裂缝性地层（共4篇）
裂缝性地层 篇1
摘要：本文根据裂缝性地层钻井存在的钻井液漏失现象, 并针对多种因素变化, 在相关的建立模型上, 对钻井液的漏失规律进行阐述。
关键词：裂缝性地层,钻井液漏失,模型,规律
在裂缝性的地层中实施钻井行为, 会出现大量钻井液的漏失现象, 这样不仅增加了钻井实施的成本, 也造成井下的多种事故。特别是井眼在缝隙上的流失性。由于地层的裂缝表面存在较大不规则现象, 裂缝面的粗糙程度, 导致流体产生较大影响。不仅导致裂缝面的滤失性, 也影响了钻井液的漏失规律。
1 裂缝性地层钻井液漏失模型
根据图1中的钻井液漏失裂缝模型示意图可以看出, 如果在底层中存在任意角的矩形裂缝, 裂缝面就会产生较大渗透性。根据裂缝面建立一个直角坐标系, 在X轴中, 在水平方向上是对裂缝走向的体现;在Y轴上, 主要是裂缝角的倾斜度[1]。根据X轴与Y轴在图中的长度表示, 它们之间的数值能够表现出裂缝面的形状。而且, 井眼与裂缝面是相交在, 在这种相交位置上, 主要为裂缝的中心点、裂缝边界中心以及裂缝角位置。
在这种模型中, 井眼在钻井期间, 如果在前期遇到裂缝现象, 裂缝内的初始压力就会产生相应数值, 缝内的流体以及井眼中的钻井液, 就会在流变性以及性能上产生相同数值。在时间保持不动变化情况下, 井眼与裂缝面相交情况下钻井液就会随着裂缝内的压力上升而增加井内压力。但在一定条件下, 就可以将钻井液看做不能够实现压缩的非牛顿流体, 能够实现剪切稀释性, 就可以建立钻井液相关的流变方程。
2 裂缝性地层钻井液漏失规律
2.1 钻井液流变参数
钻井液中的流变参数能够影响裂缝内的流体流动性, 特别是钻井液内的漏失速率。根据钻井液的流动指数、稠度系数以及钻井液的漏失速率之间的影响可以看出, 如果钻井液中漏失速率值不断变大, 漏失速率之间的倾斜对就会增大, 特别在时间不断变化期间, 产生的影响系数也越来越大[2]。在这种现象变化下, 主要是由于流动性数值不断变小, 钻井液中出现明显的稀释效果, 不仅降低了钻井液缝内的流动阻力, 也影响了钻井液的漏失速率。如果钻井液中的稠度不断增加, 漏失速率就会越来越小, 主要是由于稠度值能够影响钻井塑性, 增加粘度, 也增加了钻井液缝内的流动阻力。
2.2 裂缝迂曲度
裂缝迂曲度主要是裂缝面的粗糙度对钻井液的漏失规律产生的影响。根据裂缝在开度变化上的影响, 对钻井液中的漏失速率进行讨论。裂缝在初始开度期间, 如果裂缝迂曲度值不断增加, 钻井液中的漏失速率就会越来越小。特别在漏失初始阶段, 不仅在开始期间降低了漏失速率, 在后期不断漏失期间, 也出现稳定状态。如果初始裂缝不断增大, 裂缝迂曲度对漏失速率的影响就会越来越小, 从而增加了漏失速率的数值变化。所以, 当初始裂缝值在开度变化上不断增大, 就要将裂缝形成平行的光滑板。如果初始裂缝在开度上不断增小, 要减少钻井液在漏失速率上的影响, 就要加大对裂缝面粗糙程度的重视。
2.3 裂缝几何参数
裂缝的倾斜角如果增加, 漏失速率就会增加, 主要是由于重力对钻井液的流动导致的。如果裂缝的初始开度不断增大, 钻井液中的漏失速率就会越来越大, 主要是因为在相同压力下, 它为钻井液实现了更大的漏失通道。如果是裂缝面积的影响, 裂缝面越来越小, 漏失速率就会越来越小[3]。如果是裂缝长度的不同影响, 裂缝长度不断减少, 钻井液在漏失末端, 就会降低一定的漏失速率。在裂缝面积不断的情况下, 如果在长度变化形式上, 裂缝面的形状发生变化也会影响钻井液的漏失速率。
2.4 裂缝面滤失性
境地压差在相同条件下, 裂缝面的滤失性数值就会越来越高, 增加了钻井液的漏失效率。在初始时间上体现了漏失速率下降比较快, 在实施期间, 钻进液的裂缝面就会出现泥饼现象, 钻井液中的漏失率就会在降低降低形式下逐渐平稳。如果井底的压差不断增大, 裂缝面产生的漏失率就会实现较大现象吗, 所以要保证井底压差的合理数值, 就要实施合理的调整行为, 一般要降低钻井液在裂缝面的滤失量数值。
2.5 其他参数
井眼与裂缝面之间的相交位置、井底的压差以及裂缝法的刚度, 都会影响钻井液中的漏失速率[4]。对于井眼与裂缝面之间的相交位置, 如果漏失速率的变化形式不大, 在后期的相交位置上, 就会增加钻进液的漏失速率。如果对于缝内的初始压力, 当井底压差不断增大期间, 钻井液中的漏失速率值就会不断增大, 主要是由于井底压差的驱动力影响的, 如果井底的压差不断增加, 钻井液的漏失现象就会比较严重。对于裂缝法的刚度变化。如果这种刚度值不断变化, 缝内压力的开度就会发生变化, 钻井液中的漏失速率就会降低。所以, 在缝内压力以及裂缝开度不断情况下, 就要保证裂缝法较高刚度, 这样不仅能够降低裂缝开度, 也降低了钻井液中的漏失速率。
3 结语
在本文建立的模型中可以看出, 根据裂缝, 能够看出斜角裂缝以及裂缝面的渗透性, 并能够根据裂缝之间的开度对线性变形规律进行阐述。不仅体现了裂缝面中对粗糙程度的表述, 也阐述了裂缝变形以及裂缝面阐述的滤失现象。
参考文献
[1]李大奇, 康毅力, 刘修善, 陈曾伟, 思娜.裂缝性地层钻井液漏失动力学模型研究进展[J].石油钻探技术, 2013, 04:42-47.
[2]皇凡生.天然裂缝网络系统钻井完井液漏失数值模拟[D].西南石油大学, 2014.
