加固作用　

水玻璃稳定地层的作用机理是水玻璃遇到粘土中的高价金属离子或pH值低于9的孔隙水,生成硅酸钙或硅胶颗粒, 填塞粘土颗粒间的孔隙, 从而提高土体强度。

水玻璃的溶解是一种不同于普通无机电解质 (酸、碱、盐) 溶解的复杂的特殊物理化学过程,是由下述顺序彼此衔接的各个阶段所组成。

1 水合过程

水和水玻璃的组分结合, 生成化学组成不固定的水合物。这一生成过程的方程式如下:

Na2O・nSiO2+ mH2Ｏ——Na2O・nSiO2・mH2O (7)

2 初步溶解过程

生成的水合物Na2O・nSiO2・mH2O变成溶液, 其溶解的难易及完全与否,取决于水玻璃中SiO2的含量, SiO2含量越高,溶解度越小。

3 水解过程

水玻璃是强碱弱酸盐, 在水的作用下不可避免地要发生水解, 结果产生游离的苛性碱。二氧化硅含量越高, 水解越不容易进行。其水解过程可以用下列的方程式近似地表示:

Na2O・nSiO2・mH2O⇋2NaOH+ nSiO2・(m- 1) H2O (8)

4 胶溶及电离过程

水玻璃（特别是模数高于2者）复杂的复合物分解生成的二氧化硅, 能被水解时生成的苛性碱所胶溶, 同时变成溶液的硅酸盐电离, 生成简单离子和复杂离子, 由此形成复合与游离的胶团。硅酸盐电离可以用下面反应式简单表示:

Na2SiO3 ⇋ 2Na+ +SiO32- （9）

当加入到土与水泥的混合溶液中后,水玻璃发生上述一系列的溶解电离等过程,并与水泥水解产生的氢氧化钙反应生成具有一定强度的水化硅酸钙凝胶体, 其反应式如下:

Ca (OH)2+Na2O・nSiO2+ mH2O⇋ CaO・nSiO2・mH2O+NaOH (10)

水玻璃对土的加固作用可以用下列反应式表示:

Ca—[ (Clay) —OH]2+Na2SiO3 —— 2Na—(Clay—OH)2+CaSiO3 (11)

水玻璃中游离碱 (NaOH) 的反应:

Ca (Clay—OH)2+2NaOH ——2Na—(Clay—OH)2+Ca (OH)2 (12)

式中, Ca—(Clay) —OH表示含Ca饱和的粘土 (Clay)。

由此可见, 水玻璃与水泥、土之间不仅存在物理的吸附作用, 还发生一系列的化学反应,从而提高土体的强度。

2　现场应用

2.1　施工简况

ZY6井设计井深900m。钻进至540147m时, 突然严重漏浆, 随后采用粘土条加锯末进行堵漏处理, 经处理效果不佳; 又往粘土条中加入碎石和海带进行堵漏, 经过4d的处理, 恢复正常钻进, 钻进到700m时,钻孔突然又严重漏浆。采用以前方法继续堵漏,经过9d处理始终不见效果。

2.2 应用

经过分析认为,ZK3号孔属于孔隙型漏失。决定采用水泥水玻璃帆布袋堵漏法。

2.2.1

加工的帆布袋长度为2.5m， 直径400mm, 并在其上扎了若干个小眼, 按100mm×100mm布眼。水灰比为015, 水玻璃加量按5%控制, 水泥用量为800kg。下入袋式堵漏装置前, 应预先将水玻璃按照计算好的重量放入花管内,从而在压水泥浆时使其能及时压出并和水泥浆充分混合,保证水泥浆能快速凝固。为保证注浆完成后,反掉堵漏装置时其有足够的阻力, 在堵漏装置的底部设计有鱼尾。且应把漏层底部的部分用黄泥填实,以保证堵漏装置下入时, 既能使鱼尾插入其内。注浆时,一定要控制好注浆压力, 不能使其超过3MPa。反出钻具时, 时间要控制恰当, 在确定反掉时, 才能提出注浆钻具, 否则容易造成帆布袋破裂和堵漏装置错位。

经过2次堵漏, 堵漏处理非常成功。从700m处开始钻进, 直至终孔,再没发生漏浆现象。3　结　　论

3.1水泥—水玻璃浆材克服了水泥浆液由于颗粒粒径的限制,难于灌入一些细微裂隙, 及受水流流速的限制的缺点, 而且能根据工程的需要调节浆液的胶凝时间, 故可适用于流动水部位的堵漏和防渗。

3.2水玻璃与水泥、土之间不仅存在物理的吸附作用,还发生一系列的化学反应, 从而提高了土体的强度。

3.3 对于漏失严重地层, 采用帆布袋护壁堵漏是较为有效的方法。

[参考文献]

[1]肖林,王春义,郭汉生1建筑材料[M]1北京:水利电力出版社,1987

[2]冶金工业部建筑研究院1水玻璃耐酸混凝土[M]1北京:冶金工业出版社,1985

[3]杜嘉鸿1地下建筑注浆工程简明手册[M]1北京:科学出版社,1998

[4]何金辉,张立新1深层搅拌桩的浆液浓度和龄期对抗压强度影响的试验研究[J]水文地质,1996,23

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/402355e3524de518964b7dff.html