水平定向鉆進(jìn)、泥漿配置

水平定向鉆進(jìn)已廣泛應(yīng)用于市政、通信中管線穿越。施工的孔徑越來越大，穿越長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，鉆越不同地質(zhì)的情況也越來越多。鉆進(jìn)中的成孔率和孔洞的穩(wěn)定性對(duì)泥漿的配置質(zhì)量要求越來越高。本文對(duì)水平鉆進(jìn)中泥漿配置的適應(yīng)性作詳細(xì)分析。

1 泥漿分類及性能

1.1分類

中國(guó)膨潤(rùn)土礦資源非常豐富，既有鈣基膨潤(rùn)土，又有鈉基膨潤(rùn)土，此外還有氫基、鋁基、鈉鈣基和未分類的膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土(Bentonite)又稱膨土巖等，是以蒙脫石(也稱微晶高嶺石、膠嶺石)為主要成分的粘土巖—蒙脫石粘土巖,常含少量伊利石、高嶺石及沸石、長(zhǎng)石、方解石等。蒙脫石為少量堿及堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物，其化學(xué)式為Nax(H2O)4{(Al2～xMg0.)[Si4O10](OH)2}。由于蒙脫石層間水和層間可交換陽離子存在，按蒙脫石所含可交換陽離子種類、含量和結(jié)晶化學(xué)性質(zhì)等,可將膨潤(rùn)土劃分為鈉基膨潤(rùn)土(堿性土)、鈣基膨潤(rùn)土(堿性土)和天然漂白土(酸性土)三種。其中鈣基膨潤(rùn)土包括鈣鈉基、鈣鎂基等膨潤(rùn)土。堿性土的主要交換陽離子為Na+(和K+),堿性系數(shù)大于或等于1，堿性土主要交換陽離子為Ca2+、Na+或Ca2+、Mg2+等,堿性系數(shù)小于1，酸性土主要交換陽離子為H+(Al3+)。

1.2性能

1)物理性質(zhì)

膨潤(rùn)土一般為白色,淡黃,因其含鐵量不同又呈淺灰、淡綠粉紅、褐紅、黑雜等色。膨潤(rùn)土有的松散如土,也有的致密堅(jiān)硬。

2)化學(xué)組成

膨潤(rùn)土的主要化學(xué)組分是二氧化硅(SiO2),三氧化二鋁(Al2O3)和水(H2O)。氧化鐵和氧化鎂含量有時(shí)也較高,鈣、鈉、鉀等常以不同含量存在于膨潤(rùn)土中。膨潤(rùn)土中的Na2O和CaO含量對(duì)膨潤(rùn)土的物理化學(xué)性能和工藝技術(shù)性能影響頗大。

3)理化性能

膨潤(rùn)土具有極強(qiáng)的吸濕性，吸水后膨脹，膨脹數(shù)可達(dá)30倍。在水介質(zhì)中能分散呈膠體懸浮液，這種懸浮液具有一定的粘滯性、觸變性和潤(rùn)滑性。它和水、泥或砂等細(xì)碎屑物質(zhì)的摻合物有可塑性和粘結(jié)性。有較強(qiáng)的陽離子交換能力。對(duì)各種氣體、液體、有機(jī)物質(zhì)有一定的吸附能力，吸附量可達(dá)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質(zhì)。

膨潤(rùn)土的理化性能主要取決于它所含的蒙脫石種類和含量。一般鈉基膨潤(rùn)土較之鈣基或鎂基膨潤(rùn)土的物理化學(xué)性質(zhì)和工藝技術(shù)性能優(yōu)越。主要表現(xiàn)在：吸水速度慢，但吸水率和膨脹倍數(shù)大;陽離子交換量高;在水介質(zhì)中分散性好，膠質(zhì)價(jià)高;它的膠體懸浮液觸變性、粘度、潤(rùn)滑性好，PH值高;熱穩(wěn)定性好;有較高的可塑性和較強(qiáng)的粘結(jié)性;熱濕拉強(qiáng)度和干壓強(qiáng)度高。所以鈉基膨潤(rùn)土的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。

2 泥漿的檢驗(yàn)方法

測(cè)量泥漿密度的儀器目前用得多的是密度秤。測(cè)量時(shí)，將泥漿裝滿于泥漿杯中，加蓋后使多余的泥漿從杯蓋中心孔溢出。擦干泥漿杯表面后，將杠桿放在支架上(主刀口坐在主刀墊上)。移動(dòng)游碼，使杠桿成水平狀態(tài)(水平泡位于中央)。讀出游碼左側(cè)的刻度，即為泥漿的密度值。測(cè)量泥漿密度前，先用清水對(duì)儀器進(jìn)行校正。如讀數(shù)不在1.0處，可用增減裝在杠桿右端小盒中的金屬顆粒來調(diào)節(jié)。

泥漿的密度是指泥漿的重量與規(guī)定體積水的重量之比。施工中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的泥漿密度的大小主要取決于泥漿中造漿粘土重量和鉆屑重量之和。在有外加劑等其他物質(zhì)加入的時(shí)候，外加劑等的重量也須計(jì)入。

