泥浆配比实用培训资料

饶秋生 申金生（中国建筑技术集团有限公司郑州分公司，郑州 ）摘 要: 水平定向穿越对不同地质情况施工中，泥浆配置工作对穿越成功起到至关重要的作用。本文通过在不同地质中的施工经验，总结一些提供给同行，共同学习。关键词：水平定向钻进、泥浆配置水平定向钻进已广泛应用于市政、通信中管线穿越。施工的孔径越来越大，穿越长度越来越长，钻越不同地质的情况也越来越多。钻进中的成孔率和孔洞的稳定性对泥浆的配置质量要求越来越高。本文对水平钻进中泥浆配置的适应性作详细分析。1 泥浆的分类及性能1.1分类 中国膨润土矿资源非常丰富，既有钙基膨润土，又有钠基膨润土，此外还有氢基、铝基、钠钙基和未分类的膨润土。膨润土(Bentonite)又称膨土岩等，是以蒙脱石(也称微晶高岭石、胶岭石)为主要成分的粘土岩蒙脱石粘土岩,常含少量伊利石、高岭石及沸石、长石、方解石等。蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物，其化学式为Nax(H2O)4(Al2xMg0.)Si4O10(OH)2。由于蒙脱石层间水和层间可交换阳离子存在，按蒙脱石所含可交换阳离子种类、含量和结晶化学性质等,可将膨润土划分为钠基膨润土(碱性土)、钙基膨润土(碱性土)和天然漂白土(酸性土)三种。其中钙基膨润土包括钙钠基、钙镁基等膨润土。碱性土的主要交换阳离子为Na+(和K+),碱性系数大于或等于1，碱性土主要交换阳离子为Ca2+、Na+或Ca2+、Mg2+等,碱性系数小于1，酸性土主要交换阳离子为H+(Al3+)。1.2性能1）物理性质膨润土一般为白色,淡黄,因其含铁量不同又呈浅灰、淡绿粉红、褐红、黑杂等色。膨润土有的松散如土,也有的致密坚硬。2）化学组成膨润土的主要化学组分是二氧化硅(SiO2),三氧化二铝(Al2O3)和水（H2O）。氧化铁和氧化镁含量有时也较高,钙、钠、钾等常以不同含量存在于膨润土中。膨润土中的Na2O和CaO含量对膨润土的物理化学性能和工艺技术性能影响颇大。3）理化性能膨润土具有极强的吸湿性，吸水后膨胀，膨胀数可达30倍。在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性。它和水、泥或砂等细碎屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。有较强的阳离子交换能力。对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于它的重量，具有表面活性的酸性漂白土能吸附有色物质。膨润土的理化性能主要取决于它所含的蒙脱石种类和含量。一般钠基膨润土较之钙基或镁基膨润土的物理化学性质和工艺技术性能优越。主要表现在：吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；它的胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，PH值高；热稳定性好；有较高的可塑性和较强的粘结性；热湿拉强度和干压强度高。所以钠基膨润土的使用价值和经济价值较高。2 泥浆的检验方法测量泥浆密度的仪器目前用得最多的是密度秤。测量时，将泥浆装满于泥浆杯中，加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游码左侧的刻度，即为泥浆的密度值。测量泥浆密度前，先用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。泥浆的密度是指泥浆的重量与规定体积水的重量之比。施工中现场测定的泥浆密度的大小主要取决于泥浆中造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有外加剂等其他物质加入的时候，外加剂等的重量也须计入。3 泥浆在不同地质条件下的应用及其影响在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时孔壁很容易坍塌，故成孔的难度很大。对于这类地层用泥浆护壁，解决问题的关键是增加孔壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的泥浆适当渗入孔壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使孔壁的稳定性增强。提高泥浆粘度，主要通过使用高分散度泥浆（细分散泥浆）、增加泥浆中的粘土含量、加入有机或无机增粘剂等措施来实现。细分散泥浆是含盐量小于1%，含钙量小于120ppm，不含抑制性高聚物的分散型泥浆。