流砂地層中非開挖導向鉆進泥漿的試驗研究

彭 第,靖向黨,潘殿琦,謝俊革,王金榮

(1.長春工程學院勘查與測繪工程學院;2.軟件職業(yè)技術(shù)學院,長春 130021;3.天津大港油田勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

0 引言

隨著對城市環(huán)保程度的提高,綠色工程大受青睞,又因為非開挖技術(shù)具有不破壞城市路面、不影響正常交通、噪音小等顯著特點,所以在城市地下管線鋪設(shè)工程中顯得越來越重要。然而,現(xiàn)在城市地下管線日趨復雜,非開挖導向鉆進在土體中的施工環(huán)境也變得越來越復雜。

流砂層一直是導向鉆進施工的難點,一般屬于水流搬運沉積而成的產(chǎn)物,它們絕大多數(shù)產(chǎn)于無塑性的不黏結(jié)的粉砂土質(zhì)巖層和淤泥質(zhì)細砂中,無可塑性,干燥時呈松散狀態(tài),滲透性較黏性土好,稍濕的砂土具有假內(nèi)聚力[1]。目前,非開挖導向鉆進穿越流砂層使用普通膨潤土泥漿護壁時,發(fā)現(xiàn)成孔性差,泥漿漏失嚴重,致使地層失穩(wěn),鉆孔塌陷,由此帶來卡鉆、埋鉆的后果;或者擴孔時鉆屑未能被有效地懸浮,無法通暢排出,使中、粗砂大量堆積在孔底,拉管時發(fā)生卡管現(xiàn)象,或堵塞鉆孔,導致鉆壓升高壓裂地層,給非開挖導向鉆進施工及管線鋪設(shè)帶來極大困難[2—4]。

非開挖導向鉆進穿越流砂層常發(fā)生的孔內(nèi)事故主要表現(xiàn)在孔壁失穩(wěn)導致塌孔,其原因主要是流砂層內(nèi)聚力較低,土質(zhì)較松散破碎,成孔后孔壁地層內(nèi)部應力狀態(tài)發(fā)生變化超過了其本身強度極限[5];由于流砂層地層孔隙較大,在孔內(nèi)泥漿柱與地下水壓力差的作用下,普通泥漿失水量大,泥漿不能及時在孔壁周圍形成高質(zhì)量泥皮,使砂層假內(nèi)聚力喪失,從而導致孔壁坍塌等事故。

導向鉆進在流砂層施工時,解決問題的關(guān)鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結(jié)力,黏性較大的漿液適當滲入井壁地層中,可以增強砂、礫之間的膠結(jié)力,以穩(wěn)定孔壁,防止塌孔[6]。同時泥漿體系應具有良好的流變性,鉆孔中的砂能夠處于一種懸浮流通狀態(tài),保持鉆孔的暢通以便于通過泥漿循環(huán)將鉆屑(中、粗砂)攜帶出鉆孔,保持孔內(nèi)清潔,避免可能出現(xiàn)的由于大量中、粗砂堆積在孔底產(chǎn)生的卡管、堵塞鉆孔的問題。因此,應采用具有良好凝膠強度、黏度較高且漏失量少的泥漿,以形成致密堅韌的泥皮,有效避免由于泥漿失水量較大而帶來的地層失穩(wěn)、鉆孔塌陷、卡鉆等問題。目前,大多數(shù)施工單位采用如“易鉆(Hydraul-EZ)” 、“幫手(Super-Pac)”和“萬用王(Insta-V is Plus)”等成品沖洗液,但價格非常昂貴[3-5]。

1 沖洗液材料及護壁機理

本文選擇腐植酸鈉泥漿作為研究對象,泥漿由如下材料組成:膨潤土、Na2CO3、鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)和腐植酸鈉(HA-Na)。鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)和腐植酸鈉(HA-Na)是泥漿處理劑中常用的處理劑,且腐植酸鈉原料來源廣,價格優(yōu)勢明顯[7],利用二者降低泥漿失水,使孔壁穩(wěn)定,并增加泥漿黏度。

腐植酸鈉泥漿在孔內(nèi)循環(huán)過程中,泥漿中的黏土在孔內(nèi)壓差作用下會充實到砂層孔隙中去,堵塞孔隙,加固并修復孔壁。腐植酸鈉是親水分子,吸附在膨潤土顆粒表面,使黏土顆粒在循環(huán)中能保持適當?shù)亩嗉壏稚⑿?形成致密而薄的泥餅。同時,水化作用形成的可以變形的水化膜,能封閉細微孔隙,使泥漿中的自由水不能順利通過泥餅,從而降低了泥餅的滲透率。且腐植酸鈉少量大分子水化后形成大分子堵塞性顆粒[8—10]。

