流砂地层中非开挖导向钻进泥浆的试验研究

彭 第,靖向党,潘殿琦,谢俊革,王金荣

(1.长春工程学院勘查与测绘工程学院;2.软件职业技术学院,长春 130021;3.天津大港油田勘探开发研究院,天津 300280)

0 引言

随着对城市环保程度的提高,绿色工程大受青睐,又因为非开挖技术具有不破坏城市路面、不影响正常交通、噪音小等显著特点,所以在城市地下管线铺设工程中显得越来越重要。然而,现在城市地下管线日趋复杂,非开挖导向钻进在土体中的施工环境也变得越来越复杂。

流砂层一直是导向钻进施工的难点,一般属于水流搬运沉积而成的产物,它们绝大多数产于无塑性的不黏结的粉砂土质岩层和淤泥质细砂中,无可塑性,干燥时呈松散状态,渗透性较黏性土好,稍湿的砂土具有假内聚力[1]。目前,非开挖导向钻进穿越流砂层使用普通膨润土泥浆护壁时,发现成孔性差,泥浆漏失严重,致使地层失稳,钻孔塌陷,由此带来卡钻、埋钻的后果;或者扩孔时钻屑未能被有效地悬浮,无法通畅排出,使中、粗砂大量堆积在孔底,拉管时发生卡管现象,或堵塞钻孔,导致钻压升高压裂地层,给非开挖导向钻进施工及管线铺设带来极大困难[2—4]。

非开挖导向钻进穿越流砂层常发生的孔内事故主要表现在孔壁失稳导致塌孔,其原因主要是流砂层内聚力较低,土质较松散破碎,成孔后孔壁地层内部应力状态发生变化超过了其本身强度极限[5];由于流砂层地层孔隙较大,在孔内泥浆柱与地下水压力差的作用下,普通泥浆失水量大,泥浆不能及时在孔壁周围形成高质量泥皮,使砂层假内聚力丧失,从而导致孔壁坍塌等事故。

导向钻进在流砂层施工时,解决问题的关键是增加孔壁颗粒之间的胶结力,黏性较大的浆液适当渗入井壁地层中,可以增强砂、砾之间的胶结力,以稳定孔壁,防止塌孔[6]。同时泥浆体系应具有良好的流变性,钻孔中的砂能够处于一种悬浮流通状态,保持钻孔的畅通以便于通过泥浆循环将钻屑(中、粗砂)携带出钻孔,保持孔内清洁,避免可能出现的由于大量中、粗砂堆积在孔底产生的卡管、堵塞钻孔的问题。因此,应采用具有良好凝胶强度、黏度较高且漏失量少的泥浆,以形成致密坚韧的泥皮,有效避免由于泥浆失水量较大而带来的地层失稳、钻孔塌陷、卡钻等问题。目前,大多数施工单位采用如“易钻(Hydraul-EZ)” 、“帮手(Super-Pac)”和“万用王(Insta-V is Plus)”等成品冲洗液,但价格非常昂贵[3-5]。

1 冲洗液材料及护壁机理

本文选择腐植酸钠泥浆作为研究对象,泥浆由如下材料组成:膨润土、Na2CO3、钠羧甲基纤维素(Na-CMC)和腐植酸钠(HA-Na)。钠羧甲基纤维素(Na-CMC)和腐植酸钠(HA-Na)是泥浆处理剂中常用的处理剂,且腐植酸钠原料来源广,价格优势明显[7],利用二者降低泥浆失水,使孔壁稳定,并增加泥浆黏度。

腐植酸钠泥浆在孔内循环过程中,泥浆中的黏土在孔内压差作用下会充实到砂层孔隙中去,堵塞孔隙,加固并修复孔壁。腐植酸钠是亲水分子,吸附在膨润土颗粒表面,使黏土颗粒在循环中能保持适当的多级分散性,形成致密而薄的泥饼。同时,水化作用形成的可以变形的水化膜,能封闭细微孔隙,使泥浆中的自由水不能顺利通过泥饼,从而降低了泥饼的渗透率。且腐植酸钠少量大分子水化后形成大分子堵塞性颗粒[8—10]。

