摘要
基于澜沧铅矿凝灰岩的快速膨胀垮塌并失去强度的工程背景,较系统地讨论了凝灰岩的膨胀垮塌机制。主要从凝灰岩的化学反应、微观结构、物质因素、防塌钻井液及防塌机制等方面来研究。具体研究内容如下:(1)通过凝灰岩与化学试剂的反应研究了凝灰岩的膨胀垮塌机制。化学反应研究贯穿整个研究过程。分别进行了广泛的化学反应实验研究、盐定向实验研究及防塌钻井液应用研究,获得的防塌钻井液配方将凝灰岩的稳定时间由水中2 min完全分解提高到15 d以上仍保持稳定,通过结合防塌钻井液来研究凝灰岩的分解垮塌机制,达到了应用和理论研究相互支持的目的。化学研究中还讨论了化学水合结晶的膨胀作用及阴离子的防塌作用。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溶液能阻止凝灰岩中的离子溶解进而有效防止凝灰岩垮塌;钻井液中的NaOH和可溶淀粉成分对凝灰岩垮塌有重要的抑制作用,使用就地取材的凝灰岩滤液为基液可提升防塌性能,不宜使用防盐结晶的添加剂;化学水合结晶在长期湿润的地下存在并可导致一定的凝灰岩膨胀,但水合结晶膨胀不普遍,不是凝灰岩快速膨胀垮塌的主要原因;防止澜沧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。(2)由凝灰岩的微观结构和物理性质研究了凝灰岩遇水快速膨胀的原因。除分析了凝灰岩的粒度、孔隙、裂缝等物性外,主要使用扫描电镜观察。对比干凝灰岩、缓慢吸水凝灰岩及快速吸水凝灰岩样品的结构变化,研究了微观结构对凝灰岩膨胀垮塌的作用、凝灰岩遇水时裂缝孔隙的变化、水在凝灰岩内的流动及毛细管力和模型等问题。微观结构研究表明:凝灰岩中的粒度分布不均匀,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,为水的快速进入提供了主要通道,自由膨胀时表面孔隙率增加达5倍以上,渗透率增加,封闭空间中的膨胀使得裂缝和孔隙均匀化变小,渗透率降低;膨胀过程中水的流动过程为:在毛管压力的作用下,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,大量新的微孔隙和微裂缝产生,为水的进一步渗入提供了新的通道,水最终进入凝灰岩中普遍存在的亲水片状结构内;由毛细管力的平板模型分析可知,由于亲水片状结构的片间距离微小,故片间毛细管力较大,片状结构的普遍存在导致普遍而强烈的毛细吸水现象,且由于吸水后片发生卷曲,片间距增大并产生大量孔隙和裂缝,故认为澜沧凝灰岩中普遍存在的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一。(3)研究了膨胀垮塌机制的物质因素。分别从膨胀和垮塌2个方面进行研究。研究膨胀时,使用X荧光仪获取初步的物质全成分并对比原凝灰岩成分和浸泡48 h溶液后凝灰岩成分,以初步观察溶解物质;使用X衍射测试矿物组成并对比化学反应中有明显区别的典型颜色样品,以进一步证实特征矿物成分的作用;对在扫描电镜观察下的膨胀部位典型结构进行电子探针物质检测,以精准测试膨胀的物质。研究垮塌时,主要使用化学方法并结合钻井液研究,设计增量时间下的溶出及防塌实验对比,并由验证实验获得确定的功能物质。结果表明:澜沧凝灰岩快速膨胀的矿物质原因为凝灰岩中含有大量的高岭石成分,层片状结构的高岭石快速吸水导致快速膨胀和垮塌;凝灰岩中的可溶物溶解对澜沧凝灰岩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。(4)钻井液的防塌机制不仅是关于工程应用的一个专门研究,也是对凝灰岩分解垮塌机制的证实和补充。防塌机制研究中使用的与凝灰岩稳定性增加序列一致的、按钻井液配方进行溶质增量的防塌实验及溶出离子检测对比,不仅是物质因素研究的补充,也进一步从定量关系上讨论了化学现象。关于饱和盐水钻井液的防塌机制,根据实验现象提出了一些崭新的观点:食盐结晶的堵塞作用、淀粉对食盐结晶的支撑作用、NaOH对结晶的增强作用及对凝灰岩中离子溶出的阻碍等。研究表明:井壁由淀粉絮凝物、NaCl结晶及胶体形成湿润的混合膜覆盖,极大地阻碍了水浸入凝灰岩层,钻井液的成膜隔水能力是防塌的重要原因;钻井液具有较强的阻止离子溶出能力亦是防塌的重要原因。
出处
《岩石力学与工程学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2013年第1期216-216,共1页
Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
