水平定向钻穿越过程中泥浆压力与土体变形的控制

第５期　非开挖技术　Ｎｏ．５　２０１１年１０月　Ｃｈｉｎａ　Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　０ｃｔ．．２０１１　水平定向钻穿越过程中泥浆压力与土体变形的控制　汪敏　（辽宁山盟管道工程有限公司，辽宁沈阳）　摘要ｌ本文从泥浆的作用、功能和特性的角度，探讨水平定向钻穿越过程中粘土层和非粘土层泥浆配　比的要求。并通过对地下泥浆压力的分析，导出输出的最小泥浆压力（钻压），从而为控制土体变形提供了相　应的依据。　关键词：地层、泥浆、泥浆压力、管道穿越　１水平定向钻穿越简介　２泥浆的作用　在石油天然气及其它管道和管网建设中，经常　泥浆是水平定向钻穿越工程的“血液”，伴随水　发生管线与公路、河流的交叉穿越问题。而传统的　平定向钻穿越施工过程的始终。泥浆的基本功能就　大开挖穿越方法对原地基土的整体性可能会造成　是置换并取代孔洞中原有的填充物（土体），防止并　永久性的破坏（如公路、河底的塌陷或隆起），所以　控制地表或河底的下沉变形，然后，利用泥浆的流　早已被廿世纪末迅速兴起的非开挖穿越方法所代　动性，被最终的替代物穿越管线所取代。泥浆在取　替。尽管先进的施工手段已经显示了它非凡的优越　代和被取代过程中，始终发挥着“血液”的作用：对　性。但是，土体变形仍然存在，只是对地表或河底层　地下钻具具有冷却、润滑和清理的作用，对孑Ｌ壁具　的影响小了很多。　有修复、保护的作用，高压泥浆也是驱动泥浆马达　水平定向钻穿越公路或河流与传统的大开挖　的动力，并且具有剪切岩土的功能。　方法截然不同，它利用特殊的手段，打通一条环形　本文将重点探讨水平定向钻穿越过程中，如何　的通道来实现管线敷设的目的。这个环形通道在重　调整泥浆配比和泥浆压力来控制和减少土体的变　力或泥浆压力的作用下，可能会引起地表或河底的　形问题。因此，泥浆的流动性、絮凝性、降滤失性、防　下沉变形，也可能会引起地表或河底的隆起变形。　塌性等对粘土层和非粘土层的影响作用，将是本文　变形的原因较为复杂，一般地，变形易发生在土质　重点涉及的内容。泥浆的配比应考虑地层的特性，　疏松的回填土地段、土体不连续地段、地质不均匀　地层的特性是指岩土的力学性质、含水量、密度　分布的地段等。　等。水平定向钻穿越施工，应在敷设地下管线之　水平定向钻在钻导向孔、预扩孔和敷设穿越管　前，配制的泥浆已将孔洞中的岩土置换，然后，利用　线过程中，需要借助于专门配制的泥浆来维持孔洞　泥浆的流动性，将穿越管线回拖至充满泥浆保护的　的稳定。泥浆（水基泥浆）是以水为基础，添加一定　孔洞中。　比例的膨润土和高分子聚合物，然后通过搅拌、溶　合、水化后打人孔洞，泥浆的配方取决于穿越的地　３泥浆的特性　质和地层，泥浆的比重范围较大，一般大于水１５％　如果泥浆已将孔洞中的岩土置换，那么泥浆必　—６０％。由于驱动地下钻具和维持孔洞稳定的需要，　须具有足够的携带能力和流动能力，才能将岩土钻　泥浆进入钻管时需要增加一定的压力，压力范围一　屑携带至孔洞外。泥浆的携带能力是指泥浆在非流　般不超过１２．５ＭＰａ。　动状态下，使钻屑悬浮的能力，这种能力与泥浆的　２　非开挖技术　Ｃｈｉｎａ　Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１　１年１０月　粘度有关，称之为泥浆的胶结力。