關(guān)于非開挖施工中泥漿的基礎(chǔ)研究

上海煤氣第二管線工程有限公司 趙官慧

上海地區(qū)地層普遍存在淤泥、水敏土、砂性土，經(jīng)常造成非開挖鋪管施工的塌孔、縮徑、抱管等事故。為了提高施工安全性，降低非開挖工程的風險，施工中的泥漿技術(shù)至關(guān)重要。為了得到適用的泥漿配方，我們對多種實驗材料，進行相關(guān)實驗測試。通過具體的實驗數(shù)據(jù)對比，凝練可用的材料范圍。

1 研究內(nèi)容

1.1 提粘劑優(yōu)選

根據(jù)長期泥漿技術(shù)積累，選擇十幾種提粘效果好的泥漿處理劑，進行基本提粘效果的測試對比，為本研究提供基礎(chǔ)。所有樣品都是以5‰比例配制而成，在溫度6℃下水化16 h，利用6 速旋轉(zhuǎn)粘度計所測數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表1。

表1 大分子聚合物旋轉(zhuǎn)粘度

由表1 可見，相同的加量下提粘效果由高到低排序依次是：魔芋、雷膨、HEC、瓜爾膠、田菁膠粉、XC、PAC、CMC 類、PAM 類和DFD。考慮性價比及提粘劑的降失水效果等因素，實驗選擇PAC、CMC、DFD 等提粘劑進行復配實驗。PAC、CMC、DFD 的介紹如下：

1.1.1 CMC

CMC(羧甲基纖維素)是一種陰離子、直鏈、水溶性纖維素醚，可使大多數(shù)常用水溶液制劑的粘度發(fā)生較大變化。通常稱CMC 的就是指羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)。

Na-CMC 為一種抗鹽、抗溫能力強的降濾失劑、增粘劑、膠體保護劑。在我國石油鉆井降濾失劑中是用量最多的一種。

(1)含有Na-CMC 的鉆井泥漿能形成薄而堅韌的濾餅，從而減少因泥漿失水引起的縮徑、崩塌現(xiàn)象。

(2)泥漿加入Na-CMC 后，很少受酶菌的影響，毋須維持很大的pH值，也不須使用防腐劑就能存放較長時間。

(3)含有Na-CMC 的泥漿具有良好的流變性、穩(wěn)定性和觸變性，即使溫度在150℃以上仍能降低失水。防止大量的水份從泥漿進入油層，這樣能提高原油產(chǎn)量。

Na-CMC 還可以用來做油田三次化學采油的稠化劑、成膠劑，在油田壓裂、堵水調(diào)剖、酸化作業(yè)中有明顯的穩(wěn)定增產(chǎn)作用。

1.1.2 PAC

PAC(聚陰離子纖維素)作為一種水溶性離子型纖維素醚，具有增稠、分散、成膜、粘結(jié)和保護膠體等特性。

PAC 作為抑制劑和降失水劑較理想，由PAC配制的泥漿流體在高鹽的介質(zhì)中(一價鹽)可以更好地抑制粘土和頁巖的分散和膨脹，控制井壁的污染。另外利用PAC 配制成的泥漿修井液是低固性的，不至于因固體阻礙生產(chǎn)層的滲透能力，即不破壞生產(chǎn)層；且濾失量小，即抗失水能力強，進入生產(chǎn)層的水量小，可以避免水的進入因乳狀液阻塞而形成水鎮(zhèn)現(xiàn)象；同時可以避免生產(chǎn)層遭永久性破壞，具有清潔井眼的攜帶能力。失水量是泥漿性能的一個重要指標，失水量越小越好。由于聚陰離子纖維素取代均勻、抗溫抗鹽性好，在復雜的環(huán)境中黏度穩(wěn)定，有較高的失水控制力，能夠長期控制泥漿的流變性，充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能。通常產(chǎn)物的取代度越大，分布越均勻，大分子在溶液中能夠更大程度地擴張，更有利于水化，也更有利于提升它對泥漿的保護作用。

1.1.3 DFD

DFD(改性淀粉)是在催化條件下與帶特定官能團的活性物進行反應(yīng)而改性后的水溶性產(chǎn)物。DFD具有不易降解、不發(fā)酵、對泥漿流變性能影響小等優(yōu)點，具有良好的降失水性，能顯著降低淡水、鹽水泥漿的失水量；有良好的抗溫性，最高可抗140℃左右；對泥漿流變性影響小，不增粘；不發(fā)酵，不易降解，加量少；與其它處理劑配伍性良好；無毒，不污染環(huán)境。

