钻井利器的故事之“护壁堵漏材料”

近年来,作为入地最为关键手段的钻探所面临的地层越来越复杂,钻孔垮塌、掉块、缩径和超径等事故发生概率增加,严重制约了钻探工程质量与效率的提升。护壁堵漏材料是钻探工程不可或缺的关键性工程材料,护壁堵漏技术则是保证钻进工作安全、快速以及持续进行的重要技术环节,是复杂地层钻孔处理的主要内容。本文从科普的角度介绍了护壁堵漏材料的基本概念与组成、冲洗液护壁堵漏作用、水泥基材料护壁堵漏作用、护壁堵漏材料的进一步发展空间等,以期加深对护壁堵漏材料的认识,促进新型护壁堵漏材料的研发和应用。

基于PFC^(3D)的地下连续墙槽壁稳定性模拟分析

针对富水砂卵石层地下连续墙成槽过程中槽壁易发生失稳的问题,通过分析相关的研究资料,在明确失稳形式及机理的基础上,设计了改变流速和粒径比的两种模拟试验方案,采用PFC3D颗粒流软件分析了渗流对土颗粒间性质变化的影响。数值模拟结果表明:流速对于颗粒的位移有很大的影响。流速越快,颗粒位移越大,孔隙率越高,墙体所受应力也越大;粒径比对于颗粒的位移同样有很大影响,其表现的作用与流速相似;在有侧限的情况下,颗粒的x向位移在达到极限后会产生z向的分量,使得颗粒向上位移。在实际工程中就意味着在颗粒位移达到一定程度,必然会突破泥膜,导致土体内细颗粒的流失,土体孔隙率增大,最终使得槽壁发生垮塌。

含煤地层植物胶冲洗液改性及机理研究

为改善植物胶资源日益枯竭对含煤地层等复杂地层冲洗液应用带来的不利影响,对瓜尔胶进行复配−交联改性研究。以黄原胶为复配增效剂,有机硼为交联改性剂,并辅以交联控制剂、无机处理剂,研发一种新型植物胶冲洗液(GXB),并对其进行一系列的性能评价。评价结果表明,GXB性能优良,能够满足含煤地层等复杂地层的钻进需求。采用红外光谱分析、黏度分析、核磁共振分析相结合的方法对其复配−交联改性机理进行分析。结果表明:(1)复配增效过程存在2种作用机制:首先瓜尔胶中无半乳糖分布的区域可与黄原胶分子产生氢键或范德华力嵌合形成三维网状结构以增黏;同时在瓜尔胶作用下黄原胶易发生自缔合以提升体系结构黏度。(2)有机硼中的硼酸根离子主要通过络合半乳糖上的羟基以发生交联反应,体系黏度得到进一步提升,其过程可分为起始期、过渡期、上升期、稳定期4个阶段,各阶段交联反应的快慢主要受有机配位体释放硼酸根离子的速度影响。研究成果为解决含煤地层垮塌难题提供新的解决方案,同时对植物胶冲洗液的改性研究具有一定的参考价值。

砂卵砾石层地下连续墙成槽护壁泥浆的研制

在砂卵砾石层进行地下连续墙施工时浆液漏失严重、槽壁垮塌频发、工程成本陡增,传统膨润土泥浆已很难满足工程要求。在理论分析的基础上进行试验研究,对天然粘土泥浆进行综合改性以研制新型护壁泥浆解决砂卵砾石层地连墙槽壁坍塌问题。通过优选试验确定基础改性剂CN-1以改善其悬浮稳定性问题,在此基础上进一步筛选得到提粘护胶剂(CG-14S)、协同封堵剂(DFD-2)对其综合性能指标进行改进,通过正交试验确定优化配方并进行性能与成本评价,同时分析了其改性过程与护壁机理,并进行了现场试验,最终研制出一种可应用于砂卵砾石层地连墙施工的改性粘土护壁泥浆,即15%天然粘土+0.2%CN-1+0.4‰CG-14S+0.5‰DFD-2。研究成果为解决复杂地层地连墙施工槽壁垮塌问题提供了新的选择。

复杂山区水平绳索取心定向钻进聚合醇绿色防塌冲洗液研究

在西部艰险山区相关隧道及地下工程的勘察施工中,与传统垂直孔相比,水平定向绳索取心钻进勘察效率更高。在地质条件复杂、生态环境脆弱区,钻进过程中易出现塌孔、漏失等问题,要求所用冲洗液在保证流变性能的同时需具备抑制性强、无毒无害、绿色环保等特点。针对绳索取心水平定向钻进冲洗液性能问题,选择环保易降解、抑制性强的聚合物多元醇为主要研究对象,选择环保纤维素及纳米SiO_(2),以提升其自身流变性能。所研制的聚合醇防塌冲洗液体系:2%PVA+0.5‰甲基纤维素MC-9+0.5‰纤维素羟烷基醚LE-5+0.1%SiO_(2)+0.3‰淀粉类降滤失剂DD-1+0.2%有机硅消泡剂DS-957+0.8%KCl,由环保型材料构成,流变性能良好,防塌抑制能力也可达到定向取心钻进工程要求,为解决水平绳索取心定向钻进中的冲洗液工艺技术难题提供了新思路,对类似工程具有借鉴意义与参考价值。

富水砂卵石层堵漏凝胶的研制及其机理

针对富水砂卵石层地下连续墙施工过程中槽壁发生垮塌,而常规堵漏材料(如水泥)并不十分适用的问题,通过单因素试验分析了成胶剂(阴离子聚丙烯酰胺)、交联剂(铬交联剂)、增强剂和粘土对浅层堵漏聚合物凝胶性能(成胶时间、粘度、强度、稳定性)的影响,并利用正交试验得到了最终的优化配方,同时分析了该凝胶材料的形成机理。结果表明:增强剂能够在凝胶内串联成胶剂,进一步增强凝胶强度和稳定性;而粘土同样能够缩短交联时间、增强凝胶体强度,但粘土不利于浆液的稳定性,稍微过量便导致浆液分层。最终的优化配方为:15%铬交联剂+5%成胶剂+8%增强剂+7.5%粘土,测试其性能能够满足地下连续墙浅层堵漏的要求。