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水平定向鉆進泥漿配方的研究
發布:延安市紅瑞建設工程有限公司  發稿日期:2016-11-10 20:52:01
 1  前言
我國在水平定向鉆進的施工中所應用的泥漿是由膨潤土單組份組成的,存在易產生被鉆的孔洞塌方、卡鉆問題,造成水平定向鉆進的失敗。針對鉆進中的失敗原因,借鑒石油工業的鉆井泥漿技術,結合多變的地表土壤情況和現場施工經驗,研制了水平定向鉆進泥漿配方。
在水平定向鉆進施工中,人們把泥漿比作鉆進的血液,泥漿停止循環時,鉆進工作就不能繼續進行。隨著泥漿技術水平的提高,人們對于泥漿的作用和意義的認識也逐步提高。泥漿的作用和地位更加突出,泥漿也更加受到普遍的重視。泥漿的主要功能:
一、是攜帶和懸浮鉆屑。這是泥漿的一個基本功能,就是要把鉆頭(擴孔鉆)破碎的巖(土)屑從孔洞中帶出孔眼,保持孔洞凈化。
二、穩定孔壁??妆诜€定、規則是優質快速鉆進的重要基礎條件,也是泥漿技術措施的基本立足點。
三、冷卻和沖洗鉆頭,清掃孔中(底)巖(土)屑。還有泥漿比重能在比較大的范圍內調節,以建立與地層壓力相平衡的液柱壓力,防止漏、塌、卡等地下復雜情況。
總之,應根據每一次鉆進的各個階段的地層特點,結構、鉆進措施等具體條件,正確選擇泥漿類型,決定相應的合理的泥漿措施,達到優質快速鉆進的目的。
2 關于泥漿配方
(1)泥漿類型的選擇
目前,泥漿基本類型有:水基泥漿、油基泥漿和氣基泥漿。
一、水基泥漿以水為分散介質,其基本組分是黏土、水和化學處理劑;
二、油基泥漿由柴油(或原油)和瀝青(或有機般土)及有關處理劑配成;
三、氣基泥漿氣體的來源于化學法產生,流體是由氣、液兩相或氣、液、固三相組成。
根據我們現有的鉆機性能和我國的地質條件,選擇以水為分散介質,由粘土、水和化學處理劑基本組分的水基泥漿。
(2)泥漿的組成
①粘土(膨潤土)
水平定向鉆進泥漿中的粘土主要由很細(2微米以下)的粘土礦物顆粒組成。它們主要含氧化硅、氧化鋁和水,還有少量的鐵、堿金屬和堿土金屬,粘土礦物的化學成分是含水鋁硅酸鹽。粘土礦物的種類很多,常見的和對泥漿工藝較為重要的只有四種:高嶺石、伊利石、蒙脫石和海泡石。水平定向鉆進泥漿中的粘土是以蒙脫石為主的膨潤土(又稱粘土)。
②化學處理劑
為了保證水平定向鉆進泥漿的穩定性和提高泥漿的各種工藝性能,以適應各種情況下的鉆進要求,泥漿中使用著各種各樣的化學處理劑(泥漿添加劑)。水平定向鉆進泥漿常用的化學處理劑(泥漿添加劑)有:A.純堿;B.防塌劑;C.降失水劑;D.絮凝劑; E.潤滑劑;F.增粘劑
A.  純堿
碳酸鈉(Na2CO3),又叫蘇打。純堿在水中容易電離和水解,在配制時加入從而有效地改善粘土的水化分散性能,因此加入適量純堿可使泥漿的失水下降,粘度、切力增大。
B.  防塌劑
主要有:腐殖酸鉀、瀝青粉、磺化瀝青粉、磺化酚醛樹脂、煤堿液。其中瀝青粉具有兩重性,可以用于水基鉆井液中,能增加泥餅的潤滑性,有防粘卡效應,能堵塞泥餅孔隙和調節泥餅中固相顆粒之間的粘結力,有降濾失量和防塌作用。
C.  降濾失劑
降失水劑有:鈉羧甲基纖維素(Na—CMC)、聚丙烯腈;
D.  絮凝劑:
我們使用的聚合物類為:聚丙烯酰胺(PAM);聚合物有絮凝、防塌、剪切三大作用。
F.  潤滑劑:
在水平定向鉆進中使用的為極壓潤滑劑、硬脂酸酯、磺化瀝青等。由于潤滑劑分子的親水基吸附在金屬或粘土的表面上,形成一層堅固的化學膜,使接觸面之間的摩擦發生在親油基之間,它提高了泥漿的潤滑性,從而降低了摩擦力,減少鉆具與泥漿的摩擦,可防止粘附性卡鉆。
 ③水
泥漿中的水,我們選擇淡水pH值控制在7-8。
(3) 泥漿配方
①泥漿配方研究方案的選擇
根據地層特點,結構、鉆進措施等具體條件,泥漿配方研究方案分為:
A.按地層的特點、結構及土壤分類進行泥漿的配方研究;
根據我們現行水平定向鉆進的實際情況,結合我國的地表土壤分布狀況,按地層的特點、結構及土壤分類。選擇具有普遍性、廣泛適用于各類地區及施工需求的泥漿配方進行研究。土壤的類型可分為:
a.粘土型;b.砂土型;c.灰土型;d.風化頁巖型;e.礫石型;f.淤泥型;
