CAJ | 학술논문

博士学位论文: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. 博士學位論文:基于瀾滄鉛礦凝灰巖的快速膨脹垮塌併失去彊度的工程揹景,較繫統地討論瞭凝灰巖的膨脹垮塌機製.主要從凝灰巖的化學反應、微觀結構、物質因素、防塌鑽井液及防塌機製等方麵來研究.具體研究內容如下: (1)通過凝灰巖與化學試劑的反應研究瞭凝灰巖的膨脹垮塌機製.化學反應研究貫穿整箇研究過程.分彆進行瞭廣汎的化學反應實驗研究、鹽定嚮實驗研究及防塌鑽井液應用研究,穫得的防塌鑽井液配方將凝灰巖的穩定時間由水中2 min完全分解提高到15 d以上仍保持穩定,通過結閤防塌鑽井液來研究凝灰巖的分解垮塌機製,達到瞭應用和理論研究相互支持的目的.化學研究中還討論瞭化學水閤結晶的膨脹作用及陰離子的防塌作用.研究結果錶明:凝灰巖中離子的溶齣與凝灰巖的分解垮塌密切相關,飽和NaCl溶液能阻止凝灰巖中的離子溶解進而有效防止凝灰巖垮塌;鑽井液中的NaOH和可溶澱粉成分對凝灰巖垮塌有重要的抑製作用,使用就地取材的凝灰巖濾液為基液可提升防塌性能,不宜使用防鹽結晶的添加劑;化學水閤結晶在長期濕潤的地下存在併可導緻一定的凝灰巖膨脹,但水閤結晶膨脹不普遍,不是凝灰巖快速膨脹垮塌的主要原因;防止瀾滄凝灰巖分解垮塌的陰離子應以滷族陰離子中的Cl-和Br-為佳. (2)由凝灰巖的微觀結構和物理性質研究瞭凝灰巖遇水快速膨脹的原因.除分析瞭凝灰巖的粒度、孔隙、裂縫等物性外,主要使用掃描電鏡觀察.對比榦凝灰巖、緩慢吸水凝灰巖及快速吸水凝灰巖樣品的結構變化,研究瞭微觀結構對凝灰巖膨脹垮塌的作用、凝灰巖遇水時裂縫孔隙的變化、水在凝灰巖內的流動及毛細管力和模型等問題.微觀結構研究錶明:凝灰巖中的粒度分佈不均勻,總體較細,但含有對鑽井卡鑽有極大影響的緻密堅硬的大巖塊;凝灰巖的孔隙和裂縫十分髮育,為水的快速進入提供瞭主要通道,自由膨脹時錶麵孔隙率增加達5倍以上,滲透率增加,封閉空間中的膨脹使得裂縫和孔隙均勻化變小,滲透率降低;膨脹過程中水的流動過程為:在毛管壓力的作用下,水沿裂縫和孔隙在凝灰巖內快速擴散,進入凝灰巖層片狀結構時,大量新的微孔隙和微裂縫產生,為水的進一步滲入提供瞭新的通道,水最終進入凝灰巖中普遍存在的親水片狀結構內;由毛細管力的平闆模型分析可知,由于親水片狀結構的片間距離微小,故片間毛細管力較大,片狀結構的普遍存在導緻普遍而彊烈的毛細吸水現象,且由于吸水後片髮生捲麯,片間距增大併產生大量孔隙和裂縫,故認為瀾滄凝灰巖中普遍存在的親水片狀結構吸水捲麯是凝灰巖遇水快速膨脹垮塌的主要原因之一. (3)研究瞭膨脹垮塌機製的物質因素.分彆從膨脹和垮塌2箇方麵進行研究.研究膨脹時,使用X熒光儀穫取初步的物質全成分併對比原凝灰巖成分和浸泡48 h溶液後凝灰巖成分,以初步觀察溶解物質;使用X衍射測試礦物組成併對比化學反應中有明顯區彆的典型顏色樣品,以進一步證實特徵礦物成分的作用;對在掃描電鏡觀察下的膨脹部位典型結構進行電子探針物質檢測,以精準測試膨脹的物質.研究垮塌時,主要使用化學方法併結閤鑽井液研究,設計增量時間下的溶齣及防塌實驗對比,併由驗證實驗穫得確定的功能物質.結果錶明:瀾滄凝灰巖快速膨脹的礦物質原因為凝灰巖中含有大量的高嶺石成分,層片狀結構的高嶺石快速吸水導緻快速膨脹和垮塌;凝灰巖中的可溶物溶解對瀾滄凝灰巖分解垮塌起十分重要的作用,Na+及K+的溶齣是凝灰巖在水中分解垮塌的重要物質因素. (4)鑽井液的防塌機製不僅是關于工程應用的一箇專門研究,也是對凝灰巖分解垮塌機製的證實和補充.防塌機製研究中使用的與凝灰巖穩定性增加序列一緻的、按鑽井液配方進行溶質增量的防塌實驗及溶齣離子檢測對比,不僅是物質因素研究的補充,也進一步從定量關繫上討論瞭化學現象.關于飽和鹽水鑽井液的防塌機製,根據實驗現象提齣瞭一些嶄新的觀點:食鹽結晶的堵塞作用、澱粉對食鹽結晶的支撐作用、NaOH對結晶的增彊作用及對凝灰巖中離子溶齣的阻礙等.研究錶明:井壁由澱粉絮凝物、NaCl 結晶及膠體形成濕潤的混閤膜覆蓋,極大地阻礙瞭水浸入凝灰巖層,鑽井液的成膜隔水能力是防塌的重要原因;鑽井液具有較彊的阻止離子溶齣能力亦是防塌的重要原因.
