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澜沧老厂铅矿凝灰岩膨胀垮塌机制及防塌钻井液研究

作　者: 郑明雄
导　师: 李峰
学　校: 昆明理工大学
专　业: 地质工程
关键词: 澜沧老厂凝灰岩膨胀垮塌机制防塌钻井液
分类号: P618.42
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

澜沧老厂铅矿凝灰岩快速膨胀垮塌的特性给生产带来了困难,基于这样的工程背景,本文在对矿区凝灰岩产出及主要工程地质问题归纳总结的基础上,选择含矿层中代表性凝灰岩样品,主要从凝灰岩的微观结构、化学反应、化学原理、物质因素、防塌钻井液研制及防塌原理等方面,较系统地讨论了凝灰岩膨胀垮塌的机制,并研制出有效防塌钻井液。(1)在分析确定凝灰岩的粒度、孔隙、裂缝等特征的基础上,应用扫描电镜观察分析凝灰岩的微观结构,通过对比干凝灰岩、缓慢吸水凝灰岩及快速浸水凝灰岩的结构差异,研究了凝灰岩膨胀过程中的微观结构变化、遇水前后的裂缝孔隙变化、水在凝灰岩内的流动及毛管压力模型等问题,并通过建立模型和公式讨论了微观力学问题。研究表明：凝灰岩的粒度分布不均匀,总体较细,但含有对钻井卡钻有极大影响的致密坚硬的大岩块；凝灰岩的孔隙和裂缝十分发育,自由膨胀时因微裂缝微孔隙增加而渗透率增加,受压封闭空间中膨胀使裂缝孔隙均匀化变小而渗透率降低。膨胀时水的流动过程为：在毛管压力作用下,水沿裂缝和孔隙在凝灰岩内快速扩散,进入凝灰岩层片状结构时产生大量新的微孔隙和微裂缝,为水的进一步渗入提供了新的通道；因亲水层片结构的片间距离微小,故层片间毛管压力较大,层片状结构的广‘泛存在导致广泛而强烈的毛细吸水现象,吸水后片发生卷曲,水层的楔入及片卷曲导致片间距增大,片间结合力减小,并产生大量孔隙和裂缝。老厂凝灰岩中广泛存在的水层楔入及亲水片状结构吸水卷曲,是凝灰岩遇水快速膨胀垮塌的主要原因之-(2)应用X荧光、XRD及电子探针等多种手段和多种实验对比资料,分别从膨胀和垮塌两个方面研究了老厂凝灰岩膨胀垮塌机制的物质因素。在研究膨胀时,先由X荧光、XRD初步确定膨胀矿物。进而,在扫描电镜下观察主要膨胀部位的典型结构,并进行电子探针分析,确认主要的膨胀矿物。在研究垮塌时,设计增量时间下的系列溶出实验及防塌实验,对溶出离子用ICP-AES检测离子浓度,先初步查定可能对分解垮塌起主要作用的溶出离子,再用相关离子的饱和溶液进行防塌验证,确认对分解垮塌起作用的溶出离子。膨胀物质因素研究结果表明：澜沧老厂凝灰岩快速膨胀的原因为凝灰岩中含有大量以高岭石为主的粘土矿物,层片状结构高岭石快速吸水导致快速膨胀和垮塌；亲水极性矿物也是吸水膨胀不可忽视的因素；老厂凝灰岩吸水时,凝灰岩中的盐在吸入的水中快速溶解是凝灰岩膨胀和强度降低的重要原因；地下湿润凝灰岩中存在一定的化学水合结晶,可导致一定的凝灰岩膨胀,但水合结晶膨胀不普遍不迅速,不是凝灰岩快速膨胀垮塌的主要原因。澜沧老厂凝灰岩中的可溶物溶解对凝灰岩浸水分解垮塌起十分重要的作用,Na+及K+的溶出是凝灰岩在水中分解垮塌的重要物质因素。(3)通过凝灰岩在酸、碱、盐溶液和有机试剂中的反应情况及稳定性状态的研究,考察了凝灰岩的化学反应特征和原理,从化学反应和溶解的角度研究了凝灰岩的膨胀垮塌机制。由探索性实验和盐类定向实验,发现凝灰岩在饱和NaCl和饱和KBr溶液中能保持较好的稳定性。以此为基础,选择饱和NaCl钻井液体系进行钻井液配方适应性研究和优化研究,获得了有效的水基防塌钻井液配方,该配方将凝灰岩的稳定性由水中2分钟完全分解提高到配方中15天以上仍保持稳定。化学研究中还进行饱和NaCl对凝灰岩中可溶物溶出的阻碍作用的实验和分析,并对阴离子的防塌作用进行了讨论。研究结果表明：凝灰岩中离子的溶出与凝灰岩的分解垮塌密切相关,饱和NaCl溶液能阻碍凝灰岩中的离子溶出,进而有效防止凝灰岩垮塌。由钻井液配方成分适应性及配方优化研究还可知：NaCl溶液中添加NaOH和可溶淀粉成分对凝灰岩防塌有重要的增进防塌作用,使用就地取材的凝灰岩滤液做钻井液基液,可进一步提升防塌性能,钻井液中不宜使用防止盐结晶的添加剂；阴离子的作用不容忽视,防止老厂凝灰岩分解垮塌的阴离子应以卤族阴离子中的Cl-和Br-为佳。(4)钻井液防塌原理研究既是膨胀垮塌机制研究的一个途径,又是膨胀垮塌机制的应用验证。按钻井液防塌配方成分进行溶质增量序列的溶出离子检测对比,是凝灰岩分解垮塌物质因素研究的补充。钻井液相关的化学溶液中凝灰岩稳定性状态与溶出离子检测的结合,是定性化学现象的定量研究。