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1、饶秋生 申金生（中国建筑技术集团有限公司郑州分公司，郑州 450053）摘 要: 水平定向穿越对不同地质情况施工中，泥浆配置工作对穿越成功起到至关重要的作用。本文通过在不同地质中的施工经验，总结一些提供给同行，共同学习。关键词：水平定向钻进、泥浆配置水平定向钻进已广泛应用于市政、通信中管线穿越。施工的孔径越来越大，穿越长度越来越长，钻越不同地质的情况也越来越多。钻进中的成孔率和孔洞的稳定性对泥浆的配置质量要求越来越高。本文对水平钻进中泥浆配置的适应性作详细分析。1 泥浆的分类及性能1.1分类 中国膨润土矿资源非常丰富，既有钙基膨润土，又有钠基膨润土，此外还有氢基、铝基、钠钙基和未分类的膨润土。
2、膨润土(Bentonite)又称膨土岩等，是以蒙脱石(也称微晶高岭石、胶岭石)为主要成分的粘土岩蒙脱石粘土岩,常含少量伊利石、高岭石及沸石、长石、方解石等。蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物，其化学式为Nax(H2O)4(Al2xMg0.)Si4O10(OH)2。由于蒙脱石层间水和层间可交换阳离子存在，按蒙脱石所含可交换阳离子种类、含量和结晶化学性质等,可将膨润土划分为钠基膨润土(碱性土)、钙基膨润土(碱性土)和天然漂白土(酸性土)三种。其中钙基膨润土包括钙钠基、钙镁基等膨润土。碱性土的主要交换阳离子为Na+(和K+),碱性系数大于或等于1，碱性土主要交换阳离子为Ca2+、Na+或Ca
3、2+、Mg2+等,碱性系数小于1，酸性土主要交换阳离子为H+(Al3+)。1.2性能1）物理性质膨润土一般为白色,淡黄,因其含铁量不同又呈浅灰、淡绿粉红、褐红、黑杂等色。膨润土有的松散如土,也有的致密坚硬。2）化学组成膨润土的主要化学组分是二氧化硅(SiO2),三氧化二铝(Al2O3)和水（H2O）。氧化铁和氧化镁含量有时也较高,钙、钠、钾等常以不同含量存在于膨润土中。膨润土中的Na2O和CaO含量对膨润土的物理化学性能和工艺技术性能影响颇大。3）理化性能膨润土具有极强的吸湿性，吸水后膨胀，膨胀数可达30倍。在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性。它和水、泥或
4、砂等细碎屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。有较强的阳离子交换能力。对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于它的重量，具有表面活性的酸性漂白土能吸附有色物质。膨润土的理化性能主要取决于它所含的蒙脱石种类和含量。一般钠基膨润土较之钙基或镁基膨润土的物理化学性质和工艺技术性能优越。主要表现在：吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；它的胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，PH值高；热稳定性好；有较高的可塑性和较强的粘结性；热湿拉强度和干压强度高。所以钠基膨润土的使用价值和经济价值较高。2 泥浆的检验方法测量泥浆密度的仪器目前用得最多的是密度
5、秤。测量时，将泥浆装满于泥浆杯中，加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游码左侧的刻度，即为泥浆的密度值。测量泥浆密度前，先用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。泥浆的密度是指泥浆的重量与规定体积水的重量之比。施工中现场测定的泥浆密度的大小主要取决于泥浆中造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有外加剂等其他物质加入的时候，外加剂等的重量也须计入。3 泥浆在不同地质条件下的应用及其影响在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时
