裴業(yè)虎

膨潤土泥漿在水平定向鉆施工中的應(yīng)用及特點(diǎn)

裴業(yè)虎

（四會市飛來峰非金屬礦物材料有限公司，廣東 四會 526200）

根據(jù)水平定向鉆的施工技術(shù)及工藝原理，闡述定向鉆泥漿的功用和特點(diǎn)，不同施工條件對膨潤土泥漿的指標(biāo)要求。研究了膨潤土作為水平定向鉆用泥漿材料的特點(diǎn)及要求。

水平定向鉆；泥漿；膨潤土

在幾十年前，水平定向鉆技術(shù)在西方就成為了一項重要技術(shù)。早期，這項技術(shù)只是應(yīng)用于穿越河流鋪設(shè)管線，而在這些地方，明挖鋪設(shè)顯然是不切合實(shí)際的。隨著這項技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，水平定向鉆技術(shù)成為了眾多市政管線鋪設(shè)工程的選擇，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，被用于穿越公路、機(jī)場跑道以及地下管線，甚至穿越地下建筑。近年來水平定向鉆技術(shù)發(fā)展很快，穿越紀(jì)錄不斷被打破，鋪管直徑已從幾公分發(fā)展到一米以上[1]。泥漿是定向鉆工程的血液，泥漿質(zhì)量往往是決定工程成敗的關(guān)鍵。隨著水平定向鉆市場需求的不斷擴(kuò)大，泥漿材料也擁有巨大的市場需求，而膨潤土是水平定向鉆泥漿的主要造漿材料。

1 定向鉆技術(shù)及泥漿功用

1.1 定向鉆技術(shù)原理

(1) 鉆進(jìn)。

在管道鋪設(shè)的一端固定鉆機(jī)，按照設(shè)定的角度，設(shè)備驅(qū)動鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，并在導(dǎo)向儀的控制下，按施工要求的深度和長度進(jìn)行鉆進(jìn)，穿過地面障礙物后，穿出地面。在鉆進(jìn)的過程中，為防止鉆桿被土層夾緊、抱死，需要由泥漿泵通過鉆桿、鉆頭打出膨化水泥或泥漿，起到固化通道，防止塌陷，同時也能冷卻鉆頭，潤滑鉆桿。

(2) 回擴(kuò)。

在鉆頭帶著鉆桿穿出地面后，卸掉鉆頭，將回擴(kuò)頭于鉆桿安裝固定， 動力頭回拖，鉆桿帶著回擴(kuò)頭反向回拖，擴(kuò)大管道直徑尺寸。

(3) 回拖。

在回擴(kuò)頭回拖的同時，將管道固定在回擴(kuò)頭后，動力頭拖動鉆桿，帶著回擴(kuò)頭和管道同時進(jìn)行反向回拖運(yùn)動，直至將管道拖出地面，完成管道鋪設(shè)施工。

1.2 泥漿的功用

(1) 懸浮和攜帶泥(巖)屑。

這是泥漿的基本功用之一，是把鉆頭或擴(kuò)孔器破碎的泥(巖)屑帶出孔道，保持孔道清潔，以利于管道回拖。

(2) 穩(wěn)定孔壁。

孔壁是否穩(wěn)定和規(guī)則是水平定向穿越是否成功的決定性因素，是高速優(yōu)質(zhì)進(jìn)行水平定向穿越的重要基礎(chǔ)條件。

(3) 潤滑。

在鉆導(dǎo)向孔和管線回拖過程中泥漿可以起到很好的潤滑作用，在堅硬巖石地層擴(kuò)孔時對擴(kuò)孔器的潤滑作用更加明顯。

(4) 冷卻鉆具。

在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)和回擴(kuò)過程中，鉆頭和擴(kuò)孔器旋轉(zhuǎn)破碎泥(巖)層產(chǎn)生一定的熱量，鉆桿不停地與孔壁摩擦，也產(chǎn)生一定的熱量。泥漿能冷卻鉆頭和鉆桿，延長鉆具使用壽命。

(5) 了解地層。

對返出地面的泥漿進(jìn)行分析，可以了解穿越地層的巖性，適時調(diào)整施工工藝[2]。

2 水平定向鉆泥漿特點(diǎn)及指標(biāo)要求

2.1 泥漿特點(diǎn)

水平定向鉆工程施工中泥漿的指標(biāo)是變化的，不同的施工條件和底層環(huán)境對泥漿的要求不同，因此泥漿的現(xiàn)場配制方法和配方上可能有所不同。但從泥漿的功用上可以看出定向鉆泥漿的一般性要求。

(1) 粘度。

粘度可以被描述為液體流動的能力，良好的粘度性能保證泥漿在孔內(nèi)適當(dāng)?shù)牧鲃?，粘度過高，鉆頭鉆進(jìn)過程中阻力大，降低施工效率；粘度過低，帶不出鉆屑。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)配適宜的泥漿粘度。

(2) 膠凝強(qiáng)度。

膠凝強(qiáng)度是膨潤土泥漿的重要指標(biāo)，是指泥漿在一定時間內(nèi)形成膠體的能力，膨潤土形成凝膠體在孔內(nèi)懸浮鉆屑。如果鉆屑沒有被懸浮起來，它們就不能被攜帶出鉆孔，會沉在鉆孔的底部。這樣鉆屑就會堵塞鉆孔，導(dǎo)致泥漿循環(huán)失效同時孔內(nèi)壓力會急劇升高，泥漿很有可能會壓裂地層溢出到地面，也可能會發(fā)生埋鉆事故損失鉆具。