从钻井液各防塌成分的阻水、阻溶两方面作用讨论了所研制的复合饱和盐水钻井液的防塌原理：可溶淀粉沿凝灰岩裂缝及表面絮凝,具有强烈的堵塞作用,并可提供NaCl结晶的基础；饱和NaCl具有结晶堵塞和阻碍凝灰岩中可溶物溶出的作用；NaOH具有一定的助絮凝、增进NaCl结晶速度和阻碍凝灰岩中可溶物溶出的作用,并可形成Fe(OH)2等胶体；凝灰岩滤液可增加钻井液中凝灰岩可溶出成分的离子浓度,以降低井壁凝灰岩物质溶出速度,并为NaCl结晶提供结晶核。由淀粉絮凝物、NaCl结晶、胶体及膨润土形成的覆盖井壁的湿润混合膜,极大地阻碍了水进入凝灰岩层,钻井液的隔水能力是防塌的重要原因。高浓度凝灰岩滤液+饱和盐水+NaOH对凝灰岩中的可溶物溶出有初步的阻碍作用,絮凝结晶及膜覆盖后溶出被进一步阻止,钻井液具有较强的阻溶能力亦是防塌的重要原因。(5)深入综合地研究了凝灰岩的化学反应原理,重点讨论了凝灰岩在水、饱和NaCl溶液及碱性饱和NaCl溶液中稳定性不同的原因。首先以实验确定了三种液体进入凝灰岩的多少和状态,进而由粘度、界面粘度、基于吸附作用的双电层效应及端面双电层效应讨论了饱和NaCl溶液—凝灰岩的液—岩作用原理。单一理论均无法较好地解释凝灰岩的多种化学现象,通过多种理论的综合应用,克服了这种不足,为钻井液防塌应用提供了进一步的理论依据。研究表明：界面粘度对碱性饱和NaCl溶液进入凝灰岩微层片起一定阻碍作用。端面双电层吸附总体上对溶液进入凝灰岩起阻碍作用,但离子吸附可使饱和溶液变得不饱和而产生自由水,溶液中的自由水增加会减弱阻碍作用。由于凝灰岩中粘土矿物端面上较强的离子吸附效应,使得吸附力大于毛管压力而致饱和NaCl溶液难以进入微层片,但弱吸附离子Na+的吸附倘不足以使饱和NaCl溶液中产生大量自由水。对强吸附离子如Fe3+,强吸附使得饱和溶液变不饱和,自由水较多,远端自由水因束缚力小而无法克服毛管压力,进而进入凝灰岩微片；水进入凝灰岩层片后,层片间距离增大,端面双电层效应减弱,导致含离子溶液进入微片,故强吸附离子饱和溶液中凝灰岩迅速分解。NaOH是一种增加凝灰岩—水界面粘度的活性剂；且NaOH与高岭石的H+以氢键结合,使凝灰岩表面的负电荷增多,进而使得凝灰岩的端面吸附作用更强,NaOH还有增大Na+浓度和产生胶体增加粘度的作用。满足“端部双电层引力+界面粘度阻力+电解质离子束缚力>毛管压力”时,液体不能进入凝灰岩微层片,反之能进入。由综合分析结果,进一步解释了配方钻井液的防塌原理,并对防塌钻井液配方进行进一步优化,添加KCl和NaBr,以进一步减少钻井液中的自由水、加强端部双电层电荷对液体的束缚,使凝灰岩更稳定。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-10
目录  10-14
第一章绪论  14-26
  1.1 凝灰岩概述  14-17
    1.1.1 凝灰岩简介  14
    1.1.2 高膨胀凝灰岩带来的工程地质问题  14-17
  1.2 凝灰岩膨胀垮塌机制的研究现状  17-21
    1.2.1 凝灰岩膨胀机制的国内研究现状  17
    1.2.2 凝灰岩膨胀机制的国外研究现状  17-18
    1.2.3 澜沧老厂铅矿凝灰岩及其膨胀机制研究现状  18-20
    1.2.4 其它相关膨胀岩土的研究现状  20-21
  1.3 研究的科学意义  21-22
  1.4 研究的总体思路和方案  22-24
    1.4.1 微观结构研究方案  22-23
    1.4.2 膨胀垮塌的物质因素研究方案  23
    1.4.3 化学反应研究方案  23-24
    1.4.4 钻井液防塌原理的研究方案  24
  1.5 论文的成果及创新性  24-26
第二章澜沧老厂铅矿凝灰岩产出及工程地质问题  26-48
  2.1 澜沧老厂矿区区域地质背景  26-35
    2.1.1 矿区地理及大地构造位置  26-27
    2.1.2 地球物理和地球化学简况  27-28
    2.1.3 矿区资源类型及找矿前景  28-29
    2.1.4 矿区水文地质条件  29-35
  2.2 澜沧老厂凝灰岩的分布及其特征  35-43
    2.2.1 凝灰岩的产出层位及其分布特征  35-38
    2.2.2 凝灰岩的主要类型及岩石化学特征  38-41
    2.2.3 凝灰岩与矿体的关系  41-42
    2.2.4 凝灰岩的力学性质及其变化  42-43
  2.3 与老厂矿区凝灰岩有关的工程地质问题  43-46
    2.3.1 钻探工程中的卡钻问题  43-44
