钻注平行作业中钻井泥浆内是否侵入注浆液的监测方法

摘要

本发明涉及一种钻注平行作业中钻井泥浆内是否侵入注浆液的监测方法，具体的监测过程是：建立pH值在线监测系统，该系统包括传感器、监测仪器及电脑，传感器安置在浆液流速为0.6～1.2m/min、用肉眼比较含砂量相对较少并靠近泥浆喷口处；监测仪器测量出泥浆的实时pH值，电脑将实时pH值与设定的警示、警告值进行比对，当泥浆pH值高于警示或警告值时，发出相应的信号，据此信号做出暂停或关闭注浆泵的处理。采用在钻井泥浆出口处监测泥浆pH值的方法，能直观可靠的监测到钻注平行作业时注浆液是否侵入到钻井泥浆中，进而采取有效措施保证钻注平行作业的安全。

说明书

技术领域：

本发明涉及钻井法凿井和注浆法施工同时进行时，钻井泥浆中是否侵入注浆液的监测方法。

背景技术：

钻井法“打井不下井”、机械化程度高、安全可靠、成井质量好，是在深厚表土中开凿立井井筒可靠的施工技术，但往往需要多次扩井再下沉预制井壁，施工速度慢，工期长，而且在深部基岩含水层注浆法施工时，需要先完成基岩段注浆施工，再进行冲积层钻井法施工，导致井筒建设工期过长。根据目前施工技术水平，若一个1000m深的立井井筒，冲积层600m厚，采用钻井法施工需2年以上，下部基岩段含水层地面预注浆需要10～12个月；全国立井井筒基岩掘砌平均速度64m/月，按注浆-钻井-凿井顺序施工，整个立井井筒的施工工期大约需要4～5年的时间。如果实现钻井法与注浆法两大施工工序的平行作业，可以大幅度地节省总施工工期。

但是在进行钻注平行作业过程中如果注浆液侵入到钻井井筒内混入泥浆后，会使泥浆的失水量增大，破坏其稳定性，从而破坏钻井泥浆的性能，影响钻井法凿井的正常钻进，严重的会对钻井井帮造成破坏，引起塌孔，可能会造成重大安全事故，影响钻井工期。

所以在钻井过程中加强对钻井泥浆的监测，防止注浆液侵入到钻井泥浆中，是实现钻-注平行作业顺利进行的必要条件。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供钻井法凿井和注浆法施工同时进行时，钻井泥浆中是否侵入注浆液的监测方法，从而为钻注平行作业提供安全保障。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

建立pH值在线监测系统，该系统包括传感器、监测仪器及电脑，其中传感器选用沉入式pH值传感器，传感器安置在浆液流速为0.6～1.2m/min、用肉眼比较含砂量相对较少并靠近泥浆喷口处；监测仪器通过传感器发出的实时信号，测量出泥浆的实时pH值，并将该数值传输至电脑，电脑对预先设定的数值与实时pH值进行比对，当泥浆pH值高于警示值时，发出警示信号，此时暂停注浆，并对泥浆的各项性能参数进行测试，如果泥浆的其他参数其他没有变化，继续注浆，如果其他参数都有变化，则停止注浆；当泥浆pH值达到警告值时，发出报警信号，关掉注浆泵；当pH值有突发变化时，暂不发出警告；当突发变化经短时间无法消除时，发出警示信号。

所述警示、警告值的设定，依据所钻井用钻井泥浆、注浆液及泥浆与注浆液不同混合比时的pH值比对后确定；其中警示值优选为8.0，警告值优选为8.5。

所述监测仪器包括pH值测量模块，测量模块根据传感器的实时信号测量出泥浆的pH值，测量模块的分辨率不小于0.01，误差极限不大于±0.002。

本发明具有如下有益效果：采用在钻井泥浆出口处监测泥浆pH值的方法，能直观可靠的监测到钻注平行作业时注浆液是否侵入到钻井泥浆中，进而采取有效措施保证钻注平行作业的安全，另外该方法简单、快速，是一种理想的监测方法。

