运用激光粒度仪分析岩粉粒度分的研究
2018-11-28 08:43:30
长期以来由于种种原因,绝大部分地质钻探项目对岩粉的清除重视不够,特别是当前深孔钻探项目,由于岩粉清除不及时,钻井液性能变坏,导致严重孔内事故,浪费大量人力物力的现实,给钻探工作者敲响了警钟,促使人们思考金刚石钻进的岩粉清除问题.钻井液的重要作用之一是将钻头在孔底产生的岩粉携带到地面,再经过固控设备或其他固控手段进行清除,以维持良好的钻井液性能.由于金刚石钻进碎岩机理的不同,所产生的岩粉粒度也不同,完全采用石油钻井振动筛清除岩屑效果不佳,采用石油钻井离心机则体积庞大,价格昂贵,难以适应地质钻探现场要求.因此,对金刚石钻进岩粉粒度进行分析研究是科学合理设计或选择地质钻探固控设备的重要前提.
本文采用当今世界较先进的Nicomp380 Z3000激光粒度仪(苏州微流纳米生物技术有限公司).通过对汶川地震断裂带科学钻探三号孔金刚石钻进的岩粉进行粒度分析,研究其粒度分布规律,以期为我国地质钻探行业研究设计专用固控设备,合理配置固控系统,有效控制钻井液固相含量,维持钻井液性能提供帮助.
实验原理
Nicomp380 Z3000激光粒度仪是通过激光器产生单色相干性极好的激光,经滤波扩束系统,得到一个扩展的、照明散射颗粒理想化的光束,分散好的颗粒在样品窗内被激光光束照射产生衍射,并形成一定的空间光强分布,设在探测区的非均匀交叉排列扇形主检测器,附加大面积辅助检测器和大角度向前、背向检测器,将光信号转变为电信号并送入计算机,按事先编制的程序根据衍射理论进行数据处理,把衍射谱的空间分布反演为颗粒大小的分布.Nicomp380 Z3000激光粒度仪的测量原理是基于颗粒在激光束的照射下,其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系,而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减.
实验方法
检测金刚石钻进岩粉的粒度.湿法测量时,在清洗干净的样品槽中加入分散剂(清水),启动声波消除气泡并充分扩散后,打开泵的开关,使分散剂在系统中开始循环.然后根据系统提示添加样品,加入适量岩粉样品后,系统将进行样品测量、结果计算并保存计算结果.根据上述测量原理分析所得到的原始数据.分析后的有关粒度的信息可以用不同的方式来显示.
实验结果
概率累积曲线图是较常用的一种图解法.它表示大于(或小于)任一选定粒级的颗粒在样品中的含量.概率累积曲线不仅可以反映出岩粉的粒度组成,还可以反映出主要粒度组成的粒度范围、特定粒径区间的含量、各个粒度组分的分选程度等信息;而粒度频率分布曲线可以较为直观地反映出岩粉各个粒级的含量、众数粒径及其粗细沉积颗粒的相对关系.
结果分析
粒度参数是以一定的数值定量地表示岩粉的粒度特征.常用的粒度参数包括:平均粒度、中值粒径、偏态和峰度等.平均粒度代表了岩粉粒度分布的集中趋势,即岩粉的粒度一般是趋向于围绕着这个平均的数值分布的.综上所述,汶川地震断裂带科学钻探三号孔(WFSD-3)采Ø150mm孕镶金刚石钻头在泥质粉砂岩中进行取心钻进所产生的岩粉粒径主要分布于2～100μm范围之间,岩粉较细,为典型的非均匀颗粒.其中,小于100μm颗粒占岩粉颗粒总量近90%,岩粉的平均粒度MZ位于17～40μm之间;中值粒径Md位于10～20μm之间,均为正偏态,且峰度值较大,说明该组岩粉样品粒径较小,分布集中.这主要是由于金刚石钻进的碎岩机理所决定的,取样孔段采用孕镶金刚石钻进方法,钻压较低,转速相对较高.随着胎体的磨损,金刚石出刃不断出露.钻头对岩石产生的破碎,主要靠金刚石的微量出刃对岩石进行磨削,当旧出刃失去工作能力或脱掉时,新出刃就相继出露参加工作.因此,由于孕镶金刚石的特殊碎岩机理,使得在磨削状态下产生的岩粉颗粒非常细小,主要在2～100μm粒径范围内.
结论
(1)在金刚石钻进过程中,随着转速、钻压、排量等钻进参数、泥浆性能和地层的不同,必然对所产生岩粉的粒径分布规律存在一定的影响.笔者根据现有条件,仅对汶川地震断裂带科学钻探三号孔(WFSD-3)所取14个样品中的3个样品利用Mastersizer2000激光粒度仪进行了岩粉采样粒度分析,得到该孔段岩粉概率累积曲线和频率曲线.根据岩粉粒度概率累积曲线和频率曲线,分析得出该孔段岩粉粒度分布规律,可为地质钻探金刚石钻进岩粉粒度分析方法提供借鉴.而在不同转速、钻压、排量等钻进参数、泥浆性能和地层条件下,所产生岩粉的粒度分布规律的研究,将是下一步研究工作的重点.
(2)通过上述测试分析可见,尽管地质岩心钻探金刚石钻进钻遇地层不同,钻进参数各异,所产生的岩粉粒度也有差异,但这种钻进方法所产生的岩粉粒度总体是偏细偏小的.这种现象充分表明,采用石油钻井传统固控设备是很难满足地质钻探轻便、快速、有效的设备配置要求的.因此,如何科学设计和合理配置地质岩心钻探固控系统是当前深孔岩心钻探工程技术人员必须面对的重要课题.
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汶川地震科钻WFSD_3孔金刚石钻进岩粉粒度分析研究_.pdf |
