CN111946297A - 一种填充固化泥浆及水平定向钻注浆防塌工艺 - Google Patents

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刘君伟
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程喜平
余明芮
郭敬
张志豪
高衍涛
韩国杰
董磊
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Abstract

本发明公开一种填充固化泥浆及水平定向钻注浆防塌工艺，填充固化泥浆包括钻井膨润土、水泥及细沙、降粘剂。水平定向钻拖管完成后，将本发明的填充固化泥浆注入到水渠、公路下方的地层与管道空隙中，填充、固化空间，防止塌陷。

Description

一种填充固化泥浆及水平定向钻注浆防塌工艺
技术领域
本发明属于水平定向钻穿越领域，具体涉及一种填充固化泥浆及水平定向钻注浆防塌工艺。
背景技术
随着定向钻技术的成熟，国内定向钻应用越来越广。定向钻施工扩孔直径大于管道直径，管道回拖就位后，管道和地层留有很大缝隙，若此缝隙不作处理将存在很大的地面塌陷风险。管道和地层之间的空间充满了泥浆，而泥浆中80％以上是水。日久天长，水会逐渐流失，会留下很大空间。
以常见的
Figure BDA0002640539750000011
穿越工程为例，扩孔直径为
Figure BDA0002640539750000012
管道和地层留有0.55m3/m的空间，计算公式为1.3162×3.14/4-1.0162×3.14/4＝0.55(m3/m)。事实上，扩孔后地层留下的孔是梨形的，实际留下的空间远大于以上计算值，我们按2倍估算，缝隙容积会高达1.1m3/m。
由于存在较大空间，定向钻穿越重要水渠(如南水北调)、公路时存在塌陷的风险，传统方法是预夯套管。而预夯套管长度一般不超过100m，超过100m的预夯套管施工难度极大，一般很难成功。而且水渠、公路管理部门对塌陷问题越来越重视，但始终没有很好的解决方法。
发明内容
针对穿越施工后存在的塌陷问题，本发明提出一种填充固化泥浆及注浆防塌工艺，能够有效防止穿越段管道与地层间空隙的塌陷。
根据本发明的第一个实施方案，提供一种填充固化泥浆，以填充固化泥浆总重量为基准，其包括膨润土：3-5％；32.5水泥：12-17％；细沙(细砂)：12-17％；降粘剂：0.08-0.3％；水：62-70％；
优选地，包括膨润土：3-4.5％；32.5水泥：13-16％；细沙：13-16％；降粘剂：0.1-0.2％；水：65-69％；
更优选地，包括膨润土：3.2-4％；32.5水泥：13.2-15.3％；细沙：13.2-15.3％；降粘剂：0.1-0.2％；水：66.5-67.3％；
最优选地，包括膨润土：3.67％；32.5水泥：14.70％；细沙：14.70％；降粘剂：0.13％；水：66.80％。
进一步地，填充固化泥浆的固相含量一般为填充固化泥浆固相含量为30-38％，优选为33-35％。
进一步地，填充固化泥浆的马氏漏斗粘度为60-90s，优选不大于120s；抗压强度为0.5-5MPa，优选不小于0.5MPa；体积收缩率为6-8％，优选不大于10％。
膨润土，优选为钻井级膨润土，更优选为钻井一级膨润土，技术指标符合《钻井液材料规范》GBT 5005-2010要求；可以购自生产厂家：南京惠利通膨润土科技有限公司、杭州捷高膨润土技术开发有限公司、宣化燕北矿业有限责任公司。
水泥优选为硅酸盐水泥，优选32.5水泥、42.5水泥、52.5水泥、62.5水泥，更优选32.5水泥。技术指标符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007要求。
细沙粒径例如为0.10-0.3mm，优选粒径0.125-0.25mm，更优选0.15-0.20mm。
降粘剂可以使用通常的钻井液用降粘剂，例如选自焦膦酸钠、木质素磺酸铁、单宁酸钾、多聚磷酸盐和磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物中的一种或多种，优选选自选自焦膦酸钠、木质素磺酸铁、单宁酸钾中的一种或多种。