其组成除粘土、Na2CO3和水外，为了满足钻孔需要，往往加有提粘剂、降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有不同种类，如钠羧甲基纤维素泥浆、铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。用较高粘度的细分散泥浆在砂、砾层中钻进的成功工程很多，包括在流砂地层中钻进。3.1泥浆对钻速的影响随着泥浆密度的增加，钻速下降，特别是泥浆密度大于1.061.10 g/cm3时，钻速下降尤为明显。泥浆的密度相同，粘度愈高则钻速愈低。3.2 泥浆中含砂量对钻进的影响泥浆中的岩屑含量会给钻进造成很大的危害。使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。砂的含量高，孔内沉淀厚。造成孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。同时泥沙含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆密度和含砂量。3.3在软土地层中泥浆的密度在软土地层中，泥浆密度过小或钻进速度过快，都将导致塌孔现象。通常在此土层中泥浆密度保持到1.25g/cm3会更好。4 常见泥浆的配方实例工程中泥浆种类繁多，但根据其化学成分可归类为以下几种，其配比方法如下：4.1 Na-CMC（钠羧甲基纤维素）泥浆该泥浆为最普通的提粘型泥浆，Na-CMC起进一步提粘和降失水作用。配方为：优质造浆粘土150200g，水1000ml，纯碱510Kg，Na-CMC6kg左右。泥浆性能为：密度1.071.1 g/cm3，粘度2535s，失水量小于12ml/30min，pH值约9.5。4.2 铁铬盐-Na-CMC泥浆该泥浆提粘且稳定性较强，铁铬盐起防絮凝（稀释）作用。配方为：粘土200g，水1000ml，纯碱液50%浓度加量约20%，铁铬盐溶液浓度20%加量0.5%，Na-CMC 0.1%。泥浆性能为：密度1.10 g/cm3，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9。4.3 木质素磺酸盐泥浆木质素磺酸盐取材于亚硫酸纸浆废液，一般与煤碱剂配合使用，在提粘的基础上解决泥浆的防絮凝和降失水。配方为1m3泥浆用粘土100200kg，亚硫酸纸浆废液3040kg，煤碱剂1020kg，NaOH510kg，消泡剂510kg，水9001000L。泥浆性能为：密度1.061.20 g/cm3，漏斗粘度1840s，失水量510ml/30min，在钻进过程中为进一步降失水可升加0.10.3kg Na-CMC。4.4 腐植酸泥浆 腐植酸泥浆是用煤碱剂或腐植酸钠做稳定剂的，它可以与其他处理剂如Na-CMC等配合使用，制备腐植酸泥浆的配方是1m3泥浆中加150200kg煤碱剂(干量)，35kgNa2CO3，9001000L水。泥浆性能：密度1.031.20 g/cm3，失水量410ml/30min，pH值9。 5 结语 在水平钻进施工过程中，正确适当的泥浆的配置对穿越起决定性作用。而选用不同密度的泥浆要视具体地质情况而定。水平定向钻进泥浆配方的研究1 前言水平定向钻进泥浆配方的研究是管理局2003年重大科技项目“大口径长输管道穿越施工技术研究”中的重要组成部分。我国在水平定向钻进的施工中所应用的泥浆是由膨润土单组份组成的，存在易产生被钻的孔洞塌方、卡钻问题，造成水平定向钻进的失败。针对钻进中的失败原因，借鉴石油工业的钻井泥浆技术，结合多变的地表土壤情况和现场施工经验，研制了水平定向钻进泥浆配方。本文作者作为本项目的承担者，对该项目进行了研究，现将项目中水平定向钻进泥浆配方研究取得的技术成果进行介绍，供大家进行交流。2 功能设计在水平定向钻进施工中，人们把泥浆比作钻进的血液，泥浆停止循环时，钻进工作就不能继续进行。随着泥浆技术水平的提高，人们对于泥浆的作用和意义的认识也逐步提高。泥浆的作用和地位更加突出，泥浆也更加受到普遍的重视。泥浆的主要功能：一是携带和悬浮钻屑。这是泥浆的一个基本功能，就是要把钻头（扩孔钻）破碎的岩（土）屑从孔洞中带出孔眼，保持孔洞净化。其二、稳定孔壁。孔壁稳定、规则是优质快速钻进的重要基础条件，也是泥浆技术措施的基本立足点。其三、冷却和冲洗钻头，清扫孔中（底）岩（土）屑。还有泥浆比重能在比较大的范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止漏、塌、卡等地下复杂情况。总之，应根据每一次钻进的各个阶段的地层特点，结构、钻进措施等具体条件，正确选择泥浆类型，决定相应的合理的泥浆措施，达到优质快速钻进的目的。3 泥浆配方（1）泥浆类型的选择目前，泥浆基本类型有：水基泥浆、油基泥浆和气基泥浆。水基泥浆以水为分散介质，其基本组分是黏土、水和化学处理剂；油基泥浆由柴油（或原油）和沥青（或有机般土）及有关处理剂配成；气基泥浆气体的来源于化学法产生，流体是由气、液两相或气、液、固三相组成。