定向钻进砂层的泥浆技术研究

刘正颐

摘要：砂层为机械分散地层，颗粒间缺乏胶结，水平定向钻进时孔壁很容易坍塌。文章分析了砂层特点，阐述了泥浆功用和性能，总结了水平定向钻进砂层的泥浆体系设计方法和施工中的注意事项。

关键词：水平定向钻进；砂层；泥浆设计

1 砂层对穿越施工的不利影响

由于砂层颗粒之间的粘结力弱或没有粘结力，地层在钻进成孔后，原受力状态被打破，在砂层进行定性穿越施工最容易出现塌孔事故。钻进过程中若出现塌孔，直接的后果是钻具被埋，造成埋钻、卡钻施工；若塌孔发生在回拖过程，则可能导致拉管阻力过大甚至失败。在砂层中，造成塌孔的原因主要有以下几个：

①地层胶结少，一旦裸露，失去原有平衡，产生坍塌；

②泥浆冲刷，在钻进过程中，泥浆从喷嘴高速射出，对砂层强烈冲击造成坍塌；

③回拉扩孔（回拖铺管）过快，开泵过猛，孔内产生大的压力激动；

④钻具的不断碰撞、挤压孔壁；

⑤泥浆压力过大，将地层压裂造成塌孔。

2 泥浆体系选择

2.1 泥浆的基本功用 泥浆工艺技术是HDD工程的重要组成部分。随着HDD施工难度的逐渐增大，该项技术在确保安全、优质、快速施工中起着越来越重要的作用。泥浆最基本的功用有以下几点：

①携带和悬浮钻屑。

泥浆首要和最基本的功用，就是通过其自身的循环，将孔内的钻屑携至地面，以保持钻孔清洁，使给进回拖畅通无阻，并保证钻头在孔内始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻进。在上卸钻杆或因故停泵时，泥浆可保持其中的钻屑稳定悬浮，防止钻屑在孔内大量沉积。

②稳定孔壁和平衡地层压力。

孔壁稳定、钻孔规则是实现安全、优质、快速施工的基本条件。性能良好的泥浆可对松散性地层起到一定的胶结作用，并阻止泥浆往地层持续渗漏，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度，增加孔壁的稳定性。与此同时，泥浆的液柱压力能够平衡部分地层压力，降低孔壁坍塌的风险。

③冷却和润滑钻头、钻具。

在钻进中钻头旋转并破碎岩层，产生很多热量。同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。正是通过泥浆不断地循环，将这些热量及时吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到了冷却钻头、钻具，延长其使用寿命的作用。由于泥浆的存在，钻头和钻具均在液体内旋转，因此在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。

④传递水动力。

泥浆在钻头喷嘴处以极高的流速冲击孔内，从而提高了钻进速度和破岩效率。另外，循环过程中的泥浆可为孔内动力钻具如螺杆、液动冲击器提供驱动力，以应对复合钻进或孔内马达钻进的需要。

2.2 泥浆主要性能指标

对于HDD泥浆而言，需要关注的泥浆指标主要有：比重、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、PH值、含砂量及固相含量等。

2.3 泥浆性能指标选择

①密度：泥浆要有一定的密度，密度第一是给地层一个回压力，保持地层稳定，不坍塌。

如果孔在地表下20m左右，其地层水也有2kg/cm2的压力，这时泥浆的密度为1.02g/cm3，在同深度可产生2.04kg/cm2的压力，也就是说对地层加了0.04kg/cm2的压力，某种意义上减少了地层坍塌的机会。当然密度不能太大，否则要压裂地层引起孔漏。所以在20m-30m深度穿越时泥浆密度为1.02g/cm2-1.04g/cm2较为合适，此时用6%～8%的膨润土配制泥浆，即可达到以上密度，因此必须保持一定量的膨润土。

②粘度：泥浆要有合适的粘度，粘度的本质是液液、液固、固固的内摩擦力，它可以调节流变性能，可以帮助携带钻屑，清洁孔眼。

如果钻粘土层，粘度可以低一些，为30s-50s。如果钻砂砾石层，粘度可以高一些，为70s-80s。要提高粘度可以增加膨润土量，也可以加入增粘剂如高粘CMC、聚阴离子纤维素、改性淀粉等。