[3]舒刚.裂缝性地层钻井溢漏同存流动规律及模型研究[D].西南石油大学, 2012.
[4]舒刚, 孟英峰, 李红涛, 贾红军, 严俊涛, 李海旭.裂缝内钻井液的漏失规律研究[J].石油钻采工艺, 2011, 06:29-32.
裂缝性地层 篇2
1.1 井眼不稳定问题
目前,井眼不稳定问题是在较深的裂缝地层钻进时出现的最重要的问题之一。总的来说,井眼不稳定是一个工业范围内的问题,它不但对勘探有影响,同时也影响到钻井开发。全世界每年因井眼不稳定而造成超过20亿美元的损失。井眼不稳定一方面是由于岩石的塑性挤压造成井眼缩径,另一方面是由于岩石坍塌和剥落而造成井眼扩张。井眼不稳定从根本上来说是由于钻井过程中油井周围的应力集中反应到岩石上而造成的。如果岩石的强度高于这个应力,井眼就稳定,否则岩石将屈服,并由于不同的因素(例如岩石的破坏后特性、裂缝的残余强度、流体特性等)而坍塌、松散或聚合。
一般来讲,影响井眼不稳定的因素包括:井下应力、天然裂缝、岩石性质(类型、强度、孔隙度、渗透率、热的特性、膨胀潜力、孔隙分布)、地层温度、原生孔隙压力、近井压力、孔隙水化学性质、泥浆类型及化学性质、井底压力、勘探时间、循环速度、井眼轨迹及尺寸、钻井振动等。
1.2 裂缝地层的井眼稳定性
天然裂缝是指那些肉眼可见的平面不连贯裂缝,这些裂缝是由于地层应力大于岩石破裂强度而造成的。这些天然裂缝对于流体流动具有明确的正面或负面影响。Aguilera(1995)相信,实际上所有的油藏都存在着天然裂缝,如果天然裂缝对流体流动和井眼稳定的影响是不可忽略的,即可被称做裂缝地层。这些地层的井眼不稳定机理与页岩地层是完全不同的。
井眼构建失败经常发生在裂缝地层,有时会阻碍进一步的钻井过程。有很多技术可以提高裂缝地层中的钻井条件,但是仍然缺少非常有效的方法。
Santarelli等人于1992年在裂缝地层井眼稳定的油田展开了最早的研究工作。他们应用分离的元素模型去模拟取自深部且严重裂缝的玄武岩和凝灰岩地层的一些钻井数据,目的是验明井眼不稳定机理。他们注意到这些不稳定主要源自井壁内连通裂缝的出现,钻井液侵入连通裂缝的部分区域后,该处钻井液从井壁侵蚀岩块,造成岩块松散,从而导致井眼不稳定。
Zhang等人于1999年用数值方法模拟裂缝地层中井眼的特性以期更好地掌握井眼不稳定特性。这些数值分析结果证实引起高应力差的裂缝的存在对井眼不稳定性起到重要作用。
2001年,Chen 等人进行了大量的关于裂缝岩石区域的井眼特性的研究,并提议用耦合数值分析法研究各向同性和各向异性应力条件下裂缝、孔隙压力和渗透率对井眼稳定性的影响。
关于裂缝岩层中井眼不稳定性的文献资料显示,尽管有些学者已经对裂缝地层井眼稳定性机理进行了研究,但是仍需更加详细地考虑其他的裂缝参数。
2 井眼不稳定预防方法
2.1 应用钻井液压力预防
预防井眼不稳定常用的方法是增加钻井液密度以支撑井壁。然而,允许的泥浆密度窗口(MWW)限制了可用的泥浆密度范围。换句话说,钻井液压力(MP)只能高于破坏压力(CP)而低于破裂压力(FP)。对于典型的未衰竭盆地地层,它的FP总是大于孔隙压力(PP)。
通常情况下,泥浆压力越高,机械钻速就越低,从而钻井周期和成本越高。因此,应使用最低允许的钻井液密度。
此外,在裂缝地层中,随着泥浆压力增加,循环漏失也随之增加。在这种情况下,CP和FP曲线非常接近,有时甚至重合在一起。结果在这样的地层中,控制泥浆压力是非常困难的。
另一种特殊情况发生在欠平衡钻井作业中,泥浆压力小于孔隙压力,当CP与PP接近,或高于PP时,欠平衡钻井将导致井眼不稳定。
从上面两种情况可以看出,传统井眼不稳定预防方法是不能解决问题的。在这种情况下可选择井眼加固的方法。
2.2 应用地层加固的方法
可以相信降低孔隙压力是不实际的,石油工业已经开发了各种技术来增加破裂压力和降低破坏压力,例如,加宽MWW。这种方法被认为是地层加固的一种方法。地层加固阻止了不期望的流体和气体流入或流出井眼,它主要是通过降低渗透率和孔隙度并提高岩层的机械性能,包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度来实现的。加固作业需要用到实时钻井数据、流体化学性能、计算机生成布局程序、相似井的井史等资料。通过去除不必要的套管柱和减少不想要的流体流入,加固方法具有以下一些明显的优势:较低的钻井成本、钻较大直径生产井眼的可能性、破裂压力的增加、岩石机械性能的提高、出砂率降低及较高的钻进速度。
加固作业能使FP曲线上移,CP曲线下移,从而加宽了MWW。在CP与FP之间较大的允许限度使得泥浆压力调整余量更大,保证了更加安全的钻井施工。
遗憾的是,在地层加固,特别是裂缝地层加固方面的研究成果仍是有限的。Nguyen 等人1998年研究了疏松地层中的井眼稳定方法。Eoff 等人2001年开发了一种水溶性环氧树脂系统,它克服了普通芳香环氧树脂与水不相溶的问题。Santos 等人2003年研究了用钻井液控制裂缝地层井眼不稳定性的可能性。Davison 等人2004年进行了一项在衰竭油气藏中扩大MWW的研究。Hemphill 2005年提出了一个综合方法以说明在井眼构建过程中综合考虑钻井液水力学和重晶石下沉可能性后的效果。他宣称应用这种方法,钻井业可以避免不期望的事情发生,如井眼不稳定或井眼裂缝。
3 现有加固方法及新技术
