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        鉆孔灌注樁泥漿流變性能評價(jià)方法探討

        2013-12-04 11:14:46于進(jìn)洋白晨光張新明鄭秀華
        鉆探工程 2013年4期
        關(guān)鍵詞:鉆桿灌注樁泥漿

        于進(jìn)洋,白晨光,張新明,鄭秀華

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.中國建筑股份有限公司技術(shù)中心,北京101300)

        泥漿是油氣鉆井和地質(zhì)鉆探的“血液”,泥漿流變特性的研究在石油鉆井和地質(zhì)勘探中已很成熟,但在工程鉆孔灌注樁泥漿評價(jià)方面研究不足。由于鉆孔灌注樁樁徑大,泥漿循環(huán)速度低,剪切速率低,評價(jià)石油鉆井和地質(zhì)勘探泥漿流變性能的方法不適合用來評價(jià)鉆孔灌注樁泥漿。本文通過研究,提出鉆孔灌注樁泥漿流變特性剪切速率的分布,并據(jù)此推薦適合工程鉆孔灌注樁的粘度評價(jià)方法,推導(dǎo)出低剪切速率下塑性粘度、有效粘度和動(dòng)切力的計(jì)算公式[1]。

        1 鉆孔灌注樁泥漿流動(dòng)特性分析

        泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工中,泥漿工作狀態(tài)有無循環(huán)、正循環(huán)、反循環(huán)等。泥漿不循環(huán)時(shí),泥漿的主要作用是穩(wěn)定孔壁和懸浮鉆渣;當(dāng)泥漿循環(huán),特別是正循環(huán)時(shí),攜帶鉆渣是泥漿的功能之一,其粘度和切力等流變參數(shù)是評價(jià)泥漿性能的重要指標(biāo)。

        鉆孔灌注樁泥漿通常由清水、膨潤土和少許的處理劑組成,其流變特性可用賓漢塑性模式描述(方程1和方程2),評價(jià)泥漿的流變特性參數(shù)包括有效粘度(也叫表觀粘度)、塑性粘度、動(dòng)切力和靜切力。

        式中:τ——剪切應(yīng)力,Pa;γ——剪切 速 率,s-1;μp——塑性粘度,mPa·s;τd——?jiǎng)忧辛?,Pa;μe——有效粘度,mPa·s,有效粘度隨剪切速率增加而降低。

        石油鉆井與地質(zhì)勘探用泥漿的流變性能常用流速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測量,其轉(zhuǎn)速和對應(yīng)的剪切速率為600、300、200、100、6、3 r/min和1022、511、340、170、10.22、5.11 s-1。其流變參數(shù)計(jì)算如下:

        式中:θ600、θ300——分別為轉(zhuǎn)速為600和300 r/min流速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)。

        研究分析表明,當(dāng)泥漿流動(dòng)速度快,剪切速率較高時(shí),更符合賓漢塑性模式,其流變參數(shù)計(jì)算較為精確。鉆孔灌注樁由于直徑大,泥漿流動(dòng)速度低,剪切速率低,其流變性能評價(jià)需要相應(yīng)的技術(shù)。

        鉆孔灌注樁正循環(huán)鉆進(jìn),泵量不足會影響鉆進(jìn)速度,使孔底巖屑增多,回轉(zhuǎn)阻力增大;松散地層也會因泵量過大而沖垮孔壁甚至造成事故。因此,在非固結(jié)地層鉆進(jìn)時(shí),泥漿上返速度不宜超過0.17 m/s;而如穩(wěn)定地層鋼粒鉆進(jìn)時(shí),泥漿上返速度一般取0.25~0.5 m/s[2、3]。

        與正循環(huán)鉆進(jìn)不同,鉆孔灌注樁采用反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)不僅要求泥漿在鉆桿內(nèi)和鉆頭工作面有足夠的流速使鉆渣進(jìn)入排渣口,同時(shí)還應(yīng)考慮對孔壁的沖刷及節(jié)能等因素。國內(nèi)外有關(guān)經(jīng)驗(yàn)資料認(rèn)為,鉆桿內(nèi)沖洗液上返速度在2~4 m/s為宜,孔底工作面沖洗液橫向流速應(yīng)達(dá)到0.3~0.5 m/s(泥漿沖洗時(shí)為0.3 m/s,清水沖洗時(shí)為0.5 m/s);外環(huán)沿孔壁下流速度限制在0.02~0.04 m/s,最大不超過0.167 m/s[4~6]。

        剪切速率與泥漿流動(dòng)速度、鉆孔直徑和鉆桿內(nèi)外徑有關(guān)。表1列出常用工程鉆機(jī)及相應(yīng)的鉆孔直徑和鉆桿直徑[3,7]。

        表1 常用工程鉆機(jī)及鉆孔直徑和鉆桿內(nèi)外徑

        1.1 正循環(huán)泥漿剪切速率

        正循環(huán)時(shí),泥漿在環(huán)空中的剪切速率計(jì)算如下:

        式中:γa——正循環(huán)環(huán)空剪切速率,s-1;νa——環(huán)空上返速度,m/s;D——鉆孔直徑,mm;Do——鉆桿外徑,mm。

        根據(jù)常用鉆孔直徑和鉆桿尺寸及上返速度計(jì)算得正循環(huán)環(huán)空剪切速率,見表2。

        由表2可以看出,在滿足上返速度要求的情況下,環(huán)空間隙越小正循環(huán)環(huán)空內(nèi)剪切速率越大,相反環(huán)空間隙越大正循環(huán)剪切速率越小。表2中顯示的正循環(huán)環(huán)空剪切速率較小,當(dāng)孔徑超過350mm后,其剪切速率<10 s-1。

