非開挖：平衡淤泥質地層的泥漿比重設計及配方調整

內容摘要：非開挖鋪管時泥漿比重宜控制在1.02g/cm3～1.25g/cm3。淤泥及淤泥質土是在靜水或非常緩慢的流水環境中沉積，并伴有微生物作用的一種結構性土。研究了淤泥質地層的泥漿比重設計及配方問題�？偨Y出配制加重泥漿時應合理選用加重劑和懸浮劑，并對加重劑的比重等參數進行確認。

淤泥及淤泥質土是在靜水或非常緩慢的流水環境中沉積，并伴有微生物作用的一種結構性土。就其成因來看，有濱海沉積、湖泊沉積、河灘沉積及沼澤沉積四種。在天津、上海和廣州等沿海城市，長江中下游、珠江下游、淮河平原、松遼平原等平原地區，洞庭湖、洪澤湖、太湖和鄱陽湖四周，以及昆明滇池地區，都埋藏有厚度達數米至數十米的淤泥及淤泥質土。天然含水量大于液限、天然空隙比大于或等于1.5的粘性土為淤泥。天然含水量大于液限而天然空隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土為淤泥質土。

淤泥質地層具有流塑性，既要防止欠平衡造成內撐壓力不足而縮徑，又要防止超平衡造成地層軟化而縮徑，孔內泥漿的壓力應與孔深處的地應力相平衡。因此需要配制合理比重的泥漿，以保證循環中的泥漿快速形成致密的泥皮。利用泥漿的壓強和強韌的泥皮，來平衡易可引起塌陷的地層壓力。

1泥漿比重設計

非開挖鋪管時泥漿比重宜控制在1.02g/cm³～1.25g/cm³。

由于淤泥質地層質軟，泊松比大，擴孔時縮頸程度明顯高于常規地層，因此淤泥質土的比重應盡量取上限值。要配制大比重泥漿，可直接用增大膨潤土加量的方法來加重，但過量的膨潤土會使泥漿粘度、切力增大，導致泥漿在流動性方面不符合要求。而且膨潤土的重度不高，用來增加泥漿的比重效果不顯著。因此，一般采用專門的加重劑對泥漿進行加重。

1.1泥漿常用加重劑

加重劑又稱加重材料，由不溶于水的惰性物質經研磨加工制備而成�？杉尤脬@井液中以提高鉆井液密度，起到穩定井壁等作用。加重材料應具備的條件是密度大、磨損性小、易粉碎、不與鉆井液中的其它組分發生相互作用。

泥漿常用加重材料有重晶石粉、石灰石粉、鐵礦粉和方鉛礦粉等。

1.1.1重晶石粉

重晶石是一種以BaSO₄為主要成分的天然礦石，經過機械加工后而制成的白色粉末狀產品。按照API標準，其比重應達到4.2g/cm³，粉末細度要求過200目篩子，篩余不大于3%。重晶石只溶于濃硫酸，不溶于水、有機溶劑、其他酸和堿溶液，一般用于加重密度不超過2.30g/cm³的水基或油基鉆井液，是目前應用最廣泛的一種鉆井液加重劑。

1.1.2石灰石粉

石灰石粉主要成分是CaCO3，密度為2.2g/cm³～2.9g/cm³，易與鹽酸等無機酸發生反應，因而適用于在非酸敏性而又需進行酸化作業的產層中使用，以減輕鉆井液對產層的損壞。但由于其密度較低，一般只能用于配置密度不超過1.68g/cm³的鉆井液。

1.1.3鐵礦粉

鐵礦粉的主要成分為Fe₂O₃，密度一般為4.9g/cm³～5.3g/cm³，為棕色或黑褐色粉末。密度大于重晶石，可用于配制密度更高的鉆井液。選用鐵礦粉將某種鉆井液加重至某一給定的密度，加重后鉆井液的固相含量比選用重晶石時低。加重后固相含量低有利于調節流變性和提高鉆速。此外，由于鐵礦粉具有一定的酸溶性，因此可用于需進行酸化的產層。

由于鐵礦粉硬度約為重晶石的兩倍，因此耐研磨，在使用中顆粒尺寸保持較好，損耗率較低。但另一方面，對鉆具、鉆頭和泵的磨損也較為嚴重。在我國，鐵礦粉是用量僅次于重晶石的鉆井液加重材料。

1.1.4方鉛礦粉

方鉛礦粉是一種主要成分為PbS的天然礦石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高達7.4g/cm³～7.7g/cm³，可用于配制超高密度鉆井液。由于該加重劑的成本高、貨源少，一般僅限于在地層孔隙壓力極高的特殊情況下使用。我國滇黔桂石油勘探局在官-3井曾使用方鉛礦配制出密度為3.0g/cm³的超高密度鉆井液。

1.2泥漿加重劑的優選

同一種加重劑，粒度分布不同，其臨界密度和摩阻系數也不同。顯微電鏡觀察顯示：石灰石、重晶石顆粒表面為球形，有利于滑動，摩阻較��；鐵礦粉顆粒表面為四面體，有阻礙滑動的作用。加重劑的純度、粒度分布和顆粒表面形狀都會影響鉆井液的潤滑性能，加重劑的純度高、雜質少、粒度分布均勻、比表面積小、顆粒表面為球形，都會使鉆井液的摩阻減小，潤滑性能提高。

另外，根據斯托克斯公式，重晶石顆粒下沉速度與其顆粒半徑，也就是與其目數有關。斯托克斯公式如下所示：

V=2gr²(ρ₁-ρ₂)/(9η)　　　　　�。�1）

式中，V：懸浮顆粒的沉降速度，m/s；g：重力加速度，m/s²，r：懸浮物顆粒的半徑，mm；ρ₁：懸浮顆粒的比重，kg/m³；ρ₂：分散介質的比重，kg/m³；η：散介質的粘度，s。

