一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及水平定向钻进技术领域，尤其是一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料及其制备方法。


背景技术：

2.近年，国内外长输管道的建设规模日益增大，山体地区管道建设的规模也越来越大。在高海拔地区钻进导向孔及扩孔过程中，泥浆的喷射压力一般为1～3mpa，由于地层中存在裂隙，很容易引起泥浆的漏失，造成钻探事故，包括钻具磨损严重、岩屑返排效果差等。
3.针对上述高海拔地区破碎地层漏失难题，目前已形成多种类型堵漏工艺。根据所使用堵漏材料的类型，主要分为桥接堵漏、凝胶堵漏、水泥堵漏、复合材料堵漏和机械堵漏等工艺。但现场实践结果表明，桥接堵漏、水泥、凝胶以及复合堵漏工艺还存在以下问题：
4.(1)常规桥塞封堵隔墙形成与承压破坏机理研究不足，地层适应性较差；
5.(2)传统方法及传统堵漏材料一次性堵漏成功率较低，易发生重复漏失，堵漏作业周期长；
6.(3)堵漏材料的几何形态、配比、浆液浓度与封堵隔墙的形成及其极限承压能力的关系尚不明确，封堵体承压能力预测不准，已封堵漏层易因承压能力不足而导致重复漏失；
7.(4)针对裂隙性漏失可采取措施较少，凝胶类或其它化学类堵漏材料成功率较高，但需要特殊材料复配形成，堵漏工艺较为复杂。


技术实现要素：

8.本发明提供一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料及其制备方法，用于克服现有技术中地层适应性不足、堵漏作业周期长、封堵体承压能力不足、堵漏工艺复杂等缺陷。
9.为实现上述目的，本发明提出一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，所述堵漏材料中各组分质量百分数为：以水的质量为 100％，膨润土5～7％，羧甲基纤维素钠0.5～0.7％，无水碳酸钠0.2～0.4％，核桃壳7～9％，橡胶粒0.5～1.5％，云母1.5～2.5％，玄武岩纤维0.25～0.35％；所述核桃壳、橡胶粒和云母具有不同的粒径级配以适应花岗岩裂隙的形态。
10.为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备方法，包括以下步骤：
11.s1：以水的质量为100％，按质量百分比膨润土5～7％，羧甲基纤维素钠0.5～0.7％，无水碳酸钠0.2～0.4％，核桃壳7～9％，橡胶粒0.5～1.5％，云母1.5～2.5％，玄武岩纤维0.25～0.35％，称取原料；
12.s2：将膨润土加入到水中，以2000～3000r/min的转速在室温条件下搅拌5～10min，加入无水碳酸钠，以2000～3000r/min的转速在室温条件下搅拌5～10min，加入羧甲基纤维素钠，以3000～5000r/min 的转速在室温条件下搅拌40～60min，得到泥浆；
13.s3：向所述泥浆中加入玄武岩纤维，以3000～5000r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，加入云母，以3000～5000r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，加入橡胶粒，以3000～5000r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，加入核桃壳，以3000～5000r/min 的转速在室温条件下搅拌20～30min，得到堵漏材料。
14.为实现上述目的，本发明还提出一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的应用，将上述所述的堵漏材料或者上述所述制备方法制备的堵漏材料应用于高海拔地区山体花岗岩裂隙的堵漏。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果有：
16.本发明提供的适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料中，各组分质量百分数为：以水的质量为100％，膨润土5～7％，羧甲基纤维素钠0.5～0.7％，无水碳酸钠0.2～0.4％，核桃壳7～9％，橡胶粒0.5～1.5％，云母1.5～2.5％，玄武岩纤维0.25～0.35％，其中，核桃壳、橡胶粒和云母具有不同的粒径级配。在水平定向钻进过程中，孔内泥浆压力pw＞裂隙尖端流体压力p
t
，在压差的作用下，桥接颗粒(核桃壳、橡胶粒和云母)及玄武岩纤维随泥浆进入花岗岩地层裂隙中，纤维易搭接成网，形成堵漏纤维与颗粒聚集体，当纤维受压差作用产生相对位移趋势时，与之相交的纤维会增加剪切应力，从而减少其空间位移，随着纤维浓度增加，纤维间交叉部分明显增多，泥浆漏失量明显减少。玄武岩纤维在泥浆中分散性良好，增大泥浆在裂隙中的流动阻力，可有效降低裂隙性漏失，且处理裂隙性漏失井况的成功率较高，一次堵漏成功率和多次重复堵漏成功率高，堵漏周期短，堵漏方法容易复制。玄武岩纤维复合堵漏泥浆能对花岗岩裂隙进行有效封堵，封堵层承压范围在3mpa以上，能够满足高海拔地区山体定向钻进施工需要。