根据我们现有的钻机性能和我国的地质条件，选择以水为分散介质，由粘土、水和化学处理剂基本组分的水基泥浆。（2）泥浆的组成粘土（膨润土）水平定向钻进泥浆中的粘土主要由很细（2微米以下）的粘土矿物颗粒组成。它们主要含氧化硅、氧化铝和水，还有少量的铁、碱金属和碱土金属，粘土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。粘土矿物的种类很多，常见的和对泥浆工艺较为重要的只有四种：高岭石、伊利石、蒙脱石和海泡石。水平定向钻进泥浆中的粘土是以蒙脱石为主的膨润土（又称粘土）。化学处理剂为了保证水平定向钻进泥浆的稳定性和提高泥浆的各种工艺性能，以适应各种情况下的钻进要求，泥浆中使用着各种各样的化学处理剂（泥浆添加剂）。水平定向钻进泥浆常用的化学处理剂（泥浆添加剂）有：A.纯碱；B.防塌剂；C.降失水剂；D.润滑剂；E.表面活性剂；F.增粘剂；A. 纯碱碳酸钠（Na2CO3），又叫苏打。纯碱在水中容易电离和水解，在配制时加入从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使泥浆的失水下降，粘度、切力增大。b.防塌剂主要有：腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉、磺化酚醛树脂、煤碱液；c.沥青粉：具有两重性，可以用于水基钻井液中，能增加泥饼的润滑性，有防粘卡效应，能堵塞泥饼孔隙和调节泥饼中固相颗粒之间的粘结力，有降滤失量和防塌作用。d.聚合物：我们使用的聚合物类为：聚丙烯酰胺（PAM）；聚合物有絮凝、防塌、剪切三大作用。e.降失水剂：降失水剂有：钠羧甲基纤维素（NaCMC）CMC、聚丙烯腈；f.润滑剂：在水平定向钻进中使用的为极压润滑剂、聚氧乙烯、硬脂酸酯、CP233磺化妥尔油沥青等。由于润滑剂分子的亲水基吸附在金属或粘土的表面上，形成一层坚固的化学膜，使接触面之间的摩擦发生在亲油基之间，它提高了泥浆的润滑性，从而降低了摩擦力，减少钻具与泥浆的摩擦，可防止粘附性卡钻。水泥浆中的水，我们选择淡水pH值控制在7-8。(3) 泥浆配方泥浆配方研究方案的选择根据地层特点，结构、钻进措施等具体条件，泥浆配方研究方案分为：A按地层的特点、结构及土壤分类进行泥浆的配方研究；根据我们现行水平定向钻进的实际情况，结合我国的地表土壤分布状况,按地层的特点、结构及土壤分类。选择具有普遍性、广泛适用于各类地区及施工需求的泥浆配方进行研究。土壤的类型可分为：a.粘土型；b.砂土型；c.灰土型；d.风化页岩型；e.砾石型；f.淤泥型；以上六种土壤是我国地表（距大地表面30m深以上）分布比较普遍和广泛的，是我们在施工中接触最多，需要首先解决的泥浆配方；B按钻进措施、钻进工序和使用的机具进行泥浆的配方研究按钻进措施、钻进工序和使用的机具进行泥浆的配方研究，是根据水平定向钻进每次设计的实际工艺和工序进行泥浆配方研究。这一方案具有复杂性，既要泥浆的配方符合实际工艺和工序的要求，又要泥浆的配方符合土壤的类型。因此，该方案实际操作难度大需长期研究，同时需要大量的现场数据进行对比筛选，我们目前无论是项目的研究时间，还是现场施工的技术数据都不具备条件，这一方案可做为今后研究的课题；粘土层的泥浆性能要求及组成A粘土层的地质特点：粗土、地质结构松散，砂、冲积砂土层、种植土、回填土等、粉砂土及淤泥。细土地质构造较硬，吸水较强，其中黄色泥岩、褐色泥岩最具有代表性。B其主要特点：成孔性好，可钻性好，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，是最适宜穿越的地层。c浆性能要求：密 度粘 度切 力PH 值失水（中压）泥 饼1.05-1.0735-400-2/2-68.5-94-7ml1.0-1.2d. 泥浆的组成：膨润土 + 纯碱 + 降失水剂 + 润滑剂泥浆的配合比（Kg/m3）：1：0.04:0.06:0.06在一般的条件下，采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。砂层和细砂、卵石、砾石（少量的）地层的泥浆性能要求及组成A砂层的地质构造特点：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、少量的砾石。B. 其主要特点：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，泥浆含砂量高造成机具对岩屑的重复破碎，机具和设备磨损较重。c.泥浆性能的要求：密 度粘 度失 水（中压）PH 值泥 饼切 力1.0550-654-5ml8.5-91.52-4/4-8K11（提高K值有利于防漏、防塌，提高K值在定向钻的现场最直接的方法就是加膨润土、或加高分子聚合物）；n0.55（降低n值有利于携带岩屑、洗孔）；t0动切力15 （屈服值 ，达因/厘米2）d.