在不同的情况下,地层加固的主要目标是:消除或减少循环液漏失;增加岩石强度;消除或减少出砂量。这些目标是通过应用特殊材料和适当的工艺来实现的。
通常,堵漏材料(LCM)或防漏材料(LPM)以桥堵剂、凝胶剂或黏结剂形式出现。它们可以是钻井液的一部分,也可以是单独的泥浆。对油井的每个施工阶段均使用不同类型的填加剂。
3.1 桥堵剂
3.1.1 带有特殊微粒的LPM
这个方法的概念和理论公式是由Fuh等人于1992年提出的。在有漏失倾向的地层或大斜度钻井中当需要使用较高密度的泥浆来防止可能的井眼破坏、钻具被卡、缩径或其他井眼不稳定问题的发生时,可使用这种新的LPM。
LPM是通过堵塞细小的裂缝和砾石大小的孔隙来进行密封的。它在裂缝顶端形成泥饼,从而防止裂缝蔓延。在这种方法中,根据裂缝尺寸, 防漏材料有一个严格的粒度范围以提供最合适的密封。这种LPM由坚果壳、锻烧的石油焦碳或任何其他的粒状材料组成,它具有1.2~2.0的相对密度以及100 1bm/bbl(1 lbm/bbl=2.853 kg/m3)的最大浓度。
Fuh等人宣称,在钻井液中LPM的使用防止了大的地层裂缝的产生,并因此降低或防止了钻井过程中漏失的发生。他们指出由于使用了这种LPM,井眼破坏压力明显提高了 8.0 ppg(1 ppg=120 kg/m3)。油田试验记录表明裂缝扩展压力增加了3.0~6.0 ppg。
优点:由于添加剂和基础泥浆密度相近,因此相分离最小;添加剂没有研磨性;容易移动;不会埋入到泥饼中;不会显著影响泥浆性能。
缺点:不适用于低渗透率地层;不适用于低杨氏模量和高压地层;不是一个补救方法,因此如果裂缝形成就不能使用它;选择适当的粒度需要精确的孔隙和裂缝尺寸数据。
3.1.2 15/15/10 LCM料混合物
All等人1994年研究了一种LCM混合物,用在水基钻井液中,该钻井液在多重严重衰竭且疏松的砂岩油藏钻进时使用。这种LCM混合物的主要优点是防漏失,可以不使用技术套管并大大地降低了油井成本。
这种混合物主要由以下成分构成:15 lbm/bbl、掺有中等尺寸聚合物絮片的细小植物纤维的混合物;15 lbm/bbl、掺有中等尺寸聚合物絮片的中等粒度植物纤维的混合物;10 lbm/bbl特殊加工的粒度为2~200mm的微晶纤维。他们称其为15/15/10LCM混合物。
在由清水、凝胶、沥青组成的泥浆体系中加入了40 lbm/bbl 的15/15/10LCM混合物。该桥堵剂样本在试验室1 500 psi(1 psi=6.895 kPa)压力下试验成功,并在过平衡压差高达1 600 psi的油田中得到了应用。它可以用体积分数为7.5%盐酸或3%氯酸清除。
优点:成功地进行了单级注水泥作业;可以不必使用技术套管;尽管该桥堵剂价格较高,但仍然大大降低了作业成本;与生产阶段的穿透深度相比,该混合物具有较小的侵入半径;不影响机械钻速。
缺点:变更了传统的钻井液体系;需要对漏失层进行预先确认;可能堵塞钻头喷嘴;它的堵漏能力随着时间而失去。
3.1.3 超微颗粒
超微颗粒是一种粒度为1~200 nm的有机物和无机物掺在一起的混合物。这种超微颗粒混入钻井液中,然后流入疏松地层,在颗粒之间形成桥接并将黏合在一起,从而使地层在一段时间内胶结。首先,水或其他任何一种低黏度并具有适当的顶替能力的流体被注入到地层去顶替孔隙流体。然后,酸性及天然胶结的超微颗粒悬浮液被注入地层,注入压力需要保持一段时间,以便等待地层慢慢胶结。
优点:简单有效;减少出砂;对地层孔隙度和渗透率没有显著影响;与其他方法相比施工步骤少。
缺点:不适用于孔隙压力特别不同的长层段的使用;不能明显增加地层强度;不能用于低渗透率地层;仍是一种阶段性工艺措施。
3.2 黏结剂
3.2.1 化学水泥浆
化学胶结技术在地下裂口支撑作业中成功应用了很多年。这种方法常常用在地层控制项目中来防止水流入或增加泥土、岩层的强度和稳定性。Li等人2003年调查了在裂缝和不稳定地层中应用化学水泥浆稳定井眼的可行性,他们发现化学水泥浆有可能提高裂缝和不稳定地层中井眼的稳定性。他们试验了一些类型的水泥浆,其中的一种低黏度环氧树脂Webac 4110效果最好,它能将地层抗剪强度增加100%~150%。
优点:适用于裂缝地层;大大提高了破裂压力梯度;显著降低了泥浆漏失。
缺点:该方法还不是很完善,需要进一步地研究;在高温高压的深地层中缺少合适的技术;分级作业可中断钻井施工。
3.2.2 可变形、黏稠、内聚的泥浆体系(DVC)
这种在压力和应力作用下可以变形的DVC密封剂被用来加固地层。通过挤注压力得到一定的裂缝宽度,并且由于高屈服应力而保持宽度。而当裂缝宽度随着井眼压力的增加而增加时,密封体的变形仍能保持密封并将裂缝尖端隔离,使井眼压力传递不到该处。移动密封体及保持其固定均需施加适当的压差。
优点:不依靠地层渗透率形成密封;不需要了解地层渗透率。
缺点:大量密封剂必须沿着井眼运行很长的距离才能到达漏失层;挤注压力受到其他松软地层的限制,如套管鞋周围的地层。
3.3 胶凝剂
3.3.1 非侵入的流体(NIF)
目前已经发现,在微裂缝低渗透地层当钻井液侵入裂缝时井眼构建失败。在这种情况下,破裂压力与井眼压力迅速相等,泥浆密度丧失了稳定效果。结果,裂缝被侵入的流体润滑,裂成碎片,使不稳定的情形更加严重。基本上,流体侵入发生后挤注小段塞是无效的。这就意味着当有微裂缝时,泥浆中必须加入密封剂,并且在侵入发生前成功地密封微裂缝。