泥浆的胶结力越　高，携带能力越强，能携带的岩土颗粒就越大。但　改性剂、聚阴离子纤维素等降滤失剂，ＰＡ／Ｄ一４２、　Ｈｙｄｒａｕｌ—ＥＺ、Ｓｕｐｅｒ—ｐａｃ、Ｓｕｓｐｅｎｄ—Ｉｔ等具备悬浮携带　能力的高分子聚合物。　是，泥浆的粘性会影响泥浆的流动性，粘度越低，其　流动性越好。随着钻孔距离和钻孔深度的增加，携　带钻屑的难度也逐渐增加，要保持或增加泥浆的携　６泥浆压力　泥浆的配制需要综合考虑地层的复杂特性：岩　带能力和流动能力，就必须提高泥浆的压力，用以　克服增加的流动阻力。　如果是在钻杆接续、更换钻头或钻进停止时，　悬浮在泥浆中的钻屑沉入孔洞底部，将钻孔堵塞，　这将是很危险的事情。然而，泥浆的变性特征会在　一定时间内将这种危险回避（一般不超过６个小　时）：泥浆的粘度随着流速的降低而增加，泥浆停止　流动后，会形成一种粘稠的絮凝体，这种絮凝体可　使钻屑在一定时间内始终悬浮在其中，防止钻屑沉　入孔洞底部，当泥浆开始旋转流动时，粘稠的絮凝　体就会变得稀薄，并且恢复到原来的形态。　４粘性土层的泥浆配比　粘性土本身就具有良好的水化性，它在钻具和　泥浆的切削搅拌下，自然会形成浆状物体，其携带　能力完全取决于泥浆的流动性，那么，在粘土层中　配制的泥浆应满足冷却、润滑、清理钻具、抑制土体　膨胀的作用即可。在粘土层中搞定向穿越可以适当　的降低膨润土的比例，添加一些润滑剂和稳定剂。　例如表面活性剂、乙二醇、季铵盐类改性剂、粘土稳　定剂、Ｈｙｄｒａｕｌ—ＥＺ等。　５非粘性土层的泥浆配比　定向钻在非粘性土层中施工，泥浆配比主要应　当满足：携带砂砾、岩屑的能力，护壁、防止塌陷、阻　滞渗漏的能力。携带能力要求：一方面钻屑在孔洞　中呈悬浮状态；另一方面泥浆具有良好的流动性。　利用泥浆的变性特征原理，确定配制的泥浆具备足　够的携带砂砾、岩屑能力下，适当的增加泥浆压力，　就可能达到要求的流动性。非粘土层地质结构松　散，渗透性强，需要提高泥浆的护壁性能和阻滞渗　漏能力，可以适当的调整一下泥浆的配比：提高一　点膨润土的比例，添加一些长链高分子聚合物，促　使泥浆在孔洞中旋转时，在向心力的作用下，部分　固相物质吸附在孔壁上，形成保护层。例如滤饼剂、　土的力学性质、密度、含水量、水质，以及机械功率　因素：钻压、转速、马达的功率和泥浆的排量等。满　足上述条件的泥浆经过高压泥浆泵增压，输送到泥　浆马达后开始发挥作用。在这个过程中泥浆压力不　仅传输泥浆，促使泥浆流动，而且为泥浆剪切岩土　提供动力。在穿越施工过程中，要求的泥浆的压力　至少能驱动泥浆马达的转动和钻头的钻进切削，也　是带动孔洞中泥浆旋转流动的基本条件。　假设泥浆在孔洞中是静止的，那么，该点的静　液压力为：叮１＝Ｐ　ｇｈ　其中：ｐ一泥浆密度；ｇ＿＿重力加速度；ｈ一泥浆　垂直方向的高度差。　若泥浆是在层流状态下，泥浆的流出压力为　１３＂　，则流动的泥浆在水头点的压力为：盯＝　＋叮　根据液体压强传递原理，如果，水头点孔壁的　应力小于地层压力，要维持孔壁的稳定，那么，这种　补偿就只能依靠泥浆的压力盯　来提供，因为叮　是间断的不连续的。　叮　的大小取决于泥浆垂直方向的高度差和泥　浆配比中加重剂的比例。假设　补偿了孔壁需要　的应力，孔壁就不会发生缩径和塌陷，此时，叮　只　需驱动泥浆马达的转动切削和维持孔洞中泥浆的　携带流动即可。　