泥浆的组成：膨润土（高含量）+ 防塌剂 （聚合物、浓度适宜）+润滑剂e.泥浆的配合比（Kg/m3）：1：0.05：0.06在一般的条件下，可采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。砂层和细砂、卵石、砾石（少量的）地层的泥浆性能要求及组成A地质构造特点：完全的黄砂、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。B其主要特点：成孔性极差、易坍塌、易漏浆，易造成大区段的井壁坍塌包裹或掩埋钻具或机具，钻进速度慢，钻具、机具磨损严重，泥浆含砂量大，钻具、机具重复破碎情况严重。c泥浆性能的要求：密 度粘 度失 水（中压）PH 值泥 饼切 力1.05-1.1060-704-5ml8.5-91.5-2.02-6/6-10K15 n =0.57-0.66 t0 =20d泥浆的组成：膨润土（高含量）+ 防塌剂（聚合物）+ 降失水剂 + 润滑剂e. 泥浆的配合比（Kg/m3）：1：0.03：0.04：0.03在一般的条件下，可采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。注：以上三组配方获国家发明专利；4.实例以“西气东输”工程我们穿越的六条河流为例，说明自行研制的泥浆所产生的经济效益，下面的举例计算是穿越时孔洞所必需的数量，未考虑损失量和循环用量，一般考虑损失量和循环用量的总和为2.2-2.5。5.结束语我们研制的水平定向钻进用的泥浆，通过在施工中的应用是成功的，达到了水平定向钻进工艺设计的要求，完全满足水平定向钻进在各种地质条件的成孔技术，已达到国内先进水平，获国家发明专利；其费用非常低廉，经济效益显著，可节约大量的投资，降低施工成本；它也可以做为产品，对外销售创收达到以收抵支的良性循环；随着科学技术的进步，水平定向钻进用泥浆也会不断地向前发展。因此要不断的跟踪先进技术及时地补充水平定向钻进用泥浆配方，使水平定向钻进泥浆配方始终保持其先进性。序号工 程 名 称穿 越长 度(米)穿越管道直径(mm)土壤类别经济效益对比 （万元）研 制外 购节约投资1“西气东输”管道工程B24滁河穿越工程708.201016粉质粘土6.9820.1013.122“西气东输”管道工程B24新禹河穿越工程549.601016砾石层1045151.07140.623“西气东输”管道工程B24泗柳河穿越工程540.901016粘土5.3315.3510.024“西气东输”管道工程B23滁河穿越工程540.601016粉质粘土5.3315.3410.015“西气东输”管道工程支线横港河穿越工程897.50813软岩瘀泥质粘土7.0710.893.826“西气东输”管道工程支线京杭运河穿越工程546.30813砂层瘀泥质粘土4.306.632.33总 计3783.1039.46219.38179.92在十年前，HDD (水平定向钻进) 在西方就成为了一项重要的技术。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，HDD技术成为了众多市政管线铺设工程的选择，铺管直径已从几公分发展到一米以上。现在，HDD进技术通常被用于穿越公路、机场跑道、以及地下管线，甚至穿越地下建筑。使用HDD技术可以在不阻断交通的情况下，在繁忙的商业区与工业区施工，从而减少由于阻断交通对这些地区生产力的影响。 HDD技术被介绍到中国仅仅几年时间。现在中国已经成为这个世界上发展最快的HDD市场。在开始的几年中，Vermeer（威猛）以及一些其他的国外的钻机制造商主导了国内市场，近年来，一些国内的制造商也已经取得了一定的成功，而Vermeer不久将开始在中国组装钻机，以此来对付日益激烈的市场竞争。由此我们相信，在中国，随着HDD技术的日渐成熟，对HDD泥浆材料的要求也会越来越高。 HDD泥浆概述 泥浆有几个重要的功能。它可以冷却润滑钻头、钻杆与其他孔内钻具；可以密封钻孔，从而保证钻孔稳定；最后，他们可以携带钻屑，把钻屑运出钻孔。一个好的泥浆系统应包含上述所有的功能。而更加先进的泥浆还应当能够有效抑制土壤的水化膨胀，能够输送更大的钻屑甚至石头。 在HDD泥浆材料中最广泛被使用的就是膨润土。世界上最好的膨润土是纯天然的西部钠基膨润土,如果BAROID的QUIK-GEL,BORE-GEL，它产自美国西部的一个地区。这些优质的泥浆材料已经通过百莱玛,无锡鼎隆等一些经销商进口到中国。但是大多数施工单位因为对泥浆不甚了解,不管实际需要,只看注重价格,一般使用国内生产的膨润土，甚至有一些施工单位用水去替代泥浆，这往往会发生事故，从而产生更高的施工成本。 当然，国内生产的泥浆也可以用于一些简单的例如水井钻进等领域。