非侵入流体是一种新型超低固体含量的流体,它不封堵孔隙,而是用它独特的表面性质和机理在地层表面形成密封薄膜。
Labenski等人2003年证实这是一个很有前景的产品,它是一种具有较宽的亲水亲油平衡值范围的聚合物的混合物,其部分成分可在水中或原油中溶解。当将这种混合物加入到水基泥浆中时,一些聚合物溶解可以提供与许多常规填加剂相似的失水量控制。然而,其他聚合物由于它们的亲油特性仅是部分溶解,这些聚合物能形成可变形的胶粒,能在孔隙和微裂缝之上迅速形成低渗透密封能力。通过撤消过平衡压力,即可解除这种密封。
优点:对环境完全无害;增加了孔隙压力和破裂压力梯度;能够有效密封较大范围的渗透地层和低渗透地层;在钻进上覆地层和油层时可使用同一种流体;增加了裂开压力;不受粒度分布的影响; 容易从井眼中清除。
缺点:整个工艺过程都需要控制并保持流体浓度和pH值;流体必须保持洁净;最小和最大静水压力值相近,从而保证地层中的密封有效;加固作用是暂时的,泥浆压力取消后,加固效果也将失去。
3.3.2 应力网环
通过在井眼与地层界面处支撑裂口并密封浅的裂缝而引起的近井区域的较高应力被称为应力网环。随着裂缝加宽而提高的圆周应力形成了柔性压力密封,提高了井下压力完整性。通常认为较高的圆周压应力能够增加岩石抵抗较高拉压力的能力。
控制应力网环形成的参数是井眼直径、地层中产生的裂缝宽度、粒度范围、泥浆密封性能及地层渗透率。
该方法已经研制成功并在高度可渗地层中得到了应用。但是在低渗透岩石中应用没有效果。Gil和Roegiers 2006年提出一个替代方法用以产生相似的应力网环并使井眼加固,该方法是通过冷却钻井泥浆引起二次热应力来实现的。
3.3.3 特殊设计泥浆
Aston等人2004年描述了一种特殊设计泥浆,它通过用微粒状桥堵剂和超低漏失泥浆来形成应力网环,从而有效提高裂缝抵抗性。这种方法可在页岩和砂岩地层中使用。该方法在井眼周围产生小的裂缝并用裂缝开口附近的桥堵剂颗粒保持裂缝张开。Aston等人2004年实验性的研究得出以下结论:
◇ 桥堵剂应该足够柔软以便经受得住压力波动和岩石移动;
◇ 填加剂的颗粒尺寸应该是平稳并连续的,范围从黏土粒度到所需的堵塞宽度;
◇ 高的微粒浓度对高效密封是最好的(最少需要15 ppb堵塞混合物);◇ 在温度达到300 ℉、过平衡压力为4 000 psi时能成功进行裂缝密封;
◇ 泥浆密度对于成功封堵不是关键因素;
◇ 优先选择较短的裂缝;
◇ 较软的岩层需要较宽的裂缝。
优点:注水泥和下套管阶段均有效;在页岩和砂岩地层中均有效;可以不使用套管柱;增加了可达深度;明显增加了破裂压力梯度和地层裂开压力。
缺点:由于裂缝面被覆盖,因此可能对地层造成损害;需要非标准钻井作业;可能堵住井下设备;可以磨蚀泥浆泵;需要知道精确的孔隙和裂缝尺寸。
3.3.4 堵漏材料挤注系统(LCMSS)
Sweatman等人1997年研究出几种新的LCMSS,这些系统被成功地应用在一些采用常规方式失败的井中。它们解决了井漏问题,增加了薄弱地层的整体特性和破裂压力梯度,封堵了高压水层和高压气层,允许安全地钻进较深地层并止住了地下井喷。
该方法由于缺乏控制手段而不是很成熟。LCMSS填加的化学制剂主要用来止住井漏而不是改善破裂压力梯度。它的基本成分包括:水、水合性聚合物、有机质黏土以及膨胀型黏土。它能够以极高的裂缝封堵黏度来封堵井眼附近的整个漏失层。
优点:消除了严重的水基和油基泥浆漏失;不需打救援井即可抑制高速率不可控制的横向流体流动;加强了不同类型地层的整体特性;密封高压气层和水层,同时隔离开孔隙压力,以便使用低密度的泥浆。
缺点:该方法要想成功,对问题的识别很关键。
3.3.5 有机纤维
这种方法的主要思路是用有机纤维去封堵孔隙和裂缝。用来封堵裂缝的有机材料包括稻壳、花生壳及其他软材料。但是它们是非生物降解的,可能对生产层造成损害。
能够从地面生长的掺有棉花纤维的柚木木材混合物中获得一种生物降解的、非破坏性的有机纤维材料。这种混合物像小段塞一样加入到钻井液中并泵入地层,它能够形成一层薄的并且有力的泥饼使井壁更加稳定,特别是在裂缝地层中。
优点:不需要穿透地层进行封堵;防止页岩和煤层剥落;降低扭矩和拉力;产生了薄泥饼;由于可生物降解,因此降低了对地层的损害。
缺点:为了得到一个合理的漏失率,需要综合采用几种处理方法;堵塞井下设备;需要分级处理;仅适用于可渗透的裂缝地层。
3.3.6 树脂处理方法地层固结和化学套方法
树脂处理方法包括用水溶性树脂胶结疏松和薄弱地层,或者在井壁上形成一个化学套,或者两种方法结合使用。工业上已经使用了不同种类的能够提供高强度的树脂产品,如环氧树脂、酚醛树脂、呋喃等,用它们可以在化学处理井中控制出砂、封堵水/气、修复漏失套管、层位封隔。以前在不同油田中应用的经验认为环氧树脂可用来增加井眼稳定性。
这种方法在地层中钻进时应使用pH值在6~10之间的钻井液,这种钻井液由水聚合阳离子催化剂、水溶性聚合物、微粒固体热固性树脂、水溶性热固性树脂、延迟溶解的酸性催化剂组成。
优点:钻井和加固过程可同时进行;在砂岩和页岩地层应用均有效果;由于较大范围的化学方法的有效性,因此也具有较高的适应性;地层加固填加剂与钻井液中其他填加剂一样不会显著影响钻井液密度;破裂压力梯度增加到了1 200 psi。