所以，重晶石目數越大，懸浮物顆粒半徑越小，懸浮物沉降速度也就越小，懸浮效果就越好。建議采用400目以上的加重劑進行加重，以保證現場加重劑的懸浮穩定性�？紤]到石灰石加重效果較低，鐵礦粉磨損性較高、方鉛礦粉成本較高，而重晶石粉貨源廣、價格適中等因素，實驗室進行實驗時通常采用重晶石粉。

1.3泥漿加重劑的加量

配制加重泥漿時，加重1m³泥漿所需加重劑的重量W(Kg)為：

式中：γ_B———加重劑的比重，g/cm³；γ₂———加重泥漿的比重，g/cm³；γ₀———原漿的比重，g/cm³。

根據公式算得用比重為4.0g/cm³的重晶石加重1m³泥漿，所需重晶石粉的重量如下表所示。表中泥漿的比重單位均為g/cm³。由于實際操作的誤差，以及測試時攪拌不夠均勻等因素的影響，計算出來的加重材料用量與實際所需用量存在一定差別，在實際應用時可結合經驗對計算結果進行一定調整。

表1加重1m³泥漿所需重晶石粉的重量(kg)

　　2.1.1羧甲基纖維素鈉（CMC）

　　羧甲基纖維素是一種陰離子、直鏈、水溶性纖維素醚，可使大多數常用水溶液制劑的粘度發生較大變化。在食品工業中具有實用價值的是它的鈉鹽，因此通常稱CMC就是指羧甲基纖維素鈉。CMC為白色或微黃色粉末、粒狀或纖維狀固體，在水中溶脹時可以形成透明的黏稠膠液。Na-CMC為一種抗鹽、抗溫能力強的降濾失劑、增粘劑、膠體保護劑。

　　2.1.2瓜爾膠（GUAR）

　　瓜爾膠是一種天然高聚物。它由胍爾植物種子胍爾豆中提取。胍爾豆中的膠體含量可達40％。瓜爾膠用于配制鉆井液，可以降低濾失量和提高井壁的穩定性。瓜爾膠在溫度高于65.55℃時會很快降解，粘度降低。因此，只能在淺井應用。

　　2.1.3黃原膠（XC）

　　XC生物聚合物又稱做黃原膠，是由黃原菌類作用于碳水化合物而生成的高分子鏈狀多糖聚合物，相對分子質量可高達5×106，易溶于水。是一種適用于淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液的高效增粘劑，加入很少的量即可產生較高的粘度，并兼有降濾失作用。

　　2.1.4田菁粉、田菁膠（SG）

　　田菁膠屬于天然多糖高分子化合物，根據其在常溫下的水溶性能可分為兩部分，即水溶性部分和水不溶性部分。水溶性部分占田菁膠的63%～68%,主要是半乳甘露聚糖膠，是工業上使用的有效部分。水不溶性部分約占田菁膠的27%～32%，大部分是由分子量較大的半乳甘露聚糖膠和少量的粗纖維、蛋白質、脂肪和其他物質等組成。

　　2.2加重泥漿懸浮劑的優選

　　選擇加重泥漿懸浮劑時，應綜合考慮不同懸浮劑的特性，選出若干種進行實驗。對其所配制成的泥漿進行測試，通過對比分析泥漿的粘度、切力等數據和懸浮效果，得出最適合相應工程施工情況的配方。

3加重泥漿配方舉例

　　3.1XC與田菁粉體系

　　XC型：基漿500ml+0.8%DFD+0.05%XC+50%重晶石

　　田菁粉型：基漿500ml+0.8%DFD+0.05%田菁粉+50%重晶石兩種漿液比重均為

　　1.31g/cm³，重晶石的懸浮穩定性能良好。對XC型和田菁粉型加重效果進行比較，實驗結果顯示：加入重晶石粉并充分攪拌后，田菁粉型漿液下部沒有明顯沉淀物，而XC型漿液下部有近50ml的沉淀物�？梢娞镙挤坌蜐{液懸浮能力比XC型漿液好。在淤泥質地層中，按此配方可將比重調至1.31g/cm³，有助于解決孔壁蠕變縮頸問題。

　　3.2HV-CMC與瓜爾膠體系

　　配方1：2%土+4%純堿+6‰HV-CMC+4%腐殖酸鉀+80%重晶石配方性能：表觀粘度：53MPa·s；塑性粘度：28MPa·s；動切力：25.6pa；濾失量：13（ml/30min）；PH值：10；比重：1.52g/cm³。

　　配方2：2%土+4%純堿+6‰瓜爾膠+4%腐殖酸鉀+70%重晶石配方性能：表觀粘度：97MPa·s；塑性粘度：62MPa·s；動切力：35.8pa；濾失量：13（ml/30min）；PH值：10；比重：1.47g/cm³。

　　可見瓜爾膠的提粘效果優于HV-CMC，而二者的降濾失效果相差不大。兩種泥漿體系比重分別達到1.52g/cm³和1.47g/cm³，加重效果明顯。

　　3.3某兩種成品土加重效果

表2某兩種成品土加重效果

　　這兩種配方比重均在1.02g/cm³～1.25g/cm³范圍內，符合非開挖鋪管的要求，重晶石的加重效果與表2中比重為2.9g/cm³的重晶石相似，可見該配方中使用的重晶石比重應在2.9g/cm³左右。

4結語

　　本文研究了淤泥質地層的泥漿比重設計及配方問題�？偨Y出配制加重泥漿時應合理選用加重劑和懸浮劑，并對加重劑的比重等參數進行確認。文章提供了幾種加重泥漿的配方，為生產實際提供一定的參考。