CN110387221A - 一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆及其制备方法 - Google Patents

一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆及其制备方法 Download PDF

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李雄威
李书进
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Abstract

本发明涉及一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆及其制备方法，所述泥浆包括如下重量份组分：聚乙烯醇1～3份、膨润土15～35份、纯碱1.2～3.0份、交联剂0.02～1.2份、水957.8～982.8份；该泥浆性能指标优良：密度1.02g/cm3～1.1g/cm3、漏斗粘度20～35s、API失水量(0.7MPa压差)8～16ml/30min，泥浆浆液流型属于宾汉流体，泥皮薄而致密，具有良好剪切稀释性和净化聚沉钻渣的能力，对复杂岩土地层具有较强的胶结护壁防塌作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，确保了地下工程的施工质量；可大幅度降低高分子聚合物的用量，降低钻孔成本，可降低30％左右。

Description

一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及地质勘察工程及岩土工程技术领域，具体涉及一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆及其制备方法。
背景技术
近些年来，岩土钻孔(槽)工程在国民经济和社会发展中发挥着越来越大的作用，已广泛应用于矿产资源勘探和部分矿产的开采、水文地质勘探、工程地质和环境地质勘察、地质灾害的防治与环境治理、工民建和道路桥梁的基础工程、垃圾填埋场防渗隔离墙等工程领域。在诸领域钻孔(或钻挖槽)工程施工中，经常遇到风化、松散、破碎、节理裂隙发育、矿层蚀变带、遇水膨胀(水敏性)等复杂地层，该类岩土层孔壁极不稳定，容易发生坍塌、漏失、掉块等施工事故。如何确保复杂地层孔壁的稳定性是地下岩土工程施工需要解决的主要技术难题之一。实践证明，选用固壁性能好的泥浆(亦称之为钻井液)是确保复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程施工质量、降低生产成本的最有效途径之一。
目前，现有岩土钻孔(槽)工程护壁泥浆主要是细分散泥浆、钙处理粗分散泥浆、不分散低固相泥浆、聚合物型无固相泥浆等。其中，聚合物型无固相泥浆的固壁性能较好，但其泥浆成本较高，应用受到一定限制。
另外，本发明属于国家自然科学基金项目“垃圾填埋场PBFC防渗浆材性能与墙体变形分析”(项目编号：51678083)资助研究成果。
发明内容
为了解决地质勘察工程及岩土工程技术领域中岩土层孔壁极不稳定，容易发生施工事故的技术问题已经现有技术中泥浆成本较高的问题，而提供一种成本低、无环境污染、固壁能力强的聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆及其制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆，包括如下重量份组分：聚乙烯醇1～3份、膨润土15～35份、纯碱1.2～3.0份、交联剂0.02～1.2份、水957.8～982.8份。
进一步地，所述聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度为88％。
进一步地，所述膨润土中含有重量百分数为40～50％的蒙脱石。是一种造浆率较高的黏土。
进一步地，所述交联剂为碳酸锂或氯化铁；所述交联剂为碳酸锂时，重量份的用量为0.02～0.1份，当所述交联剂为氯化铁时，重量份的用量为0.5～1.2份。
本发明另一目的在于提供一种上述低固相泥浆的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取相应重量份聚乙烯醇、膨润土、纯碱、交联剂和水，常温下将纯碱溶解于适量水中形成纯碱溶液，然后将膨润土加入所述纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
(2)常温下将聚乙烯醇溶解于适量水中，搅拌均匀后得到聚乙烯醇溶液，静置后待用；
(3)常温下将交联剂溶于适量水中，搅拌后得到交联剂溶液，待用；
(4)将余量的水加入步骤(1)经过碱化的膨润土浆液中搅拌均匀，然后加入步骤(2)的聚乙烯醇溶液，继续搅拌均匀，最后加入步骤(3)的交联剂溶液，继续搅拌均匀，即得到聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆。
进一步地，步骤(1)中所述膨润土浆液的质量分数≤50％，所述静置浸泡的时间为12h以上。
进一步地，步骤(2)中所述聚乙烯醇溶液的质量分数≤10％，所述静置的时间为1h。
进一步地，步骤(3)中所述交联剂与水的质量比为(0.02～1.2):(1～10)。
有益技术效果：
(1)本发明低固相泥浆先将膨润土进行碱化，并采用聚乙烯醇与交联剂—碳酸锂或氯化铁进行交联，聚乙烯醇分子羟基上带负电性的氧原子与交联剂中带正电性的锂离子和铁离子产生正负电性作用，进而产生交联，同时，膨润土蒙脱石晶胞外侧的硅氧四面体中的带负电性氧原子与交联剂中带正电性的锂离子和铁离子也产生正负电性作用，进一步增强了交联作用，致使在破碎岩层表面形成了一层致密的网状吸附膜及泥皮膜，该膜能快速实现对松散岩石或碎石土的吸附胶结作用；
(2)确保复杂地层孔壁的稳定性，起到较好的固壁作用，同时提高钻孔或槽的工程质量与施工效率；
(3)本发明低固相泥浆因为添加少量膨润土，可使体系维持在低固相状态，使孔内循环时泥浆携带钻屑能力及在地面静止时聚沉钻屑能力都非常强；本发明低固相泥浆的原材料使用均较少，成本低，按目前泥浆处理剂市场价格计算，配置本发明1m3低固相泥浆的成本为20-35元，较其他各类聚合物型无固相泥浆及低固相泥浆可降低30％左右；且无毒环保，便于施工现场配制和使用，可回收重复使用。
(4)本发明的聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆的性能指标优良：密度1.02g/cm3～1.1g/cm3、漏斗粘度20～35s、API失水量(0.7MPa压差)8～16ml/30min，泥浆浆液流型属于宾汉流体，塑性粘度3.5～7.5mPa.s、表观粘度5.5～9.5mPa.s、动切力2.8Pa～5.3Pa，厚度0.2mm～0.5mm泥皮薄而致密，具有良好剪切稀释性和净化聚沉钻渣的能力，对软弱、风化、松散、破碎、节理裂隙发育、遇水膨胀或水敏性等复杂岩土地层具有较强的胶结护壁防塌作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，确保了地下工程的施工质量；对见水即散的碎石砂样放入该泥浆中久泡不散，并且砂样放入该泥浆中只浸泡1s，取出后立即放入清水中仍然久泡不散；抗高温稳定性好，能承受较高的井内液柱压力，适合于5000m左右的深孔钻进要求，可广泛用于各类地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程等钻孔(或钻挖槽)、垃圾填埋场防渗墙槽孔施工等工程领域。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。
