定向鉆進砂層的泥漿技術研究

劉正頤

摘要：砂層為機械分散地層，顆粒間缺乏膠結，水平定向鉆進時孔壁很容易坍塌。文章分析了砂層特點，闡述了泥漿功用和性能，總結了水平定向鉆進砂層的泥漿體系設計方法和施工中的注意事項。

關鍵詞：水平定向鉆進；砂層；泥漿設計

1 砂層對穿越施工的不利影響

由于砂層顆粒之間的粘結力弱或沒有粘結力，地層在鉆進成孔后，原受力狀態被打破，在砂層進行定性穿越施工最容易出現塌孔事故。鉆進過程中若出現塌孔，直接的后果是鉆具被埋，造成埋鉆、卡鉆施工；若塌孔發生在回拖過程，則可能導致拉管阻力過大甚至失敗。在砂層中，造成塌孔的原因主要有以下幾個：

①地層膠結少，一旦裸露，失去原有平衡，產生坍塌；

②泥漿沖刷，在鉆進過程中，泥漿從噴嘴高速射出，對砂層強烈沖擊造成坍塌；

③回拉擴孔（回拖鋪管）過快，開泵過猛，孔內產生大的壓力激動；

④鉆具的不斷碰撞、擠壓孔壁；

⑤泥漿壓力過大，將地層壓裂造成塌孔。

2 泥漿體系選擇

2.1 泥漿的基本功用 泥漿工藝技術是HDD工程的重要組成部分。隨著HDD施工難度的逐漸增大，該項技術在確保安全、優質、快速施工中起著越來越重要的作用。泥漿最基本的功用有以下幾點：

①攜帶和懸浮鉆屑。

泥漿首要和最基本的功用，就是通過其自身的循環，將孔內的鉆屑攜至地面，以保持鉆孔清潔，使給進回拖暢通無阻，并保證鉆頭在孔內始終接觸和破碎新地層，不造成重復切削，保持安全快速鉆進。在上卸鉆桿或因故停泵時，泥漿可保持其中的鉆屑穩定懸浮，防止鉆屑在孔內大量沉積。

②穩定孔壁和平衡地層壓力。

孔壁穩定、鉆孔規則是實現安全、優質、快速施工的基本條件。性能良好的泥漿可對松散性地層起到一定的膠結作用，并阻止泥漿往地層持續滲漏，減弱泥頁巖水化膨脹和分散的程度，增加孔壁的穩定性。與此同時，泥漿的液柱壓力能夠平衡部分地層壓力，降低孔壁坍塌的風險。

③冷卻和潤滑鉆頭、鉆具。

在鉆進中鉆頭旋轉并破碎巖層，產生很多熱量。同時鉆具也不斷地與井壁摩擦而產生熱量。正是通過泥漿不斷地循環，將這些熱量及時吸收，然后帶到地面釋放到大氣中，從而起到了冷卻鉆頭、鉆具，延長其使用壽命的作用。由于泥漿的存在，鉆頭和鉆具均在液體內旋轉，因此在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。

④傳遞水動力。

泥漿在鉆頭噴嘴處以極高的流速沖擊孔內，從而提高了鉆進速度和破巖效率。另外，循環過程中的泥漿可為孔內動力鉆具如螺桿、液動沖擊器提供驅動力，以應對復合鉆進或孔內馬達鉆進的需要。

2.2 泥漿主要性能指標

對于HDD泥漿而言，需要關注的泥漿指標主要有：比重、漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力、API濾失量、PH值、含砂量及固相含量等。

2.3 泥漿性能指標選擇

①密度：泥漿要有一定的密度，密度第一是給地層一個回壓力，保持地層穩定，不坍塌。

如果孔在地表下20m左右，其地層水也有2kg/cm2的壓力，這時泥漿的密度為1.02g/cm3，在同深度可產生2.04kg/cm2的壓力，也就是說對地層加了0.04kg/cm2的壓力，某種意義上減少了地層坍塌的機會。當然密度不能太大，否則要壓裂地層引起孔漏。所以在20m-30m深度穿越時泥漿密度為1.02g/cm2-1.04g/cm2較為合適，此時用6%～8%的膨潤土配制泥漿，即可達到以上密度，因此必須保持一定量的膨潤土。

②粘度：泥漿要有合適的粘度，粘度的本質是液液、液固、固固的內摩擦力，它可以調節流變性能，可以幫助攜帶鉆屑，清潔孔眼。

如果鉆粘土層，粘度可以低一些，為30s-50s。如果鉆砂礫石層，粘度可以高一些，為70s-80s。要提高粘度可以增加膨潤土量，也可以加入增粘劑如高粘CMC、聚陰離子纖維素、改性淀粉等。