缺点:对地层的损害不容易消除;相对来说比较昂贵;使用后的废料不能够再循环、再利用。
水溶性脂族的环氧树脂的应用
这种方法用于封堵裂缝、降低地层可渗透性并且人工增加地层破裂压力梯度。与一般常用芳香族环氧树脂相比,脂族环氧树脂的优点是溶于水,但是可能造成水污染。它能以纯树脂、树脂和砂混合物、树脂和重晶石混合物状态随着钻井过程泵入井中,也能够分散在水基或油基钻井液中泵入井中。
优点:非常显著地增加了地层强度(两倍以上);在密封成功率方面效果不错(超过90%);与油基泥浆和水基泥浆一起使用。
缺点:由于可降低地层渗透率,因此不适合用于生产层;需要了解精确的地层数据;由于黏度较高不适用于低温作业;难以处理;由于使用时需要停止钻进作业,因此比较费时;仅适用于短的井段;井段必须先钻好;使用一种黏土稳定剂作为预冲洗液防止黏土含量过高。
3.4 新技术
3.4.1 微流量控制
Santos等人2003年研究的一种方法解决了克服破坏压力梯度和破裂压力梯度之间数值太接近的问题。因为很小的流量就能够对油井进行连续控制,因此该方法被称为微流量控制法。
在该方法中,油井钻在一个闭合回路中,泥浆返回流量流经压力控制装置。而随着钻井的进行,所有从井中返出的液体均被监控,并将其与预期的返出液进行比较。这种方法在实施过程中不仅要注意观察注入的流体和返出液,还要注意观察所有固体和气体。
这种方法更加安全,风险较低并且降低了钻井成本。它也能为钻井者提供完全的机动性,选择在设备和工艺过程方面安全并简单的钻井方法。这种方法被认为是欠平衡钻井、近平衡钻井、低压头钻井和双压力梯度钻井的简单替代方法。
优点:泥浆密度不需任何变化;缩短钻井时间,减少套管数量;降低井涌井喷风险;不需要关井检查流量;在任何时间均可恢复到常规钻井。
缺点:该方法不适用于夹层或互层地层;不改变孔隙压力值。
Santos等人2005年提出了改进和完善该方法的计划,使其完全适用于较大范围的油井。
3.4.2 高能激光
该方法是在井底钻具组合的一个单根上安装激光装置,该装置发出的激光束或激光束组合将挖掘用具融化并将其压靠在井壁上,同时,一个强度较高的陶瓷套管放置在井壁上,用以代替钢制套管。
天然气技术学院和它的研究伙伴针对1997年在油井射孔和完井作业中应用高能激光情况进行了一次广范的调查。他们评价了不同类型的激光(CO2、Nd:YAG、COIL、MIRACL、纤维激光),输出能量范围为1~1 200 kW。其中纤维激光具有以下优点:输出效率较高(20%)、裸眼堵塞时电效率达20%~25%、占地面积较小(0.5 m2)、不需维修保养、容易通过光纤电缆在井下传递。这些优点使纤维激光成为射孔和井下应用的首选激光类型。
优点:与常规方法相比具有较高的机械钻速;由于用额外的电缆连接到井底钻具组合,因此数据采集率高;一趟钻完成钻完井作业。
缺点:只适用于天然气直井;需要高能组件;必须射孔生产。
4 评论及建议
文章主要提出了以下一些评论及建议:
(1)桥堵剂:它们像堵塞剂一样去充填地层小孔和微裂缝,主要适用于疏松地层。桥堵剂不能在裂缝地层使用,这是因为在裂缝地层中需要堵塞较大的裂缝。同理,胶凝剂和树脂处理方法存在同样问题,它们在连通的裂缝中也是无效的,因为在那里裂缝尖端无法被覆盖。
(2)有机纤维和应力网环方法在当时看来是裂缝地层的最佳选择。然而,它们的作用只限制在井眼和地层的界面处。理论上,化学水泥浆更适于在裂缝地层条件下应用,能够充填整个裂缝并明显改善裂缝的机械性能。然而,这种水泥浆却大大降低了地层的渗透率,因此,还必须在产层应用增产措施。而且这种方法还没有完全研制成功,在材料、注入方法及清除等方面还需进一步研究。
(3)地层加固作业的目的是增加破裂压力梯度、降低流体漏失、保持产层具有足够的渗透率,在该领域可以产生新的、创造性的方法。在地层加固作业中,应该考虑采用新的、经济的、可回收的、对环境无害并且能在裂缝中产生黏性滤饼的材料和填加剂。
根据钻井方法的不同,加固方法可分为具有不同性质的两个组。在过平衡钻井中,需要同时提高地层的强度和渗透率,因此,采用的方法应该能够增加抗剪强度并降低渗透率。一些方法,像注水泥填缝法、小球桥堵法、高能激光上釉法,或者类似于在隧道工程中喷混凝土浆作业的加衬法等看起来是达到这些施工目的的可选方法。
裂缝性地层 篇3
建发央郡桩基2#、3# 楼基础工程为灌注桩桩基,工程位于龙岩市新罗区双洋路西侧,龙腾路西侧。项目为一类高层公建项目。根据工程地质施工勘察报告揭示,拟建场内工程地质条件相对复杂,土洞、溶洞较多,全场均有分布,且大部分呈珠串溶洞。2# 楼84 根桩,其中有土洞、溶洞的桩位58根,占其总桩数的69%;3# 楼84 根桩,其中有土洞、溶洞的桩位57 根,占其总桩数的68%。该工程2#、3# 楼各岩土层结构及特征详述如下:
(1)杂填土(1):灰褐色,灰色,松散~ 稍湿,成分以砖块。混凝土块等拆迁建筑垃圾为主。充填约20%的黏性土,均匀性差,回填时间小于一年,为近期场地整平回填土。
(2)粉质粘土(2)-1:褐黄色,局部夹褐红色,硬塑为主,湿。成分以粉粘粒为主,粘性较一般。光泽稍有光滑,无摇振反应,干强度高,韧性中等。局部地段夹少量石英颗粒及圆砾。
(3)中砂:灰,浅灰色,松散~ 稍密壮,饱和。成分以石英质中砂为主,其次为粉、细砂,含泥量为10%~25%。颗粒分选性较差,级配不良,磨圆度一般。