本发明的第二个技术方案，提供了上述填充固化泥浆的制备方法，包括按比例将水加入至配浆罐中，然后膨润土、水泥、细沙按比例混合后加入到配浆罐搅拌，再加入降粘剂充分搅拌。
根据本发明的第三个技术方案，提供一种使用上述填充固化泥浆进行填充注孔的工艺，该工艺具体包括：
(1)首先，将混浆罐、注浆泵使用浆液输送管道连接起来，注浆泵的出浆口与注浆管的进口连接，将注浆管固定在回拖管道上，在回拖主管线时，利用钻机，将固定好的注浆管与主管线一起，同时拖入地下孔洞；
(2)按比例将水加入至配浆罐中，然后钻井膨润土、水泥、细沙按比例混合后加入到配浆罐搅拌，再加入降粘剂充分搅拌，进行填充固化泥浆的配置，配置完成后启动泥浆泵，填充固化泥浆经泥浆泵进入注浆管到达管道与地层间的空隙；
(3)利用填充固化泥浆压力，将孔内钻井泥浆逐步排出至孔外，使压入的填充固化泥浆浆液填充到环形空隙，直到穿越点两侧流淌出填充固化泥浆，环形空隙的钻井泥浆被置换完全后，停止注浆。
优选地，注浆泵压力从0.1MPa缓慢速调到0.49-1.5MPa，有一侧冒泥浆时，可用土将出口埋住，促使填充固化泥浆向另一侧流动。
进一步地，将注浆管固定在回拖管道上。固定方式可以选择以下几种方式：
(A)捆扎方式，将作为注浆管固定在回拖的主管线上；
(B)钢管固定，用焊接方式,将注浆管焊接在拖拉头上；
(C)PE管固定，选一根与PE管直径接近钢管，长度0.5-2m，将钢管焊接在拖拉头上。将PE管套在钢管上，达到固定PE管的目的；
(D)多管回拖时，可以将注浆管作为回拖管之一，与其它管线一起固定。
进一步地，根据注浆需要，注浆管的注浆口可以选择以下几种方式：
①注浆管尾端开口，填充固化泥浆从尾端开口处直接注入地下孔隙中；
②注浆管尾端设置1个φ8-20mm，优选10-14mm喷嘴，根据需要，每隔20-120m，优选50-100m，用电钻在注浆管上钻6-15mm，优选8-10mm的孔作为喷嘴，填充固化泥浆通过设置的喷嘴注入地下孔隙中。
进一步地，根据注浆需要，确定注浆管长度。
局部注浆时，注浆管长度确定。
①如果选择注浆管尾端注浆，注浆管尾端要预留在注浆段的中间部位；
②如果选择注浆管尾端喷嘴+注浆管管身喷嘴注浆，注浆管尾端预留在注浆段最远距离减30m处即可；据此计算注浆管长度。
需要全程注浆时，注浆管长度确定。
①当定向钻穿越长度大于600-700m时，注浆管长度为定向钻穿越长度减200-300m即可。可选择注浆管尾端注浆，边回拔注浆管边注浆；也可选择注浆管尾端喷嘴+注浆管管身喷嘴注浆，注浆管不再回拉，弃于地下即可。
②当定向钻穿越长度小于600-700m时，注浆管长度为定向钻穿越长度的2/5-3/5，优选约1/2，即注浆管尾端要预留在穿越曲线的中间部位。
进一步地，注浆点距水平定向钻的出/入土点10-40m，优选15-20m。
进一步地，水平定向钻回拖管道时，注浆管随回拖管被拖至注浆点注浆，注浆管插入管道与地层间的空隙10-30m，优选15-25m，注浆管为长度100-800m、内径60-100mm的钢导管。
进一步地，注浆泵进行注浆时，可将填充固化泥浆配好后，开始注浆；或采用边配浆边注浆方式完成。
进一步地，注浆过程中，注浆速度为0.5-2m3/h，优选为0.8-1.5m3/h，注浆压力从0.1MPa慢速调到0.49MPa，避免填充固化泥浆压力过高将公路、水渠顶变形或跑冒浆情况的发生。
进一步地，注浆过程中，可边注浆边回拔注浆管；也可一次性完成注浆，注浆完毕后，不回拔注浆管，将注浆管弃留在地下即可。
注浆过程及时清运返出的钻井泥浆，避免泥浆蔓延污染土地或水源。
本发明的有益效果：
本发明的填充固化泥浆及水平定向钻注浆防塌工艺，通过将填充固化泥浆注入到穿越段管道与地层间空隙中，填充、固化空隙，消除地面塌陷风险，固定管道，支撑保护穿越管道。本发明的填充固化泥浆具有如下特性：
(1)填充固化泥浆具有良好的流动性，便于将填充固化泥浆泵入地下；
(2)有较长的固化时间，在注浆施工期间，不会失去流动性，保证注浆的实施。
(3)有适宜的抗压强度，能支撑空间和稳固管道；
(4)体积收缩率小，保证支撑空间和稳固管道的效果。
附图说明
图1为本发明用于穿越河流的注浆防塌示意图。
图2为本发明用于穿越公路的注浆防塌示意图。
图3为本发明的注浆工艺流程图。
附图标记：
1-混浆罐，2-注浆泵，3-回拖管，4-注浆管。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，本发明用于穿越河流的注浆防塌工艺，具体包括：