17.堵漏材料中膨润土、羧甲基纤维素钠、无水碳酸钠和水等组分混合，可形成综合性能较好的泥浆，泥浆酸碱度和粘度适中；针对花岗岩裂隙特征，堵漏材料中核桃壳、橡胶粒和云母等桥接颗粒合理级配，提高了裂隙性漏失井况堵漏的成功率和多次重复堵漏成功率。本发明的堵漏材料可对花岗岩裂隙进行有效封堵，封堵层承压范围在3mpa 以上，能够满足高海拔地区山体定向钻进施工需要；可降低泥浆体积漏损率，减少泥浆中有效成分漏损；该配方所使用的玄武岩纤维在泥浆中分散性良好，不会对循环设备产生不良影响，且配置简单，易操作，材料无毒无害，便于推广使用，对于一般裂隙型地层，该泥浆体系同样适用。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1为本发明提供的适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的堵漏机理图；
20.图2为本发明提供的适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的实物图。
21.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
24.无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
25.本发明提出一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，所述堵漏材料中各组分质量百分数为：以水的质量为100％，膨润土5～7％，羧甲基纤维素钠0.5～0.7％，无水碳酸钠0.2～0.4％，核桃壳7～9％，橡胶粒0.5～1.5％，云母1.5～2.5％，玄武岩纤维0.25～0.35％；所述核桃壳、橡胶粒和云母具有不同的粒径级配。如图1和图2所示。
26.膨润土，一种以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，具有很好的吸水膨胀性、分散悬浮性以及造浆性。无水碳酸钠，是一种无机化合物，白色结晶性粉末，主要用于调节泥浆的酸碱度，降低钙镁离子含量，提高其它处理剂的性能。羧甲基纤维素钠，是一种有机物，白色絮状粉末，易于分散在水中形成透明的胶体溶液，作为泥浆处理剂，可稳定粘粒、提高泥浆的粘度，降低滤失量。玄武岩纤维，一种环保矿物纤维，抗拉强度高，一般为3800～4800mpa；耐酸碱性强，含有氧化钾、氧化镁等成分，遇酸、碱发生反应会在表面生成惰性单元，阻断反应进一步发生；耐温性好，使用温度可高达700℃，低温可达-269℃；绿色环保，直接采用纯天然的火山岩原料熔融拉丝制成，使用过程不会破坏生态环境。纤维间交叉部分多，当纤维受外力产生相对位移趋势时，与之相交的纤维会增加剪切应力，从而减少其空间位移，可用于封堵裂隙。核桃壳，橡胶粒，云母作为桥接颗粒，通过不同的粒径级配实现裂隙的堵漏。
27.优选地，所述膨润土中蒙脱石含量≥85％。
28.优选地，所述膨润土中蒙脱石含量为85～90％。
29.优选地，所述羧甲基纤维素钠为中性高粘度羧甲基纤维素钠，分子量为60000～90000。
30.优选地，所述核桃壳的粒径为6～8目、8～10目、10～16目、16～20 目、20～40目和40～60目中的两种或三种。
31.优选地，所述橡胶粒的粒径为1～2mm、3～4mm和5～6mm中的一种。
32.优选地，所述云母的粒径为20目和40目中的一种。
33.优选地，所述玄武岩纤维的粒径为3mm、6mm、9mm和12mm 中的两种或三种。
34.适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料使用方法：
35.在高海拔地区山体钻探过程中，钻遇花岗岩地层裂隙发育时，使用适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料替换常规泥浆。按照比例制备、添加该堵漏材料，并在泥浆循环过程中保证各组分的质量百分比，允许对各类添加的材料做适当微调，以保证复杂条件下水平定向钻进的效率，减少或避免孔内钻探事故的发生。
36.本发明还提出一种如上述所述适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备
方法，包括以下步骤：
37.s1：以水的质量为100％，按质量百分比膨润土5～7％，羧甲基纤维素钠0.5～0.7％，无水碳酸钠0.2～0.4％，核桃壳7～9％，橡胶粒0.5～1.5％，云母1.5～2.5％，玄武岩纤维0.25～0.35％，称取原料；
38.s2：将膨润土加入到水中，以2000～3000r/min的转速在室温条件下搅拌5～10min，加入无水碳酸钠，以2000～3000r/min的转速在室温条件下搅拌5～10min，加入羧甲基纤维素钠，以3000～5000r/min 的转速在室温条件下搅拌40～60min，得到泥浆；