但对于有更高要求的HDD来说，这些材料就不能充分满足了。中国的膨润土矿藏都是较为初级的钙基土，而钙基土的提粘性能较差，同时漏失量很高，并且国内大多数的矿藏都有很高的含沙量，这样的话就会增加设备维护的成本。 粘度可以被描述为液体流动的能力，使用厘泊作为计量单位。例如，奶油的粘度比水高，而蜂蜜的粘度又比奶油高。良好的粘度性能可以保证泥浆在孔内的适当的流动，从而把钻屑清出钻孔。膨润土的造浆率通常是指一短吨（2000磅）的膨润土可以制造多少桶（42加仑/桶）粘度为40厘泊的泥浆。钙基土的造浆率一般为3545bbl/ton，标准的西部钠土最小为90bbl/ton，而一些先进的泥浆材料造浆率可达200bbl/ton。表面上看，使用钙土成本较低，但实际上如果比较造浆率的话，使用钙土反而会增加材料成本。 在HDD钻进中，胶凝强度是泥浆最重要的一项性能。胶凝强度是膨润土形成凝胶体在孔内悬浮钻屑的能力。如果钻屑没有被悬浮起来，它们就不能被携带出钻孔，它们就会沉在钻孔的底部。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。 一个好的泥浆系统应具有较低的滤失量。如果一种泥浆的滤失量较高，那么有很大部分的泥浆就会渗入到地层中，首先，由于泥浆的损失会增加泥浆材料的成本，而最重要的是，渗入到地层中的泥浆会使地层液化，最终导致钻孔坍塌。而钻孔的坍塌可能会导致钻具的损失并且延误工期。膨润土是由很多的小的板状体组成的，在一种好的泥浆系统里，这些小板会紧密的贴在孔壁上，形成一层又薄又韧的滤饼层，从而防止泥浆过多的漏失到地层中，进而稳定钻孔。HDD泥浆配方介绍-(2) 砂质地质 泥浆配方是要以正确鉴定我们钻进的土壤地层为基础的。只有在了解了土壤地层的特点后，我们才能正确配制出合适的泥浆。比如，若是在沙地和卵砾石层中钻进，就必须要用膨润土泥浆；若是在粘土和页岩中钻进，我们应该添加聚丙烯酰胺（PHPA）在泥浆中。针对不同的土壤和地层，所用的泥浆原料和添加剂都是很有讲究的。比如在沙地中，如果有卵石或者砾石层，我们就要考虑是否要添加胶凝强度促进剂来增加泥浆悬浮能力，促进排屑。如果是在极度干燥或是多孔而易渗水的地层，就需要多加些降失水剂的聚合物来加强泥壁。我国的地表土壤分布状况，按地层特点、结构及土壤可简单分为下列几大类：a.粘土地质 b.砂质地质 c.卵砾石层下面介绍基本的几种HDD泥浆配置方法（产品为BAROID品牌）。（2） 砂质地质的泥浆性能要求及组成A. 砂质地质的地质特点： 少量的粘土夹杂大量的黄砂其中偶有少量砾石。B. 其主要特点： 成孔性一般，易塌，易漏失、吸水能力强。导向孔和回扩孔时容易坍塌，泥浆含砂量高造成机具和设备磨损严重。C. 泥浆性能要求： 中高粘度，降低泥浆失水量，形成优质泥壁，防漏防塌，胶凝强度高，有足够的悬浮力和运屑力。D. 泥浆配方组成：水 纯碱膨润土 - BORE-GEL 降失水剂 QUIK-TROL 悬浮促进剂 NO-SAG配方一密实砂或细砂一立方米水添加剂加入量：1. 混合45 公斤 BORE-GEL（很好地搅拌）2. 加入2.5 3.0 公斤QUIK-RTOL（缓慢加入）3. 继续搅拌15 30分钟 配方二松散砂或粗砂一立方米水添加剂加入量：1. 混合45 公斤 BORE-GEL（很好地搅拌）2. 加入2.5 3.0 公斤QUIK-RTOL（缓慢加入）3. 加入2 公斤NO-SAG（缓慢加入）4. 继续搅拌15 30分钟HDD泥浆配方介绍-卵砾石层非开挖定向钻技术 2009-12-16 18:43:55 阅读16 评论0 字号：大中小 1 HDD用泥浆配方泥浆配方是要以正确鉴定我们钻进的土壤地层为基础的。只有在了解了土壤地层的特点后，我们才能正确配制出合适的泥浆。比如，若是在沙地和卵砾石层中钻进，就必须要用膨润土泥浆；若是在粘土和页岩中钻进，我们应该添加聚丙烯酰胺（PHPA）在泥浆中。针对不同的土壤和地层，所用的泥浆原料和添加剂都是很有讲究的。比如在沙地中，如果有卵石或者砾石层，我们就要考虑是否要添加胶凝强度促进剂来增加泥浆悬浮能力，促进排屑。如果是在极度干燥或是多孔而易渗水的地层，就需要多加些降失水剂的聚合物来加强泥壁。我国的地表土壤分布状况，按地层特点、结构及土壤可简单分为下列几大类：a.粘土地质 b.砂质地质 c.卵砾石层下面介绍基本的几种HDD泥浆配置方法（产品为BAROID品牌）。（3）卵砾石层的泥浆性能要求及组成A. 卵砾石层的地质特点： 完全的黄砂，其中有大量砾石、卵石。B. 其主要特点： 成孔性极差，极易塌、漏浆、沉砂，易造成大区段的井壁坍塌包裹或掩埋钻具或机具，钻进速度慢，泥浆含砂量大，钻具、机具磨损严重。C. 泥浆性能要求： 高粘度，降低泥浆失水量，形成优质滤饼，防漏防塌，胶凝强度高，具备较好的悬浮和运屑能力，堵漏效果好。D. 