定向鉆進(jìn)砂層的泥漿技術(shù)研究

劉正頤

摘要：砂層為機(jī)械分散地層，顆粒間缺乏膠結(jié)，水平定向鉆進(jìn)時孔壁很容易坍塌。文章分析了砂層特點(diǎn)，闡述了泥漿功用和性能，總結(jié)了水平定向鉆進(jìn)砂層的泥漿體系設(shè)計(jì)方法和施工中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆進(jìn)；砂層；泥漿設(shè)計(jì)

1 砂層對穿越施工的不利影響

由于砂層顆粒之間的粘結(jié)力弱或沒有粘結(jié)力，地層在鉆進(jìn)成孔后，原受力狀態(tài)被打破，在砂層進(jìn)行定性穿越施工最容易出現(xiàn)塌孔事故。鉆進(jìn)過程中若出現(xiàn)塌孔，直接的后果是鉆具被埋，造成埋鉆、卡鉆施工；若塌孔發(fā)生在回拖過程，則可能導(dǎo)致拉管阻力過大甚至失敗。在砂層中，造成塌孔的原因主要有以下幾個：

①地層膠結(jié)少，一旦裸露，失去原有平衡，產(chǎn)生坍塌；

②泥漿沖刷，在鉆進(jìn)過程中，泥漿從噴嘴高速射出，對砂層強(qiáng)烈沖擊造成坍塌；

③回拉擴(kuò)孔（回拖鋪管）過快，開泵過猛，孔內(nèi)產(chǎn)生大的壓力激動；

④鉆具的不斷碰撞、擠壓孔壁；

⑤泥漿壓力過大，將地層壓裂造成塌孔。

2 泥漿體系選擇

2.1 泥漿的基本功用 泥漿工藝技術(shù)是HDD工程的重要組成部分。隨著HDD施工難度的逐漸增大，該項(xiàng)技術(shù)在確保安全、優(yōu)質(zhì)、快速施工中起著越來越重要的作用。泥漿最基本的功用有以下幾點(diǎn)：

①攜帶和懸浮鉆屑。

泥漿首要和最基本的功用，就是通過其自身的循環(huán)，將孔內(nèi)的鉆屑攜至地面，以保持鉆孔清潔，使給進(jìn)回拖暢通無阻，并保證鉆頭在孔內(nèi)始終接觸和破碎新地層，不造成重復(fù)切削，保持安全快速鉆進(jìn)。在上卸鉆桿或因故停泵時，泥漿可保持其中的鉆屑穩(wěn)定懸浮，防止鉆屑在孔內(nèi)大量沉積。

②穩(wěn)定孔壁和平衡地層壓力。

孔壁穩(wěn)定、鉆孔規(guī)則是實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速施工的基本條件。性能良好的泥漿可對松散性地層起到一定的膠結(jié)作用，并阻止泥漿往地層持續(xù)滲漏，減弱泥頁巖水化膨脹和分散的程度，增加孔壁的穩(wěn)定性。與此同時，泥漿的液柱壓力能夠平衡部分地層壓力，降低孔壁坍塌的風(fēng)險。

③冷卻和潤滑鉆頭、鉆具。

在鉆進(jìn)中鉆頭旋轉(zhuǎn)并破碎巖層，產(chǎn)生很多熱量。同時鉆具也不斷地與井壁摩擦而產(chǎn)生熱量。正是通過泥漿不斷地循環(huán)，將這些熱量及時吸收，然后帶到地面釋放到大氣中，從而起到了冷卻鉆頭、鉆具，延長其使用壽命的作用。由于泥漿的存在，鉆頭和鉆具均在液體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。

④傳遞水動力。

泥漿在鉆頭噴嘴處以極高的流速沖擊孔內(nèi)，從而提高了鉆進(jìn)速度和破巖效率。另外，循環(huán)過程中的泥漿可為孔內(nèi)動力鉆具如螺桿、液動沖擊器提供驅(qū)動力，以應(yīng)對復(fù)合鉆進(jìn)或孔內(nèi)馬達(dá)鉆進(jìn)的需要。

2.2 泥漿主要性能指標(biāo)

對于HDD泥漿而言，需要關(guān)注的泥漿指標(biāo)主要有：比重、漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力、API濾失量、PH值、含砂量及固相含量等。

2.3 泥漿性能指標(biāo)選擇

①密度：泥漿要有一定的密度，密度第一是給地層一個回壓力，保持地層穩(wěn)定，不坍塌。

如果孔在地表下20m左右，其地層水也有2kg/cm2的壓力，這時泥漿的密度為1.02g/cm3，在同深度可產(chǎn)生2.04kg/cm2的壓力，也就是說對地層加了0.04kg/cm2的壓力，某種意義上減少了地層坍塌的機(jī)會。當(dāng)然密度不能太大，否則要壓裂地層引起孔漏。所以在20m-30m深度穿越時泥漿密度為1.02g/cm2-1.04g/cm2較為合適，此時用6%～8%的膨潤土配制泥漿，即可達(dá)到以上密度，因此必須保持一定量的膨潤土。

②粘度：泥漿要有合適的粘度，粘度的本質(zhì)是液液、液固、固固的內(nèi)摩擦力，它可以調(diào)節(jié)流變性能，可以幫助攜帶鉆屑，清潔孔眼。

如果鉆粘土層，粘度可以低一些，為30s-50s。如果鉆砂礫石層，粘度可以高一些，為70s-80s。要提高粘度可以增加膨潤土量，也可以加入增粘劑如高粘CMC、聚陰離子纖維素、改性淀粉等。

