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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。

来源:www.dzslgd.com 发布人:非开挖公司 发布日期:2013-10-01 11:59:50

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/cm31.25g/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/cm32.9g/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/cm35.3g/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/cm37.7g/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=2gr212)/(9η)      (1

式中,V:悬浮颗粒的沉降速度,m/sg:重力加速度,m/s2r:悬浮物颗粒的半径,mmρ1:悬浮颗粒的比重,kg/m3ρ2:分散介质的比重,kg/m3η: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:γB———加重剂的比重,g/cm3γ2———加重泥浆的比重,g/cm3γ0———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。

1加重1m3泥浆所需重晶石粉的重量(kg)

原浆比重\所需比重

1.30

1.40

1.50

1.60

1.20

148

308

480

666

1.30

 

154

320

500

1.40

 

 

160

333

1.50

 

 

 

167

  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12%+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:13ml/30min);PH值:10;比重:1.52g/cm3

  配方22%+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:13ml/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/cm31.47g/cm3,加重效果明显。

  3.3某两种成品土加重效果

2某两种成品土加重效果

土样

重晶石加工量/%

泥浆比重/g/cm3

高端土

0

1.045

30

1.193

低端土

0

1.045

30

1.193

  这两种配方比重均在1.02g/cm31.25g/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。

 


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