CN104610942A - 一种非开挖钻进的水基钻进液组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进淤泥土层、粉砂土层和粘土层，包括膨润土、来安土或哈利土、防塌剂、聚丙烯酰胺、降失水剂、磺化酚醛树脂、润滑剂，余量为水，其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。本发明还公开了一种利用本发明所述水基钻进液组合物的控制泥浆滤失量方法，在确保孔壁稳定、携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力、冷却和润滑钻头及钻具等方面具有良好的功用，使得工程经济高效地完成，对于施工单位具有极大地现实意义。

Description

一种非开挖钻进的水基钻进液组合物

技术领域

本发明涉及城市建设施工领域，尤其涉及一种非开挖钻进的水基钻进液组合物。

背景技术

非开挖泥浆是指具有一定粘性的流体，多数以水作为基浆，以分散性粉末和化学物质作为主剂，在非开挖钻进过程中以其多功能满足钻进工作需要的各种循环流体的总称。泥浆的性能是泥浆各组分间相互化学和物理作用的宏观反应，可以用来对泥浆的性能进行评价的参数主要有密度(重度或比重)、流变性(粘度和切力)、润滑性、胶体率、含沙量以及滤失性(失水量和泥饼厚度)、固相含量、PH值等。这些性能参数直接影响到钻进速度、孔壁稳定、钻具磨耗、润滑减阻和孔内净化等方面。

非开挖施工多在地表以下15m以内的浅地层施工，钻遇地层一般是粘土层、砂砾层或者是二者的混合层，有事也会遇到淤泥层、鹅卵石或者建筑回填等石块区。在非开挖施工钻孔回扩过程中，由于孔壁及周边区域的应力重分布，极易发生孔壁的失稳。孔壁失稳的发生将对正常的非开挖施工产生极大地影响，甚至造成严重的经济损失以及安全事故。而泥浆技术的正确合理使用在确保孔壁稳定、携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力、冷却和润滑钻头及钻具等方面具有良好的功用。因此，如何在非开挖施工中正确地使用泥浆，使得工程经济高效地完成，对于施工单位具有极大地现实意义。

在大多数的实际非开挖工程中，某一现场中并非由单一土层构成，通常是由多种地层同时存在，彼此之间交互作用和影响。如何针对不同性质的土层选择针对性的泥浆进行处理，在非开挖施工过程中显得极为迫切。

水平定向钻进技术在我国虽然起步晚，但随着对管道施工环境要求的日益提高，我国的水平定向钻进行业得到了稳步健康的发展。但是水平定向钻进铺管施工作为近地表地下开挖工程，不可避免地会引起周围土体和地表产生不同程度的变形，进而对孔壁的稳定造成一定的影响，尤其是对地表建筑物和人口较密集的城市地区来说，施工引起的事故后果更为严重。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，提高定向穿越施工技术的能力，解决穿越不同土质类型的非开挖施工的泥浆技术方案、工艺技术的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对相应的土质情况，穿越不同类型土质为工程背景的非开挖施工，因地质问题造成的工程损失。

为实现上述目的，本发明提供了一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进淤泥土层，包括膨润土，各组分及含量如下：2％～3％来安土或2％的哈利土、0.24％～3％防塌剂、0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、0.27％～0.31％降失水剂、0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、0.28％～0.32％润滑剂，余量为水；其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

进一步地，各组分的含量优选如下：2.5％来安土、0.25％防塌剂、0.18％聚丙烯酰胺、0.28％降失水剂、0.3％磺化酚醛树脂、0.3％润滑剂，余量为水。

本发明还提供了一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进粘土层，包括膨润土，各组分及含量如下：3％～4％哈利土、0.24％～3％防塌剂、0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、0.27％～0.31％降失水剂、0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、0.28％～0.32％润滑剂、余量为水；其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

进一步地，各组分的含量优选如下：3.5％哈利土、0.25％防塌剂、0.18％聚丙烯酰胺、0.28％降失水剂、0.3％磺化酚醛树脂、0.3％润滑剂，余量为水。

本发明还提供了一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进粉砂土层，包括膨润土，3％哈利土和4％来安土或3％来安土和0.5％CMC、0.24％～3％防塌剂、0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、0.27％～0.31％降失水剂、0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、0.28％～0.32％润滑剂、余量为水；其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

本发明还提供了一种控制泥浆滤失量的方法，其特征在于，提供如权利要求1-5中任意一种非开挖钻进的水基钻进液组合物；添加0.2％～0.4％NaOH或Na₂CO₃；添加直径小于75μm胶体微粒；加快钻进速度5％～20％。

进一步地，优选方法包括提供如权利要求1-5中任意一种非开挖钻进的水基钻进液组合物；添加0.35％NaOH或Na₂CO₃；添加直径小于75μm胶体微粒；加快钻进速度15％。

在本发明的较佳实施方式中，本发明所述的非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进淤泥土层、粉砂土层和粘土层，包括膨润土、来安土或哈利土、防塌剂、聚丙烯酰胺、降失水剂、磺化酚醛树脂、润滑剂，余量为水，其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯 腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

泥浆工艺要求泥浆应该具有良好的触变性，也即在停止循环时，泥浆的切力能够在较短的时间内增大到某一适当值，在当前切力下，不仅能满足较好悬浮钻屑的能力，还能够在恢复循环时开泵泵压不至于太高。影响泥浆静切力的主要因素包括粘土矿物的类型、含量及分散度，所选用的泥浆处理剂及加量，无机电解质及其浓度等。根据具体情况作了大量基础优化实验(膨胀量实验、粘度试验、降失水实验、润滑实验、速溶性实验、抗侵能力实验)，优化了针对淤泥、粉砂、粘土层的钻进参数，比如小失水，合理比重，具有较好的粘度，稳定性好，具有一定的抗侵性。

