膨润土泥浆在水平定向钻施工中的应用及特点.docx

膨润土泥浆在水平定向钻施工中的应用及特点在几十年前，水平定向钻技术在西方就成为了一项重要技术。早期，这项技术只是应用于穿越河流铺设管线，而在这些地方，明挖铺设显然是不切合实际的。随着这项技术的进一步发展，水平定向钻技术成为了众多市政管线铺设工程的选择，应用范围逐渐扩大，被用于穿越公路、机场跑道以及地下管线，甚至穿越地下建筑。近年来水平定向钻技术发展很快，穿越纪录不断被打破，铺管直径已从几公分发展到一米以上[1]泥浆是定向钻工程的血液，泥浆质量往往是决定工程成败的关键。随着水平定向钻市场需求的不断扩大，泥浆材料也拥有巨大的市场需求，而膨润土是水平定向钻泥浆的主要造浆材料。1　定向钻技术及泥浆功用1.1 定向钻技术原理(1)钻进。在管道铺设的一端固定钻机，按照设定的角度，设备驱动钻杆带动钻头旋转前进，并在导向仪的控制下，按施工要求的深度和长度进行钻进，穿过地面障碍物后，穿出地面。在钻进的过程中，为防止钻杆被土层夹紧、抱死，需要由泥浆泵通过钻杆、钻头打出膨化水泥或泥浆，起到固化通道，防止塌陷，同时也能冷却钻头，润滑钻杆。(2)回扩。在钻头带着钻杆穿出地面后，卸掉钻头，将回扩头于钻杆安装固定， 动力头回拖，钻杆带着回扩头反向回拖，扩大管道直径尺寸。(3)回拖。在回扩头回拖的同时，将管道固定在回扩头后，动力头拖动钻杆，带着回扩头和管道同时进行反向回拖运动，直至将管道拖出地面，完成管道铺设施工。1.2 泥浆的功用(1)悬浮和携带泥(岩)屑。这是泥浆的基本功用之一，是把钻头或扩孔器破碎的泥(岩)屑带出孔道，保持孔道清洁，以利于管道回拖。(2)稳定孔壁。孔壁是否稳定和规则是水平定向穿越是否成功的决定性因素，是高速优质进行水平定向穿越的重要基础条件。(3)润滑。在钻导向孔和管线回拖过程中泥浆可以起到很好的润滑作用，在坚硬岩石地层扩孔时对扩孔器的润滑作用更加明显。(4)冷却钻具。在导向孔钻进和回扩过程中，钻头和扩孔器旋转破碎泥(岩)层产生一定的热量，钻杆不停地与孔壁摩擦，也产生一定的热量。泥浆能冷却钻头和钻杆，延长钻具使用寿命。(5)了解地层。对返出地面的泥浆进行分析，可以了解穿越地层的岩性，适时调整施工工艺[2]。2　水平定向钻泥浆特点及指标要求2.1 泥浆特点水平定向钻工程施工中泥浆的指标是变化的，不同的施工条件和底层环境对泥浆的要求不同，因此泥浆的现场配制方法和配方上可能有所不同。但从泥浆的功用上可以看出定向钻泥浆的一般性要求。(1)粘度。粘度可以被描述为液体流动的能力，良好的粘度性能保证泥浆在孔内适当的流动，粘度过高，钻头钻进过程中阻力大，降低施工效率；粘度过低，带不出钻屑。应根据现场条件调配适宜的泥浆粘度。(2)胶凝强度。胶凝强度是膨润土泥浆的重要指标，是指泥浆在一定时间内形成胶体的能力，膨润土形成凝胶体在孔内悬浮钻屑。如果钻屑没有被悬浮起来，它们就不能被携带出钻孔，会沉在钻孔的底部。这样钻屑就会堵塞钻孔，导致泥浆循环失效同时孔内压力会急剧升高，泥浆很有可能会压裂地层溢出到地面，也可能会发生埋钻事故损失钻具。(3)流动性。水平定向钻要求泥浆的流动性要好，且泥浆在长时间的养护过程中粘度不能急剧上升，失去流动性，形成果冻状，失去对孔壁的压力。(4)低滤失量。水平定向钻泥浆要求有较低的滤失量。低滤失量的泥浆会在孔壁上形成一层薄而韧的泥皮，对管壁有保护作用，防止塌孔。且低失水率也能防止岩层因为吸水过多造成膨胀缩颈和塌孔。(5)触变性。水平定向钻泥浆要求有较好的触变性。泥浆的触变性是指搅拌后泥浆变稀(切力降低)，静置后泥浆变稠(切力升高)的特性。在泥浆停止循环时，切力能较快地变化到某个适当的数值，又不至于静置后重启时泵负荷过高。触变性好的泥浆能减轻泥浆泵的负荷，有利于泥浆的搅拌和输送。2.2 泥浆指标要求不同地层施工对泥浆性能要求见右表。(1)粘土层。粘土层一般为冲积砂土层、粉砂土和淤泥。土质构造较硬实，吸水较强，其中以黄色泥岩、褐色泥岩最具有代表性。在粘土层钻孔具有可钻性好，成孔性好，钻具在土中旋转推进、造斜和出土都能比较好的成孔，不易坍塌，是最容易穿越的地层.(2)细砂层。砂层地质构造特点一般是少量的粘土或粉质土夹杂大量的黄砂，其中还含有一定量的卵石和砾石。在砂层钻孔具有成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力强，导向孔和回扩孔时极易坍塌。(3)粗砂层。粗砂层往往含有大量的黄砂、含水量较大的流砂，其中包括卵石、砾石，此种地层一般比较少。在粗砂层钻孔具有成孔性极差、易坍塌、易漏浆，易造成大区段的井壁坍塌或掩埋钻具或机具，钻进速度慢，钻具、机具磨损严重。3　泥浆用膨润土特点膨润土是以蒙脱石为主要成分的粘土。蒙脱石以其层间可交换阳离子的种类、含量一般又划分为钠基和钙基两种膨润土。作水平定向钻用膨润土具有以下几个特点：(1)钠基膨润土为主。钠基膨润土具有吸