膨潤土泥漿在水平定向鉆施工中的應用及特點

裴業虎

膨潤土泥漿在水平定向鉆施工中的應用及特點

裴業虎

（四會市飛來峰非金屬礦物材料有限公司，廣東 四會 526200）

根據水平定向鉆的施工技術及工藝原理，闡述定向鉆泥漿的功用和特點，不同施工條件對膨潤土泥漿的指標要求。研究了膨潤土作為水平定向鉆用泥漿材料的特點及要求。

水平定向鉆；泥漿；膨潤土

在幾十年前，水平定向鉆技術在西方就成為了一項重要技術。早期，這項技術只是應用于穿越河流鋪設管線，而在這些地方，明挖鋪設顯然是不切合實際的。隨著這項技術的進一步發展，水平定向鉆技術成為了眾多市政管線鋪設工程的選擇，應用范圍逐漸擴大，被用于穿越公路、機場跑道以及地下管線，甚至穿越地下建筑。近年來水平定向鉆技術發展很快，穿越紀錄不斷被打破，鋪管直徑已從幾公分發展到一米以上[1]。泥漿是定向鉆工程的血液，泥漿質量往往是決定工程成敗的關鍵。隨著水平定向鉆市場需求的不斷擴大，泥漿材料也擁有巨大的市場需求，而膨潤土是水平定向鉆泥漿的主要造漿材料。

1 定向鉆技術及泥漿功用

1.1 定向鉆技術原理

(1) 鉆進。

在管道鋪設的一端固定鉆機，按照設定的角度，設備驅動鉆桿帶動鉆頭旋轉前進，并在導向儀的控制下，按施工要求的深度和長度進行鉆進，穿過地面障礙物后，穿出地面。在鉆進的過程中，為防止鉆桿被土層夾緊、抱死，需要由泥漿泵通過鉆桿、鉆頭打出膨化水泥或泥漿，起到固化通道，防止塌陷，同時也能冷卻鉆頭，潤滑鉆桿。

(2) 回擴。

在鉆頭帶著鉆桿穿出地面后，卸掉鉆頭，將回擴頭于鉆桿安裝固定， 動力頭回拖，鉆桿帶著回擴頭反向回拖，擴大管道直徑尺寸。

(3) 回拖。

在回擴頭回拖的同時，將管道固定在回擴頭后，動力頭拖動鉆桿，帶著回擴頭和管道同時進行反向回拖運動，直至將管道拖出地面，完成管道鋪設施工。

1.2 泥漿的功用

(1) 懸浮和攜帶泥(巖)屑。

這是泥漿的基本功用之一，是把鉆頭或擴孔器破碎的泥(巖)屑帶出孔道，保持孔道清潔，以利于管道回拖。

(2) 穩定孔壁。

孔壁是否穩定和規則是水平定向穿越是否成功的決定性因素，是高速優質進行水平定向穿越的重要基礎條件。

(3) 潤滑。

在鉆導向孔和管線回拖過程中泥漿可以起到很好的潤滑作用，在堅硬巖石地層擴孔時對擴孔器的潤滑作用更加明顯。

(4) 冷卻鉆具。

在導向孔鉆進和回擴過程中，鉆頭和擴孔器旋轉破碎泥(巖)層產生一定的熱量，鉆桿不停地與孔壁摩擦，也產生一定的熱量。泥漿能冷卻鉆頭和鉆桿，延長鉆具使用壽命。

(5) 了解地層。

對返出地面的泥漿進行分析，可以了解穿越地層的巖性，適時調整施工工藝[2]。

2 水平定向鉆泥漿特點及指標要求

2.1 泥漿特點

水平定向鉆工程施工中泥漿的指標是變化的，不同的施工條件和底層環境對泥漿的要求不同，因此泥漿的現場配制方法和配方上可能有所不同。但從泥漿的功用上可以看出定向鉆泥漿的一般性要求。

(1) 粘度。

粘度可以被描述為液體流動的能力，良好的粘度性能保證泥漿在孔內適當的流動，粘度過高，鉆頭鉆進過程中阻力大，降低施工效率；粘度過低，帶不出鉆屑。應根據現場條件調配適宜的泥漿粘度。

(2) 膠凝強度。

膠凝強度是膨潤土泥漿的重要指標，是指泥漿在一定時間內形成膠體的能力，膨潤土形成凝膠體在孔內懸浮鉆屑。如果鉆屑沒有被懸浮起來，它們就不能被攜帶出鉆孔，會沉在鉆孔的底部。這樣鉆屑就會堵塞鉆孔，導致泥漿循環失效同時孔內壓力會急劇升高，泥漿很有可能會壓裂地層溢出到地面，也可能會發生埋鉆事故損失鉆具。