        表2 正循環(huán)環(huán)空內(nèi)剪切速率

        1.2 反循環(huán)泥漿剪切速率

        鉆孔灌注樁采用反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí),反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率由下式計(jì)算:

        式中:γp——反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率,s;νp——泥漿在鉆桿內(nèi)的上返速度,m/s;Dp——鉆桿內(nèi)徑,mm。

        分別取泥漿在鉆桿內(nèi)上返速度2和4 m/s時(shí),計(jì)算反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率,見表3。

        表3 反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率

        由表3可以看出,在滿足上返速度要求的情況下,鉆桿內(nèi)徑越小反循環(huán)鉆桿內(nèi)剪切速率越大。其剪切速率一般不會超過100 s-1。

        綜上正循環(huán)和反循環(huán),鉆孔灌注樁循環(huán)泥漿流動(dòng)剪切速率一般不大于100 s-1,處于低剪范圍內(nèi)。

        2 泥漿流變性能評價(jià)方法

        粘度的評價(jià)方法很多,漏斗粘度計(jì)和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是工程泥漿比較常用的粘度測量儀器。漏斗粘度計(jì)因其測量方法簡便而成為最常用的粘度測試儀器,測量結(jié)果稱為漏斗粘度,用時(shí)間s表示。漏斗粘度與其它流變參數(shù)結(jié)合在一起,共同表征泥漿的流變性。漏斗粘度不能像從旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測得的數(shù)據(jù)那樣作數(shù)學(xué)處理,也無法與其它流變參數(shù)進(jìn)行換算。漏斗粘度只能用來判別在作業(yè)期間各個(gè)階段粘度變化的趨向,它不能說明泥漿粘度變化的原因,也不能作為對泥漿進(jìn)行處理的依據(jù)。

        旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)有兩速、六速,十二速和無級變速等。兩速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)用600 r/min和300 r/min這2種固定的轉(zhuǎn)速測量泥漿的剪切應(yīng)力,它們分別相當(dāng)于1022 s-1和511 s-1的剪切速率。六速粘度計(jì)是石油鉆井和地質(zhì)勘探最常用的多速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),其6種轉(zhuǎn)速如下:600、300、200、100、6和3 r/min。十二速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)比六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)多出6擋,即60、30、20、10、2、1 r/min??蛇B續(xù)變速粘度計(jì)轉(zhuǎn)速從1~600 r/min(1.703~1022 s-1)無級可調(diào)。粘度計(jì)轉(zhuǎn)速N和剪切速率γ對應(yīng)關(guān)系為γ=1.703N,見表4。

        表4 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)速和與之對應(yīng)的剪切速率

        由于鉆孔灌注樁剪切速率一般不大于100 s-1,因此旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)評價(jià)泥漿的流變性能時(shí),應(yīng)該在轉(zhuǎn)速<60 r/min時(shí)進(jìn)行測試更合理,流變參數(shù)的計(jì)算利用低剪切速率讀數(shù)。因此,建議對于鉆孔灌注樁(包括地下連續(xù)墻),選用十二速或可無級變速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。

        3 鉆孔灌注樁旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)泥漿流變性能評價(jià)及參數(shù)計(jì)算

        在石油鉆井和地質(zhì)勘探泥漿中,是用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測得的600 r/min和300 r/min的刻度盤讀數(shù)求得有效粘度、塑性粘度和動(dòng)切力的。由于鉆孔灌注樁孔徑大,泥漿在循環(huán)過程中處于低剪速率范圍內(nèi),高轉(zhuǎn)速情況下計(jì)算公式不適用。需要利用低轉(zhuǎn)速讀數(shù)計(jì)算鉆孔灌注樁泥漿有效粘度μe、塑性粘度μp和動(dòng)切力τd。根據(jù)前面分析,建議使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)時(shí),分別用100和6 r/min讀數(shù);用十二速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和無級變速時(shí)用30和6 r/min讀數(shù)。

        式中:N——旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,r/min;θN——旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)速為N時(shí)的刻度盤度數(shù)。

        利用(8)式可將任意剪切速率(或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速)下測量得的刻度盤度數(shù)換算成有效粘度,旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在鉆孔灌注樁常用的轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)見表5。

        表5 粘度計(jì)刻度盤度數(shù)換算成有效粘度的換算系數(shù)

        如針對于鉆孔灌注樁的低剪情況下,十二速粘度計(jì)采用60 r/min(102.2 s-1)及以下轉(zhuǎn)速的計(jì)算數(shù)據(jù)合理。如利用30 r/min和3 r/min測量讀數(shù)可推導(dǎo)鉆孔灌注樁流變參數(shù)的計(jì)算公式:

        4 結(jié)論

        鉆孔灌注樁泥漿剪切速率在正循環(huán)和反循環(huán)過程中都比較低,正循環(huán)一般不超過10 s-1,反循環(huán)則低于100 s-1;石油鉆井和地質(zhì)勘探使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在高剪切速率下評價(jià)泥漿流變性能,不適用于鉆孔灌注樁。十二速和無級變速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的低剪切速率更適合評價(jià)鉆孔灌注樁泥漿流變特性。

        [1]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].山東東營:中國石油大學(xué)出版社,2001.57-71.

        [2]編寫組.樁基工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.614-636.

        [3]林宗元.巖土工程治理手冊[M].遼寧沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1993.438-456.

        [4]DZ/T 0155-95,鉆孔灌注樁施工規(guī)程[S].

        [5]JGJ 4-80,工業(yè)與民用建筑灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

        [6]李世京,等.鉆孔灌注樁施工技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社,1990.

        [7]張保義.樁工機(jī)械——中國建筑機(jī)械化四十年[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

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