具体实施方式：

以下实施例中各实验所述的比例均为质量百分比。

下述各实验pH值检测所用pH计为梅特勒-托利多公司的SevenMultis型pH/电导率/离子综合测试仪。

首先通过下面的注浆液对钻井泥浆各参数影响实验，来说明为什么选择泥浆pH值这一参数作为监测的指标：

2009年7月14日取用现场的注浆液，按不同比例加入到表土段钻井泥浆中，泥浆各参数的变化见下表1：

表1注浆液对表土段钻井泥浆参数影响

2009年9月12日取现场的注浆液，按不同比例加入到岩石段钻井泥浆中，泥浆各参数的变化见下表2。

表2注浆液对岩石段钻井泥浆参数影响

  配方/项目  表观  粘度  mPa·s  塑性  粘度  mPa·s  动切力  Pa  静切力  Pa  密度    g/cm³  pH值  失水量  ml/30min  2009.9.12早8:30  注浆液  1.195  12  2009.9.12早8:30  钻井泥浆  15.50  10.00  5.62  7.15  1.157  7  22.7  泥浆+1％注浆液  17.50  11.00  6.64  8.69  1.156  9  25.5  泥浆+2％注浆液  19.00  12.00  7.15  9.71  1.57  9.5  28.2  泥浆+3％注浆液  23.00  12.00  11.24  12.78  1.57  9.8  29  泥浆+4％注浆液  24.00  13.00  11.24  13.80  1.58  10  30  泥浆+5％注浆液  24.50  12.00  12.78  17.89  1.58  11  33.2  泥浆+6％注浆液  28.00  9.00  19.42  31.68  1.6

从上表1、2可以看出，随着注浆液加入到泥浆中的比例不断增加，泥浆中各参数都有不同程度的变化，其中切力变化最大，其次是pH值和粘度，所以认为，注浆液加入到泥浆中后，泥浆变化比较明显的参数，即敏感参数是泥浆的粘度、切力和pH值，但泥浆的粘度和切力在钻遇不同地层时，通常也会发生比较明显的变化，在不人为的进行泥浆处理时，只有泥浆的pH值是基本不变的，不受钻进参数、钻遇地层等因素的影响，而切力是不易监测的参数，一般需要在室内进行实验才能得出结果，不能直观的进行监测。注浆液的pH值一般都在12左右，只要注浆液侵入到钻井泥浆中，泥浆的pH值就会发生变化。所以，要监测实际工程中注浆液是否混入到泥浆中，主要可监测泥浆的pH值。

然后通过下述注浆液对钻井泥浆pH值的影响实验，来确定泥浆中侵入注浆液后pH值的变化规律，并进一步说明选择pH值作为监测参数的可行性：

为了探求注浆液对钻井泥浆pH值具有怎样的影响规律，室内分别配制了各种不同配方注浆液，按比例分别加入到钻井泥浆中，测定其pH值，实验结果如下：

1、单液浆对钻井泥浆pH值的影响

自配单液浆：水灰比1∶1，NaCl加量为水泥的5％，三乙醇胺加量为水泥加量的5‰，密度1.528kg/m3。

把自配单液浆按不同比例加入到泥浆中，当加入1％时，泥浆即变的很稠，很难测定其流变参数。用pH计测得其pH值见下表3：

表3单液浆对钻井泥浆pH值的影响

  配方  pH  9月13日10:00钻井泥浆  7.342  泥浆+0.5％单液浆  9.988  泥浆+1％单液浆  10.153  泥浆+2％单液浆  10.776  泥浆+3％单液浆  11.168  泥浆+4％单液浆  11.298  单液浆  11.492

2、较稀注浆液对钻井泥浆pH值的影响

自配较稀注浆液：原浆比重1.1kg/m3，水泥150kg，水玻璃15升，注浆液密度1.197kg/m3。

表4较稀注浆液对钻井泥浆pH值的影响

  配方  pH  9月14日8:30钻井泥浆  7.342  泥浆+1％注浆液  9.019

  配方  pH  泥浆+2％注浆液  9.498  泥浆+3％注浆液  10.242  泥浆+4％注浆液  10.566  泥浆+5％注浆液  10.684  注浆液  11.705