泥浆配方组成：水纯碱膨润土 - QUIK-GEL降失水剂 - PAC-L悬浮促进剂 - BARAZAN D堵漏材料 - N-SEAL堵漏材料（备选）- DIAMOND SEAL配方一砾石或砂砾石一立方米水添加剂加入量：1. 混合35 40 公斤 QUIK-GEL（很好地搅拌）2. 加入2.5 3.0 公斤PAC-HV或PAC-LV（缓慢加入）3. 加入2.5 3.0 公斤BARAZAN D（缓慢加入）4. 加入12-14公斤N-SEAL（1包）5. 继续搅拌15 30分钟配方二大卵石或岩石一立方米水添加剂加入量：1. 混合45 50 公斤 （2 - 3包）QUIK-GEL（很好地搅拌） 2. 加入3.0 公斤PAC-HV或PAC-LV（缓慢加入） 3. 加入3 4 公斤BARAZAN D（缓慢加入） 4. 加入25公斤N-SEAL（2包） 5. 继续搅拌15 30分钟 6. （备选）加入12公斤DIAMOND SEAL（3桶） HDD用泥浆配方-粘土地质非开挖定向钻技术 2009-12-16 18:38:36 阅读37 评论0 字号：大中小 泥浆配方是要以正确鉴定我们钻进的土壤地层为基础的。只有在了解了土壤地层的特点后，我们才能正确配制出合适的泥浆。比如，若是在沙地和卵砾石层中钻进，就必须要用膨润土泥浆；若是在粘土和页岩中钻进，我们应该添加聚丙烯酰胺（PHPA）在泥浆中。针对不同的土壤和地层，所用的泥浆原料和添加剂都是很有讲究的。比如在沙地中，如果有卵石或者砾石层，我们就要考虑是否要添加胶凝强度促进剂来增加泥浆悬浮能力，促进排屑。如果是在极度干燥或是多孔而易渗水的地层，就需要多加些降失水剂的聚合物来加强泥壁。我国的地表土壤分布状况，按地层特点、结构及土壤可简单分为下列几大类：a.粘土地质 b.砂质地质 c.卵砾石层下面介绍基本的几种HDD泥浆配置方法（产品为BAROID品牌）。（1） 粘土地质的泥浆性能要求及组成A. 粘土地质的地质特点： 粗土、地质结构松散，砂、冲积砂土层、种植土、回填土等、粉砂土及淤泥。细土地质构造较硬，吸水教强，其中黄色泥岩、褐色泥岩最具有代表性。B. 其主要特点： 成孔性好，可钻性好，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，是相对比较适合穿越的地层。但是粘土遇水容易膨胀并使钻头粘结和卡钻，增大扭矩，甚至堵塞钻头水眼憋泵的现象。C. 泥浆性能要求： 中低粘度，增强泥浆流变性，抑制粘土反应，提高润滑性，减少泥饼圈和钻头包泥现象。D. 泥浆配方组成：水纯碱膨润土 - BORE-GEL孔壁稳定剂 EZ-MUD表面活性剂 - PENTROL 配方一低塑性粘土一立方米水添加剂加入量：1. 混合45 公斤 BORE-GEL（很好地搅拌）2. 继续搅拌15 30分钟配方二高塑性粘土一立方米水添加剂加入量：1. 混合45 公斤 BORE-GEL（很好地搅拌）2. 加入1升EZ-MUD（缓慢加入）3. 加入3.8升PENETROL（缓慢加入）4. 继续搅拌15 30分钟配方三高塑性粘土一立方米水添加剂加入量：1. 混合0.9 公斤 POLYBORE（很好地搅拌）2. 加入3.8升PENETROL（缓慢加入）3. 继续搅拌15 30分钟理想HDD泥浆应具备的特性和HDD专用泥浆的组成非开挖定向钻技术 2009-12-16 18:47:02 阅读18 评论0 字号：大中小 1 理想的HDD用泥浆应具备的特性理想的HDD用泥浆应具备下列特性：（1） 粘度适中（2） 胶凝强度高（3） 泥浆密度（比重）低（4） 滤失量低，滤饼薄且坚韧、光滑（5） 含砂量低（6） 摩擦系数低，润滑性能好（7） 剪切稀释性好下面就以上特性，详细说明为何这些特性是理想HDD用泥浆需要具备的特性。（1）粘度适中水平定向钻中粘度的测量具有重要的意义，其重要性比在竖井钻进中要大。但是在水平定向钻中，并不是粘度越高越好，粘度要适中。与胶凝强度及滤失性相比，后两者要更为重要。由于粘度就是流体的流动阻力，所以在水平钻定向钻中粘度的重要意义就是保持一定的钻液的流动性。粘度太高容易导致以下几点：- 会降低泥浆泵的效率（粘度愈高，需要愈高压力的泵才能保持泥浆的循环流动。） 过浓的泥浆流动性差，会造成钻孔内压力过高 导致路面破裂或隆起，导致泥浆流失到路面而造成环境污染和交通不便。 因特殊阻塞造成钻杆卡弹 减低钻掘速度基于上述原因，我们首先要考虑胶凝强度、凝胶生成量以及滤失控制，而不是单凭添加膨润土来增加粘度。这样做的目标就是让设计出来的泥浆流体看起来“很瘦”（不浓），可工作起来“很肥”（运屑能力很强）。（2） 胶凝强度理想的HDD用泥浆必须具备碎屑的支撑、悬浮和运载能力。当泥浆相对于钻孔地层处于静态时，必须保持要足够的胶凝强度来悬浮被钻下来的固体钻屑，而且要在这些固体碎屑从钻孔中排出来时，还要保持其悬浮状态。