控制泥浆的滤失量在非开挖钻进过程中意义重大，应当从控制泥饼厚度入手。泥饼中固相越少，泥浆中固相含量越高，泥浆的滤失量也就越小。然而，滤失量并不是决定泥饼厚度的唯一因素，不同泥浆的泥饼厚度相同的情况下，其滤失量不一定相同；反之，滤失量相同的情况下，其泥饼厚度不一定相同。滤失量过大导致孔壁不稳，但是，滤失量过小也会造成泥浆成本增加，钻速下降。总体来说，在钻进过程中保持泥浆形成的泥饼一定要薄、致密、坚韧的同时，其滤失量也要适当控制，具体要结合实际施工面对的地层、孔深等因素综合考虑加以确定。

表面光滑、致密、较薄的泥饼，其润滑性较好。降滤失剂以及其它泥浆处理剂主要是通过改进泥饼的质量来改善泥浆的防磨损和润滑性。泥浆条件相同的情况下，岩土条件影响泥饼的质量以及钻具同孔壁的粗糙度而起作用。

本发明的研究成果具体分析了淤泥、粉砂、粘土层钻进的特点，提出关键性指标，第一对于淤泥质地层，需要配制合理比重的泥浆,以保证循环中的泥浆快速形成致密的泥皮，利用泥浆的压强和强韧的泥皮,来平衡易可引起塌陷的地层压力；第二对于粉砂性地层，关键是提高泥浆粘度，以增加井壁颗粒之间的胶结力，使用粘度较大的泥浆可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使井壁的稳定性增强；第三对于粘性地层，应尽量降低泥浆的失水量，防止粘土颗粒的吸水膨胀、遇水溶解，导致泥浆和地层渗透率的破坏和改变，这极易造成钻进程中孔壁坍塌、掉块，容易诱发卡钻、埋钻事故；大量的基础实验对于淤泥粉砂地层非开挖钻进泥浆性能参数做了很多优化，可以作为以后全国各地区淤泥、粉砂、粘土层钻进的标准使用。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是膨胀量随时间变化曲线图；

图2是大分子聚合物粘度图；

图3是降失水剂粘度图；

图4是降失水剂降失水效果图；

图5是基浆+0.05％HEC+0.8％SMP-3配方抗盐指标；

图6是基浆+0.05％HEC+0.8％flocat配方抗盐指标；

图7是两配方泥皮厚度数据对比数据。

具体实施方式

钻进过程中，在换钻杆或者设备故障时，泥浆会停止循环。此时要求泥浆体系能在较短的时间内形成空间网架结构，以便将岩屑或加重剂悬浮起来，或者以很慢的速度下沉；开泵时，泵压不能上升过高防止憋漏地层。因而提供悬浮能力的主要因素是泥浆的静切力和触变性。

所谓泥浆的静切力，其胶体化学实质是凝胶强度，也即是在静止状态下泥浆形成空间网架结构的强度。现场采用初切力和终切力对静切力的相对值加以表述。初切力是指经充分搅拌后的泥浆，静置1min(或10s)后测得的静切力；终切力是指充分搅拌后的泥浆静置10min所测得的静切力。

泥浆的触变性，是指泥浆在搅拌后变稀，停止搅拌后又重新变稠的性质。其机理可以作如下解释：触变体系内普遍存在空间网架结构，结构受到剪切作用遭到破坏，只有某些部位相互接触才能重新粘结。所以，网架结构的恢复需要一定时间来完成，而恢复结构所需要的时间和最终凝胶强度的大小，才是对泥浆触变性能的最好表征。

泥浆工艺要求泥浆应该具有良好的触变性，也即在停止循环时，泥浆的切力能够在较短的时间内增大到某一适当值，在当前切力下，不仅能满足较好悬浮钻屑的能力，还能够在恢复循环时开泵泵压不至于太高。影响泥浆静切力的主要因素包括粘土矿物的类型、含量及分散度，所选用的泥浆处理剂及加量，无机电解质及其浓度等。

泥浆的触变性与其所形成的网架结构的强弱程度和方式有关。如果膨润土含量过高，最终凝胶强度也会过高，这是因为粘土颗粒的ζ电位和吸附膜的厚度对网架结构的强度有关。若是由于高分子聚合物在粘土颗粒上吸附形成网架结构，其形成速度较快且强度较小。所以，低固相不分散泥浆的切力和触变性比较容易满足非开挖泥浆技术要求。

在液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过孔壁空隙或裂隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在孔道内壁上形成泥皮(泥饼)，称为造壁。以滤失量来描述滤失性能的强弱，泥浆滤失需满足如下前提条件：孔内泥浆与地层裂隙液体之间存在压力差。

钻孔中的压力差是造成泥浆失水的动力，它是由于钻孔中泥浆的液压力与地层、裂隙中流体的液压力不等而形成的。为了防止地层流体进入钻孔，泥浆的静液柱压力必须大于地层孔隙内流体的压力。地层中的孔隙、裂隙是泥浆失水的通道条件，它的大小和密集情况是由现场土层的性质客观决定的。除了较大的裂隙和空隙外，一般地层的孔、裂隙较小，只允许自由水通过，而粘土颗粒周围的吸附水随着粘上颗粒及其他固相附着在井壁上构成泥皮，不再渗入地层。孔壁上形成泥皮后，渗透性减小，减慢泥浆的继续失水。若泥浆中的细粒粘土多而且水化效果好，则形成的泥皮致密而且薄，泥浆失水便小。反之，泥浆中的粗颗粒多且水化效果差，则形成的泥皮疏松而且厚，泥浆的失水量便增大。