(1)首先，将混浆罐1、注浆泵2固定在注浆点附近，注浆点距水平定向钻的出/入土点约15-20m，使用浆液输送管道连接起来，注浆泵的出浆口与注浆管4的进口连接，其中，将注浆管固定在回拖管道上，注浆管4随回拖管3被拖至注浆点注浆，注浆管插入管道与地层间的空隙30mm，注浆管选用长度200m、内径80mm，注浆过程中，边注浆边回拔注浆管，注浆管尾端开口，填充固化泥浆通过开口注入地下孔隙中；
(2)按比例将1000Kg水加入至配浆罐中，然后加入60Kg钻井级膨润土、220Kg 32.5水泥、220Kg细沙到配浆罐，搅拌后再加2Kg木质素磺酸铁(降粘剂)，搅拌10min，进行填充固化泥浆的配置，配置完成后，填充固化泥浆固相含量为33.20％、马氏漏斗粘度为103s、强度4.5MPa、体积收缩率为5.5％，启动泥浆泵，注浆速度为1.5m3/h，注浆压力从0.1MPa慢速调到0.49MPa，填充固化泥浆经泥浆泵进入注浆管到达管道与地层间的空隙；
(3)边配浆边注浆，利用填充固化泥浆压力，将孔内钻井泥浆逐步排出至孔外，使压入的填充固化泥浆浆液填充到环形空隙，出土侧冒泥浆时，开始回拖注浆管，边回拖边注浆，直到填充固化泥浆从入土侧流出，停止注浆；将注浆管拔出即可。
注入的填充固化泥浆约6-7h后初凝固，2-4天后终凝，形成固体，不会流失，也不会分解，因此永远不会塌方。
实施例2
如图2所示，本发明用于穿越公路的注浆防塌工艺，具体包括：
(1)首先，将混浆罐1、注浆泵2固定在注浆点附近，注浆点距水平定向钻的入土点20m，使用浆液输送管道连接起来，注浆泵2的出浆口与注浆管4的进口连接，其中，将注浆管4固定在回拖管3上，注浆管4随回拖管3被拖至注浆点注浆，注浆管插入管道与地层间的空隙30mm，注浆管选用长度500m、内径100mm的钢导管，注浆管尾端设置1个φ14mm喷嘴，每隔50m，用电钻在注浆管上钻8mm的孔作为喷嘴，填充固化泥浆通过设置的喷嘴注入地下孔隙中；
(2)按比例将1000Kg水加入至配浆罐中，然后加入50Kg钻井膨润土、200Kg32.5水泥、200Kg细沙到配浆罐，搅拌后再加1.5Kg单宁酸钾(降粘剂)，搅拌7min，进行填充固化泥浆的配置，配置完成后，填充固化泥浆固相含量为31.09％、马氏漏斗粘度为76s、强度1.2MPa、体积收缩率为8.2％，启动泥浆泵，注浆速度为1m3/h，注浆压力从0.1MPa慢速调到0.49MPa，填充固化泥浆经泥浆泵进入注浆管到达管道与地层间的空隙；
(3)边配浆边注浆，利用填充固化泥浆压力，将孔内钻井泥浆逐步排出至孔外，使压入的填充固化泥浆浆液填充到环形空隙，直到穿越点两侧流淌出填充固化泥浆，环形空隙的钻井泥浆被置换完全后，停止注浆，入土侧有填充固化泥浆流出时，用土将入土点冒浆点填死，促使填充固化泥浆向出土侧流动。出土侧有填充固化泥浆流出时，注浆完毕后，不回拔注浆管，将注浆管弃留在地下。
注入的填充固化泥浆约7-8h后初凝固，4-6天后终凝，形成固体，不会流失，也不会分解，因此永远不会塌方。

Claims (10)

1.一种填充固化泥浆，以填充固化泥浆总重量为基准，其包括膨润土：3-5％；水泥：12-17％；细沙：12-17％；降粘剂：0.08-0.3％；水：62-70％；
优选地，包括膨润土：3-4.5％；水泥：13-16％；细沙：13-16％；降粘剂：0.1-0.2％；水：65-69％；
更优选地，包括膨润土：3.2-4％；水泥：13.2-15.3％；细沙：13.2-15.3％；降粘剂：0.1-0.2％；水：66.5-67.3％；
最优选地，包括膨润土：3.67％；水泥：14.70％；细沙：14.70％；降粘剂：0.13％；水：66.80％。
2.根据权利要求1所述的填充固化泥浆，其特征在于，填充固化泥浆固相含量为30-38％，优选为33-35％；
和/或
膨润土为钻井一级膨润土，技术指标符合《钻井液材料规范》GBT 5005-2010要求；和/或