以上六種土壤是我國地表(距大地表面30m深以上)分布比較普遍和廣泛的,是我們在施工中接觸最多,需要首先解決的泥漿配方;
②粘土層的泥漿性能要求及組成
A.粘土層的地質特點:粗土、地質結構松散,砂、沖積砂土層、種植土、回填土等、粉砂土及淤泥。細土地質構造較硬,吸水較強,其中黃色泥巖、褐色泥巖最具有代表性。
B.其主要特點:成孔性好,可鉆性好,鉆具在土中旋轉推進、造斜和出土都能比較好的成孔,不易坍塌,是最適宜穿越的地層。
c. 粘土層漿性能要求:
密度         粘度      切力      PH 值    失水(中壓)  泥 餅
1.05-1.07   35-40″  0-2/2-6    8.5-9      4-7ml    1.0-1.2
d.  泥漿的組成:
膨潤土 + 純堿 + 降失水劑 + 潤滑劑
泥漿的配合比(Kg/m3):
1:0.04 : 0.06 : 0.06
在一般的條件下,采用上面的配合比;施工中要根據現場的實際情況進行適當的調整。
③砂層和細砂、卵石、礫石(少量的)地層的泥漿性能要求及組成
A.砂層的地質構造特點:少量的粘土或粉質土夾雜大量的黃砂,其中還含有一定量的卵石、少量的礫石。
B. 其主要特點:成孔性一般,易塌、易漏失、吸水能力強。導向孔和回擴孔時極易坍塌,泥漿含砂量高造成機具對巖屑的重復破碎,機具和設備磨損較重。
c. 砂層泥漿性能的要求:
密度    粘度     失 水(中壓)      PH 值    泥餅     切力
1.05   50-65″    4-5ml           8.5-9    1.5     2-4/4-8
K≥11(提高K值有利于防漏、防塌,提高K值在定向鉆的現場最直接的方法就是加膨潤土、或加高分子聚合物(如萬用王或者萬能王等);
n≤0.55(降低n值有利于攜帶巖屑、洗孔);
t0動切力≥15 (屈服值 ,達因/厘米2)
d.泥漿的組成:
膨潤土(高含量)+ 防塌劑 (聚合物、濃度適宜)+潤滑劑
e.泥漿的配合比(Kg/m3):
1:0.05 :0.06
在一般的條件下,可采用上面的配合比;施工中要根據現場的實際情況進行適當的調整。
④砂層和細砂、卵石、礫石(少量的)地層的泥漿性能要求及組成
A.地質構造特點:完全的黃砂、含水量較大的流砂,其中包括卵石、礫石,此種地層一般比較少。
B.其主要特點:成孔性極差、易坍塌、易漏漿,易造成大區段的井壁坍塌包裹或掩埋鉆具或機具,鉆進速度慢,鉆具、機具磨損嚴重,泥漿含砂量大,鉆具、機具重復破碎情況嚴重。
c.卵石層、礫石層泥漿性能的要求:
密度        粘度     失 水(中壓)  PH 值    泥餅    切 力
1.05-1.10   60-70″  4-5ml        8.5-9   1.5-2.0  2-6/6-10
K≥15        n =0.57-0.66       t0 =20
d.泥漿的組成:
膨潤土(高含量)+ 防塌劑(聚合物)+ 降失水劑 + 潤滑劑
e. 泥漿的配合比(Kg/m3):
     1:0.03:0.04:0.03
在一般的條件下,可采用上面的配合比;施工中要根據現場的實際情況進行適當的調整。
注:以上三組配方獲國家發明專利;
 4.實例
       以“西氣東輸”工程我們穿越的六條河流為例,說明自行研制的泥漿所產生的經濟效益,下面的舉例計算是穿越時孔洞所必需的數量,未考慮損失量和循環用量,一般考慮損失量和循環用量的總和為2.2-2.5。
5.結束語
       我們研制的水平定向鉆進用的泥漿,通過在施工中的應用是成功的,達到了水平定向鉆進工藝設計的要求,完全滿足水平定向鉆進在各種地質條件的成孔技術,已達到國內先進水平,獲國家發明專利;其費用非常低廉,經濟效益顯著,可節約大量的投資,降低施工成本;它也可以做為產品,對外銷售創收達到以收抵支的良性循環;隨著科學技術的進步,水平定向鉆進用泥漿也會不斷地向前發展。因此要不斷的跟蹤先進技術及時地補充水平定向鉆進用泥漿配方,使水平定向鉆進泥漿配方始終保持其先進性。
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