(4)含卵石粉质粘土(2)-3:褐黄色,可塑~ 硬塑状,湿。成分以粘、粉粒为主,卵石成分以中风化砂岩、硅质岩为主。属中等压缩性、中等强度土层,工程地质性能较好。稍有光泽,韧性中等,干强度中等。
(5)卵石:褐黄,灰黄色,中密,饱和。粒径大于20mm含量占50%以上,其中30~50mm为主,个别粒径大于100mm,呈次圆形,局部磨圆度较差,母岩成份以中风化砂岩,硅质岩为主。
(6)泥质粉砂岩残积粘性土(3)-1:黄褐、灰褐夹褐红色,可塑~ 硬塑状,湿。属中等压缩性,中等强度土层,粘性一般,切面稍有光泽,中等韧性,干强度低,在未侵泡未扰动的条件下,工程地质性能较好。
(7)硅质岩残积砾质粘性土(3)-2:灰黄、灰褐夹灰白色,可塑~ 硬塑,湿~ 很湿。母岩为硅质岩,主要成分以粉粘粒为主。粘性一般,中等韧性,干强度低,在未侵泡未扰动的条件下,工程地质性能较好。
(8)硅质岩残积含碎石砾质粘性土(3)-3:黄褐、灰褐色,可塑~ 硬塑状饱和,可塑~ 硬塑,湿~ 很湿。母岩为硅质岩,成分以粉粘粒为主,角砾含量5%~15%,粒径以10~40mm为主。个别大于60mm。粘性较差,土质均匀性差
(9)破碎石灰岩:灰白色夹青灰色,隐晶质结构,块状构造。岩质较新鲜,岩块呈微风化状,锤击声较清脆。
(10)碎块状强风化花岗岩:灰,灰黄色,岩石风化比较强烈,中系花岗岩结构清晰,该岩石为软岩,岩体级破碎,岩体基本等级为V级。
(11)中分化花岗岩:灰白色,中系粒花岗结构,块状构造,矿物成分以长石、石英为主。该岩石为较硬岩,岩体较完整,岩体基本质量等级为三级。
2 岩溶性地层地质对桩基施工的影响
本桩基工程刚开始时,由于对岩溶性地层地质认识不够,施工经验不足。由于在一般地质条件下,旋挖钻孔法成孔工艺施工进度较快,并且不受地下水影响,因此选择了旋挖钻孔法成孔工艺施工。在进行旋挖钻机成孔时,根据地勘报告,选择了2# 楼几根桩基进行旋挖钻机试挖成孔。在旋挖钻机成孔过程中,因孔内出现不同程度的漏浆,造成孔壁坍塌,偶尔卡钻。试挖的6 根桩中有3 根桩因坍塌未能成孔,采用重新回填。经公司技术部、项目部认真研究地层地质,主要是由于岩溶性地层地质施工存在以下问题:(1)土洞、溶洞多,易引起漏浆,导致成孔过程中经常塌孔,无法成孔;(2)钻机施工过程中容易沿溶沟、溶槽倾斜,岩溶内易卡钻;(3)已成孔的孔桩,孔底沉渣也比较难控制。施工结果证明,这种旋挖钻机成桩工艺在岩溶性地层地质不适用。后来公司技术部、项目部决定改用冲孔法施工工艺。
本工程2#、3# 楼桩基成孔工艺采用冲孔桩机施工工艺。冲孔法成孔施工工艺,优点在于:(1)冲锤冲击力大,容易穿过岩溶顶板和孤石;(2)施工基本不受地下水影响;(3)对桩的长度、桩径大小没有什么要求,选择灵活性大。但是冲孔法施工进度相对较慢,本工程安排2#、3# 楼各8 台机计16 台冲孔桩机进行施工。由于本工程地处龙岩市典型的岩溶性地层地质,地质条件复杂,整个2#、3# 楼桩基工程施工过程中,由于土洞、溶洞多,成孔时经常出现泥浆渗漏,孔壁塌陷。冲孔成孔过程中的堵漏成为施工关键,增加了本桩基工程成孔的施工难度。在整个桩基施工过程中存在以下主要施工难点:(1)土洞、溶洞多,易引起漏浆、塌孔;(2)在溶沟、溶槽处易卡冲锤,沿岩易倾斜;(3)沉渣清理较困难。
3 岩溶性地层地质成孔过程中易出现的主要质量问题及防治措施
3.1 漏浆、漏浆、孔壁塌陷问题
原因分析:(1)由于地处岩溶性地层,地质条件复杂,地质中的土洞、溶洞多,裂隙发育,本桩基工程土洞、溶洞的桩位数,占比例大,施工过程中护壁困难,冲孔灌注桩施工过程中频繁发生遇溶洞而漏浆。因为土洞、溶洞漏浆,造成桩孔孔壁悬空压力失衡及地表水的流入,因而塌孔现象经常发生。为了工程顺利进行,预防土洞、溶洞、缝隙漏浆产生的塌孔,成为本桩基工程重点。也是本工程在冲孔灌注桩机施工中必须克服及解决的必要问题。(2)由于杂填土层、卵石层松散。本工程杂填土回填时间短,回填松散,卵石层较松散,透水性强,容易透水、漏浆,因而发生孔壁塌陷。本工程特别是3# 楼,卵石层埋深较深,最深处约12m。松散的杂填土层,卵石层厚,这也是孔壁坍陷原因之一。
3.2 防范及处理办法
在本工程中,冲孔灌注桩成孔过程存在土洞多、溶洞多、缝隙多、杂填土松散、卵石层厚这些不可避免因素。施工的关键是必须先解决因这些原因漏浆时而产生的塌孔现象。根据本工程施工勘察揭示的每一个桩孔地层地质情况,结合以往堵漏防塌的施工经验,在溶洞封堵及杂填土、卵石层透水方面本工程采取以下措施进行堵漏。
在桩基工程施工时,漏浆有大土洞、溶洞和小裂缝漏浆。根据地堪报告,当冲孔桩施工进尺接近地质柱状图揭示的溶洞顶板时,将泥浆循环管提离孔内,以便漏浆时能尽快将冲锤从孔内提离至孔外。当土洞、溶洞漏浆时,对于大土洞、溶洞漏浆的封堵办法是,采用已准备好的袋装黄土、毛石、建筑废料(砖渣)及袋装水泥。迅速使用挖机、铲车往孔内填入一定量的黄土、毛石、建筑废料。回填黄土、毛石、建筑废料的高度一定要超过漏浆位置高度(土洞、溶洞顶高度)。在填粘土包时,分层加入一定量的整袋水泥,并迅速往孔内回灌泥浆,用冲锤挤压土包和水泥包,使填充材料填于溶洞缝隙中。使用冲锤反复冲打(对较大溶洞的封堵,应适当增加填入砖渣、片石数量比例)黄土、毛石、建筑废料、水泥混合材料,这样经过多次连续反复的操作,水泥与黄土才能充分混合,使之形成水泥黄土泥浆后,再用冲锤锤击搅合均匀,回灌泥浆,让水泥黄土泥浆能充分渗入到填入的毛石、建筑砖渣、岩溶缝隙中,使空洞、缝隙填满。当孔内成浆后,施工需要停工8~12h,等待水泥泥浆凝固成型后,在桩孔周围形成水泥护壁层,且具有一定强度后,才能进行下一步施工成孔。直到孔桩施工到桩基设计持力层标高为止。见示意图1 所示。