1.2 降失水劑優(yōu)選

失水量(FL)是泥漿體系一個至關(guān)重要的指標，失水量過大極易造成軌跡孔的縮徑和垮塌，所以，降失水劑的優(yōu)選極為重要。本實驗采用的基樣配方：每1 kg 水中加入6.5%土4%純堿，向基樣中加入的每種降失水劑都為0.8%。高速攪拌20 分鐘后測得出實驗數(shù)據(jù)，見表2、表3。

根據(jù)表2、表3 可知，植物膠—石板條、LG 植物膠、SMP-3、RS-1、Flocat、SHR、DFD、LV-PAC、LV-CMC 幾種降失水劑降失水效果相對不錯，其中LG 植物膠、SMP-3、RS-1、DFD 幾種降失水劑在600 r/min 時旋轉(zhuǎn)粘度在15 MPa·s 以下，在提粘效果不大的情況下可較好地降低泥漿的失水量，而其他幾種降失水劑則在降低泥漿失水量的同時也大幅地增加其粘度。考慮到提粘效果、降失水效果和性價比等因素，實驗中采用的降失水劑主要是DFD。

表2 實驗測得旋轉(zhuǎn)粘度

表3 實驗測得失水量和pH值

1.3 加重

鉆遇當量密度較大的地層時需要對泥漿進行加重，可根據(jù)實際需要決定加入重晶石的百分比。配制加重泥漿時，加重1 m3泥漿所需加重劑的重量為：

式中：W—加重劑重量，kg ；

根據(jù)公式算得用比重為4.0 g/cm3的重晶石加重1 m3泥漿，所需重晶石粉的重量見表4。

表4 加重1 m3 泥漿所需重晶石粉的重量

由于實際操作的誤差，以及測試時攪拌不夠均勻等因素的影響，計算出來的加重材料用量與實際所需用量存在一定差別，在實際應(yīng)用時可結(jié)合經(jīng)驗對計算結(jié)果進行一定調(diào)整。以下是實驗室使用重晶石做加重材料的部分經(jīng)驗數(shù)據(jù)(見表5)。

表5 加入不同量重晶石的泥漿比重

實驗采用了三種不同的重晶石，第一種是某現(xiàn)場帶回的重晶石樣品，無相關(guān)參數(shù)，實驗室測試其比重為2.9 g/cm3。其他兩種重晶石是從化工廠購買，標注比重均為4.0 g/cm3，分別為300 目和400目。將這三種重晶石加入泥漿中測試泥漿比重的結(jié)果顯示后兩種重晶石的加重效果甚至不如比重為2.9 g/cm3的重晶石，可見工業(yè)生產(chǎn)的重晶石參數(shù)并不規(guī)范，施工時應(yīng)確認加重劑的參數(shù)合格后再選用。

1.4 潤滑劑

需要降低鉆進中的摩擦系數(shù)時，應(yīng)提高泥漿的潤滑性。提高潤滑性可向成品土配制成的泥漿中加入表面活性劑，形成乳化泥漿。表面活性劑提高泥漿潤滑性的機理如下：

孔壁和金屬鉆桿的表面都是親水的高能表面，當泥漿在孔內(nèi)循環(huán)時，具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑吸附在鉆桿—水和孔壁—水界面上，其親水端指向鉆桿或孔壁，而憎水端吸附在油珠上或緊密排列伸向水中，在鉆桿和孔壁表面形成牢固的吸附膜。當鉆桿柱高速回轉(zhuǎn)時，鉆桿和孔壁表面間的干摩擦就變?yōu)橛湍ぶg的摩擦，即吸附膜之間的摩擦，使摩阻大大降低。鉆進中常采用皂化油代替單一的表面活性劑，而用OP-10 防止乳化泥漿破乳。對比加入皂化油和OP-10 前后泥漿的摩擦系數(shù)，得到的數(shù)據(jù)(每1 kg 水的情況下)如下：

表6 實驗數(shù)據(jù)

對比加入皂化油前后的數(shù)據(jù)可知皂化油潤滑效果明顯。而且皂化油的加入對于原泥漿性能影響不大?，F(xiàn)場施工時遇到需要潤滑減阻的工況時，可向原配比泥漿中加入適量皂化油。

2 基礎(chǔ)資料總結(jié)

綜上所述，提粘劑在PAC、CMC、DFD 中進行選擇；降失水劑以DFD 為主；加重劑在確定參數(shù)后再選用；潤滑劑最好使用皂化油。

在工程中要針對相應(yīng)的土質(zhì)對優(yōu)選的材料也要進行多種復配，對不同的土質(zhì)可以選用一種或兩種以上的組合才能得到合理配方。此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可作為參數(shù)選用，能節(jié)省大量的人力物力。