③滤失量：泥浆要有较低的滤失量，它表征泥浆中自由水的多少。滤失量大说明泥浆中自由水多，胶体性能差；滤失量小说明泥浆中束缚水多，胶体性能好。对20m-30m深度穿越时泥浆滤失量控制在8ml-10ml可以满足要求。降低滤失量可以加低、中粘CMC，改性淀粉、水解聚丙烯睛铵盐（NH4-HPAN）等降滤失剂。

④pH值：泥浆要有合适的pH值，它表征泥浆酸碱度。

泥浆是在水中分散悬浮了膨润土的胶体，pH值一般在8以上，即呈碱性。水基泥浆要求pH值为9，但考虑到地层中的粘土会吸附氢氧根离子（OH-），地层中有时也有钙盐、镁盐，对20m-30m或更深地层穿越时泥浆pH值控制在9-10。一般泥浆中用烧碱来调节pH值，考虑到地层中有钙盐、镁盐，穿越时泥浆中烧碱和纯碱一起用，各占50%。特别是大直径扩孔时，pH值调节到10-11，有利于地层稳定，也有利于泥浆稳定。

3 砂层泥浆体系设计

3.1 泥浆设计原则 基于砂层的特点，在水平定向穿越施工过程中，面临的主要困难有：

①砂层颗粒间没有胶结质、结构松散，一旦地层平衡被打破后，施工过程中极易发生钻孔坍塌；

②砂比重大、颗粒粗，泥浆悬浮运移困难；

③砂层一般都含有地下水，在钻进过程中，面临着地下水渗入从而导致泥浆被稀释的风险，一旦泥浆被稀释，将无法在孔壁附近形成致密的泥饼环，孔内压力与地层压力互通，泥浆无法起到维持孔壁稳定的作用，塌孔风险大。

基于上述难点，在泥浆设计上主要注意了以下几个方面：

①在砂层中尽量使用高分子聚合物泥浆体系，该体系在使用过程中性能稳定，通过高分子聚合提高泥浆粘度可以极大的增强泥浆对砂粒的胶结作用，并可很快在孔壁周围形成厚度小、韧性好的泥饼环，快速建立孔内外正压差，对孔壁形成良好的支撑作用。

此外，高分子聚合物泥浆不容易被地下水侵入而稀释，更好的维护了工程安全；

②尽量使用高粘度、高屈服值泥浆。

由于砂颗粒粗、比重大，要排出孔外，泥浆自身的悬浮性能必须足够；此外，由于砂层中含有丰富的地下水，切削下来的钻屑中同样含有大量的水分，这部分水将对泥浆造成极大的稀释作用。

因此，在设计泥浆时应详细查明砂层的含水率，并结合设计的扩孔直径、扩孔级配、泥浆排量、扩孔速度等参数，预先估计单位时间进入泥浆的水占该时间段泵入泥浆量的比例，在地面试验过程中，应保证设计的泥浆在掺入该比例清水后，仍然具有足够的悬浮性能，即泥浆指标设计时要充分考虑水的稀释；

③合理控制泥浆排量，既保障及时排除钻屑，又可避免过度冲刷孔壁；此外，在回拖过程中，可加入润滑剂，这样将有利于降低回拖阻力。

3.2 注意事项

在砂层穿越施工中，很多时候缺乏真实详尽的地质资料。因此，泥浆性能指标不能完全按照实验室确定的指标实施；在施工过程中，应以返浆中钻屑含量作为泥浆指标是否合格的重要依据，如果出现返浆中钻屑含量少的情况，则应当继续增加泥浆的粘度、静切力等主要指标，直到返浆中的钻屑含量与理论值相当。

其次，由于前面介绍的地下水的不利影响，在砂层中进行穿越施工，泥浆受钻进速度的影响最为明显。钻进速度越快，相同时间内产生的钻屑量越多，进入泥浆中的地下水量越多，对泥浆的稀释就越明显。

因此，在砂层中进行钻进，应设计好每一级扩孔的泥浆排量及钻进速度；在整个施工过程中，扩孔速度不能比设计值高，最好保持同一速度钻进，这样可以维持孔内泥浆的相对均匀。

4.结论

本工程的成功，不仅创造了我公司首例利用非开挖设备穿越砂层大口径管道施工记录，而且取得了巨大的经济效益和社会效益。同时，也使得我们摸索出了一套如何应用非开挖定向钻技术长距离穿越砂层铺设大口径管道的施工经验。

通过此次施工我们总结出：在实际施工中，人们无法改变砂的物理力学性质，但通过对泥浆粘度的调配和泥浆压力的调整可以达到稳定孔壁的要求。

（作者單位：河南省煤田地质局二队）