最终形成的泥浆（钻液和固体钻屑）的功能就好像一条输送带来运走固体碎屑，从而为待装管线留出足够的空间。如果泥浆不能悬浮钻屑，钻屑就会快速沉淀并在水平年井的底部，导致在拉管线时，尤其是大口径的管线，就无法拉过去而被卡住。在粗粒土壤（如果砂土、砾石、鹅卵石）中胶凝强度尤其重要，而在粘土和页岩层中，尤其是使用大口径回扩头时也具有重要意义，因为大口径回扩头往往会产生很多碎屑。如果只用淡水来钻，由于淡水根本不具备胶凝强度或者凝胶生成量，因此绝对是不适合用作水平定向钻泥浆。（3）泥浆密度低泥浆（也包括钻进后来自地层的活性固体或者惰性固体与先前配置的泥浆的混合物）密度高，会对泥浆整个钻进提供造成非常不利的影响，不但可能会阻塞钻液干流，而且有可能造成泵体过度磨损。一旦发现泥浆密度过高，必须采取下列措施来降低。 赶紧想办法来去除泥浆中的钻屑固体来减低泥浆的密度 降低钻进速度 如果时间允许的话，废弃当前泥浆，重新配置新的。（4）滤失量低/滤饼质量高优质的泥浆滤失量低，形成的滤饼又薄又光滑、坚韧并强度较高。泥浆滤失量越高，滤饼越柔软并且越厚。滤饼厚度增加会减小钻孔内部的环行空隙，钻液和碎屑在这个更窄的通道中输送时，要求的压力更大。在粘土地层中，因为粘土容易遇水反应并膨胀，此时滤失量控制的非常重要。但是要达到较低的滤失量，质量优异的滤饼必不可少。在沙层中，优质的滤饼更具有极其重要的意义。因为如果大量滤液渗入地层会降低地层强度，甚至可能使地层坍塌。此时滤饼作为钻液的一种密封剂或者稳定剂保持钻孔的稳定性。滤饼最佳厚度应该介于1/32”(0.79MM)至3/32”(2.375MM)之间。如果单用清水钻进，钻进过程中根本无法很好控制滤失量和形成优质滤饼，最终会为承包商带来无数的问题，如卡钻、坍塌，甚至会导致整个工程失败。（5）含砂量低含砂量也是判断一个泥浆是否优良的重要标准。好的泥浆含砂量可控制在2% 至 3%以内。含砂量高对环流系统的效率存在不利影响，并会缩短泵送设备、泥浆马达等装置的寿命，也会降低钻液的效率。（6）磨擦系数低，润滑性能好在水平定向钻施工过程中，如果泥浆摩擦系数低，润滑性能好，则会降低管道与土壤之间的摩擦阻力，从而有助于管道的安装。（7）剪切稀释性好钻液的粘度随减切率的增加而降低。优质的泥浆，剪切稀释性好，使钻液在静止时成胶状（半固体状态）；而流动时则呈液状。2 HDD专用泥浆的组成（1） 配制泥浆用的水 水水是最便宜的钻井材料，也是最重要的材料之一。如果先把水处理好，可以省下很多的钻井材料费用。理想的用来配置泥浆的水，PH值应该控制在8.5-9.5，不含Ca2+, Mg2+,无固体杂质，必要时要进行预处理。 纯碱即碳酸钠，又叫苏打。纯碱主要用来软化水质，降低水的硬度和调节PH值。用纯碱处理后的水更适合膨润土水化，使泥浆更好得发挥好的性能。（2）膨润土目前在市面上有各式各样的膨润土，其品质参差不齐，给使用者带来很大的困惑。其实膨润土的判定标准是这样的：- 膨润土又称斑脱岩、膨土岩，是以蒙脱石为主要成分的粘土。膨润土可根据所含蒙皂石族矿物的属型而相应划分。蒙脱石以其层间可交换阳离子的种类、含量划分属型，当某一阳离子的含量超过阳离子交换容量50%时，即以该阳离子命名。例如钠基蒙脱石(ENa+/EC50%)、钙基蒙脱石(ECa2+/EC50%)。当层间没有一个阳离子含量超过50%交换容量时，则以含量最多的两个阳离子命名，如钙钠基蒙脱石等。钠基膨润土又命名碱型土，吸水后高度膨胀，适合用作钻井泥浆。钙基膨润土又名碱土型土，吸水后膨胀不太大，主要用于铸造行业。目前天然的钠基膨润土产地主要在美国怀俄明州；国内所谓的钠基膨润土都是钙基膨润土改性钠化而成，各项性能较纯天然的钠基膨润土要差，稳定性也没有天然的钠基膨润土好。膨润土能吸附8-15倍其体积的水量，吸水后膨胀，好的可以达30余倍。在水介质中能分散呈胶状，具有一定的粘滞性，触变性和润滑性；它和水、泥和砂等碎屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。膨润土的理化性能主要取决于它所含的蒙脱石种类和含量。美国怀俄明州所产的天然钠基膨润土中钠基蒙脱石可高达85%以上。作为怀俄明州天然钠基膨润土的主要供应商，BAROID公司对膨润土有50多年以上的经验，其膨润土产品是针对某种特殊钻井技术的需求而专门生产的。膨润土产品 （BAROID公司产品）HDD专用膨润土（水平井）BORE-GEL高粘膨润土（垂直井）QUIK-GEL 一般API膨润土CIVIL-GEL（3） 泥浆添加剂泥浆添加剂种类繁多，有增加悬浮的，有提高或降低粘度的，有堵塞钻孔孔壁缝隙有助于成孔的选择什么样的添加剂，要根据现场情况具体确定。HDD泥浆常用的添加剂可简单分为下面几类：- HDD常用泥浆添加剂主要功能BAROID公司产品降滤失剂主要用来控制滤失，稳定地层，减低泥壁的厚度。PAC?-R (HV)PAC?