本工程采用此方法封堵,施工进行很顺利,并取得很好效果。对于地勘揭示的小溶洞、裂缝的漏浆,同样也可采用上述方法,封堵材料用黄土(无需装带)和水泥(需整袋),使水泥沉底,施工方法同上。本工程对小溶洞、裂缝的漏浆采用水玻璃加水泥的封堵新工艺。其方法是当发现漏浆后,往孔内投入一定量的袋装水泥和适量的水玻璃(水玻璃用塑料桶装捆绑在袋装水泥上投入孔内),用冲锤在孔底将水泥和水玻璃冲散搅和挤压,其冲锤在孔内冲击时间不宜大于60s即冲锤冲击频率不得大于40 击,就得将冲锤提离孔口,以防粘锤事故发生。之后用泥浆迅速回灌,待静止2h后即可重新冲孔。如遇较大些溶洞时,在填入一定量的黄土、砖渣等混合物,用冲锤不断挤压,达到一定程度后,再用水玻璃和水泥分层封堵得以固结。此封堵办法在本工程实践应用中收到较好效果。因其堵漏效果较为理想且操作简单,易被工人接受。由于在施工时,预防塌孔的准备工作和措施已提前做好,在易塌孔部位先得到隔离,漏浆在短时间内就不会造成塌孔的,以至能争取到较长的时间从容对溶洞进行封堵。
根据施工勘察揭示的地层地质,本工程在上部的杂填土、卵石层(因卵石层较松散、透水)也易出现塌孔。防止杂填土、卵石层塌孔只要将此区段的护壁做好,基本就能杜绝漏浆时塌孔现象的发生。特别是3# 楼,卵石层埋深较深,最深处约12m。本工程采用埋设长钢护筒的办法,且将钢护筒底部置入卵石层底板下0.5m处。这样就能有效防止漏浆时卵石层的垮塌。只有漏浆不塌孔,才能有充裕的时间对溶洞、裂隙封堵。
通过上述施工措施堵住了漏浆,堵住了溶洞,保证了泥浆质量能正常返浆,正常进尺,同时本桩基工程在灌注混凝土时也未出现大量超灌混凝土现象,确保了灌注桩施工质量,保证了工程进度。
4 桩基施工效果检测
该工程的冲孔灌注桩施工完成后,经龙岩市质量检测中心检测静载6 根桩(直径1200mm)单桩竖向抗压极限承载力均达到16000kN,单桩抗压承载力特征值Ra均达到8000kN,达到设计要求。工程桩按照规范要求采用低应变动测、抽芯以及静载实验检测,全部桩基均达到设计、规范要求,结果合格
5 结论
(1) 岩溶地层桩基施工应充分考虑地质条件的复杂性(土洞、溶洞、缝隙),根据地堪报告,认真分析工程地质条件情况。对桩基工程施工会造成的影响,合理地选择灌注桩施工工艺。
(2)从各种灌注桩施工方法来看,对岩溶性地层地质,有地下水,采用冲孔灌注桩成孔工艺是最经济、安全、可靠。
(3)在有砂、卵石层且伴有土洞、溶洞的桩基施工时,可采用填充土洞,对基岩、砂层、卵石层进行防渗堵漏灌浆处理等措施,以防施工过程中出现塌孔、塌陷。
(4)采用毛石、砖渣、粘土、袋装泥水、水玻璃填堵土洞、溶洞及防渗堵漏,是非常有效且经济可靠的方法,保证了桩基的质量,避免超灌混凝土,节约了成本。
(5)为了提高冲孔灌注桩的施工质量,必须认真分析灌注桩施工过程中可能出现的质量问题,结合工程的实际情况,选择适宜的防治措施。同时,认真审查地质勘探资料和设计文件,应编制有针对性、可行性和指导性的专项施工方案,指导施工。才能提高冲孔灌注桩工程的施工质量,对于保质保量地在工期内完工具有重大意义。
摘要：岩溶性地层地质条件相对复杂,土洞、溶洞多,裂隙发育,直接影响桩基的施工机械设备机型、施工质量及施工安全。特别对大型高层建筑桩基基础,如果对岩溶性地层地质条件认识不够,缺乏施工经验,将会造成严重的施工质量隐患、经济损失、影响施工进度。以龙岩市建发央郡2#、3#楼桩基工程施工为例,简要分析岩溶性地层地质对灌注桩的施工机械设备选择、施工质量影响以及相应的防范措施,为今后类似岩溶性地层地质灌注桩基工程提供一些施工经验。
关键词：岩溶性地层,灌注桩,处理措施
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裂缝性地层 篇4
1 区间抗震设防及工程地质概况
1.1 区间抗震设防概述
南京地区抗震设防烈度为7度,区间抗震设防分类为乙类,框架抗震等级为3级,设计基本地震加速度值为0.10 g,设计地震分组第1组。建筑的场地类别为Ⅱ类,设计特征周期为0.35 s。抗震设防目标:(1)结构在中震(475年1遇)作用下,即设计基本地震加速度值为0.10 g,不破坏或轻微破坏,应能够保持其正常使用功能,结构处于弹性工作阶段,不因结构的变形导致轨道过大变形而影响行车安全;(2)结构在大震(1 950年1遇)作用下,即设计基本地震加速度值为0.20 g,结构在遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震(高于设防烈度Ⅰ度)影响时,可能破坏,经修补,短期内应能恢复其正常功能,结构局部进入弹塑性工作阶段。
1.2 区间工程及地质概述
本区间全长约640 m,根据地勘报告区间土层较厚,含砂土液化层,地下水位埋藏较浅,场地属对抗震不利地段。场地内(1)-1、(1)-2层填土及(2)-2d3粉细砂夹粉土、(2)-3d2粉细砂层、(3)-4e2混合土层,剪切波速大于90 m/s,设计时可不考虑软土震陷。根据地勘报告(2)-2d3粉细砂夹粉土层液化判断为震后易液化,隧道穿越软弱地层,采用盾构法施工。
