1、新型冲洗液在紫坪铺工程钻孔施工中的应用陈明鉴 杨莉（中国水利水电第一工程局基础处理分局，大连市旅顺区，116041）摘 要 四川紫坪铺水利枢纽属国家西部大开发的重点工程，地质条件复杂，岩石破碎，裂隙发育。1号导流洞出口高边坡多点位移计施工受设计要求限制及复杂地质条件影响，钻孔取芯施工难度极大。通过引入并改进 SM 植物胶无固相冲洗液，利用其携带岩粉能力强、明显的护壁和减磨作用的特殊性能，有效地解决了上述问题，为顺利施工提供了保障。关键词 SM 植物胶 钻孔施工 应用1 概述四川紫坪铺水利枢纽属国家西部大开发的重点工程。1 号导流兼泄洪排砂洞出口高边坡因地质条件差，为监测高边坡稳定性，在高边坡上
2、增设 7 个多点位移计观测孔。钻孔总延米 393.5 米。开孔直径 130mm,终孔直径 91mm，钻孔倾角为水平下倾 5 度。钻孔孔深在 50.560.5 米之间。钻孔所遇岩石主要为须家河组中细砂岩及泥质粉砂岩，其中夹有煤质页岩。岩石破碎，裂隙发育。因设计单位缺少该部位的详细地质资料，多点位移计钻孔要求取芯并做地质描述，且取芯率要求较高。2 SM 植物胶无固相冲洗液的引入与配方改进受地质条件影响，钻孔过程中冲洗液渗失特别严重，且多次发生塌孔埋钻现象。钻孔难以达到设计孔深。受孔向影响，钻具磨损严重。同时，为了很好地取出保持地层原始结构和物理力学性状的岩样，施工队采用了双管单动钻具取芯钻进，但效
3、果不明显，岩芯采取率仍难以满足设计要求，为此引进了 SM 植物胶无固相冲洗液。2.1 SM 植物胶的成分SM 植物胶(含 28.8%高聚多糖)是一种多年生草本植物的根加工而成，呈土黄色固体料粉末，无毒、无气味，在干燥的环境下可保持多年不变质。2.2 SM 植物胶钻井液的原始配方及改进配方原为砂卵石覆盖层的钻井液，为了适用于紫坪铺的地质条件，必须重新经试验获得改进配方。2.2.1 基本配方SM 胶干粉(重量公斤)：水(升)=2：100；Na 2CO3加量按 SM 胶干粉重量的 5%。如用NaOH，则按 SM 胶干粉重量的 3%。2.2.2 试验配方为取得适应该地质条件的最佳 SM 植物胶无固相冲
4、洗液配方，我们通过现场试验取得了宝贵的改进配方：(1)水敏性较强，易吸水膨胀缩径的地层，在 SM 胶无固相冲洗液中加入一定比例（13）的高粘 CMC。(2)极松散、渗透性强有丰富的地下水的覆盖层，SM 胶加量可提高到 3%，Na 2CO3加量仍按 SM 胶干粉重量的 5%计算。(3)基岩挤压破碎带，易出现坍塌掉块现象的地层，采用 SM 胶加入防塌效果较好的腐植酸钾(KHm)及 CMC：SM 胶粉 11.5%；Na 2CO3 加量按 SM 胶干粉重量的 5%；KHm 11.5%；CMC500-1000ppm.(4)SM 胶与膨润土配制低固相泥浆SM 胶是多功能的泥浆处理剂，与膨润土配合，可制配低
5、固相泥浆，或超低固相泥浆。它在泥浆中的突出作用是提粘、降失水、保护岩芯、防塌、减振和润滑减阻。它还可以起到稳定泥浆的作用，泥浆中加入 SM 胶起到保护作用以后，可以防止高聚物对泥浆的絮凝作用，它的护壁效果比单独的 SM 胶或单纯的膨润土低固相泥浆好。它在松散的覆盖层和基岩破碎地层提高护壁效果，在漏失地层降低钻井液的成本具有适用价值。SM 胶配制的低固相泥浆，其功能随 SM 和膨润土二者的比例不同而异，具体规律是：SM 胶比例增加，膨润土加量减少，护芯的效果增加，取芯质量提高；粘弹性减振的作用增强，可以提高转速，从而提高钻进效率。膨润土的比例加大，SM 的比例减少，则破碎地层的护壁效果提高，漏失