-L (LV)QUIK-TROL GOLD孔壁稳定剂主要适用于粘土和页岩中钻进，防止细土颗粒吸水膨胀和分散，以达到稳定孔壁的作用，同时可防止粘土抱钻，并起到润滑的效果。EZ-MUD GOLD AP EZ-MUD (液体)EZ-MUD DP悬浮促进剂主要用来提高水基泥浆的悬浮能力，有助于运出更多的钻屑、粗砂和粗颗粒。尤其适合在鹅卵石和砾石层中钻进时添加。NO-SAG BARAZAN D表面活性剂（润湿剂，抗粘剂）用来降低泥浆粘性，抑制粘土膨胀，防止钻头沾粘结球。Drilling Detergent堵漏材料可以阻止泥浆从缝隙或胶结力差的地层大量流失。N-SEAL? (纤维)DIAMOND SEAL (聚合物)HOLEPLUG (天然钠基膨润土粒)成功穿越的诀窍-选用合适的泥浆非开挖定向钻技术 2009-12-16 18:45:19 阅读17 评论0 字号：大中小 摘 要 本文结合作者多年的实践经验和工程事例，再次强调了合适的运用泥浆是HDD钻孔过程成败的关键。使用恰当设计的钻液配方和合适的钻液配置程序，将提高整个工程的效率，最终将节省工程费用。合适的泥浆配方和合理的钻进工艺的标准，就是要在钻具周围形成一个用来容纳回拖管线的通敞的孔洞。引用了国内外专家的论述，更进一步的证实了泥浆在整个钻进过程的重要。 关键词 泥浆 泥饼 成孔 成功 钻液(泥浆)是进行各种钻孔施工包括水平定向穿越项目的关键技术，这个问题若摆在石油钻井工业专家面前是不会产生争论的，若询问泥浆材料的供应商和水平导向钻孔的大多数施工单位，他们会告诉你使用泥浆将使工程进行的顺利和轻松、经济并取得高效。但总有些工程单位在进行钻孔工程时不重视泥浆，或根本就不使用泥浆，他们在钻进和回拖过程中只使用水来充当泥浆，他们认为水比较便宜又方便提取，还可以增加在岩层中的切削速度，其实这是一种错误的观念。下面就现场经常遇到的几种情况和问题，结合本人多年的实际经验进行分析，并借用国外泥浆专家的观点进行点评，以便在施工时对照学习和提高： 我们知道水平导向钻孔市场竞争是越来越激烈，但若能够使用合适泥浆的操作者，即使在困难的地质条件和较低的合同价时也肯定能赚大钱。因为，具体的土壤条件将决定你使用的泥浆的具体成分和构成，不要舍不得把钱花在泥浆材料的投入上，其实泥浆材料的成本只占整个工程成本的1?5之间。否则可能会在工程中花更多的钱去处理钻孔中的事故或导致工程失败，造成的损失将大大超过泥浆材料的投入，若失去了相应的市场那就更不值得。 泥浆在工程中对提高总体的切削速度和悬浮钻削起着重要的作用，只有使用适合地质条件的泥浆，才能够确保操作者快速顺利的完成一个项目，同时，泥浆材料的工程消耗与占大头的设备开支以及完成工程项目后的价值相比，相对成本并不高。 钻液专家告诉我们：通常所说的使用合适的泥浆，必须是符合地质条件的淡水和泥浆材料的混合物，而不只是清水，由于流动状态的水不具有的相应的携带能力和护壁性能，而且它也会不停地向周围岩层渗透所以就会导致钻孔塌方或缩径，反而会使回拖和旋转压力上升，并且造成对钻杆和钻具的过度磨损。所以再次提示：仅使用水会产生许多不利的因素，有时水的不利因素远远超过其有利因素，甚至会导致工程的失败。例如：在一个工作现场，在钻孔时用清水在粘土中钻进，不用说问题是接踵而来。在导向孔打到大约100m钻头准备出土的时候，钻杆几乎被粘住了。因为，此时钻机已经达到最大旋转压力，而钻杆几乎不转。回拉压力也达到了最大，回抽一根钻杆要花45min到1个小时的时间，当然，此时的机器绝对达到了能力极限，这些粘性的、膨胀了的泥土给设备造成了非常大的磨损和损害。在第二次打导向孔时，根据地质情况，采取了合适的泥浆配方，调整了泥浆性能，然后进行钻孔和回拖管道，整个过程中旋转压力只有最大值的1/3?1/4，并且轻而易举地拖回了管道。 以上是一个不使用钻液导致粘管的例子。美国Sun West泥浆公司的工程经理White说：“这是一个主要问题。如果不使用任何钻液来将钻屑清除出钻孔它们就会留在钻孔中并挤满钻杆、回扩头和回拖件周围的空间，从而导致三者都被粘牢，这就是一个因不使用钻液而导致粘管的事例。原因就是粘土遇水会膨胀并变得非常的粘，以至钻杆不能转动或抽出的典型工程”。还有一个场合，“就是在不使用膨润土或其它添加剂的情况下在沙土中钻进。沙土会变潮变松，使孔壁塌方或使整个孔壁紧贴在钻头或扩孔器的周围。如果你的钻具被粘牢且不能挖出，价值成千上万的设备将会损失掉。”以下就是一个典型的例子：在另一个现场，钻孔时直接推进的力较大，旋转钻进时推力减小，停下来10min，再次钻进时就不好钻入，停下来20 min后，再想钻进或抽回时都很困难，原因是钻进到砂层，只使用水做钻进液不能够使钻孔成型，钻进的同时钻孔也随着塌方，所以，钻进或抽回都十分困难，费了好多时间和材料才将钻头抽回，后来经过使用泥浆材料，使泥浆具有相应的悬浮岩削的能力，钻进和回拖管道都十分顺利。 针对这类情况，美国捷高CETCO公司