泥浆在循环过程中，对于泥页岩地层，其滤失量过大将导致地层水化膨胀、剥落，进而使得井径扩大或缩小。随着井径的扩大或者缩小，可能引起卡钻。钻杆折断等事故，降低施工效率。对于破碎性地层来说，泥浆滤液渗透进入破碎层的裂隙，减小层面间的接触摩擦力，钻杆敲击时破碎岩土体落入孔内易导致卡钻。

泥浆的失水有两种情况:一种是钻进停止时，泥皮不受液流冲刷，此时的液压力只是泥浆静水压力，这时的失水称为静失水；另一种是钻进进行时，泥浆受到钻头旋转挤压而贴在孔壁形成的泥皮。另外，在钻头钻进过程中，形成新的自由面的瞬间，泥浆接触新的自由面，还未形成或很少形成泥皮，泥浆中的自由水以很高的速率向新自由面失水，这时的失水称为瞬时失水或初失水。静失水时，泥皮逐渐增厚，失水速率逐渐减小。此时压力较小，泥皮较厚，失水速率比动失水小。动失水时，泥皮不断在增厚，同时又不断被冲刷掉，当增厚速率与被冲刷速率相等时，泥皮厚度动态恒定，失水速率也就基本不变。一般情况下，瞬时滤失时间很短，但是滤失速率最大；动滤失时间最长，其滤失速率中等；静滤失时间较长，滤失的速率最小。所谓滤失速率，也即单位时间内滤失液体的体积。对于非开挖钻进而言，钻孔内泥浆的滤失作用是在相同温度和压差下向岩土层进行渗透的，温度和压差对泥浆律师性能的影响有限。国内外通常采用API滤失量对泥浆的滤失量加以评价，也即在规定压差作用下在30min内通过一定渗滤断面的滤失量来衡量，单位为ml/30min。

在大多数情况下，泥浆的失水性大则对钻孔的危害较大。例如，厚泥皮会加大对钻具的吸附，增加钻具与泥皮的接触面积，使钻杆摩阻力增大，回转阻力增加，环空内过流面积减小。因此，需要采取一些措施来降低泥浆失水量，同时又能满足注入要求。泥浆中固相含量增加，滤失量减小，泥饼增厚。而泥饼的渗透率才是影响滤失量的主要因素，因此，控制泥浆滤失量的途径主要是降低泥饼的渗透率。泥饼的渗透率取决于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸、形状与水化程度。颗粒越小，形状越呈扁平状，在压力下越易变形；水化膜越厚者，渗透性越小。由此可见，泥浆滤失水量这个参数实际上反映了泥浆的胶体性质，分散的、 较细的胶体粒子占了相当数量，才有可能把泥浆的滤失量控制在较小的数值之内。

可见，控制泥浆的滤失量在非开挖钻进过程中意义重大，应当从控制泥饼厚度入手。然而，滤失量并不是决定泥饼厚度的唯一因素，不同泥浆的泥饼厚度相同的情况下，其滤失量不一定相同；反之，滤失量相同的情况下，其泥饼厚度不一定相同。滤失量过大导致孔壁不稳，但是，滤失量过小也会造成泥浆成本增加，钻速下降。总体来说，在钻进过程中保持泥浆形成的泥饼一定要薄、致密、坚韧的同时，其滤失量也要适当控制，具体要结合实际施工面对的地层、孔深等因素综合考虑加以确定。

若不考虑瞬时滤失，滤失量与滤失时间的平方根两者之间为过原点的一条直线。所以，7.5min时的滤失量将会是30min滤失量的一半，一般情况下用7.5min滤失量的两倍来表征API滤失量。但是泥浆实验结果表明，所绘制出的直线并不是通过原点，而是与纵轴相交于一点，也即有一定截距。

实际上，测量滤失量包含两个过程，没有泥饼到泥饼开始形成的瞬时滤失阶段，以及泥饼不断增厚的静滤失阶段。该滤失量是在较短时间内测得的，如果测量时间较长，滤失总量的增长速度越来越慢，最终稳定，并非保持起初的直线关系。所以，对于一些泥浆而言，7.5min的滤失量乘以二倍显然大于其30min时的滤失量，因此对于具体泥浆应该确定其相应的测量时间。对于滤失量较小的泥浆，测量时间应该取30min。

压力差越大，泥浆的滤失量也就越大。由于泥浆的组成不同，滤失过程中形成泥饼的压缩性也不相同。随着压差的增大，泥浆渗透速率减小的程度也不尽相同，所以泥浆的滤失量与压力差的关系也就不同。对于非开挖而言，其施工地层多为较浅地层，且钻孔为水平，其压差相对恒定，此时泥浆的滤失性能主要与所添加的处理剂有关。

泥饼中固相越少，泥浆中固相含量越高，泥浆的滤失量也就越小。然而，泥浆中的固相含量增大会导致机械钻速明显降低，泥饼的厚度也会增加，这样一来通过增大固相含量的方法来降低滤失量不可取。普遍采用的方法是减小泥饼中固相含量的方法来减小滤失量，采用优质的造浆土和添加有机处理剂可以做到这点。优质造浆土分散性能好，固相粘土颗粒细而多，水化性能优良，并且形成的泥饼渗透率较低。大量的研究结果表明，在泥浆中固相含量相同的情况下，泥浆的滤失量会随着泥饼中固相含量的减少而降低。如表1所示。一般泥浆中的固相含量为4％～6％时，泥饼中的固相含量大概为10％～20％。

