CN112574724A - 用于定向钻穿越黏土层的泥浆 - Google Patents

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陈亚东
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Abstract

本发明公开了一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆。由如下重量份数的组分组成：膨润土70‑85Kg/m3、碱1.5‑2.5Kg/m3、改性丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物2.5‑4.5Kg/m3、硅酸镁铝3.5‑5.5Kg/m3、降失水剂2.5‑3.5Kg/m3，余量为水。本发明的泥浆采用膨润土和碱作为主料，具有良好的分散吸附和润滑的性能，改性丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物和硅酸镁铝的复合使用，增强了材料的静切力，使得定向钻钻孔悬浮粉屑的能力增强，能有效防止泥浆中因粗屑颗粒快速下沉而造成的孔内埋钻事故；降失水剂采用N‑甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈复合的技术方案，降低了泥浆的失水率和泥饼形成厚度，保证定向钻的顺利穿行。

Description

用于定向钻穿越黏土层的泥浆
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆。
背景技术
水平定向钻技术发展已经有30余年，具有开挖空间少、施工迅速、容易防护等优点，广泛应用于穿越铁路、公路、河流、沙地等，水平定向钻进泥浆钻进粘土层时，钻屑混入泥浆悬浮在泥浆中，密度增加，粘度切力急剧上升，易出现孔洞塌方及卡钻的现象。
泥浆在水平定向钻孔过程中的主要作用是冷却孔底钻具、携带钻屑并排到地表、稳定孔壁和降低钻头切削土体时所需的扭矩以及回拉力。在钻进的过程中，钻头叶片对土层有切削作用，还可将注入的浆液和土体碎屑搅拌在一起，在钻孔内形成粘稠泥浆。施工中采用膨润土和水的混合液作为润滑液，由于钻头直径比钻杆大，在钻杆与孔壁之间就形成了较大的空隙，为维持钻孔孔壁的稳定，避免上部的土层碎屑落到钻孔内，必须在土压力上升达到全值之前使泥浆能充满这些空隙，此时泥浆不仅要有很好的润滑作用，还要有一定的支撑作用。在液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过孔壁空隙向地层中渗透导致泥浆失水，泥浆失水导致厚泥皮的形成，加大对钻头的吸附，导致钻杆摩阻力的增大和回转阻力的增加。充满隧道的泥浆具有稳定孔壁的作用，可明显降低钻头的扭矩和回拖力，减小拖管时管壁所受的摩擦力，但如果混合泥浆在扩孔过程中发生沉析，则将影响到泥浆的减摩作用，影响到其稳定孔壁的效果，因此，泥浆在扩孔过程中的稳定性对定向钻孔的施工十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆。
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土70-85Kg/m3、碱1.5-2.5Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物2.5-4.5Kg/m3、硅酸镁铝3.5-5.5Kg/m3、降失水剂2.5-3.5Kg/m3，余量为水。
所述碱为氢氧化钠或者氢氧化钾。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物30-50份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷10-20份、硅藻土3-10份加入到高速混合机中，于90-100℃下混合10-15min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物。
所述水解聚丙烯腈的分子量为10-15万。
所述降失水剂为羟乙基纤维素。
所述泥浆还包括CP-233磺化妥尔油沥青1.5-2.5Kg/m3。
本发明的有益效果：本发明的泥浆采用膨润土和碱作为主料，具有良好的分散吸附和润滑的性能，改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和硅酸镁铝的复合使用，增强了材料的静切力，使得定向钻钻孔悬浮粉屑的能力增强，能有效防止泥浆中因粗屑颗粒快速下沉而造成的孔内埋钻事故；降失水剂采用N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈复合的技术方案，降低了泥浆的失水率和泥饼形成厚度，保证定向钻的顺利穿行。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
下述实施例中N-甲基二烯丙基丙磺酸盐采用专利201410198689.3中的方法制备，其他化学试剂均为市售购买得到。
实施例1
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3Kg/m3、硅酸镁铝4Kg/m3、降失水剂3Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物40份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷15份、硅藻土8份加入到高速混合机中，于95℃下混合12min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为12万。
实施例2
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土70Kg/m3、氢氧化钾1.5Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物2.8Kg/m3、硅酸镁铝3.8Kg/m3、降失水剂2.7Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物35份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷12份、硅藻土5份加入到高速混合机中，于90℃下混合10min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为10万。
实施例3
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土85Kg/m3、氢氧化钠2.5Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物4.5Kg/m3、硅酸镁铝5.5Kg/m3、降失水剂3.5Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物48份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷18份、硅藻土9份加入到高速混合机中，于100℃下混合15min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为15万。
实施例4
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土78Kg/m3、氢氧化钾2.2Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物2.8Kg/m3、硅酸镁铝4.8Kg/m3、羟乙基纤维素3.2Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物42份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷12份、硅藻土5份加入到高速混合机中，于92℃下混合14min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