6、孔壁很容易坍塌，故成孔的难度很大。对于这类地层用泥浆护壁，解决问题的关键是增加孔壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的泥浆适当渗入孔壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使孔壁的稳定性增强。提高泥浆粘度，主要通过使用高分散度泥浆（细分散泥浆）、增加泥浆中的粘土含量、加入有机或无机增粘剂等措施来实现。细分散泥浆是含盐量小于1%，含钙量小于120ppm，不含抑制性高聚物的分散型泥浆。其组成除粘土、Na2CO3和水外，为了满足钻孔需要，往往加有提粘剂、降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有不同种类，如钠羧甲基纤维素泥浆、铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。用较高粘度的细分散泥
7、浆在砂、砾层中钻进的成功工程很多，包括在流砂地层中钻进。3.1泥浆对钻速的影响随着泥浆密度的增加，钻速下降，特别是泥浆密度大于1.061.10 g/cm3时，钻速下降尤为明显。泥浆的密度相同，粘度愈高则钻速愈低。3.2 泥浆中含砂量对钻进的影响泥浆中的岩屑含量会给钻进造成很大的危害。使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。砂的含量高，孔内沉淀厚。造成孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。同时泥沙含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆密度和含砂量。3.3在软土地层中泥浆的密度在软土地
8、层中，泥浆密度过小或钻进速度过快，都将导致塌孔现象。通常在此土层中泥浆密度保持到1.25g/cm3会更好。4 常见泥浆的配方实例工程中泥浆种类繁多，但根据其化学成分可归类为以下几种，其配比方法如下：4.1 Na-CMC（钠羧甲基纤维素）泥浆该泥浆为最普通的提粘型泥浆，Na-CMC起进一步提粘和降失水作用。配方为：优质造浆粘土150200g，水1000ml，纯碱510Kg，Na-CMC6kg左右。泥浆性能为：密度1.071.1 g/cm3，粘度2535s，失水量小于12ml/30min，pH值约9.5。4.2 铁铬盐-Na-CMC泥浆该泥浆提粘且稳定性较强，铁铬盐起防絮凝（稀释）作用。配方为：粘
9、土200g，水1000ml，纯碱液50%浓度加量约20%，铁铬盐溶液浓度20%加量0.5%，Na-CMC 0.1%。泥浆性能为：密度1.10 g/cm3，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9。4.3 木质素磺酸盐泥浆木质素磺酸盐取材于亚硫酸纸浆废液，一般与煤碱剂配合使用，在提粘的基础上解决泥浆的防絮凝和降失水。配方为1m3泥浆用粘土100200kg，亚硫酸纸浆废液3040kg，煤碱剂1020kg，NaOH510kg，消泡剂510kg，水9001000L。泥浆性能为：密度1.061.20 g/cm3，漏斗粘度1840s，失水量510ml/30min，在钻进过程中为进一步降失水可升加0
10、.10.3kg Na-CMC。4.4 腐植酸泥浆 腐植酸泥浆是用煤碱剂或腐植酸钠做稳定剂的，它可以与其他处理剂如Na-CMC等配合使用，制备腐植酸泥浆的配方是1m3泥浆中加150200kg煤碱剂(干量)，35kgNa2CO3，9001000L水。泥浆性能：密度1.031.20 g/cm3，失水量410ml/30min，pH值9。 5 结语 在水平钻进施工过程中，正确适当的泥浆的配置对穿越起决定性作用。而选用不同密度的泥浆要视具体地质情况而定。水平定向钻进泥浆配方的研究1 前言水平定向钻进泥浆配方的研究是管理局2003年重大科技项目“大口径长输管道穿越施工技术研究”中的重要组成部分。我国在水平定