表1 泥饼固相含量与滤失量之间的关系

岩土的孔隙和裂缝是泥浆滤失的天然通道，在压差的作用下，泥浆通过这些通道时会产生滤失，形成泥饼。岩土的孔隙性和渗透性对于瞬时滤失和泥饼初始形成阶段影响较大。泥饼的形成即过滤介质的形成，此时岩土的孔隙性和渗透性对于泥浆的滤失所起到的作用有限，原因在于泥饼的渗透系数远远小于岩土的渗透系数。

在滤失过程中，泥浆中的固体颗粒在孔壁及岩土孔隙内堆积通常会形成三个过滤层，自钻孔孔壁到岩土孔隙，依次为外泥饼、架桥层和瞬时滤失渗入层。瞬时滤失渗入层是在泥浆刚进入钻孔，沿着岩土孔隙快速渗透，泥浆细颗粒渗入深度可达25～30mm；架桥层是指较粗的颗粒在岩土孔隙内部架桥较少其孔隙度，也称为内泥饼；随着时间的延续，孔壁表面形成具有一定渗透性能的外泥饼。研究表明，泥浆中颗粒尺寸与钻遇地层孔隙不相适宜的情况下，API滤失实验所得结果不准确，也就是说，实验室内在滤纸上做出的滤失实验结果可能会与实际钻遇地层渗透性差异很大。

大量的滤失量测定结果表明，泥饼的厚度越大，其滤失量也就越大；泥饼厚度越薄，滤失量也就越小。这是因为泥饼厚度大，其渗透性大；泥饼厚度薄，其渗透性小。所以，泥饼对滤失量的影响是由其渗透性决定的。而泥饼的渗透性则主要与泥饼中的固相颗粒的种类、大小、级配和形状，处理剂的种类和添加量，以及过滤压力差等因素有关。

渗滤压力差对泥饼的压实性有很大影响，压力差值越大泥饼的压实性能越好。地层的渗透率将比泥饼的渗透率大一个数量级。

固相颗粒对泥饼的孔隙度也有影响。当颗粒尺寸变化均匀，其级配良好时， 泥饼的孔隙度较小。这是因为此时较小的土颗粒可以致密地充填在较大颗粒的孔隙之间。混合物的颗粒尺寸分布范围较大，其孔隙度比颗粒尺寸分布范围小的混合物要小。小颗粒含量多，比大颗粒含量多所形成的的泥饼孔隙度小。处理剂的种类和加量决定着颗粒是分散还是絮凝，以及颗粒周围可压缩性水化膜的厚度，进而影响泥饼的渗透率。

此外，胶体种类、数量以及颗粒尺寸对泥饼渗透率也有影响。如在淡水中，膨润土悬浮液的泥饼其渗透率极低，这是因为粘土为边扁平的小片，能够在流动时将垂直方向的孔隙进行有效封堵。

泥浆的絮凝使得颗粒间构架成网状结构，该结构的存在使得渗透率有一定的提高。滤失压力差值越大，网架结构越难以形成，所以孔隙度和渗透率都随着压力增加而减小。絮凝的程度越高，颗粒间的引力也就越大，其结构也就越强，对压力的抵抗也就越大。若聚结伴随着絮凝，该结构还会更强一些，使得泥饼的渗透率增大。

在泥浆中添加稀释剂其反絮凝作用将使得泥饼的渗透率降低。另外，很大一部分的稀释剂是钠盐，钠离子的存在可以交换粘土晶体上的高价阳离子，使其由聚结状态转变成分散状态，从而降低其渗透率。所以说，在泥浆中电化学性质对泥饼渗透率有很大影响。

通过上述分析可知，可以通过减小压差、提高滤液粘度、改善泥饼质量、缩短浸泡时间、调整泥浆返速等方法降低泥浆的滤失量，形成薄而坚韧的泥饼。在非开挖泥浆设计中，改善泥饼的质量是控制和调整泥浆律师性能的关键性措施，包括增加泥饼的致密度，降低泥饼的渗透性，也包含增强泥饼的抗剪切能力及其润滑性。应结合地层情况，根据泥浆类型选择合适的降滤失剂。具体控制泥浆滤失性能的方法如下：

(1)选用优质膨润土进行造浆。优质的膨润土颗粒较细，多层片状，所形成的的水化膜厚，形成的泥饼渗透性较小且致密，尤其是在较低固相含量情况下其泥浆流变性及滤失性即能满足设计要求。通常情况下，添加适量的优质膨润土即可将泥浆的滤失性能控制在泥浆工艺要求范围内。膨润土是最常用的配浆材料，也是控制泥浆滤失量和保持良好护壁性能的基本处理剂。

(2)添加0.2％～0.4％的NaOH或Na₂CO₃或者有机分散剂，提高粘土颗粒的ζ电位、水化的程度以及分散度。

(3)加入CMC或者其它的聚合物对粘土颗粒加以保护，防止粘土颗粒聚结，从而提高其分散度。此外，CMC及其它聚合物在泥饼上沉积也能起到堵孔的作用，从而降低滤失量。

(4)添加一些很细的(直径小于75μm)胶体微粒对泥饼孔隙进行堵塞，降低泥饼的渗透性，提高其抗剪能力。对于分散型泥浆而言，常用低粘CMC；如果 希望能在降失水的同时进行提粘，则可以选用中粘或者高粘的CMC。