(3) 流動性。

水平定向鉆要求泥漿的流動性要好，且泥漿在長時間的養護過程中粘度不能急劇上升，失去流動性，形成果凍狀，失去對孔壁的壓力。

(4) 低濾失量。

水平定向鉆泥漿要求有較低的濾失量。低濾失量的泥漿會在孔壁上形成一層薄而韌的泥皮，對管壁有保護作用，防止塌孔。且低失水率也能防止巖層因為吸水過多造成膨脹縮頸和塌孔。

(5) 觸變性。

水平定向鉆泥漿要求有較好的觸變性。泥漿的觸變性是指攪拌后泥漿變稀(切力降低)，靜置后泥漿變稠(切力升高)的特性。在泥漿停止循環時，切力能較快地變化到某個適當的數值，又不至于靜置后重啟時泵負荷過高。觸變性好的泥漿能減輕泥漿泵的負荷，有利于泥漿的攪拌和輸送。

2.2 泥漿指標要求

不同地層施工對泥漿性能要求見右表。

(1) 粘土層。

粘土層一般為沖積砂土層、粉砂土和淤泥。土質構造較硬實，吸水較強，其中以黃色泥巖、褐色泥巖最具有代表性。在粘土層鉆孔具有可鉆性好，成孔性好，鉆具在土中旋轉推進、造斜和出土都能比較好的成孔，不易坍塌，是最容易穿越的地層。

不同地層施工對泥漿性能要求

(2) 細砂層。

砂層地質構造特點一般是少量的粘土或粉質土夾雜大量的黃砂，其中還含有一定量的卵石和礫石。在砂層鉆孔具有成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力強，導向孔和回擴孔時極易坍塌。

(3) 粗砂層。

粗砂層往往含有大量的黃砂、含水量較大的流砂，其中包括卵石、礫石，此種地層一般比較少。在粗砂層鉆孔具有成孔性極差、易坍塌、易漏漿，易造成大區段的井壁坍塌或掩埋鉆具或機具，鉆進速度慢，鉆具、機具磨損嚴重。

3 泥漿用膨潤土特點

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的粘土。蒙脫石以其層間可交換陽離子的種類、含量一般又劃分為鈉基和鈣基兩種膨潤土。

作水平定向鉆用膨潤土具有以下幾個特點：

(1) 鈉基膨潤土為主。

鈉基膨潤土具有吸水量大、膨脹倍數高、造漿率高的特點，在水介質中能分散呈膠狀，具有一定的粘性，觸變性和潤滑性。美國的膨潤土公司的泥漿膨潤土一般選用美國懷俄明州的天然鈉基膨潤土，國內一般選用人工鈉化膨潤土。

(2) 高蒙脫石含量。

膨潤土的理化性能主要取決于它所含的蒙脫石種類和含量，蒙脫石含量越高，造漿率也一般更高。美國懷俄明州所產的天然鈉基膨潤土中鈉基蒙脫石可高達85%以上，國內質量較好的造漿膨潤土蒙脫石含量也在80%以上。

(3) 低含砂率。

用于造漿材料的膨潤土一般要求含砂量小于3%。

(4) 高膠凝強度。

膨潤土具有高膠凝強度，在作造漿材料時能懸浮住顆粒較大的鉆屑。當泥漿相對于鉆孔地層處于靜態時，必須保持足夠的膠凝強度來懸浮被鉆下來的固體鉆屑，而且要在這些固體碎屑從鉆孔中排出來時，還要保持其懸浮狀態。

(5) 具有一定的水適應性。

施工地往往都是在荒郊野外，配漿用水也是五花八門，所以水中難免會含較高的鈣鎂離子和水質偏酸等情況，很多廠家生產的造漿膨潤土遇到鈣鎂離子水時會產生絮凝分層，粘度大幅度降低，這都是不合格的泥漿材料。

4 結語

泥漿配制方法是以鉆進土壤地層為基礎的。只有在了解了土壤地層的特點后，才能正確配制出合適的泥漿。高質量的泥漿配制又是建立在優質的造漿材料基礎上的，特別是作為主要造漿材料用的膨潤土，只有質量上乘的鈉基膨潤土，才能配制出合格的水平定向鉆用泥漿。

[1]嚴麗蓓.水平定向鉆穿越中的泥漿問題[J].非開挖技術，2010(4)：79-80.

[2]馬吉昌.淺析水平定向鉆泥漿固孔技術[J].勘察科學技術，2011 (1)：62-64.

Application of Bentonite Drilling Slurry in HDD Construction and Characteristics

PEI Ye-hu
(Sihui Feilaifeng Non-metallic Mineral Co., Ltd., Sihui 526200, China)

According to the construction techniques and principles of horizontal directional drilling technology, describes the function of directional drilling mud and characteristics of bentonite slurry different construction conditions index requirements. Research bentonite as horizontal directional drilling mud material characteristics and requirements.

horizontal directional drilling; drilling mud; bentonite

P619.255；TD985

A

1007-9386(2014)06-0007-02

2014-09-11