3 泥漿在不同地質(zhì)條件下的應(yīng)用及其影響

在砂層、礫石、卵石以及破碎帶地層中鉆進(jìn)，由于顆粒之間缺乏膠結(jié)，鉆進(jìn)時(shí)孔壁很容易坍塌，故成孔的難度很大。對(duì)于這類地層用泥漿護(hù)壁，解決問題的關(guān)鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結(jié)力。粘性較大的泥漿適當(dāng)滲入孔壁地層中，可以明顯增強(qiáng)砂、礫之間的膠結(jié)力，以此使孔壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。提高泥漿粘度，主要通過使用高分散度泥漿(細(xì)分散泥漿)、增加泥漿中的粘土含量、加入有機(jī)或無機(jī)增粘劑等措施來實(shí)現(xiàn)。細(xì)分散泥漿是含鹽量小于1%，含鈣量小于120ppm，不含抑制性高聚物的分散型泥漿。其組成除粘土、Na2CO3和水外，為了滿足鉆孔需要，往往加有提粘劑、降失水劑和防絮凝劑(稀釋劑)。依所加處理劑的不同，可有不同種類，如鈉羧甲基纖維素泥漿、鐵鉻鹽泥漿、木質(zhì)素磺酸鹽泥漿和腐植酸泥漿等。用較高粘度的細(xì)分散泥漿在砂、礫層中鉆進(jìn)的成功工程很多，包括在流砂地層中鉆進(jìn)。

3.1泥漿對(duì)鉆速的影響

隨著泥漿密度的增加，鉆速下降，特別是泥漿密度大于1.06～1.10 g/cm3時(shí)，鉆速下降尤為明顯。泥漿的密度相同，粘度愈高則鉆速愈低。

3.2 泥漿中含砂量對(duì)鉆進(jìn)的影響

泥漿中的巖屑含量會(huì)給鉆進(jìn)造成很大的危害。使孔內(nèi)凈化不好而引起下鉆阻卡，而且可能引起抽吸，壓力激動(dòng)等，造成漏失或井塌。砂的含量高，孔內(nèi)沉淀厚。造成孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脫落造成孔內(nèi)事故。同時(shí)泥沙含量高，對(duì)管材、鉆頭、水泵缸套、活塞拉桿磨損大，使用壽命短。因此，在保證地層壓力平衡的前提下，應(yīng)盡量降低泥漿密度和含砂量。

3.3在軟土地層中泥漿的密度

在軟土地層中，泥漿密度過小或鉆進(jìn)速度過快，都將導(dǎo)致塌孔現(xiàn)象。通常在此土層中泥漿密度保持到1.25g/cm3會(huì)更好。

4 常見泥漿的配方實(shí)例

工程中泥漿種類繁多，但根據(jù)其化學(xué)成分可歸類為以下幾種，其配比方法如下：

4.1 Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿

該泥漿為最普通的提粘型泥漿，Na-CMC起進(jìn)一步提粘和降失水作用。配方為：優(yōu)質(zhì)造漿粘土150～200g，水1000ml，純堿5～10Kg，Na-CMC6kg左右。泥漿性能為：密度1.07～1.1 g/cm3，粘度25～35s，失水量小于12ml/30min，pH值約9.5。

4.2 鐵鉻鹽-Na-CMC泥漿

該泥漿提粘且穩(wěn)定性較強(qiáng)，鐵鉻鹽起防絮凝(稀釋)作用。配方為：粘土200g，水1000ml，純堿液50%濃度加量約20%，鐵鉻鹽溶液濃度20%加量0.5%，Na-CMC 0.1%。泥漿性能為：密度1.10 g/cm3，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9。

4.3 木質(zhì)素磺酸鹽泥漿

木質(zhì)素磺酸鹽取材于亞硫酸紙漿廢液，一般與煤堿劑配合使用，在提粘的基礎(chǔ)上解決泥漿的防絮凝和降失水。配方為1m3泥漿用粘土100～200kg，亞硫酸紙漿廢液30～40kg，煤堿劑10～20kg，NaOH5～10kg，消泡劑5～10kg，水900～1000L。泥漿性能為：密度1.06～1.20 g/cm3，漏斗粘度18～40s，失水量5～10ml/30min，在鉆進(jìn)過程中為進(jìn)一步降失水可升加0.1～0.3kg Na-CMC。

4.4 腐植酸泥漿

腐植酸泥漿是用煤堿劑或腐植酸鈉做穩(wěn)定劑的，它可以與其他處理劑如Na-CMC等配合使用，制備腐植酸泥漿的配方是1m3泥漿中加150～200kg煤堿劑(干量)，3～5kgNa2CO3，900～1000L水。泥漿性能：密度1.03～1.20 g/cm3，失水量4～10ml/30min，pH值9。

5 結(jié)語

在水平鉆進(jìn)施工過程中，正確適當(dāng)?shù)哪酀{的配置對(duì)穿越起決定性作用。而選用不同密度的泥漿要視具體地質(zhì)情況而定。