③濾失量：泥漿要有較低的濾失量，它表征泥漿中自由水的多少。濾失量大說明泥漿中自由水多，膠體性能差；濾失量小說明泥漿中束縛水多，膠體性能好。對20m-30m深度穿越時泥漿濾失量控制在8ml-10ml可以滿足要求。降低濾失量可以加低、中粘CMC，改性淀粉、水解聚丙烯睛銨鹽（NH4-HPAN）等降濾失劑。

④pH值：泥漿要有合適的pH值，它表征泥漿酸堿度。

泥漿是在水中分散懸浮了膨潤土的膠體，pH值一般在8以上，即呈堿性。水基泥漿要求pH值為9，但考慮到地層中的粘土?xí)綒溲醺x子（OH-），地層中有時也有鈣鹽、鎂鹽，對20m-30m或更深地層穿越時泥漿pH值控制在9-10。一般泥漿中用燒堿來調(diào)節(jié)pH值，考慮到地層中有鈣鹽、鎂鹽，穿越時泥漿中燒堿和純堿一起用，各占50%。特別是大直徑擴(kuò)孔時，pH值調(diào)節(jié)到10-11，有利于地層穩(wěn)定，也有利于泥漿穩(wěn)定。

3 砂層泥漿體系設(shè)計(jì)

3.1 泥漿設(shè)計(jì)原則 基于砂層的特點(diǎn)，在水平定向穿越施工過程中，面臨的主要困難有：

①砂層顆粒間沒有膠結(jié)質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散，一旦地層平衡被打破后，施工過程中極易發(fā)生鉆孔坍塌；

②砂比重大、顆粒粗，泥漿懸浮運(yùn)移困難；

③砂層一般都含有地下水，在鉆進(jìn)過程中，面臨著地下水滲入從而導(dǎo)致泥漿被稀釋的風(fēng)險，一旦泥漿被稀釋，將無法在孔壁附近形成致密的泥餅環(huán)，孔內(nèi)壓力與地層壓力互通，泥漿無法起到維持孔壁穩(wěn)定的作用，塌孔風(fēng)險大。

基于上述難點(diǎn)，在泥漿設(shè)計(jì)上主要注意了以下幾個方面：

①在砂層中盡量使用高分子聚合物泥漿體系，該體系在使用過程中性能穩(wěn)定，通過高分子聚合提高泥漿粘度可以極大的增強(qiáng)泥漿對砂粒的膠結(jié)作用，并可很快在孔壁周圍形成厚度小、韌性好的泥餅環(huán)，快速建立孔內(nèi)外正壓差，對孔壁形成良好的支撐作用。

此外，高分子聚合物泥漿不容易被地下水侵入而稀釋，更好的維護(hù)了工程安全；

②盡量使用高粘度、高屈服值泥漿。

由于砂顆粒粗、比重大，要排出孔外，泥漿自身的懸浮性能必須足夠；此外，由于砂層中含有豐富的地下水，切削下來的鉆屑中同樣含有大量的水分，這部分水將對泥漿造成極大的稀釋作用。

因此，在設(shè)計(jì)泥漿時應(yīng)詳細(xì)查明砂層的含水率，并結(jié)合設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔直徑、擴(kuò)孔級配、泥漿排量、擴(kuò)孔速度等參數(shù)，預(yù)先估計(jì)單位時間進(jìn)入泥漿的水占該時間段泵入泥漿量的比例，在地面試驗(yàn)過程中，應(yīng)保證設(shè)計(jì)的泥漿在摻入該比例清水后，仍然具有足夠的懸浮性能，即泥漿指標(biāo)設(shè)計(jì)時要充分考慮水的稀釋；

③合理控制泥漿排量，既保障及時排除鉆屑，又可避免過度沖刷孔壁；此外，在回拖過程中，可加入潤滑劑，這樣將有利于降低回拖阻力。

3.2 注意事項(xiàng)

在砂層穿越施工中，很多時候缺乏真實(shí)詳盡的地質(zhì)資料。因此，泥漿性能指標(biāo)不能完全按照實(shí)驗(yàn)室確定的指標(biāo)實(shí)施；在施工過程中，應(yīng)以返漿中鉆屑含量作為泥漿指標(biāo)是否合格的重要依據(jù)，如果出現(xiàn)返漿中鉆屑含量少的情況，則應(yīng)當(dāng)繼續(xù)增加泥漿的粘度、靜切力等主要指標(biāo)，直到返漿中的鉆屑含量與理論值相當(dāng)。

其次，由于前面介紹的地下水的不利影響，在砂層中進(jìn)行穿越施工，泥漿受鉆進(jìn)速度的影響最為明顯。鉆進(jìn)速度越快，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的鉆屑量越多，進(jìn)入泥漿中的地下水量越多，對泥漿的稀釋就越明顯。

因此，在砂層中進(jìn)行鉆進(jìn)，應(yīng)設(shè)計(jì)好每一級擴(kuò)孔的泥漿排量及鉆進(jìn)速度；在整個施工過程中，擴(kuò)孔速度不能比設(shè)計(jì)值高，最好保持同一速度鉆進(jìn)，這樣可以維持孔內(nèi)泥漿的相對均勻。

4.結(jié)論

本工程的成功，不僅創(chuàng)造了我公司首例利用非開挖設(shè)備穿越砂層大口徑管道施工記錄，而且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時，也使得我們摸索出了一套如何應(yīng)用非開挖定向鉆技術(shù)長距離穿越砂層鋪設(shè)大口徑管道的施工經(jīng)驗(yàn)。

通過此次施工我們總結(jié)出：在實(shí)際施工中，人們無法改變砂的物理力學(xué)性質(zhì)，但通過對泥漿粘度的調(diào)配和泥漿壓力的調(diào)整可以達(dá)到穩(wěn)定孔壁的要求。

（作者單位：河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)）