3、常用注浆液对钻井泥浆pH值的影响

自配常用注浆液：原浆比重1.12kg/m3，水泥150kg，水玻璃15升，注浆液密度1.231kg/m3。

表5常用注浆液对钻井泥浆pH值的影响

  配方  pH  9月14日8:30钻井泥浆  7.342  泥浆+1％注浆液  9.738  泥浆+2％注浆液  10.122  泥浆+3％注浆液  10.33  泥浆+4％注浆液  10.637  泥浆+5％注浆液  10.799  注浆液  11.701

4、较稠注浆液对钻井泥浆pH值的影响

自配较稠注浆液：原浆比重1.1kg/m3，水泥200kg，水玻璃20升，注浆液密度1.239kg/m3。

表6较稠注浆液对钻井泥浆pH值的影响

  配方  pH  9月14日8:30钻井泥浆  7.342

  配方  pH  泥浆+1％注浆液  10.152  泥浆+2％注浆液  10.207  泥浆+3％注浆液  10.596  泥浆+4％注浆液  10.817  泥浆+5％注浆液  10.962  注浆液  11.78

5、实验结果分析

在不进行特殊处理的情况下，泥浆的pH值一般都小于8.0，而从以上实验结果可以看出，当注浆液加入到泥浆中时，随着注浆液加量的逐渐增大，泥浆的pH值都是逐渐增大的，当各配方注浆液加入到泥浆中的比例为1％时，泥浆pH值的变化规律是：pH值都大于9，即pH值发生了明显的变化，比较容易监测出结果。

钻井泥浆的出浆量约为1200m³/h，注浆量约14m³/h，约占泥浆出浆量的1％。注浆都在钻井的下部，注浆液如果窜入泥浆中，只能从钻井的底部窜入，而钻井采用反循环洗井方式，钻井下部工作面处的泥浆能直接被吸到出浆口，也就是说，如果注浆液窜入泥浆中，能很快就在出浆口处监测到。

在正常钻进过程中，没有什么因素可以引起泥浆pH值的变化，所以泥浆的pH值一般不变，前后不会超过0.5的变化。因此，在钻注平行作业过程中，只要监测钻井泥浆的pH值，就能判断出是否有注浆液侵入到钻井泥浆中。

最后我们在钻注平行作业过程中对钻井泥浆的pH值进行监测，具体监测过程如下：

1、建立pH值在线监测系统，该系统包括传感器、监测仪器及电脑，传感器与监测仪器通过传输线缆连接，传输线缆优选采用多芯屏蔽铠装探测电缆，选择铠装电缆有助于保持监测电缆的寿命，并且在安装过程中可以利用电缆对传感器等部分进行吊装作业。监测仪器精确处理传感器信号，以测量出准确的pH值，并将该数值经RS232接口传输至电脑，当然也可采用其他形式的接口与电脑相连实现数据传输；监测仪器的测量范围应满足传感器标定以及设定监测报警值的范围；由于本系统需要通过记录pH值数据进行预判及判定工作，故监测仪器需使用分辨率不小于pH值0.01，误差极限不大于±0.002的测量模块；另外，监测仪器应提供测量传感器的状态显示，对传感器损坏应能提供显示。电脑内软件完成pH值及其它检测到的信息的记录、比对，并使用渐进式判定的方法对信号误报进行判定；同时软件优选具备显示pH值变化曲线或变化趋势图的功能，以供现场人员观看与分析监测结果。

2、传感器安置位置的选择：采用沉入式pH值传感器，传感器安装位置应尽量靠近泥浆喷口，浆液流动性较好，流速适中且含砂子含量较低的地方。测量处的浆液流速应控制在0.6～1.2m/min，流速过慢将使监测及时性下降，并容易在传感器表面形成泥皮包裹，从而降低测量精度；流速过快则传感器表面受泥浆中悬浮的沙粒磨损，磨损速度加快，降低其使用寿命。