39.s3：由于纤维和云母片的添加量较颗粒材料偏少，且纤维材料之间易发生交联、云母片之间易发生团聚现象，为降低配制时泥浆的搅拌阻力，使纤维更均匀地分散，制成性能理想的堵漏材料，因此必须采用下述配置顺序：向所述泥浆中加入玄武岩纤维，以3000～5000 r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，加入云母，以3000～5000 r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，加入橡胶粒，以3000～5000 r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，加入核桃壳，以3000～5000 r/min的转速在室温条件下搅拌20～30min，得到堵漏材料。
40.本发明还提出一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的应用，将上述所述的堵漏材料或者上述所述制备方法制备的堵漏材料应用于高海拔地区山体花岗岩裂隙的堵漏。
41.实施例1
42.本实施例提供一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，由以下步骤制备而成：
43.(1)泥浆的制备：清水4000ml，膨润土240g(6％)，无水碳酸钠12g(0.3％)，羧甲基纤维素钠24g(0.6％)。将膨润土加入清水中，在室温条件下搅拌5～10min，搅拌转速2000～3000r/min得到混合液l1；在混合液l1体系中加入无水碳酸钠，在室温条件下搅拌5～10 min，搅拌转速2000～3000r/min，得到混合液l2；在混合液l2体系中加入羧甲基纤维素钠，在室温条件下搅拌40～60min，搅拌转速 3000～5000r/min，得到泥浆。
44.(2)适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备：3mm玄武岩纤维6g(0.15％)，6mm玄武岩纤维6g(0.15％)，40目云母80 g(2％)，1～2mm橡胶粒40g(1％)，20～40目核桃壳240g(6％)，40～60目核桃壳80g(2％)，将玄武岩纤维加入到上述步骤制得的泥浆中，在室温条件下搅拌20～30min，搅拌转速3000～5000r/min，得到混合液l3；将云母加入到混合液l3中，在室温条件下搅拌20～30min，搅拌转速3000～5000r/min，得到混合液l4；将橡胶粒加入到混合液 l4中，在室温条件下搅拌20～30min，搅拌转速3000～5000r/min，得到混合液l5；将核桃壳加入到混合液l5中，在室温条件下搅拌20～30 min，搅拌转速3000～5000r/min，得到玄武岩纤维堵漏材料d1。
45.实施例2
46.本实施例提供一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，由以下步骤制备而成：
47.(1)泥浆的制备：同实施例1。
48.(2)适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备：3mm玄武岩纤维6g(0.15％)，6mm玄武岩纤维6g(0.15％)，40目云母80 g(2％)，1～2mm橡胶粒40g(1％)，16～
20目核桃壳240g(6％)， 40～60目核桃壳40g(1％)，20～40目核桃壳40g(1％)。其他过程同实施例1。本实施例得到玄武岩纤维堵漏材料d2。
49.实施例3
50.本实施例提供一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，由以下步骤制备而成：
51.(1)泥浆的制备：同实施例1。
52.(2)适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备：3mm玄武岩纤维4g(0.1％)，6mm玄武岩纤维4g(0.1％)，9mm玄武岩纤维4g(0.1％)，20目云母80g(2％)，3～4mm橡胶粒40g(1％)，10～16 目核桃壳240g(6％)，16～20目核桃壳40g(1％)，20～40目核桃壳 40g(1％)。其他过程同实施例1。本实施例得到玄武岩纤维堵漏材料d3。
53.实施例4
54.本实施例提供一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，由以下步骤制备而成：
55.(1)泥浆的制备：同实施例1。
56.(2)适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备：3mm玄武岩纤维4g(0.1％)，6mm玄武岩纤维4g(0.1％)，9mm玄武岩纤维4g(0.1％)，20目云母80g(2％)，3～4mm橡胶粒40g(1％)，8～10 目核桃壳240g(6％)，16～20目核桃壳40g(1％)，20～40目核桃壳 40g(1％)。其他过程同实施例1。本实施例得到玄武岩纤维堵漏材料d4。