实施例1
本实施例的每立方米聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆包括如下重量的组分：聚乙烯醇2.0kg、膨润土25kg、纯碱2.0kg、碳酸锂0.06kg、水971kg，所述膨润土中含有重量百分数为50％的蒙脱石。
上述低固相泥浆的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取上述重量的组分，常温下将2.0kg纯碱溶解于50kg水中，形成纯碱溶液，然后将25kg膨润土加入所述纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，浸泡12h，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
(2)常温下将2.0kg聚乙烯醇(PVA)粉剂溶于20kg水中，搅拌均匀后得到PVA溶液，静置1h待用；
(3)常温下将0.06kg碳酸锂溶于1kg水中，搅拌均匀后得到碳酸锂溶液，待用；
(4)将余量水即900kg水加入步骤(1)经碱化的膨润土浆液，搅拌10min至均匀状态，然后加入步骤(2)的PVA溶液，继续搅拌10min至均匀状态，最后加入步骤(3)的碳酸锂溶液，继续搅拌10min至均匀状态，即得到聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆。
本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。
实施例2
本实施例的每立方米聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆包括如下重量的组分：聚乙烯醇1.0kg、膨润土15kg、纯碱1.2kg、碳酸锂0.02kg、水982.8kg，所述膨润土中含有重量百分数为40％的蒙脱石。
上述低固相泥浆的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取上述重量的组分，常温下将1.2kg纯碱溶解于40kg水中，形成纯碱溶液，然后将15kg膨润土加入所述纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，浸泡12h，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
(2)常温下将1.0kg聚乙烯醇(PVA)粉剂溶于10kg水中，搅拌均匀后得到PVA溶液，静置1h待用；
(3)常温下将0.02kg碳酸锂溶于1kg水中，搅拌均匀后得到碳酸锂溶液，待用；
(4)将余量水即931.8kg水加入步骤(1)经碱化的膨润土浆液，搅拌10min至均匀状态，然后加入步骤(2)的PVA溶液，继续搅拌10min至均匀状态，最后加入步骤(3)的碳酸锂溶液，继续搅拌10min至均匀状态，即得到聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆。
本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。
实施例3
本实施例的每立方米聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆包括如下重量的组分：聚乙烯醇3.0kg、膨润土35kg、纯碱3.0kg、氯化铁1.2kg、水957.8kg，所述膨润土中含有重量百分数为45％的蒙脱石。
上述低固相泥浆的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取上述重量的组分，常温下将3.0kg纯碱溶解于80kg水中，形成纯碱溶液，然后将35kg膨润土加入所述纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，浸泡12h，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
(2)常温下将3.0kg聚乙烯醇(PVA)粉剂溶于30kg水中，搅拌均匀后得到PVA溶液，静置1h待用；
(3)常温下将1.2kg氯化铁溶于10kg水中，搅拌均匀后得到氯化铁溶液，待用；
(4)将余量水即837.8kg水加入步骤(1)经碱化的膨润土浆液，搅拌10min至均匀状态，然后加入步骤(2)的PVA溶液，继续搅拌10min至均匀状态，最后加入步骤(3)的碳酸锂溶液，继续搅拌10min至均匀状态，即得到聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆。
本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。
表1实施例1～3的泥浆配方及性能参数
注：砂样浸泡实验是指：①将干砂团放入泥浆中浸泡48h以上；②将干砂团放入泥浆中浸泡1s后取出来再放入水中浸泡48h以上。这两种浸泡方式同时进行，砂样皆保持固结状态而不散为合格。
由表1可知，本发明的聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆的性能指标优良：密度1.02g/cm3～1.1g/cm3、漏斗粘度20～35s、API失水量(0.7MPa压差)8～16ml/30min，泥浆浆液流型属于宾汉流体，塑性粘度3.5～7.5mPa.s、表观粘度5.5～9.5mPa.s、动切力2.8Pa～5.3Pa，厚度0.2mm～0.5mm泥皮薄而致密，具有良好剪切稀释性和净化聚沉钻渣的能力，对软弱、风化、松散、破碎、节理裂隙发育、遇水膨胀或水敏性等复杂岩土地层具有较强的胶结护壁防塌作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，确保了地下工程的施工质量；对见水即散的碎石砂样放入该泥浆中久泡不散，并且砂样放入该泥浆中只浸泡1s，取出后立即放入清水中仍然久泡不散。
在一定温度和压力条件下测试泥浆的稳定性能，发现在井温90℃以内泥浆性能都不会发生改变，抗高温稳定性好；且满足5000m左右的深孔钻进要求，能承受较高的井内液柱压力，可广泛用于各类地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程等钻孔(或钻挖槽)、垃圾填埋场防渗墙槽孔施工等工程领域。

