非开挖：平衡淤泥质地层的泥浆比重设计及配方调整

内容摘要：非开挖铺管时泥浆比重宜控制在1.02g/cm3～1.25g/cm3。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。研究了淤泥质地层的泥浆比重设计及配方问题。总结出配制加重泥浆时应合理选用加重剂和悬浮剂，并对加重剂的比重等参数进行确认。

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。就其成因来看，有滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积及沼泽沉积四种。在天津、上海和广州等沿海城市，长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等平原地区，洞庭湖、洪泽湖、太湖和鄱阳湖四周，以及昆明滇池地区，都埋藏有厚度达数米至数十米的淤泥及淤泥质土。天然含水量大于液限、天然空隙比大于或等于1.5的粘性土为淤泥。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的粘性土或粉土为淤泥质土。

淤泥质地层具有流塑性，既要防止欠平衡造成内撑压力不足而缩径，又要防止超平衡造成地层软化而缩径，孔内泥浆的压力应与孔深处的地应力相平衡。因此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。

1泥浆比重设计

非开挖铺管时泥浆比重宜控制在1.02g/cm³～1.25g/cm³。

由于淤泥质地层质软，泊松比大，扩孔时缩颈程度明显高于常规地层，因此淤泥质土的比重应尽量取上限值。要配制大比重泥浆，可直接用增大膨润土加量的方法来加重，但过量的膨润土会使泥浆粘度、切力增大，导致泥浆在流动性方面不符合要求。而且膨润土的重度不高，用来增加泥浆的比重效果不显著。因此，一般采用专门的加重剂对泥浆进行加重。

1.1泥浆常用加重剂

加重剂又称加重材料，由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。可加入钻井液中以提高钻井液密度，起到稳定井壁等作用。加重材料应具备的条件是密度大、磨损性小、易粉碎、不与钻井液中的其它组分发生相互作用。

泥浆常用加重材料有重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉和方铅矿粉等。

1.1.1重晶石粉

重晶石是一种以BaSO₄为主要成分的天然矿石，经过机械加工后而制成的白色粉末状产品。按照API标准，其比重应达到4.2g/cm³，粉末细度要求过200目筛子，筛余不大于3%。重晶石只溶于浓硫酸，不溶于水、有机溶剂、其他酸和碱溶液，一般用于加重密度不超过2.30g/cm³的水基或油基钻井液，是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。

1.1.2石灰石粉

石灰石粉主要成分是CaCO3，密度为2.2g/cm³～2.9g/cm³，易与盐酸等无机酸发生反应，因而适用于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻钻井液对产层的损坏。但由于其密度较低，一般只能用于配置密度不超过1.68g/cm³的钻井液。

1.1.3铁矿粉

铁矿粉的主要成分为Fe₂O₃，密度一般为4.9g/cm³～5.3g/cm³，为棕色或黑褐色粉末。密度大于重晶石，可用于配制密度更高的钻井液。选用铁矿粉将某种钻井液加重至某一给定的密度，加重后钻井液的固相含量比选用重晶石时低。加重后固相含量低有利于调节流变性和提高钻速。此外，由于铁矿粉具有一定的酸溶性，因此可用于需进行酸化的产层。

由于铁矿粉硬度约为重晶石的两倍，因此耐研磨，在使用中颗粒尺寸保持较好，损耗率较低。但另一方面，对钻具、钻头和泵的磨损也较为严重。在我国，铁矿粉是用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。

1.1.4方铅矿粉

方铅矿粉是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高达7.4g/cm³～7.7g/cm³，可用于配制超高密度钻井液。由于该加重剂的成本高、货源少，一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。我国滇黔桂石油勘探局在官-3井曾使用方铅矿配制出密度为3.0g/cm³的超高密度钻井液。

1.2泥浆加重剂的优选

同一种加重剂，粒度分布不同，其临界密度和摩阻系数也不同。显微电镜观察显示：石灰石、重晶石颗粒表面为球形，有利于滑动，摩阻较小；铁矿粉颗粒表面为四面体，有阻碍滑动的作用。加重剂的纯度、粒度分布和颗粒表面形状都会影响钻井液的润滑性能，加重剂的纯度高、杂质少、粒度分布均匀、比表面积小、颗粒表面为球形，都会使钻井液的摩阻减小，润滑性能提高。

另外，根据斯托克斯公式，重晶石颗粒下沉速度与其颗粒半径，也就是与其目数有关。斯托克斯公式如下所示：

V=2gr²(ρ₁-ρ₂)/(9η)　　　　　　（1）

式中，V：悬浮颗粒的沉降速度，m/s；g：重力加速度，m/s²，r：悬浮物颗粒的半径，mm；ρ₁：悬浮颗粒的比重，kg/m³；ρ₂：分散介质的比重，kg/m³；η：散介质的粘度，s。

所以，重晶石目数越大，悬浮物颗粒半径越小，悬浮物沉降速度也就越小，悬浮效果就越好。建议采用400目以上的加重剂进行加重，以保证现场加重剂的悬浮稳定性。考虑到石灰石加重效果较低，铁矿粉磨损性较高、方铅矿粉成本较高，而重晶石粉货源广、价格适中等因素，实验室进行实验时通常采用重晶石粉。

