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砂層水平定向鉆進泥漿技術
作者:秦磊
0簡介
水平定向鉆井(HDD)是利用安裝在地面上的鉆井設備，以相對於地面的小入射角鉆入地層，形成導向孔，然後將導向孔擴大到所需尺寸，鋪設管道(線)的技術。在施工中具有跟蹤和導向功能。該技術解決了在城區或大型自然障礙物下無法用開挖法鋪設地下管線的問題。
鉆具穿過地層形成孔洞，孔洞在空間上幾乎是水平的。當孔內被砂土等松散地層包圍時，孔內容易發生事故或質量問題。
1砂層對穿越施工的不利影響
由於砂粒間的粘結力較弱或無粘結力，鉆孔後地層原有的應力狀態被打破，砂層定性穿越施工中最容易發生塌孔事故。如果鉆孔過程中出現塌孔，直接後果是鉆具被埋，造成埋鉆和卡鉆施工；如果在回拉過程中發生塌孔，可能導致拉管阻力過大甚至失敗。在砂層中，井塌的主要原因如下:
(1)地層膠結較少，壹旦暴露，就失去原有的平衡而坍塌；
(2)泥漿沖蝕，鉆進過程中，泥漿從噴嘴高速噴出，對砂層產生強烈沖擊，造成坍塌；
③劃眼(鋪管)過快，開泵過猛，造成孔內壓力激大；
(4)鉆具不斷碰撞擠壓孔壁；
⑤過高的泥漿壓力會壓裂地層，造成井塌。
2泥漿體系的選擇
2.1泥漿的基本作用泥漿技術是HDD工程的重要組成部分。隨著HDD施工難度的增加，該技術在保證安全、優質、快速施工方面發揮著越來越重要的作用。泥漿的最基本功能如下:
①攜帶和懸浮鉆屑。
泥漿首要的也是最基本的作用是通過自身的循環將孔內的鉆屑攜帶到地面，從而保持孔內清潔，使進給和拖動暢通無阻，保證鉆頭始終接觸和破碎孔內的新地層，避免重復切削，保持安全快速鉆進。當鉆桿卸載或因故停泵時，泥漿能使其中的巖屑保持穩定懸浮，防止巖屑大量沈積在井眼中。
②穩定孔壁，平衡地層壓力。
孔壁穩定和鉆進規律是實現安全、優質、快速施工的基本條件。性能好的泥漿能在壹定程度上膠結疏松地層，防止泥漿不斷漏入地層，減弱泥頁巖的水化膨脹和分散，增加孔壁的穩定性。同時，泥漿的液柱壓力可以平衡部分地層壓力，降低井壁坍塌的風險。
③冷卻和潤滑鉆頭和鉆具。
在鉆孔過程中，鉆頭旋轉並打破巖層，產生大量熱量。同時，鉆具也不斷地與井壁摩擦，產生熱量。正是通過泥漿的不斷循環，熱量被及時吸收，然後帶到地面，釋放到大氣中，從而起到冷卻鉆頭和鉆具，延長其使用壽命的作用。由於泥漿的存在，鉆頭和鉆具都在液體中旋轉，大大降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。
(4)傳遞水動力。
泥漿在鉆頭的噴嘴處以非常高的速度沖擊鉆孔，從而提高鉆孔速度和巖石破碎效率。此外，循環過程中的泥漿可為孔內動力鉆具如螺桿、液壓沖擊器等提供驅動力，滿足孔內復合鉆井或馬達鉆井的需要。
2.2泥漿的主要性能指標
對於HDD泥漿，需要註意的泥漿指標主要有:比重、漏鬥粘度、塑性粘度、動態剪切力、靜態剪切力、API濾失量、PH值、含砂量、固相含量。
2.3泥漿性能指標的選擇
①密度:泥漿要有壹定的密度。第壹密度是給地層壹個回壓，保持地層穩定不坍塌。
如果井眼在地表以下20m左右，地層水也有2kg/cm2的壓力，那麽泥漿的密度就是1.02g/cm3，在同樣深度可以產生2.04kg/cm2的壓力，也就是說給地層增加了0.04kg/cm2的壓力，某種意義上減少了地層坍塌的幾率。當然密度也不能太高，否則會壓裂地層，造成井漏。因此，當穿越深度為20m-30m時，泥漿密度為1.02g/cm2-1.04g/cm2。此時泥漿中摻入6% ~ 8%的膨潤土即可達到上述密度，因此必須保持壹定量的膨潤土。
②粘度:泥漿要有合適的粘度。粘度的本質是液體、液體和固體的內摩擦，可以調節流變性，有助於攜帶巖屑和清潔井眼。
如果鉆粘土層，粘度可以低壹些，30s-50s。如果鉆礫石層，粘度可以更高，70s-80s。為了提高粘度，可以增加膨潤土的用量，也可以加入高粘度CMC、聚陰離子纖維素、變性澱粉等增粘劑。
