泥漿工藝研究

摘要：泥漿工藝研究的目的是分析泥漿的功用和泥漿的性能對水平定向鉆穿越的影響，從而確定合理的泥漿配置工藝和使用方法。

關鍵詞：水平定向鉆；泥漿；功用；性能；影響；工藝；使用

水平定向鉆機是在不開挖地表面的條件下鋪設多種地下公用設施(管道、電纜等)的一種施工機械，它適用于沙土、粘土、卵石等地況，水平定向鉆進技術是將石油工業的定向鉆進技術和傳統的管線施工方法結合在一起的一項施工新技術，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優點，廣泛應用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設施工工程中，是城市市政建設和電氣化管網改造，通訊光纜敷設和穿越大中小型江河，湖泊以及不可拆遷建筑物的最佳選擇，是不破壞地貌狀態和保護環境的最理想的施工方法，近幾年水平定向鉆穿越技術在世界各國及各個行業得到了廣泛的應用。

泥漿工藝研究的目的是分析泥漿的功用和泥漿的性能對水平定向鉆穿越的影響，從而確定合理的泥漿配置工藝和使用方法。

一、泥漿的功用

泥漿是鉆井的血液，也是水平定向鉆穿越的血液。在水平定向鉆穿越過程中，泥漿的功用可以概括成一句話：減少或防止發生各種復雜情況，有利于高速優質的完成水平定向鉆穿越。具體來講，主要有以下幾個方面：

1、懸浮和攜帶泥(巖)屑

這是泥漿的基本功用之一，就是把鉆頭或擴孔器破碎的泥(巖)攜帶出孔道，保持孔道清潔，以利于管道回拖。當接單根或臨時停止供漿時，泥漿又能把孔道內的泥(巖)屑懸浮在泥漿中，不致很快離析、下沉，保證擴孔器在孔內始終接觸和破碎新地層，提高擴孔效率。這就要求泥漿具有適當的粘度、切力等流變性能。

2、潤滑和冷卻鉆具

在導向孔鉆進和預擴孔過程中，鉆頭和擴孔器一直在以50RPM的速度旋轉破碎泥(巖)層，產生一定的熱量。鉆桿不停地與孔壁摩擦，也產生一定的熱量，這些熱量很難通過孔壁泥(巖)層及時散發出去。泥漿通過鉆桿、鉆頭或擴孔器，再從孔道中流出，可以吸收這些熱量，并將這些熱量帶到孔外，釋放到大氣中，從而起到了冷卻鉆具，延長使用壽命的功用。而且，鉆具在泥漿環境中旋轉，降低了摩擦阻力，有一定的潤滑性。

3、穩定孔壁

孔壁是否穩定和規則在一定程度上將是水平定向穿越是否成功的決定性因素，是高速優質進行水平定向穿越的重要基礎條件。良好的泥槳應能借助泥漿中的水的濾失在孔壁上形成一層良好的泥餅，以鞏固底層并阻止或減少泥漿的滲漏。基于這個目的，根據穿越地質的不同，水平定向鉆泥漿一般加入適量的防塌劑。

4、軟化和輔助破碎巖土

泥漿高速射流沖擊孔道的前端，幫助鉆頭或擴孔器破碎巖土，提高鉆進或擴孔進度。

5、傳遞動力

在較硬地層中使用渦輪鉆具進行水平定向鉆穿越時，泥漿在鉆桿內以較高的流速經過渦輪葉片，使渦輪旋轉帶動鉆頭或擴孔器破碎巖土。

6、了解地層

對返出地面的泥漿進行分析，可以了解穿越地層的巖性，適時調整泥漿性能。

二、泥漿的性能對定向鉆穿越的影響

定向鉆穿越采用的泥漿是均項分散體系，由清水+優質粘土(膨潤土)+處理劑(若需要)經攪拌而成的混合物。對它的基本要求是具有良好的穩定性和流變性。

泥漿的穩定性包括沉降穩定性和聚結穩定性(絮凝穩定性)。兩者是相互聯系的。只有保持泥漿的聚結穩定性，使小顆粒不聚結成大顆粒，才能保證泥漿的沉降穩定性。泥漿才不至于因聚結而下沉，才能保持真正的均相分散。

泥漿的流變性是指泥漿流動和變形的特性。其主要表現形式為粘稠性，主要性能指標為粘度和動切力。

泥漿把鉆屑從孔內攜至地表或在孔中懸浮鉆屑，主要是靠它的粘稠性，粘稠性越好，泥漿懸浮和攜帶鉆屑的能力越強。對于易塌的孔道，利用比較粘稠的泥漿還可以起到較好的護壁作用。僅從這兩點考慮，泥漿的粘度和動切力應取高值。但是泥漿的粘稠性太大又有不利的一面，主要表現在：增加了泥漿流動的阻力，增大了泥漿對孔壁的液壓力激動破壞。因此不能盲目增大泥漿的粘稠性，而應根據具體地層條件，兼顧多方面的情況，確定合適的泥漿粘稠度和動切力。