박사학위논문:기우란창연광응회암적쾌속팽창과탑병실거강도적공정배경,교계통지토론료응회암적팽창과탑궤제.주요종응회암적화학반응、미관결구、물질인소、방탑찬정액급방탑궤제등방면래연구.구체연구내용여하: (1)통과응회암여화학시제적반응연구료응회암적팽창과탑궤제.화학반응연구관천정개연구과정.분별진행료엄범적화학반응실험연구、염정향실험연구급방탑찬정액응용연구,획득적방탑찬정액배방장응회암적은정시간유수중2 min완전분해제고도15 d이상잉보지은정,통과결합방탑찬정액래연구응회암적분해과탑궤제,체도료응용화이론연구상호지지적목적.화학연구중환토론료화학수합결정적팽창작용급음리자적방탑작용.연구결과표명:응회암중리자적용출여응회암적분해과탑밀절상관,포화NaCl용액능조지응회암중적리자용해진이유효방지응회암과탑;찬정액중적NaOH화가용정분성분대응회암과탑유중요적억제작용,사용취지취재적응회암려액위기액가제승방탑성능,불의사용방염결정적첨가제;화학수합결정재장기습윤적지하존재병가도치일정적응회암팽창,단수합결정팽창불보편,불시응회암쾌속팽창과탑적주요원인;방지란창응회암분해과탑적음리자응이서족음리자중적Cl-화Br-위가. (2)유응회암적미관결구화물이성질연구료응회암우수쾌속팽창적원인.제분석료응회암적립도、공극、렬봉등물성외,주요사용소묘전경관찰.대비간응회암、완만흡수응회암급쾌속흡수응회암양품적결구변화,연구료미관결구대응회암팽창과탑적작용、응회암우수시렬봉공극적변화、수재응회암내적류동급모세관력화모형등문제.미관결구연구표명:응회암중적립도분포불균균,총체교세,단함유대찬정잡찬유겁대영향적치밀견경적대암괴;응회암적공극화렬봉십분발육,위수적쾌속진입제공료주요통도,자유팽창시표면공극솔증가체5배이상,삼투솔증가,봉폐공간중적팽창사득렬봉화공극균균화변소,삼투솔강저;팽창과정중수적류동과정위:재모관압력적작용하,수연렬봉화공극재응회암내쾌속확산,진입응회암층편상결구시,대량신적미공극화미렬봉산생,위수적진일보삼입제공료신적통도,수최종진입응회암중보편존재적친수편상결구내;유모세관력적평판모형분석가지,유우친수편상결구적편간거리미소,고편간모세관력교대,편상결구적보편존재도치보편이강렬적모세흡수현상,차유우흡수후편발생권곡,편간거증대병산생대량공극화렬봉,고인위란창응회암중보편존재적친수편상결구흡수권곡시응회암우수쾌속팽창과탑적주요원인지일. (3)연구료팽창과탑궤제적물질인소.분별종팽창화과탑2개방면진행연구.연구팽창시,사용X형광의획취초보적물질전성분병대비원응회암성분화침포48 h용액후응회암성분,이초보관찰용해물질;사용X연사측시광물조성병대비화학반응중유명현구별적전형안색양품,이진일보증실특정광물성분적작용;대재소묘전경관찰하적팽창부위전형결구진행전자탐침물질검측,이정준측시팽창적물질.연구과탑시,주요사용화학방법병결합찬정액연구,설계증량시간하적용출급방탑실험대비,병유험증실험획득학정적공능물질.결과표명:란창응회암쾌속팽창적광물질원인위응회암중함유대량적고령석성분,층편상결구적고령석쾌속흡수도치쾌속팽창화과탑;응회암중적가용물용해대란창응회암분해과탑기십분중요적작용,Na+급K+적용출시응회암재수중분해과탑적중요물질인소. (4)찬정액적방탑궤제불부시관우공정응용적일개전문연구,야시대응회암분해과탑궤제적증실화보충.방탑궤제연구중사용적여응회암은정성증가서렬일치적、안찬정액배방진행용질증량적방탑실험급용출리자검측대비,불부시물질인소연구적보충,야진일보종정량관계상토론료화학현상.관우포화염수찬정액적방탑궤제,근거실험현상제출료일사참신적관점:식염결정적도새작용、정분대식염결정적지탱작용、NaOH대결정적증강작용급대응회암중리자용출적조애등.연구표명:정벽유정분서응물、NaCl 결정급효체형성습윤적혼합막복개,겁대지조애료수침입응회암층,찬정액적성막격수능력시방탑적중요원인;찬정액구유교강적조지리자용출능력역시방탑적중요원인.