(5)在复杂地层段尽量加快钻进速度5％～20％，缩短井壁裸露时间，在一定程度上即减小了泥浆的滤失量。

影响泥浆润滑性的主要因素有：泥浆粘度、密度、固相类型和含量、泥浆的滤失情况、PH值、润滑剂以及其它处理剂的添加情况等等。

泥浆固相含量增加或者密度增大，都会导致泥浆的粘度和切力一定程度的增大，进而导致泥浆的润滑性能变差。此时泥浆的润滑性主要与固相含量的类型和含量有关。尤其是固相含量的增加对于泥浆的润滑性能影响很大。随着固相含量的增加，泥饼粘附性能增大，泥饼增厚，易发生压差粘附卡钻现象。

研究发现，泥浆在一定时间内(约10小时)内通过不断剪切循环，固相颗粒尺寸随着时间增加而减小，其结果是：1)滤失性能有所减小，钻具摩阻力也有所降低。2)颗粒分散得更细微使得比表面积增大，泥浆润滑性降低。当剪切循环12小时后，泥浆平均颗粒尺寸大大降低，此时尽管添加了润滑剂，但是钻柱的摩擦阻力却为零。因此，为了保持泥浆的润滑性，就要提高润滑剂的浓度，用以包裹新增加的颗粒表面积，否则，润滑剂将会因为实际浓度降低而使有效性减小。所以，严格控制泥浆中粘土含量，做好固相控制和净化，尽量使用低固相泥浆，是改善和提高泥浆润滑性能的最重要的措施之一。

表面光滑、致密、较薄的泥饼，其润滑性较好。降滤失剂以及其它泥浆处理剂主要是通过改进泥饼的质量来改善泥浆的防磨损和润滑性。泥浆条件相同的情况下，岩土条件影响泥饼的质量以及钻具同孔壁的粗糙度而起作用。

泥浆中的PH变化也能改变有机处理剂对粘土的吸附能力，导致处理剂在粘土上的吸附量均随着PH增大而减少。若PH过低(PH<9),许多处理剂的效用会降低。如腐殖酸类，当PH在8.3时，就会产生沉淀。聚阴离子纤维素的最佳PH为9.5—10.5，PH过低，会使泥浆中细菌繁殖加剧，处理剂分子内部含有的脂肪族炭化氢基和磺化基发生分解反应，破坏了处理剂分子对粘土颗粒的“包被”作用，致使泥浆的润滑性降低。

泥浆润滑剂一般可以分为两大类，即液体类和固体类。前者如矿物油、植物油、表面活性剂等；后者如石墨、塑料球、玻璃球等。实验表明，使用清水钻进，摩擦阻力比较大，然而往清水中添加千分之几的润滑剂(主要是阴离子表面活性剂)后，泥浆的润滑性能得到极大的改善。近年来泥浆润滑剂品种发展最快的是惰性固体类润滑剂，液体润滑剂中主要发展了高负荷下起作用的极压润滑剂以及有利于环境保护的无毒润滑剂，而沥青润滑剂的用量正在逐年减少。

很多高分子处理剂都具有良好的滤失性、改善泥饼质量。减少钻柱摩阻力的作用。有机高分子处理剂之所以能够增强泥浆的润滑性，是因为其在钻具有孔壁上的吸附能力有关。吸附膜形成后能够大幅降低孔壁与钻具的摩阻力。一些处理剂 如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等都具有提高泥浆润滑性的作用，不少高分子化合物通过复配、共聚等处理，也可以成为具有良好润滑性能的润滑材料。

我们根据几年的工作经验，在全国各地共采集了五处具有代表性的城市土样，分别对五处土样进行了分析；

土样一

第①层杂填土，层厚1.50～1.60m，结构松散，成分复杂，土质不均匀，具高压缩性，土性较差。

第②_-2层灰黄色粉质粘土夹砂层，厚度1.90～2.00m，平均厚度1.95m，压缩系数a_0.1-0.2＝0.36MPa，

第②_3-1层灰色砂质粉土层，厚度7.50～7.80m，平均厚度7.67m，松散～稍密状态。

第②_3-2层灰色砂质粉土层，厚度大于14m，稍密状态。

土样二

第①层杂填土，层厚0.70～1.80m，层底标高2.80～3.70m，含有机质高，具高压缩性，土的工程性质差。

第②_-1层褐黄色粉质粘土层，厚度0.20～1.90m，平均厚度0.71m，压缩系数a_0.1-0.2＝0.34Mpa。

第③层灰色淤泥质粘土层，厚度2.90～4.30m，平均厚度3.50m；高含水量、高压缩性，不宜选择该层作为拟建物的天然地基持力层。该层是天然地基持力层的软弱下卧层。

第③_夹层灰色砂质粉土层，厚度1.10～2.10m，平均厚度1.64m；松散状态，经液化判别该层轻微液化，采用天然基础时应采取适当措施，消除地层液化对拟建物的影响。