3、具体监测信号处理方式：因不同钻井泥浆的pH值是有差别的，所以在监测前需要检测所钻井用钻井泥浆、注浆液及钻井泥浆与注浆液不同混合配比时的pH值，本领域技术人员根据常规经验和方法及这些pH值设定监测用的警示值及警告值；监测显示泥浆pH值达到警示值时，发出警示信号，此时暂停注浆，继续观察泥浆变化，并做泥浆的各项性能参数测试，如果其他参数没有什么变化，继续注浆，如果其他参数都有变化，则怀疑注浆液侵入到了钻井泥浆中，应停止注浆。当泥浆pH值达到警告值时，发出报警信号，此时应关掉注浆泵，停止注浆。当pH值有突发变化时，如不符合pH值渐进变化时，则应判断为信号异常，并暂不发出警告，但此时应检查检测设备，并检测泥浆参数变化情况，当突发变化经短时间无法消除时，则发出警示信号。

下面是采用上述方法进行的两次监测，监测仪器使用梅特勒-托利多公司生产的SevenNulti型pH/电导率/离子综合测试仪，型号为“S40K”，pH值电极型号为LE438；因泥浆的pH值通常在8.0以下，所以这两次监测的警示值设定为8.0，警告值设定为8.5，具体监测数据见表7、8：

表72009年9月13日钻井泥浆pH值监测结果

  Date  Time  Result  Result unit  Temperature  Temp.Unit  2009-9-13  16:44:00  7.395  pH  24.8  ℃  2009-9-13  16:44:03  7.396  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:06  7.396  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:09  7.397  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:12  7.397  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:15  7.398  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:18  7.397  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:21  7.396  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:44:24  7.396  pH  24.9  ℃  2009-9-13  16:52:38  7.395  pH  25  ℃  2009-9-13  16:52:41  7.395  pH  25  ℃

  Date  Time  Result  Result unit  Temperature  Temp.Unit  2009-9-13  16:52:44  7.396  pH  25  ℃  2009-9-13  16:52:47  7.395  pH  25  ℃  2009-9-13  16:52:50  7.396  pH  25  ℃  2009-9-13  16:52:54  7.395  pH  25  ℃  2009-9-13  16:52:56  7.395  pH  25.1  ℃  2009-9-13  16:53:00  7.396  pH  25  ℃  2009-9-13  16:55:48  7.394  pH  25.1  ℃  2009-9-13  16:55:51  7.394  pH  25.1  ℃  2009-9-13  16:55:54  7.394  pH  25.1  ℃  2009-9-13  16:55:57  7.394  pH  25.1  ℃  2009-9-13  16:56:00  7.393  pH  25.1  ℃  2009-9-13  16:56:03  7.394  pH  25.1  ℃

表82009年9月15日钻井泥浆pH值监测结果

  Date  Time  Result  Result unit  Temperature  Temp.Unit  209-9-15  1:25:36  7.561  pH  23  ℃  2009-9-15  11:28:03  7.512  pH  22.9  ℃  2009-9-15  11:28:06  7.512  pH  22.9  ℃  2009-9-15  11:29:06  7.511  pH  22.9  ℃  2009-9-15  11:30:06  7.509  pH  22.9  ℃  2009-9-15  11:31:07  7.508  pH  22.9  ℃  2009-9-15  11:32:07  7.507  pH  22.9  ℃

  Date  Time  Result  Result unit  Temperature  Temp.Unit  2009-9-15  11:33:07  7.505  pH  22.8  ℃  2009-9-15  11:34:08  7.503  pH  22.8  ℃  2009-9-15  11:35:08  7.503  pH  22.8  ℃  2009-9-15  11:36:08  7.502  pH  22.8  ℃  2009-9-15  11:37:09  7.5  pH  22.8  ℃  2009-9-15  11:38:09  7.499  pH  22.8  ℃  2009-9-15  11:39:09  7.498  pH  22.8  ℃

通过上面两天的监测结果可以看出，这两日钻井泥浆的pH值很稳定，没有侵入注浆液。