    2.3.2 坑道变形问题  44-45
    2.3.3 卡钻原因及措施分析  45-46
  2.4 采样说明  46-48
第三章凝灰岩膨胀垮塌机制的微观结构研究  48-76
  3.1 微观结构的研究方案  48-49
  3.2 粒度分析  49-51
  3.3 裂缝及孔隙  51-58
    3.3.1 裂缝和孔隙状态  51-53
    3.3.2 SEM表面孔隙率分析  53-55
    3.3.3 氮气吸附孔隙率测定  55-57
    3.3.4 孔隙裂缝与膨胀的关系  57-58
  3.4 层片状微结构  58-59
  3.5 凝灰岩内的水分运动  59-65
    3.5.1 岩石湿润性  59-61
    3.5.2 毛管压力  61-64
    3.5.3 凝灰岩内的水分运动  64-65
  3.6 微矿物结构的微观力学模型及计算  65-73
    3.6.1 基于拉应力的凝灰岩微片结合力计算  65-72
    3.6.2 基于膨胀压力的单轴微观楔入力及卷曲力计算  72-73
  3.7 小结  73-76
第四章凝灰岩吸水膨胀机制的物质因素研究  76-88
  4.1 研究思路及实验设计  76-77
  4.2 凝灰岩吸水膨胀的物质因素  77-84
    4.2.1 化学成分因素分析  77-79
    4.2.2 矿物成分因素分析  79-83
    4.2.3 显微膨胀部位的物质分析  83-84
  4.3 凝灰岩吸水时盐快速溶解  84-85
  4.4 化学水合结晶与膨胀的关系  85-87
  4.5 小结  87-88
第五章凝灰岩浸水垮塌机制的化学研究  88-108
  5.1 凝灰岩的化学反应研究方案  88-90
  5.2 凝灰岩的化学反应实验及分析  90-100
    5.2.1 探索性化学实验  90-94
    5.2.2 盐溶液化学实验  94-100
  5.3 凝灰岩在水中的物质溶出  100-101
    5.3.1 化学现象  100-101
    5.3.2 饱和盐水对离子溶出的阻碍  101
  5.4 凝灰岩浸水分解垮塌物质因素的定量分析  101-103
    5.4.1 可能导致分解垮塌的溶出物  102-103
    5.4.2 导致分解垮塌的溶出物的确定  103
  5.5 防塌钻井液研制  103-106
    5.5.1 NaOH适应性实验  103-104
    5.5.2 淀粉成分适应性实验  104
    5.5.3 钻井液配方的优化  104-105
    5.5.4 效果比较  105-106
  5.6 小结  106-108
第六章饱和盐水钻井液的防塌原理  108-118
  6.1 钻井液防塌原理研究概述  108-109
  6.2 钻井液中可溶淀粉的防塌作用  109-110
  6.3 钻井液中饱和NaCl的防塌作用  110-112
    6.3.1 饱和NaCl的结晶堵塞防塌作用  110-112
    6.3.2 饱和NaCl阻碍凝灰岩中盐溶出的防塌作用  112
  6.4 钻井液中NaOH的作用  112-113
  6.5 钻井液成分对NaCl结晶的影响  113-114
  6.6 钻井液对可溶物溶出的阻碍  114-116
  6.7 小结  116-118
第七章凝灰岩微层片结构的边缘阻碍作用综合分析  118-136
  7.1 凝灰岩对化学液体的吸入量  119-121
  7.2 界面粘度及其作用分析  121-124
    7.2.1 贾敏效应  121-122
    7.2.2 水及饱和盐水的粘度  122
    7.2.3 界面粘度及NaOH的活性剂作用  122-124
  7.3 粘土化学基础  124-131
    7.3.1 粘土—水界面的吸附作用  124-127
    7.3.2 粘土的双电层理论  127-131
  7.4 离子大小及水化热因素  131-132
  7.5 凝灰岩微层片结构边缘电荷阻碍综合分析  132-134
  7.6 小结  134-136
第八章结论及展望  136-140
致谢  140-142
参考文献  142-150
附录A 攻读学位期间发表的论文及成果  150-152

澜沧老厂铅矿凝灰岩膨胀垮塌机制及防塌钻井液研究

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