Claims (8)

1.一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆，其特征在于，包括如下重量份组分：聚乙烯醇1～3份、膨润土15～35份、纯碱1.2～3.0份、交联剂0.02～1.2份、水957.8～982.8份。
2.根据权利要求1所述的一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆，其特征在于，所述聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度为88％。
3.根据权利要求1所述的一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆，其特征在于，所述膨润土中含有重量百分数为40～50％的蒙脱石。
4.根据权利要求1所述的一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆，其特征在于，所述交联剂为碳酸锂或氯化铁；当所述交联剂为碳酸锂时，重量份的用量为0.02～0.1份，当所述交联剂为氯化铁时，重量份的用量为0.5～1.2份。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取相应重量份聚乙烯醇、膨润土、纯碱、交联剂和水，常温下将纯碱溶解于适量水中形成纯碱溶液，然后将膨润土加入所述纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
(2)常温下将聚乙烯醇溶解于适量水中，搅拌均匀后得到聚乙烯醇溶液，静置后待用；
(3)常温下将交联剂溶于适量水中，搅拌后得到交联剂溶液，待用；
(4)将余量的水加入步骤(1)经过碱化的膨润土浆液中搅拌均匀，然后加入步骤(2)的聚乙烯醇溶液，继续搅拌均匀，最后加入步骤(3)的交联剂溶液，继续搅拌均匀，即得到聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆。
6.根据权利要求5所述的一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述膨润土浆液的质量分数≤50％，所述静置浸泡的时间为12h以上。
7.根据权利要求5所述的一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述聚乙烯醇溶液的质量分数≤10％，所述静置的时间为1h。
8.根据权利要求5所述的一种聚乙烯醇类护孔固壁型低固相泥浆的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述交联剂与水的质量比为(0.02～1.2):(1～10)。
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