(3) 流動性。

水平定向鉆要求泥漿的流動性要好，且泥漿在長時間的養(yǎng)護(hù)過程中粘度不能急劇上升，失去流動性，形成果凍狀，失去對孔壁的壓力。

(4) 低濾失量。

水平定向鉆泥漿要求有較低的濾失量。低濾失量的泥漿會在孔壁上形成一層薄而韌的泥皮，對管壁有保護(hù)作用，防止塌孔。且低失水率也能防止巖層因?yàn)槲^多造成膨脹縮頸和塌孔。

(5) 觸變性。

水平定向鉆泥漿要求有較好的觸變性。泥漿的觸變性是指攪拌后泥漿變稀(切力降低)，靜置后泥漿變稠(切力升高)的特性。在泥漿停止循環(huán)時，切力能較快地變化到某個適當(dāng)?shù)臄?shù)值，又不至于靜置后重啟時泵負(fù)荷過高。觸變性好的泥漿能減輕泥漿泵的負(fù)荷，有利于泥漿的攪拌和輸送。

2.2 泥漿指標(biāo)要求

不同地層施工對泥漿性能要求見右表。

(1) 粘土層。

粘土層一般為沖積砂土層、粉砂土和淤泥。土質(zhì)構(gòu)造較硬實(shí)，吸水較強(qiáng)，其中以黃色泥巖、褐色泥巖最具有代表性。在粘土層鉆孔具有可鉆性好，成孔性好，鉆具在土中旋轉(zhuǎn)推進(jìn)、造斜和出土都能比較好的成孔，不易坍塌，是最容易穿越的地層。

不同地層施工對泥漿性能要求

(2) 細(xì)砂層。

砂層地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)一般是少量的粘土或粉質(zhì)土夾雜大量的黃砂，其中還含有一定量的卵石和礫石。在砂層鉆孔具有成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力強(qiáng)，導(dǎo)向孔和回擴(kuò)孔時極易坍塌。

(3) 粗砂層。

粗砂層往往含有大量的黃砂、含水量較大的流砂，其中包括卵石、礫石，此種地層一般比較少。在粗砂層鉆孔具有成孔性極差、易坍塌、易漏漿，易造成大區(qū)段的井壁坍塌或掩埋鉆具或機(jī)具，鉆進(jìn)速度慢，鉆具、機(jī)具磨損嚴(yán)重。

3 泥漿用膨潤土特點(diǎn)

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的粘土。蒙脫石以其層間可交換陽離子的種類、含量一般又劃分為鈉基和鈣基兩種膨潤土。

作水平定向鉆用膨潤土具有以下幾個特點(diǎn)：

(1) 鈉基膨潤土為主。

鈉基膨潤土具有吸水量大、膨脹倍數(shù)高、造漿率高的特點(diǎn)，在水介質(zhì)中能分散呈膠狀，具有一定的粘性，觸變性和潤滑性。美國的膨潤土公司的泥漿膨潤土一般選用美國懷俄明州的天然鈉基膨潤土，國內(nèi)一般選用人工鈉化膨潤土。

(2) 高蒙脫石含量。

膨潤土的理化性能主要取決于它所含的蒙脫石種類和含量，蒙脫石含量越高，造漿率也一般更高。美國懷俄明州所產(chǎn)的天然鈉基膨潤土中鈉基蒙脫石可高達(dá)85%以上，國內(nèi)質(zhì)量較好的造漿膨潤土蒙脫石含量也在80%以上。

(3) 低含砂率。

用于造漿材料的膨潤土一般要求含砂量小于3%。

(4) 高膠凝強(qiáng)度。

膨潤土具有高膠凝強(qiáng)度，在作造漿材料時能懸浮住顆粒較大的鉆屑。當(dāng)泥漿相對于鉆孔地層處于靜態(tài)時，必須保持足夠的膠凝強(qiáng)度來懸浮被鉆下來的固體鉆屑，而且要在這些固體碎屑從鉆孔中排出來時，還要保持其懸浮狀態(tài)。

(5) 具有一定的水適應(yīng)性。

施工地往往都是在荒郊野外，配漿用水也是五花八門，所以水中難免會含較高的鈣鎂離子和水質(zhì)偏酸等情況，很多廠家生產(chǎn)的造漿膨潤土遇到鈣鎂離子水時會產(chǎn)生絮凝分層，粘度大幅度降低，這都是不合格的泥漿材料。

4 結(jié)語

泥漿配制方法是以鉆進(jìn)土壤地層為基礎(chǔ)的。只有在了解了土壤地層的特點(diǎn)后，才能正確配制出合適的泥漿。高質(zhì)量的泥漿配制又是建立在優(yōu)質(zhì)的造漿材料基礎(chǔ)上的，特別是作為主要造漿材料用的膨潤土，只有質(zhì)量上乘的鈉基膨潤土，才能配制出合格的水平定向鉆用泥漿。

[1]嚴(yán)麗蓓.水平定向鉆穿越中的泥漿問題[J].非開挖技術(shù)，2010(4)：79-80.

[2]馬吉昌.淺析水平定向鉆泥漿固孔技術(shù)[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2011 (1)：62-64.

Application of Bentonite Drilling Slurry in HDD Construction and Characteristics

PEI Ye-hu
(Sihui Feilaifeng Non-metallic Mineral Co., Ltd., Sihui 526200, China)

According to the construction techniques and principles of horizontal directional drilling technology, describes the function of directional drilling mud and characteristics of bentonite slurry different construction conditions index requirements. Research bentonite as horizontal directional drilling mud material characteristics and requirements.

horizontal directional drilling; drilling mud; bentonite

P619.255；TD985

A

1007-9386(2014)06-0007-02

2014-09-11