③濾失量:泥漿要有較低的濾失量，這表示泥漿中遊離水的多少。濾失量大說明泥漿中遊離水多，膠體性能差；濾失量小說明泥漿中結合水多，膠體性能好。穿越深度為20m-30m時，泥漿濾失量控制在8ml-10ml即可滿足要求。可加入中低粘度CMC、變性澱粉、水解聚丙烯酸銨鹽(NH4-HPAN)等降濾失劑來降低濾失量。
④pH值:泥漿要有合適的pH值，代表泥漿的pH值。
泥漿是膨潤土分散懸浮在水中的膠體，pH值壹般在8以上，即呈堿性。水基泥漿的pH值要求為9，但考慮到地層中的粘土會吸附氫氧根離子(OH-)，有時地層中還有鈣鹽和鎂鹽，穿越20m-30m或更深地層時，泥漿的pH值應控制在9-10。壹般用苛性鈉來調節泥漿中的pH值。考慮到地層中有鈣鹽和鎂鹽，穿越時泥漿中燒堿和純堿壹起使用，各占50%。特別是大直徑擴孔時，pH值調整到10-11，有利於地層穩定和泥漿穩定。
3砂泥系統設計
3.1泥漿設計原則是基於砂層的特性。在水平定向穿越施工過程中，主要難點有:
①砂粒間無膠結，結構松散。壹旦地層平衡被打破，施工時就容易發生井塌；
②砂率大，顆粒粗，漿體在懸浮狀態下難以運動；
(3)砂層壹般含有地下水，在鉆進過程中，由於地下水的滲入，存在泥漿被稀釋的風險。泥漿壹旦稀釋，將無法在孔壁附近形成致密的泥餅環，孔內壓力與地層壓力相互溝通，泥漿無法維持孔壁穩定，塌孔風險大。
基於以上困難，泥漿設計應註意以下幾個方面:
①砂層盡量使用聚合物泥漿體系，使用過程中性能穩定。通過聚合物聚合提高泥漿粘度，可以大大增強泥漿對砂粒的膠結作用，在孔壁周圍迅速形成厚度小、韌性好的泥餅環，迅速建立孔內外正壓差，從而對孔壁形成良好的支撐作用。
此外，聚合物漿液不易被地下水入侵稀釋，更好地維護了工程安全；
②盡量使用高粘度、高屈服值的泥漿。
由於砂粒粗、比重大，泥漿本身的懸浮性能必須足以排出井外；此外，由於砂層中富含地下水，切下的巖屑中也含有大量水分，會大大稀釋泥漿。
因此，在設計泥漿時，應詳細查明砂層的含水量，並結合擴孔直徑、擴孔級配、泥漿排量、擴孔速度等設計參數，預先估算出單位時間內進入泥漿的水量占該時間段內泵入泥漿量的比例。在地面試驗過程中，要保證設計的泥漿在摻入這個比例的清水後仍有足夠的懸浮性能，即在設計泥漿指標時要充分考慮水的稀釋作用；
③合理控制泥漿排量，既能保證鉆屑的及時清除，又能避免對孔壁的過度沖刷；另外，在拖回的過程中，可以添加潤滑劑，有助於降低拖回阻力。
3.2預防措施
在砂層穿越施工中，往往缺乏真實詳細的地質資料。因此，泥漿性能指標不能完全按照實驗室確定的指標執行；在施工過程中，應將返出泥漿中的鉆屑含量作為泥漿指標是否合格的重要依據。如果返出泥漿中的鉆屑含量較低，則應繼續提高粘度和靜切力等主要指標，直至返出泥漿中的鉆屑含量與理論值相當。
其次，由於前面引入的地下水的不利影響，泥漿在穿越砂層時受鉆速的影響最為明顯。鉆井速度越快，相同時間內產生的鉆屑越多，進入泥漿的地下水越多，泥漿的稀釋越明顯。
因此，在砂層鉆進時，應設計好每壹階段擴孔的泥漿排量和鉆進速度；在整個施工過程中，擴孔速度不應高於設計值，最好保持相同的鉆進速度，以保持孔內泥漿的相對均勻。
表1是西氣東輸幹線第二次穿越使用的泥漿參數指標。
由於地下水豐富，采用高粘度泥漿，每擴孔壹級，泥漿指標都有壹定程度的提高，保證了工程的順利實施。
其中，在施工過程中，最明顯的壹點就是回收泥漿的粘度壹般只有50 ~ 70s，不到新泥漿粘度的1/3，足以說明如何有效防止泥漿被地下水稀釋是整個工程成敗的關鍵。
參考資料:
[1]馬寶松等.非開挖工程[M].北京:人民交通出版社，2008。
吳曉明，胡玉樂，李良剛，等.導向鉆進與非開挖鋪管技術[M].武漢:中國地質大學出版社，2004。
顏，，蔣，，等.非開挖地下管線工程技術[M].上海:上海科學技術出版社，2005。
吳曉明，等。鉆井液和巖土泥漿[M]。武漢:中國地質大學出版社，2002。