仃　的压力强度与机械作用有关，是泥浆的喷　射和旋转的共同作用而产生的压力。这种机械作用　的根本，来源于对泥浆的增压。经过机械增压的泥　浆会产生物理变形（分子间的密度增大，相互作用　增强，泥浆体积减小），泥浆的这种物理变形会在满　足叮　＞叮　的泥浆条件空间得到释放。　那么盯：应当比仃　大多少，其实盯：与钻进的　深度和距离有关：首先，根据静液压力公式，在泥浆　比重ｐ不变的情况下，仃　的压力是由钻进的深度　ｈ决定的，一般地，水平定向钻穿越工程的最大地下　埋深不超过２５ｍ，那么其静水压力应当小于或等于　第５期　汪敏：水平定向钻穿越过程中泥浆压力与土体变形的控制　３　２．５ＭＰａ；其次，钻进的距离越大，其流体阻力也越　大，克服流体阻力的手段就是增加　的压力，目前　水平定向钻穿越的最大距离是２３０８ｍ（浙江钱塘江　穿越２００２年管道局穿越公司）。如果在导向孔钻进　时，能实现入钻口返浆，这是对泥浆压力的最低要　比例。另一方，由于泥浆压力原因，可能会发生冒　浆、失浆、地表或河底隆起等土体变形现象，这种现　象同样是由两种原因导致：一种是因为管线覆盖较　小或土体不连续或地质分布不均匀导致的；另一种　是因为泥浆压力太大导致的。所以，在设计和施工　中保证穿越管线的足够深度，同时认真研究地质勘　查报告，对于一项水平定向穿越工程来说是不容忽　求，但是，这个最低要求能否驱动泥浆马达做功就　要看马达的级数和扭矩了，一个４级泥浆马达做功　需要３．２ＭＰａ的泥浆压力。如果在预扩孔（暂时不考　虑岩石层）或者管线回拖时，一般情况下，泥浆压力　维持在２ＭＰａ左右即可保证泥浆的携带和流动功能　的实现。　若泥浆压力超过孔壁土体及泥浆护壁层允许　的最大剪力时，孔壁土体将会失稳变形，出现泥浆　泄露或地面、河底隆起。当然，这种情况在埋深过　浅、土体不连续、地质分布不均匀状态下都有可能　发生。　７土体变形的控制　一般地，一项水平定向穿越工程在孔洞形成过　程中：一方面，由于重力原因，可能会发生缩径、塌　陷、地表或河底沉降等土体变形现象，这种现象是　由两种原因导致：一种是因为泥浆失水渗漏造成土　体膨胀导致的；另一种是因为泥浆压力不足导致　的。避免泥浆失水，应增加泥浆的粘度，适当的添加　一些润滑剂来保持泥浆的液相，泥浆在孔洞中旋转　过程中，靠固压差的作用，促使泥浆中的长链聚合　物在孔壁上形成泥饼环，阻止泥浆中的水分向孔壁　土体渗透；弥补泥浆压力，可以增加一些加重剂的　视的；在定向穿越过程中科学的控制泥浆压力是非　常重要的。　另外，应当注意和避免由于穿越管线埋深不符　合设计要求或孔径过小或曲率半径不足而导致管　线在回拖过程中出现的地表或河底隆起变形。　８结束语　由于水平定向穿越地质的复杂性，决定了土体　失稳与泥浆压力之间的复杂关系。在水平定向钻穿　越过程中，合理的调配泥浆，控制使用泥浆压力，对　保护孔壁，防止土体失稳是至关重要的。在驱动泥　浆马达工作并保证泥浆携带流动功能的前提下，尽　量降低泥浆压力是钻孔成功的关键。　参考文献：　［１］许有志：钻井液技术现状及发展方向，《石油钻探　技术》，２０１０。　［２］王中华：超高温钻井液体系研究——抗高温钻井　液处理剂设计思路，《石油钻探技术））２００９。　【３】张克勤、何纶、安淑芬：国外高性能水基钻井液介　绍，钻井液与完井液，２００７。