1.3泥浆加重剂的加量

配制加重泥浆时，加重1m³泥浆所需加重剂的重量W(Kg)为：

式中：γ_B———加重剂的比重，g/cm³；γ₂———加重泥浆的比重，g/cm³；γ₀———原浆的比重，g/cm³。

根据公式算得用比重为4.0g/cm³的重晶石加重1m³泥浆，所需重晶石粉的重量如下表所示。表中泥浆的比重单位均为g/cm³。由于实际操作的误差，以及测试时搅拌不够均匀等因素的影响，计算出来的加重材料用量与实际所需用量存在一定差别，在实际应用时可结合经验对计算结果进行一定调整。

表1加重1m³泥浆所需重晶石粉的重量(kg)

　　2.1.1羧甲基纤维素钠（CMC）

　　羧甲基纤维素是一种阴离子、直链、水溶性纤维素醚，可使大多数常用水溶液制剂的粘度发生较大变化。在食品工业中具有实用价值的是它的钠盐，因此通常称CMC就是指羧甲基纤维素钠。CMC为白色或微黄色粉末、粒状或纤维状固体，在水中溶胀时可以形成透明的黏稠胶液。Na-CMC为一种抗盐、抗温能力强的降滤失剂、增粘剂、胶体保护剂。

　　2.1.2瓜尔胶（GUAR）

　　瓜尔胶是一种天然高聚物。它由胍尔植物种子胍尔豆中提取。胍尔豆中的胶体含量可达40％。瓜尔胶用于配制钻井液，可以降低滤失量和提高井壁的稳定性。瓜尔胶在温度高于65.55℃时会很快降解，粘度降低。因此，只能在浅井应用。

　　2.1.3黄原胶（XC）

　　XC生物聚合物又称做黄原胶，是由黄原菌类作用于碳水化合物而生成的高分子链状多糖聚合物，相对分子质量可高达5×106，易溶于水。是一种适用于淡水、盐水和饱和盐水钻井液的高效增粘剂，加入很少的量即可产生较高的粘度，并兼有降滤失作用。

　　2.1.4田菁粉、田菁胶（SG）

　　田菁胶属于天然多糖高分子化合物，根据其在常温下的水溶性能可分为两部分，即水溶性部分和水不溶性部分。水溶性部分占田菁胶的63%～68%,主要是半乳甘露聚糖胶，是工业上使用的有效部分。水不溶性部分约占田菁胶的27%～32%，大部分是由分子量较大的半乳甘露聚糖胶和少量的粗纤维、蛋白质、脂肪和其他物质等组成。

　　2.2加重泥浆悬浮剂的优选

　　选择加重泥浆悬浮剂时，应综合考虑不同悬浮剂的特性，选出若干种进行实验。对其所配制成的泥浆进行测试，通过对比分析泥浆的粘度、切力等数据和悬浮效果，得出最适合相应工程施工情况的配方。

3加重泥浆配方举例

　　3.1XC与田菁粉体系

　　XC型：基浆500ml+0.8%DFD+0.05%XC+50%重晶石

　　田菁粉型：基浆500ml+0.8%DFD+0.05%田菁粉+50%重晶石两种浆液比重均为

　　1.31g/cm³，重晶石的悬浮稳定性能良好。对XC型和田菁粉型加重效果进行比较，实验结果显示：加入重晶石粉并充分搅拌后，田菁粉型浆液下部没有明显沉淀物，而XC型浆液下部有近50ml的沉淀物。可见田菁粉型浆液悬浮能力比XC型浆液好。在淤泥质地层中，按此配方可将比重调至1.31g/cm³，有助于解决孔壁蠕变缩颈问题。

　　3.2HV-CMC与瓜尔胶体系

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

　　配方2：2%土+4%纯碱+6‰瓜尔胶+4%腐殖酸钾+70%重晶石配方性能：表观粘度：97MPa·s；塑性粘度：62MPa·s；动切力：35.8pa；滤失量：13（ml/30min）；PH值：10；比重：1.47g/cm³。

　　可见瓜尔胶的提粘效果优于HV-CMC，而二者的降滤失效果相差不大。两种泥浆体系比重分别达到1.52g/cm³和1.47g/cm³，加重效果明显。

　　3.3某两种成品土加重效果

表2某两种成品土加重效果

　　这两种配方比重均在1.02g/cm³～1.25g/cm³范围内，符合非开挖铺管的要求，重晶石的加重效果与表2中比重为2.9g/cm³的重晶石相似，可见该配方中使用的重晶石比重应在2.9g/cm³左右。

4结语

　　本文研究了淤泥质地层的泥浆比重设计及配方问题。总结出配制加重泥浆时应合理选用加重剂和悬浮剂，并对加重剂的比重等参数进行确认。文章提供了几种加重泥浆的配方，为生产实际提供一定的参考。