57.实施例5
58.本实施例提供一种适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料，由以下步骤制备而成：
59.(1)泥浆的制备：同实施例1。
60.(2)适用于花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的制备：6mm玄武岩纤维4g(0.1％)，9mm玄武岩纤维4g(0.1％)，12mm玄武岩纤维4g(0.1％)，20目云母80g(2％)，5～6mm橡胶粒40g(1％)， 6～8目核桃壳240g(6％)，10～16目核桃壳40g(1％)，20～40目核桃壳40g(1％)。其他过程同实施例1。本实施例得到玄武岩纤维堵漏材料d5。
61.通过水基缝板堵漏实验测量自由漏失量、1mpa漏失量、3mpa 漏失量、最大封堵压力值等数据来评价实施例1～5中样品堵漏性能，结果如表1：
62.(1)自由漏失量
63.选择缝宽合适的缝板，安装在出口阀接头处。把具有刻度的盛液桶置于排液出口处。使出口阀保持打开状态，把配制好的4000ml堵漏泥浆倒入实验装置中，并记录自由流出泥浆的体积。
64.(2)1mpa漏失量
65.在实验(1)基础上，旋紧堵漏仪顶盖，通过加压管线连接氮气瓶。匀速加压，在1min内使装置内压力达到1mpa，并保持压力10 min，记录流出泥浆的体积，若不能封堵成功，则记录最小封堵压力值，以及此时流出的泥浆体积。
66.(3)3mpa漏失量
67.在实验(2)的基础上，在1min内把压力匀速调至3mpa，并保持压力10min，记录流出泥浆的体积，若不能封堵成功，则将观察到的最小封堵压力记录下来。
68.(4)最大封堵压力值
69.在实验(3)的基础上，继续加压，在1min内把压力匀速调至 6.9mpa，直至封堵失败或堵漏仪中的泥浆全部流完，记录封堵失败瞬时对应的压力值；若封堵成功，保持压力10min，记录最终流出的泥浆体积。
70.表1实施例堵漏材料性能评价
[0071][0072]
由表1可知，按照本发明专利的制备方法制备的花岗岩裂隙玄武岩纤维堵漏材料，针对常见的不同花岗岩裂隙，均具有很好的堵漏效果，并且稳定性高，配制简便，易操作，材料无毒无害，便于推广使用，足以保证高海拔地区水平定向钻进工作的顺利实施。
[0073]
实施例6
[0074]
通过非开挖入土端现场实验，评价4000～5200m高海拔地区山体花岗岩裂隙的玄武岩纤维堵漏材料的堵漏性能。
[0075]
由于现场施工条件复杂且多变，因此在现场实验时未使用桥接材料，而提高了玄武岩纤维的含量。
[0076]
(1)泥浆的制备：20m3水、27.5kg(0.1375％)正电胶(mmh)、 1t(5％)膨润土、20kg(0.1％)氢氧化钠、25kg(0.125％)碳酸钠。
[0077]
首先按比例将膨润土加入常温的清水中充分搅拌水化后得到混合液l1；将一定质量的碳酸钠、氢氧化钠依次加入到混合液l1中，充分搅拌得到混合液l2；将一定质量的正电胶加入到混合液l2中，充分搅拌得到泥浆，该泥浆的ph＞13、表观粘度＞75mpa
·
s。
[0078]
(2)适用于花岗岩裂隙玄武岩纤维堵漏材料的制备：6mm玄武岩纤维210kg(1.05％)、9mm玄武岩纤维210kg(1.05％)、12mm 玄武岩纤维200kg(1％)。将玄武岩纤维依次加入到步骤(1)制得的泥浆中，纤维材料加入漏斗耗时费力，并且容易堵塞加料漏斗，采用水枪进行辅助加料，同时部分材料直接在泥浆罐处进行加入，每加入 50kg纤维需搅拌6min；加纤维堵漏材料后可明显于泥浆罐中观察到堵漏纤维，同时泥浆粘度有一定幅度增长，在该过程中加水保持泥浆参数稳定并在泥浆罐内不断搅拌；玄武岩纤维掺入完成并搅拌均匀后开始泵入地层，现场柱塞泵的泥浆泵量为1.3m3/min；完成现场山体定向穿越工程入口点泥浆纤维堵漏实验，并收集完成1号基础浆液， 2号纤维堵漏材料加料完成浆液，3号未见纤维时除砂器返浆浆液，见纤维时除砂器返浆浆液，共4桶浆液用于后期室内实验辅助评价现场玄武岩纤维堵漏材料的堵漏效果。
[0079]
实施例6使用效果：现场主要裂隙发育漏失地段距离入土端270 m左右，未使用玄武岩纤维堵漏材料堵漏之前，该地段漏失量约为 80m3/d。经玄武岩纤维堵漏材料处理后，漏失量降至20m3/d，至施工结束泥浆漏失量逐天递减，未发生严重漏失。
[0080]
后期进行固相含量、泥浆流变性测试实验，结果表明：应用玄武岩纤维堵漏材料，
泥浆中固相含量损失率减少13％，泥浆循环后保有有效成分明显增加。加入纤维前后泥浆动塑比下降幅度由13.5％降至 3.75％，间接表明裂隙封堵效果明显。
[0081]
本次现场实验中加入玄武岩纤维堵漏材料后堵漏效果显著，并最终顺利完成裂隙发育段钻进回拖作业，说明通过加入玄武岩纤维材料，有效提高了泥浆性能，有效提高了裂隙发育段地层的承压能力，成功拓宽了安全密度窗口，有力保障了钻进作业安全。
[0082]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。