③濾失量：泥漿要有較低的濾失量，它表征泥漿中自由水的多少。濾失量大說明泥漿中自由水多，膠體性能差；濾失量小說明泥漿中束縛水多，膠體性能好。對20m-30m深度穿越時泥漿濾失量控制在8ml-10ml可以滿足要求。降低濾失量可以加低、中粘CMC，改性淀粉、水解聚丙烯睛銨鹽（NH4-HPAN）等降濾失劑。

④pH值：泥漿要有合適的pH值，它表征泥漿酸堿度。

泥漿是在水中分散懸浮了膨潤土的膠體，pH值一般在8以上，即呈堿性。水基泥漿要求pH值為9，但考慮到地層中的粘土會吸附氫氧根離子（OH-），地層中有時也有鈣鹽、鎂鹽，對20m-30m或更深地層穿越時泥漿pH值控制在9-10。一般泥漿中用燒堿來調節pH值，考慮到地層中有鈣鹽、鎂鹽，穿越時泥漿中燒堿和純堿一起用，各占50%。特別是大直徑擴孔時，pH值調節到10-11，有利于地層穩定，也有利于泥漿穩定。

3 砂層泥漿體系設計

3.1 泥漿設計原則 基于砂層的特點，在水平定向穿越施工過程中，面臨的主要困難有：

①砂層顆粒間沒有膠結質、結構松散，一旦地層平衡被打破后，施工過程中極易發生鉆孔坍塌；

②砂比重大、顆粒粗，泥漿懸浮運移困難；

③砂層一般都含有地下水，在鉆進過程中，面臨著地下水滲入從而導致泥漿被稀釋的風險，一旦泥漿被稀釋，將無法在孔壁附近形成致密的泥餅環，孔內壓力與地層壓力互通，泥漿無法起到維持孔壁穩定的作用，塌孔風險大。

基于上述難點，在泥漿設計上主要注意了以下幾個方面：

①在砂層中盡量使用高分子聚合物泥漿體系，該體系在使用過程中性能穩定，通過高分子聚合提高泥漿粘度可以極大的增強泥漿對砂粒的膠結作用，并可很快在孔壁周圍形成厚度小、韌性好的泥餅環，快速建立孔內外正壓差，對孔壁形成良好的支撐作用。

此外，高分子聚合物泥漿不容易被地下水侵入而稀釋，更好的維護了工程安全；

②盡量使用高粘度、高屈服值泥漿。

由于砂顆粒粗、比重大，要排出孔外，泥漿自身的懸浮性能必須足夠；此外，由于砂層中含有豐富的地下水，切削下來的鉆屑中同樣含有大量的水分，這部分水將對泥漿造成極大的稀釋作用。

因此，在設計泥漿時應詳細查明砂層的含水率，并結合設計的擴孔直徑、擴孔級配、泥漿排量、擴孔速度等參數，預先估計單位時間進入泥漿的水占該時間段泵入泥漿量的比例，在地面試驗過程中，應保證設計的泥漿在摻入該比例清水后，仍然具有足夠的懸浮性能，即泥漿指標設計時要充分考慮水的稀釋；

③合理控制泥漿排量，既保障及時排除鉆屑，又可避免過度沖刷孔壁；此外，在回拖過程中，可加入潤滑劑，這樣將有利于降低回拖阻力。

3.2 注意事項

在砂層穿越施工中，很多時候缺乏真實詳盡的地質資料。因此，泥漿性能指標不能完全按照實驗室確定的指標實施；在施工過程中，應以返漿中鉆屑含量作為泥漿指標是否合格的重要依據，如果出現返漿中鉆屑含量少的情況，則應當繼續增加泥漿的粘度、靜切力等主要指標，直到返漿中的鉆屑含量與理論值相當。

其次，由于前面介紹的地下水的不利影響，在砂層中進行穿越施工，泥漿受鉆進速度的影響最為明顯。鉆進速度越快，相同時間內產生的鉆屑量越多，進入泥漿中的地下水量越多，對泥漿的稀釋就越明顯。

因此，在砂層中進行鉆進，應設計好每一級擴孔的泥漿排量及鉆進速度；在整個施工過程中，擴孔速度不能比設計值高，最好保持同一速度鉆進，這樣可以維持孔內泥漿的相對均勻。

4.結論

本工程的成功，不僅創造了我公司首例利用非開挖設備穿越砂層大口徑管道施工記錄，而且取得了巨大的經濟效益和社會效益。同時，也使得我們摸索出了一套如何應用非開挖定向鉆技術長距離穿越砂層鋪設大口徑管道的施工經驗。

通過此次施工我們總結出：在實際施工中，人們無法改變砂的物理力學性質，但通過對泥漿粘度的調配和泥漿壓力的調整可以達到穩定孔壁的要求。

（作者單位：河南省煤田地質局二隊）