第④层淤泥质粘土，厚度7.2～9.1m，平均厚度7.88，流塑状态，高压缩性， 不宜选择该层作为拟建物的天然地基持力层。

土样三

第①层杂填土，层厚1.30～2.70m，结构松散，成分复杂，土质不均匀，具高压缩性，土性较差。

第②层兰灰色粉质粘土层，厚度0.30～1.10m，平均厚度0.84m，压缩系数a_0.1-0.2＝0.45MPa。

第③_1-1层灰色粉质粘土层，厚度4.20～8.10m，平均厚度5.56m；软塑状态，土层分布稳定。

第③_1-2层灰色淤泥质粘土层，高含水量、高压缩性，厚度3.10～5.50m，平均厚度4.91m；软塑状态，土层分布稳定。。

第④_-1层灰色粘土，层顶标高-9.21～-11.17m，层厚1.60～3.90m，平均2.96m，为中等压缩性土层。该土层局部受古河道影响变薄。

第④_-3层草黄色砂质粉土，层顶标高-12.44～-13.37m，层位较稳定。该土层为中等压缩性土层。

土样四

场地第①层杂填土，层厚0.5～1.60m，结构松散，成分复杂，土质不均匀，具高压缩性，土性较差。

第②_-1层褐黄色粉质粘土层，厚度0.80～1.90m，平均厚度1.31m。中等压缩性。干强度韧性中等。

第②_-2层灰黄色粉质粘土层，厚度0.90～2.00m，平均厚度1.26m。中等压缩性。干强度韧性中等。

第③层灰色粉质粘土层，厚度8.50～9.70m，平均厚度9.10m；软塑状态，土层分布稳定。

第⑤层灰色粘土，层顶标高-7.91～-9.38m，未穿，为高等压缩性土层。

土样五

场地第①层杂填土，层厚1.50～2.30m，结构松散，成分复杂，土质不均匀， 具高压缩性，土性较差。

第②层褐黄色～灰黄色粉质粘土层，厚度1.10～1.90m，平均厚度1.57m。中等压缩性。干强度韧性中等。

第③层灰色淤泥质粉质粘土层，厚度7.10～7.30m，平均厚度7.23m；流塑状态，土层分布稳定。

第④层灰色淤泥质粘土层，厚度6.70～7.20m，平均厚度6.90m；流塑状态，土层分布稳定。

第⑤层灰色粘土，层顶标高-13.53～-13.87m，未穿，为高等压缩性土层。

由地质报告来看，土样一的穿越层以砂质粉土为主；土样二以淤泥质粘土为主；土样三和土样四以粉质粘土为主；土样五既有淤泥质又有粉质粘土，故需要以砂土、粘土和淤泥质土分别进行泥浆配比设计。

淤泥及淤泥质土是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积,并伴有微生物作用的一种结构性土。

在粉砂地层中钻进，成孔的难度很大。砂性土结构松散，稳定性差，由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时井壁很容易坍塌，导致卡钻、埋钻和钻孔报废等严重后果。

提高泥浆粘度，主要是通过使用细分撒泥浆、加大粘土含量或者添加增粘剂等方法加以实现。所谓细分散泥浆，也称高分散度泥浆，其含盐量小于1％，含钙量不大于120×10^-6,不含抑制性高聚物。除了含有水、粘土和Na₂CO₃,通常还有提粘剂、降失水剂以及稀释剂。凭借较高粘度，细分散泥浆在水平定向钻进中成功的实例很多。

在粘土中钻进，突出问题之一是孔壁的遇水膨胀、缩径，甚至流散、垮孔。粘土中含有对泥浆自由水较敏感的物质，当钻进液进入地层后，会引起粘土颗粒的吸水膨胀、遇水溶解，导致泥浆和地层渗透率的破坏和改变，这极易造成钻进程中孔壁坍塌、掉块，容易诱发卡钻、埋钻事故。粘土颗粒之间缺乏胶结、结构松散、强度较底。在粘土中钻进时，应尽量降低泥浆的失水量以及增强孔壁岩土 的抗水敏性，其中，抑制其分散性是最为关键的问题所在。

综合对淤泥地层、粉砂性地层、粘土地层的概述，可以总结如下：在上述地层中进行水平钻进，由于地层强度小，近于流塑态，加之较为松散，在扩孔的过程中即会有缩径、塌孔的发生，其次泥浆在砂层中存在一定程度的漏失，这将导致岩屑携带有一定困难，从而随钻进泥浆的性能提出了较高要求。

(1)合理比重。针对地层的流塑性，为平衡易引起塌陷的地层压力，我们要配置合理比重的泥浆利用其快速形成致密泥皮。大比重泥浆的膨润土加量较大，必要时需要使用重晶石加重。

(2)小失水量。对含泥质的地层、地段，高质量泥浆体系最终失水量要控制在30min不大于5ml。

(3)稳定性。这是针对泥浆性能中的胶体率，要求泥浆在大比重、小失水量的前提下保持良好的自身稳定性，按照行业和相关规范，24小时胶体率不小于98％。

(4)悬渣。主要体现在粘度指标上。由于非开挖是水平定向钻进，整个施工环境和受力情况不同于垂直孔，由于重力浆液多沉降在孔断面的重力高边，在这种情况下怎样发挥泥浆的悬渣功效是个大问题。这个指标可以用钢珠在浆液中下沉一段距离的时间测定对比。

(5)速溶性。从现场施工效率考虑，要求将泥浆在一定时间内达到要求性能。一方面是调整膨润土的颗粒大小以及级配使其在最短时间内能充分分散；另一方面，在选择聚合物时，研究复配一定的促使水化基团速溶的触媒剂。

(6)其它。泥浆一般在PH值为7～8时性能达到最优，故可用Na₂CO₃等调节相应PH；一定时间内的水化分散性，除了浸泡监测，激光粒度分析也能给出定性的评价。另外，还有相应的指标，如固相含量、润滑性等。

通过对上述地层的综合分析，我们了解了对于该类地层的一些关键性指标。针对这些关键性指标，用当前收集到的材料、购买的材料、实验室材料等，设计了膨胀量实验、粘度试验、降失水实验、润滑实验、速溶性实验和抗侵能力实验，通过实验分析以优化泥浆参数，为下一步得出泥浆配方做好基础。

膨胀量实验

来安县土烘干后各取4.62g，用ZNP型膨胀量测定仪做膨胀量测试实验，实验结果如下:

表2 膨胀量实验数据

从表2和图1中可以就看出来安县土0.5h的膨胀量已经达到4h时膨胀量的50％左右。

膨胀量反应了膨润土遇水后的水化能力，膨胀量越大说明膨润土遇水后水化分散能力越强，也在一定程度上说明蒙脱石的含量较高，膨润土的造浆性能越好。

提粘剂实验

根据长期钻进液技术积累，选择十几种提粘、降失水效果好的泥浆处理剂，进行基本提粘效果的测试对比，为本项目配方的研发提供基础。其数据结果见表3。

表3 大分子聚合物粘度数据

注：所有试样都是以5‰比例配制而成

由图2可见，相同的加量下提粘效果由高到低排序依次是：魔芋、雷膨、HEC、瓜尔胶、田菁胶粉、XC、PAC、CMC类、PAM类、DFD。

降失水剂实验

失水量是泥浆体系一个至关重要的指标，失水量过大极易造成轨迹孔的缩径和垮塌，所以，降失水剂的优选极为重要。本实验采用的基样配方：6.5％土+4％纯碱，向基样中加入的每种降失水剂都为0.8％。高速搅拌20分钟后测得如下实验数据：

表4 降失水剂实验数据

根据图5和表4分析可知，石板条、LG植物胶、SMP-3、RS-1、FLOCAT、SHR、DFD、LV-PAC、LV-CMC几种降失水剂降失水效果相对不错，其中LG植物胶、SMP-3、RS-1、DFD几种降失水剂的600转粘度在15以下，在提粘效果不大的情况下可较好地降低泥浆的失水量，而其他几种降失水剂则在降低泥浆失水量的同时也大幅地增加其粘度。考虑到提粘效果、降失水效果和性价比等因素，实验中采用的降失水剂主要是DFD。

润滑性实验

润滑性实验采用EP-2极限压力润滑仪对不同的样进行测试。该仪器用于测量泥浆的润滑质量；为评价可能需用的润滑添加剂的类型和数量提供数据。为确保快速、安全钻孔提供准确可靠数据。本仪器采用变频技术，使用日本富士最新变 频器，采用进口变频电机，具有无级调速、结构紧凑、测试精度高、操作方便、测试数据采用数字显示等特点。

实验数据

①6.5％钙土+0.05％XC+0.8％DFD

②6.5％钙土+0.05％XC+0.8％SHR

③6.5％钙土+0.05％XC+0.8％DFD+0.2％NH₄Cl

样品	①	②	③	水
					电流表读数	31.1	21.3	30.6	30.8
润滑系数	0.311	0.213	0.306	0.308

表5 样品润滑实验数据表

由表5实验所得数据分析，先把五组样品都和水对比可知①、③润滑系数基本相等，也就是说①、③配方效果不是很好。

①和②对比可以知道SHR润滑效果更好，而且可以大大减小润滑系数，由①和③对比可以知道NH₄Cl可以改善润滑效果，但是不太明显。综合来讲，可以加入SHR来降低润滑系数。

速溶性实验

从现场施工效率考虑，要求将泥浆在一定时间内达到预期性能指标。一方面是调整膨润土的颗粒大小以及级配使其在最短时间内能充分分散；另一方面，在选择聚合物时，研究复配一定的促使水化基团速溶的触媒剂。

我们按6.5％钙土+0.05％XC+0.8％DFD和6.5％钙土+0.05％XC+0.8％SHR两套配方实验，分别测定两种配方配好以后40分钟，80分钟以及120分钟的六速旋转粘度，对比两组试验数据，分析添加剂的速溶性，结果如下表6所示。

表6 速溶性实验数据

从表6中数据可以看出：SHR的提粘效果要比DFD明显。添加了SHR的浆液随着时间的变化粘度变化不大，而添加了DFD的浆液随着时间变化粘度逐渐上升，说明DFD一开始没有溶解得很完全，随着时间又继续溶解了一定的量导致粘度上升。而SHR一开始粘度就很大，随着时间变化粘度并没有上升，说明SHR一开始就溶解得很完全，即SHR的速溶性要比DFD好。

对DFD试剂又做了另外一组对比实验，仍然按6.5％钙土+0.05％XC+0.8％DFD配方配做两份基浆，其中一份添加0.2％NH₄Cl，另一份不添加任何试剂，对比两组实验，结果如下表7所示。

表7 0.8％DFD试剂中添加0.2％NH₄Cl对比实验

从表7中数据可以看出，同样40分钟的时间，添加了NH₄Cl的浆液粘度有明显的上升，说明NH₄Cl可以明显增强提粘剂的速溶性。

抗侵能力实验

本实验测试了两种浆液：

1)基浆+0.05％HEC+0.8％SMP-3；

2)基浆+0.05％HEC+0.8％flocat。

在两配方中，HEC为提粘剂，SMP-3为降失水剂，flocat为降失水剂。测试了在食盐加量为：1％、3％、5％、7％条件下的失水量、泥皮厚度、粘度、PH值等参数，反应三种试剂的抗盐性。实验数据如下表8：

表8 泥浆抗盐性能测试数据表

由表8和图5，图6，图7可以看出，基浆+0.05％HEC+0.8％SMP-3配方的在相同的盐度条件下，失水量少，形成的泥皮薄，但粘度小。

泥浆配比试验

考虑到现在共有两种膨润土：来安土和哈利土，均为合成土即已添加了泥浆处理剂，故对其只进行了各种比重的试验，将其与公用标准泥浆参数进行对比，如表9。

表9 来安土和哈利土配方参数

淤泥质土是天然孔隙比小于1.5但大于等于1.0的黏性土。淤泥质土的含水量、灵敏度、压缩性、强度、透水性等特性，对工程的影响较大。而且此类土层密度很大，地层压力相对较高，需要较大的平衡压力。因此淤泥地层泥浆配制要点是根据地层需要合理设计比重，同时降低失水量。在配方失水量较小，粘度适中的情况下，选用2％和3％的来安土或2％哈利土、0.24％～3％防塌剂、0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、0.27％～0.31％降失水剂、0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、0.28％～0.32％润滑剂、余量为水；其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