2 地下结构抗震计算方法概述
地下结构抗震设计分析方法,从力学特性上可以分为拟静力计算方法和动力反应分析方法2类。动力分析法在判明屈服机制、计算精度等方面比较精确,但是在非线性分析过程中对边界的设定、土动力非线性参数等方面增加分析问题的复杂性与引入不确定性,计算量大,易受地震波选取的影响,在国际上没有得到广泛的应用。因此,采用拟静力法更符合工程实际,也避免了因分析问题的复杂性和输入不确定性所带来的误差,目前国内外用拟静力法计算大多采用反应位移法。
3 抗震计算模型与荷载计算
3.1 1维土层地震反应分析模型
1维波动模型是一种半无限弹性均匀基岩空间上覆盖水平成层土体的较为理想的场地力学模型。它假定土层沿2个水平方向均匀不变,而仅沿竖向分层变化。虽然1维分析模型是一较为理想的场地力学模型,但从工程近似的角度分析,它能用以模拟局部范围内地面、土层界面及基岩面较平坦的场地。因此,它适用于大多数局部场地或大面积场地的局部范围。目前,对水平成层的土层,通常采用1维波动模型并用等效线性化的方法考虑土体非线性特性的影响进行土层地震反应分析。
S波在图1体系中垂直向上传播时,满足1维波动方程:
式中:ρ为质量密度;η为粘滞阻尼系数;u为位移;G为土体剪切模量。
考虑土的非线性特性时采用等效线性化方法,采用美国加利福尼亚大学开发的EERA计算程序求解此1维波动方程。
3.2 反应位移法计算模型
采用反应位移法进行地下区间结构横向地震反应计算时,可将周围土体作为支撑结构的地基弹簧,结构可采用梁单元进行建模,考虑了由1维土层地震反应分析计算得到的土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力3种地震作用。如图2所示,地基弹簧刚度以地基反力系数为依据,并考虑集中弹簧间距和区间纵向计算长度的影响。根据上述1维土层地震反应分析得到在475年1遇及1 950年1遇地震作用下土体的位移值及所产生的剪切力τ,管片结构可采用连续梁单元进行建模,即弹性地基圆环法,用小于1的刚度折减系数η来体现管片接头的影响,不具体考虑接头的位置,然后考虑错缝拼装后的整体补强效果,进行弯矩分配如下:管片内力:计算的弯矩为(1+ξ)M,轴力为N;接头内力:计算的弯矩为(1-ξ)M,轴力为N。
通过对位移的转换,生成水平推力F=k×u(;K=A×Ld。其中F为相对位移等效集中力;k为弹簧刚度系数;u(为土层位移;A为地基水平向反力系数,取20.7 MPa/m3。
梁单元荷载加载在结构上,并根据1维土层地震反应分析计算得到土层剪切力分解为τx=τ×Ldsinθ和τy=τ×Ldcosθ直接加载在结构节点上。其中,τ为地层剪应力,τx为水平剪切力,τy为竖向剪切力,L为结构单元长度,d为弹簧间距,θ为X轴与水平方向逆时针旋转的夹角。
3.3 反应位移法计算结果
根据该区间的地质情况,选取隧道埋深15 m处进行反应位移计算,地震作用下的动力分析采用美国加利福尼亚大学开发的地震2维分析模拟软件(EERA)进行分析与计算,地震荷载作用下的相对位移及剪切应力如表1所示,位移、剪切力与土层的关系如图3所示:
注:图中虚线表示1 950年1遇地震作用工况
4.4 静力荷载计算
静力荷载计算采用水土分算,地下水埋深约0.5 m,静力荷载计算值如表2所示。
k N·m
5 结构静力分析与抗震分析计算
结构在静力及地震各种工况作用下的计算采用大型有限元计算原件SAP84(V6.5)软件进行计算,单元长度结构内力计算结果如图5、图6所示,各种工况下的内力统计如表3所示。
注:为了清晰显示各节点位移,将变形后截面放大,以示区别。
6 结果分析
从上述计算结果可以看出,在地震作用下,结构内力相对静力工况弯矩增大较小,轴力增大幅度较大约200%,剪力增大幅度4倍左右。由于弯矩增大小,轴力增大较大,地震作用时,整个结构变形绕隧道中心轴转动,从结构配筋强度与静力荷载作用下的裂缝验算看,地震工况属非控制工况,结构强度及裂缝验算如表4所示。
7 结论
从上述计算结果可以看出,地震作用下结构强度能满足设计要求,但结构相对土体产生环向转动,对结构环纵向管片螺栓强度要求明显提高。为确保施工安全,主要采取如下设计施工措施:提高螺栓强度,采用高强度螺栓,满足结构在地震作用下抗剪要求,同时隧道穿越(2)-2d3粉细砂夹粉土砂土液化层,震动易产生液化,结构在地震作用下易产生转动,对周边土体扰动较大,加速土体液化进程,因此在施工时应采取土体改良技术、或者地表隔离技术,尽量减少在地震作用下,土层的液化对结构承载力及整体稳定性造成的影响。
注:表中弯矩是考虑了错缝拼装弯矩补强后的数值,乘以补强系数(1+ζ)ζ=0.3,结构总要性系数1.1,AS表示钢筋面积。
通过上述结构抗震设防分析及采取相关施工措施后,在地震工况作用情况下,隧道结构基本能满足小震不坏,大震可修的结构设计要求。
摘要：南京地铁4号线某区间隧道穿越砂性地层,局部土层震动易液化。针对穿越该区间地层特点,采用反应位移法进行结构抗震分析,并与静力荷载作用下的工况相比较,根据计算结果针对结构及液化地层采取相应的设防措施,确保工程施工安全。
关键词：隧道工程,抗震设计,反应位移法,砂性地层
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