Na-CMC是一种聚阴离子型水溶性高聚物,在冲洗液中电离生成长链的多价阴离子。其大分子链上的经基和醚氧基为吸附基,而羧钠基为水化基团。轻基和醚氧基通过与黏土颗粒表面上的氧形成氢键或与黏土颗粒断键边缘上的A 13+之间形成配位键使Na-CMC能吸附在黏土上;而多个羧钠基通过水化使黏土颗粒表面水化膜变厚,黏土颗粒表面ξ电位的绝对值升高,负电量增加,从而阻止黏土颗粒之间因碰撞而聚结成大颗粒(护胶作用),并且多个黏土细颗粒会同时吸附在Na-CMC的一条分子链上,形成布满整个体系的混和网状结构,从而提高了黏土颗粒的聚结稳定性,有利于保持泥浆中细颗粒的含量,形成致密的滤饼,降低滤失量。此外,具有高黏度和弹性的吸附水化层对泥饼的堵孔作用和Na-CMC溶液的高黏度也在一定程度上起降滤失作用[11—12]。

2 试验研究

2.1 泥浆试验研究

在初步试验的基础上,采用三水平四因素正交试验法优选泥浆配方。正交试验的因素与水平如表1(因素 A、B 、C、D 分别为膨润土 、Na2 CO3、HA-Na、Na-CMC),用L9(34)正交表安排实验,实验安排及其结果见表2。失水量测试采用气压失水仪,测试压力为0.7MPa。

由表1和表2可得到各因素水平对泥浆漏斗黏度和失水量的影响趋势,见图1～图7。

从图1～图7和表2正交试验的极差分析可知:随着泥浆各成分含量的增加,冲洗液失水量均逐渐降低;随着膨润土含量的增加,漏斗黏度先增后减;随着Na2 CO3含量的增加,漏斗黏度先增后减;随着HA-Na含量的增加,漏斗黏度增长趋势不明显;随着Na-CMC含量的增加,漏斗黏度逐渐增长。

表1 泥浆的因素与水平

表2 泥浆正交试验表

图1 A因素(膨润土)水平对黏度的影响趋势图

图2 A因素(膨润土)水平对失水量的影响趋势图

图3 B因素(Na2CO3)水平对黏度的影响趋势图

图4 B因素(Na2CO3)水平对失水量的影响趋势图

图5 C因素(腐植酸钠)水平对失水量的影响趋势图

图6 D因素(Na-CMC)水平对黏度的影响趋势图

图7 D因素(Na-CM C)水平对失水量的影响趋势图

试验结果表明Na-CMC是影响黏度最明显的因素;而HA-Na是影响失水量最明显的因素。综合以上试验数据,腐植酸钠泥浆失水量较小,因此,以漏斗黏度作为主要性能来考虑,A1 B2 C3 D3配方可为最优配方,通过试验,可测得其漏斗黏度为45 s,失水量4.6 m L,pH值为8,含砂量3.1%。

2.2 泥浆护壁性能测试

泥浆的护壁效果采用砂样浸泡法测定[2]。水洗砂经烘干制成柱状小砂样。砂样有一定强度,但放入清水中即散。将砂样放入新配泥浆中,经过24 h观察,该冲洗液中的砂样没有分散,证明其护壁效果好,满足流砂钻进的要求。

3 结语

(1)研制的腐植酸钠(HA-Na)冲洗液,具有失水量4.6 m L,漏斗黏度45 s,护壁性能好的特性,满足文献[3—4]提出的流砂层导向钻进施工冲洗液性能指标,可用于流砂层非开挖钻进;

(2)通过正交试验,研究了各成分对冲洗液漏斗黏度和失水量的影响趋势,并优选出最佳冲洗液配方,通过砂样浸泡试验证实冲洗液护壁效果好。

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