11、向钻进的施工中所应用的泥浆是由膨润土单组份组成的，存在易产生被钻的孔洞塌方、卡钻问题，造成水平定向钻进的失败。针对钻进中的失败原因，借鉴石油工业的钻井泥浆技术，结合多变的地表土壤情况和现场施工经验，研制了水平定向钻进泥浆配方。本文作者作为本项目的承担者，对该项目进行了研究，现将项目中水平定向钻进泥浆配方研究取得的技术成果进行介绍，供大家进行交流。2 功能设计在水平定向钻进施工中，人们把泥浆比作钻进的血液，泥浆停止循环时，钻进工作就不能继续进行。随着泥浆技术水平的提高，人们对于泥浆的作用和意义的认识也逐步提高。泥浆的作用和地位更加突出，泥浆也更加受到普遍的重视。泥浆的主要功能：一是携带和悬浮钻屑
12、。这是泥浆的一个基本功能，就是要把钻头（扩孔钻）破碎的岩（土）屑从孔洞中带出孔眼，保持孔洞净化。其二、稳定孔壁。孔壁稳定、规则是优质快速钻进的重要基础条件，也是泥浆技术措施的基本立足点。其三、冷却和冲洗钻头，清扫孔中（底）岩（土）屑。还有泥浆比重能在比较大的范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止漏、塌、卡等地下复杂情况。总之，应根据每一次钻进的各个阶段的地层特点，结构、钻进措施等具体条件，正确选择泥浆类型，决定相应的合理的泥浆措施，达到优质快速钻进的目的。3 泥浆配方（1）泥浆类型的选择目前，泥浆基本类型有：水基泥浆、油基泥浆和气基泥浆。水基泥浆以水为分散介质，其基本组分是黏土、水
13、和化学处理剂；油基泥浆由柴油（或原油）和沥青（或有机般土）及有关处理剂配成；气基泥浆气体的来源于化学法产生，流体是由气、液两相或气、液、固三相组成。根据我们现有的钻机性能和我国的地质条件，选择以水为分散介质，由粘土、水和化学处理剂基本组分的水基泥浆。（2）泥浆的组成粘土（膨润土）水平定向钻进泥浆中的粘土主要由很细（2微米以下）的粘土矿物颗粒组成。它们主要含氧化硅、氧化铝和水，还有少量的铁、碱金属和碱土金属，粘土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。粘土矿物的种类很多，常见的和对泥浆工艺较为重要的只有四种：高岭石、伊利石、蒙脱石和海泡石。水平定向钻进泥浆中的粘土是以蒙脱石为主的膨润土（又称粘土）。化学处
14、理剂为了保证水平定向钻进泥浆的稳定性和提高泥浆的各种工艺性能，以适应各种情况下的钻进要求，泥浆中使用着各种各样的化学处理剂（泥浆添加剂）。水平定向钻进泥浆常用的化学处理剂（泥浆添加剂）有：A.纯碱；B.防塌剂；C.降失水剂；D.润滑剂；E.表面活性剂；F.增粘剂；A. 纯碱碳酸钠（Na2CO3），又叫苏打。纯碱在水中容易电离和水解，在配制时加入从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使泥浆的失水下降，粘度、切力增大。b.防塌剂主要有：腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉、磺化酚醛树脂、煤碱液；c.沥青粉：具有两重性，可以用于水基钻井液中，能增加泥饼的润滑性，有防粘卡效应，能堵塞泥饼孔隙和调
15、节泥饼中固相颗粒之间的粘结力，有降滤失量和防塌作用。d.聚合物：我们使用的聚合物类为：聚丙烯酰胺（PAM）；聚合物有絮凝、防塌、剪切三大作用。e.降失水剂：降失水剂有：钠羧甲基纤维素（NaCMC）CMC、聚丙烯腈；f.润滑剂：在水平定向钻进中使用的为极压润滑剂、聚氧乙烯、硬脂酸酯、CP233磺化妥尔油沥青等。由于润滑剂分子的亲水基吸附在金属或粘土的表面上，形成一层坚固的化学膜，使接触面之间的摩擦发生在亲油基之间，它提高了泥浆的润滑性，从而降低了摩擦力，减少钻具与泥浆的摩擦，可防止粘附性卡钻。水泥浆中的水，我们选择淡水pH值控制在7-8。(3) 泥浆配方泥浆配方研究方案的选择根据地层特点，结构、钻进措施等具体条件，泥浆配方研究方案分为：A按地层的特点、结构及土壤分类进行泥浆的配方研究；根据我们现行水平定向钻进的实际情况，结合我国的地表土壤分布状况,按地层的特点、结构及土壤分类。选择具有普遍性、广泛适用于各类地区及施工需求的泥浆配方进行研究。土壤的类型可分为：a.粘土型；b.砂土型；c.灰土型；d.风化页岩型；e.砾石型；f.淤泥型；以上六种土壤是我国地表（距大地表面30m深以上）分布比较普遍和广泛的，是我们在施工中接触最多