降粘剂选自焦膦酸钠、木质素磺酸铁、单宁酸钾、多聚磷酸盐和磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物中的一种或多种，优选选自选自焦膦酸钠、木质素磺酸铁、单宁酸钾中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的填充固化泥浆，其特征在于，填充固化泥浆的马氏漏斗粘度为70-120s，优选不大于120s；抗压强度为0.5-5MPa，优选不小于0.5MPa；体积收缩率为1-10％，优选不大于10％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的填充固化泥浆的制备方法，包括按比例将水加入至配浆罐中，然后膨润土、水泥、细沙按比例混合后加入到配浆罐搅拌，再加入降粘剂充分搅拌。
5.一种使用权利要求1-3中任一项所述的填充固化泥浆进行填充注孔的工艺，该工艺具体包括：
(1)首先，将混浆罐、注浆泵使用浆液输送管道连接起来，注浆泵的出浆口与注浆管的进口连接，将注浆管固定在回拖管道上，在回拖主管线时，利用钻机，将固定好的注浆管与主管线一起，同时拖入地下孔洞；
(2)按比例将水加入至配浆罐中，然后钻井膨润土、水泥、细沙按比例混合后加入到配浆罐搅拌，再加入降粘剂充分搅拌，进行填充固化泥浆的配置，配置完成后启动泥浆泵，填充固化泥浆经泥浆泵进入注浆管到达管道与地层间的空隙；
(3)利用填充固化泥浆压力，将孔内钻井泥浆逐步排出至孔外，使压入的填充固化泥浆浆液填充到环形空隙，直到穿越点两侧流淌出填充固化泥浆，环形空隙的钻井泥浆被置换完全后，停止注浆；优选地，在步骤(3)中，注浆泵压力从0.1MPa缓慢速调到0.49-1.5MPa，有一侧冒泥浆时，可用土将出口埋住，促使填充固化泥浆向另一侧流动。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，注浆点距水平定向钻的出/入土点10-40m，优选15-20m。
7.根据权利要求5或6所述的工艺，其特征在于，水平定向钻回拖管道时，注浆管随回拖管被拖至注浆点注浆，注浆管插入管道与地层间的空隙10-30m，优选15-25m，注浆管为长度100-800m、内径60-100mm的钢导管。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的工艺，其特征在于，注浆泵进行注浆时，可将填充固化泥浆配好后，开始注浆；或采用边配浆边注浆方式完成。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的工艺，其特征在于，注浆过程中，注浆速度为0.5-2m3/h，优选为0.8-1.5m3/h，注浆压力从0.1MPa逐步调至0.49MPa；和/或
注浆过程中，边注浆边回拔注浆管；或者一次性完成注浆，注浆完毕后，不回拔注浆管，将注浆管弃留在地下即可。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的工艺，其特征在于，固定方式选自以下的任意一种：
(A)捆扎方式，将作为注浆管固定在回拖的主管线上；
(B)钢管固定，用焊接方式,将注浆管焊接在拖拉头上；
(C)PE管固定，选一根与PE管直径接近钢管，长度0.5-2m，将钢管焊接在拖拉头上。将PE管套在钢管上，达到固定PE管的目的；
(D)多管回拖时，可以将注浆管作为回拖管之一，与其它管线一起固定；和/或
注浆管的注浆口选自以下的任意一种：
①注浆管尾端开口，填充固化泥浆从尾端开口处直接注入地下孔隙中；
②注浆管尾端设置1个φ8-20mm，优选10-14mm喷嘴，任选地，每隔20-120m，优选50-100m，用电钻在注浆管上钻6-15mm，优选8-10mm的孔作为喷嘴，填充固化泥浆通过设置的喷嘴注入地下孔隙中；和/或
注浆管长度如下确定：
局部注浆时，注浆管长度根据以下方式的任意一种来确定：
①如果选择注浆管尾端注浆，注浆管尾端要预留在注浆段的中间部位；
②如果选择注浆管尾端喷嘴+注浆管管身喷嘴注浆，注浆管尾端预留在注浆段最远距离减30m处即可；据此计算注浆管长度；
全程注浆时，注浆管长度根据以下方式确定：
①当定向钻穿越长度大于600-700m时，注浆管长度为定向钻穿越长度减200-300m；
②当定向钻穿越长度小于600-700m时，注浆管长度为定向钻穿越长度的2/5-3/5，优选约1/2，即注浆管尾端要预留在穿越曲线的中间部位。
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