实施例5
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土75Kg/m3、氢氧化钠1.8Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3.5Kg/m3、硅酸镁铝4.5Kg/m3、羟乙基纤维素3.1Kg/m3，CP-233磺化妥尔油沥青1.8Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物32份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷12份、硅藻土5份加入到高速混合机中，于100℃下混合12min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
对比例1
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、硅酸镁铝4Kg/m3、降失水剂3Kg/m3，余量为水。
所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为12万。
对比例2
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3Kg/m3、降失水剂3Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物40份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷15份、硅藻土8份加入到高速混合机中，于95℃下混合12min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为12万。
对比例3
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3Kg/m3、硅酸镁铝4Kg/m3、N-甲基二烯丙基丙磺酸盐3Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物40份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷15份、硅藻土8份加入到高速混合机中，于95℃下混合12min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
对比例4
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3Kg/m3、硅酸镁铝4Kg/m3、水解聚丙烯腈3Kg/m3，余量为水。
所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物40份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷15份、硅藻土8份加入到高速混合机中，于95℃下混合12min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；所述降失水剂为水解聚丙烯腈，分子量为12万。
实验例1：
按照ZB/T E13 004-90《钻井液测试程序》标准对实施例1-5及对比例1-4的泥浆进行测试，测试指标包括密度(g/cm3)、粘度(s)、静切力(Pa)、失水(mL)、泥饼(mm)，测试结果见表1-2：
表1
Figure BDA0002829325980000071
注：*代表与实施例1组比较P<0.05。
表2
Figure BDA0002829325980000081
注：*代表与实施例1组比较P<0.05。
对比例5
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3Kg/m3、硅酸镁铝4Kg/m3、降失水剂3Kg/m3，余量为水。
所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为12万。
对比例6
一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，由如下重量份数的组分组成：膨润土80Kg/m3、氢氧化钠2Kg/m3、改性苯乙烯-马来酸酐-丙烯腈共聚物3Kg/m3、硅酸镁铝4Kg/m3、降失水剂3Kg/m3，余量为水。
所述改性苯乙烯-马来酸酐-丙烯腈共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取苯乙烯-马来酸酐-丙烯腈共聚物40份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷15份、硅藻土8份加入到高速混合机中，于95℃下混合12min，干燥，得改性苯乙烯-马来酸酐-丙烯腈共聚物；所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物；所述水解聚丙烯腈的分子量为12万。
实验例2：
按照ZB/T E13 004-90《钻井液测试程序》标准对实施例1-5及对比例1-4的泥浆进行测试，测试指标包括密度(g/cm3)、粘度(s)、静切力(Pa)，测试结果见表3：
表3
Figure BDA0002829325980000091
注：*代表与实施例1组比较P<0.05。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，由如下重量份数的组分组成：膨润土70-85Kg/m3、碱1.5-2.5Kg/m3、改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物2.5-4.5Kg/m3、硅酸镁铝3.5-5.5Kg/m3、降失水剂2.5-3.5Kg/m3，余量为水。
2.根据权利要求1所述用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，所述碱为氢氧化钠或者氢氧化钾。
3.根据权利要求1所述用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，所述改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物采用如下方法制备：按照重量份数，取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物30-50份、二乙氨基甲基三乙氧基硅烷10-20份、硅藻土3-10份加入到高速混合机中，于90-100℃下混合10-15min，干燥，得改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
4.根据权利要求1所述用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，所述降失水剂为N-甲基二烯丙基丙磺酸盐与水解聚丙烯腈按照质量比1：1混合的混合物。
5.根据权利要求4所述用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，所述水解聚丙烯腈的分子量为10-15万。
6.根据权利要求1所述用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，所述降失水剂为羟乙基纤维素。
7.根据权利要求1所述用于定向钻穿越黏土层的泥浆，其特征在于，所述泥浆还包括CP-233磺化妥尔油沥青1.5-2.5Kg/m3。
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