Na-CMC是一種聚陰離子型水溶性高聚物,在沖洗液中電離生成長鏈的多價陰離子。其大分子鏈上的經(jīng)基和醚氧基為吸附基,而羧鈉基為水化基團。輕基和醚氧基通過與黏土顆粒表面上的氧形成氫鍵或與黏土顆粒斷鍵邊緣上的A 13+之間形成配位鍵使Na-CMC能吸附在黏土上;而多個羧鈉基通過水化使黏土顆粒表面水化膜變厚,黏土顆粒表面ξ電位的絕對值升高,負電量增加,從而阻止黏土顆粒之間因碰撞而聚結(jié)成大顆粒(護膠作用),并且多個黏土細顆粒會同時吸附在Na-CMC的一條分子鏈上,形成布滿整個體系的混和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而提高了黏土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性,有利于保持泥漿中細顆粒的含量,形成致密的濾餅,降低濾失量。此外,具有高黏度和彈性的吸附水化層對泥餅的堵孔作用和Na-CMC溶液的高黏度也在一定程度上起降濾失作用[11—12]。

2 試驗研究

2.1 泥漿試驗研究

在初步試驗的基礎(chǔ)上,采用三水平四因素正交試驗法優(yōu)選泥漿配方。正交試驗的因素與水平如表1(因素 A、B 、C、D 分別為膨潤土 、Na2 CO3、HA-Na、Na-CMC),用L9(34)正交表安排實驗,實驗安排及其結(jié)果見表2。失水量測試采用氣壓失水儀,測試壓力為0.7MPa。

由表1和表2可得到各因素水平對泥漿漏斗黏度和失水量的影響趨勢,見圖1～圖7。

從圖1～圖7和表2正交試驗的極差分析可知:隨著泥漿各成分含量的增加,沖洗液失水量均逐漸降低;隨著膨潤土含量的增加,漏斗黏度先增后減;隨著Na2 CO3含量的增加,漏斗黏度先增后減;隨著HA-Na含量的增加,漏斗黏度增長趨勢不明顯;隨著Na-CMC含量的增加,漏斗黏度逐漸增長。

表1 泥漿的因素與水平

表2 泥漿正交試驗表

圖1 A因素(膨潤土)水平對黏度的影響趨勢圖

圖2 A因素(膨潤土)水平對失水量的影響趨勢圖

圖3 B因素(Na2CO3)水平對黏度的影響趨勢圖

圖4 B因素(Na2CO3)水平對失水量的影響趨勢圖

圖5 C因素(腐植酸鈉)水平對失水量的影響趨勢圖

圖6 D因素(Na-CMC)水平對黏度的影響趨勢圖

圖7 D因素(Na-CM C)水平對失水量的影響趨勢圖

試驗結(jié)果表明Na-CMC是影響?zhàn)ざ茸蠲黠@的因素;而HA-Na是影響失水量最明顯的因素。綜合以上試驗數(shù)據(jù),腐植酸鈉泥漿失水量較小,因此,以漏斗黏度作為主要性能來考慮,A1 B2 C3 D3配方可為最優(yōu)配方,通過試驗,可測得其漏斗黏度為45 s,失水量4.6 m L,pH值為8,含砂量3.1%。

2.2 泥漿護壁性能測試

泥漿的護壁效果采用砂樣浸泡法測定[2]。水洗砂經(jīng)烘干制成柱狀小砂樣。砂樣有一定強度,但放入清水中即散。將砂樣放入新配泥漿中,經(jīng)過24 h觀察,該沖洗液中的砂樣沒有分散,證明其護壁效果好,滿足流砂鉆進的要求。

3 結(jié)語

(1)研制的腐植酸鈉(HA-Na)沖洗液,具有失水量4.6 m L,漏斗黏度45 s,護壁性能好的特性,滿足文獻[3—4]提出的流砂層導向鉆進施工沖洗液性能指標,可用于流砂層非開挖鉆進;

(2)通過正交試驗,研究了各成分對沖洗液漏斗黏度和失水量的影響趨勢,并優(yōu)選出最佳沖洗液配方,通過砂樣浸泡試驗證實沖洗液護壁效果好。

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