在實際施工中，對泥漿的性能控制主要是控制密度、粘度和固相含量。當孔內情況有所變化時，應及時調整這些參數。其中泥漿的密度和粘度取決于返漿的固相含量。為保障孔道的清潔通暢，同時節約泥漿用量，返漿的固相含量應保持在20％—25％范圍內。返漿的固相含量高于25％時，應適當降低供漿的粘度或提高泵量；返漿的固相含量低于20％時，可適當降泥漿的泵量。

三、泥漿的配置工藝

如前所述，水平定向鉆穿越使用的泥漿是由清水+優質粘土(膨潤土)+處理劑(若需要)經攪拌而成的混合物。其中的基本組分分述如下。

(1)清水 清水作為連續相，是泥漿技術中的最重要的物質，也是泥漿的主要組分。

(2)粘土 粘土是一種天然土質的細粒材料，主要是構成粘土礦物族的晶體物質。通常含有堿、堿土金屬以及相當數量鐵的含水鋁硅酸鹽。目前實際用于配置泥漿的粘土僅限于膨潤土。它在泥漿中所起的作用是：a、提高孔道的清潔程度，b、減少地下水滲入孔道和泥漿中的水濾失到滲透性地層中，c、形成低滲透率的薄泥餅；d、在膠結不良的地層里，提高孔壁的穩定性；e、避免和克服泥漿的滲漏。作為泥漿中的主要分散相，在正常情況下，膨潤土用量的試驗值為35—40公斤／立方米水，在容易坍塌的地層膨潤土用量的試驗值為70—100公斤／立方米水，

(3)有機聚合物 由于配置水平定向鉆穿越泥漿的有機聚合物是由重復或類似的單元或單體構成的不同物質。它的膠體特性決定了它可以降低濾失、穩定粘土、絮凝鉆屑、增加攜帶能力，并能用作乳化劑和潤滑劑。目前，運用較多的有機聚合物有淀粉，鈉羧甲基纖維素(即通常所稱的CMC)、羥乙基纖維素(HEC)等。添加一種單一產品常常可以同時改善泥漿的多種性能。

為使泥漿固相盡可能的在較短時間內完全水化，配置泥漿時，固相材料通過漏斗被高速流動的水攜帶進入攪拌罐，在攪拌器的攪拌下進行水化作用，攪拌好的泥漿泵入儲漿罐。固相材料按照不同的地層要求確定添加比例，先加粘土(3—10％)，后加聚合物和添加劑(1—3％)。

四、泥漿的使用

顯然，在不同的地質條件下進行水平定向鉆穿越，對泥漿的使用有不同的要求。下面，結合地質特性逐一進行分析。

在粘性土類、粉土類土層和泥頁巖中進行水平定向鉆穿越，突出的問題之一是孔壁的遇水膨脹、縮徑、甚至流散、塌孔。其原因是粘土、泥頁巖中存在著大量的粘土礦物，尤其是蒙脫石粘土礦物的存在，使孔壁粘土接觸到泥漿中的水時即發生粘土的吸水、膨脹、分散。對這一類地層，一般是用清水+優質粘土(膨潤土)+處理劑(若需要)配置泥漿，泥漿粘度一般控制在35—50秒(馬氏漏斗法)之間。同時，在高粘度地質條件下進行回拖作業時，供應的泥漿應特別注意加入適量的潤滑劑，以防止管道被泥漿吸附。

在砂土類進行水平定向鉆穿越，孔壁的穩定問題顯得突出，解決這一問題的關鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結力。基本方法是通過增加泥漿中的粘土含量、加入有機或無機增粘劑來提高泥漿的粘度。在這類地層中，泥漿粘度一般控制在50-70秒(馬氏漏斗法)之間。

在軟質巖石地層中進行水平定向鉆穿越，主要是提高鉆速和泥槳懸浮、攜帶泥漿的能力，一般使用清水+少量聚合物+處理劑(若需要)配置泥漿，泥漿粘度一般控制在70-90秒(馬氏漏斗法)之間。

在工程實踐中，泥漿的泵量通常取決于返漿的速度(流量)和返漿的固相含量。返漿的速度(流量)必須保證泥漿顯著地、連續不斷返出地表。在此前提下，如果調整泥漿粘度不能控制返漿的固相含量，則應適當調整泵量。