粘土中含有对泥浆自由水较敏感的物质，当钻进液进入地层后，会引起粘土颗粒的吸水膨胀、遇水溶解，导致泥浆和地层渗透率的破坏和改变，这极易造成钻进程中孔壁坍塌、掉块，容易诱发卡钻、埋钻事故。水敏土颗粒之间缺乏胶结、结构松散、强度较底。在粘土中钻进时，应尽量降低泥浆的失水量。

该配方要求失水量极小，粘度适中，满足粘土对于泥浆失水量的苛刻要求，适用于粘土中的钻进。故选用3％或4％的哈利土、0.24％～3％防塌剂、0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、0.27％～0.31％降失水剂、0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、0.28％～0.32％润滑剂、余量为水；其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意 一种。

砂性土结构松散，稳定性差，由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时井壁很容易坍塌，导致卡钻、埋钻和钻孔报废等严重后果。对于这类地层，解决问题的关键是提高泥浆粘度，以增加井壁颗粒之间的胶结力。使用粘度较大的泥浆可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使井壁的稳定性增强。

该配方要求粘度较高，可提供较大的切力以悬浮岩屑、保护井壁。同时其失水量也较小，防止泥浆中的水分过多地进入地层使其胶结力减弱。故选用3％的哈利土、4％的来安土或3％来安土+0.5％CMC、0.24％～3％防塌剂、0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、0.27％～0.31％降失水剂、0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、0.28％～0.32％润滑剂、余量为水；其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

具体分析了淤泥、粉砂、粘土层钻进的特点，提出关键性指标，第一对于淤泥质地层，需要配制合理比重的泥浆,以保证循环中的泥浆快速形成致密的泥皮，利用泥浆的压强和强韧的泥皮,来平衡易可引起塌陷的地层压力；第二对于粉砂性地层，关键是提高泥浆粘度，以增加井壁颗粒之间的胶结力，使用粘度较大的泥浆可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使井壁的稳定性增强；第三对于粘性地层，应尽量降低泥浆的失水量，防止粘土颗粒的吸水膨胀、遇水溶解，导致泥浆和地层渗透率的破坏和改变，这极易造成钻进程中孔壁坍塌、掉块，容易诱发卡钻、埋钻事故；

根据具体情况作了大量基础优化实验(膨胀量实验、粘度试验、降失水实验、润滑实验、速溶性实验、抗侵能力实验)，优化了针对淤泥、粉砂、粘土层的钻进参数，比如小失水，合理比重，具有较好的粘度，稳定性好，具有一定的抗侵性。大量的基础实验对于淤泥粉砂地层非开挖钻进泥浆性能参数做了很多优化，可以作为以后全国各地区淤泥、粉砂、粘土层钻进的标准使用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进淤泥土层，包括膨润土，其特征在于，各组分及含量如下：

2％～3％来安土或2％的哈利土、

0.24％～3％防塌剂、

0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、

0.27％～0.31％降失水剂、

0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、

0.28％～0.32％润滑剂，

余量为水；

其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，

降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，

润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

2.如权利要求1所述的非开挖钻进的水基钻进液组合物，其特征在于，各组分的含量优选如下：

2.5％来安土、

0.25％防塌剂、

0.18％聚丙烯酰胺、

0.28％降失水剂、

0.3％磺化酚醛树脂、

0.3％润滑剂，

余量为水。

3.一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进粘土层，包括膨润土，其特征在于，各组分及含量如下：

3％～4％哈利土、

0.24％～3％防塌剂、

0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、

0.27％～0.31％降失水剂、

0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、

0.28％～0.32％润滑剂、

余量为水；

其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，

降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，

润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的非开挖钻进的水基钻进液组合物，其特征在于，各组分的含量优选如下：

3.5％哈利土、

0.25％防塌剂、

0.18％聚丙烯酰胺、

0.28％降失水剂、

0.3％磺化酚醛树脂、

0.3％润滑剂，

余量为水。

5.一种非开挖钻进的水基钻进液组合物，用于水平定向钻进粉砂土层，包括膨润土，其特征在于，

3％哈利土和4％来安土或3％来安土和0.5％CMC、

0.24％～3％防塌剂、

0.18％～0.21％聚丙烯酰胺、

0.27％～0.31％降失水剂、

0.27％～0.32％磺化酚醛树脂、

0.28％～0.32％润滑剂、

余量为水；

其中防塌剂可选自腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉及煤碱剂中的任意一种，

降失水剂可选自水解聚丙烯腈及钠羧甲基纤维素中的任意一种，

润滑剂可选自极压润滑剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、磺化妥尔油沥青中的任意一种。

6.一种控制泥浆滤失量的方法，其特征在于，

提供如权利要求1-5中任意一种非开挖钻进的水基钻进液组合物；

添加0.2％～0.4％NaOH或Na₂CO₃；

添加直径小于75μm胶体微粒；

加快钻进速度5％～20％。

7.如权利要求6所述的控制泥浆滤失量的方法，其特征在于，优选方法包括：

提供如权利要求1-5中任意一种非开挖钻进的水基钻进液组合物；

添加0.35％NaOH或Na₂CO₃；

添加直径小于75μm胶体微粒；

加快钻进速度15％。