6、地层的成本降低。但护芯的效果变差，取芯质量变低，粘弹性减振的效果下降，钻进转速必须降低。与 SM 胶复配的膨润土以钠土为好，因为钠土不需要浸泡钠化。如果采用钙质土，则加碱时要把膨润土钠化所需碱量加上去。SM 胶处理低固相泥浆用于水敏性地层时，加入适量的 CMC，可以提高护壁防塌效果。SM 胶与膨润土的适用配方如下：SM1%+ Na 2CO35%+钠土 3-5%SM1%+ Na 2CO35%+钠土 3%+CMC0.1%SM0.5%+ Na 2CO35%+钠土 5%+CMC0.1%以上 Na2CO3的加量 5%均为 SM 干粉重量的百分比。2.3 SM 植物胶钻井液的性能和特殊功能2.3.1 SM
7、 植物胶钻井液的基本性能SM 植物胶在碳酸钠或氢氧化钠的助溶作用下，可以任何比例溶解于水制造无固相钻井液或低固相泥浆。加量越大，粘度越高。漏斗粘度达到 10 分钟以上仍不影响泵吸性能，不增加泵压。表 1 是不同浓度 SM 胶无固相浆液和低固相泥浆不同配方的基本性能对比。表 1 SM 胶土无固相钻井液和低固相泥浆基本性能对比编号 配方 比重 粘度(秒)失水量(ml/30 分 )初切力(达因/厘米)1 SM1% 1.003 67 12 52 SM2% 1.015 209 9 153 SM1%+CMC0.2% 1.005 101 10.4 7.54 SM1.5%+CMC0.2% 1.008 146
8、8.8 155 SM1%+钠土 3% 1.02 86 10.2 156 SM1%+钠土 4% 1.025 114 9.6 257 SM1%+钠土 5% 1.04 169 8.8 358 SM1%+钠土 3%+CMC0.1% 1.03 110 8.6 159 SM0.5%+钠土 5%+CMC0.1% 1.035 133 10 25附注：(1)SM 胶中均加入 5%的 Na2CO3(2)失水量采用低速滤纸试验。2.3.2 SM 植物胶钻井液的的流型和流变性SM 植物胶配制的无固相钻井液和低固相泥浆，都是粘弹性流体。在粘性流体(或牛顿流体)上施加压力时，流体产生形变，且变形与切力成正比，这部分切力作
9、为克服内部摩擦阻力以热的形式放出，没有贮存在体系内，切力去除后，形变不恢复。这就是粘性流体或牛顿流体。在弹性流体上施加切力时，物体产生形变，且变形与切力成正比，并服从霍克定律。如果除去切力，贮存在物体内部的能量立即放出，物体也就立即恢复到原来形态，这种物体称为弹性体。粘弹性流体是介于粘性流体和弹性物体之间和一种流体。当外力作用于粘性弹性流体上，一部分能量消耗于内摩擦，以热的形式放出。一部分能量作为弹性变形贮存于流体内，当除去切力时，流体立即恢复部分形变，达到体系内的新的平衡。SM 植物胶就是粘弹性流体。SM 植物胶的流变性能如表 2 所示。表 2 SM 胶不同配方的流变性能配方编号 (厘泊)
10、(厘泊) (磅/100 尺 2) / 1 20.5 10 21 2.1 0.4034 12.63482 32.5 15 35 2.3 0.3785 23.78923 23 11 24 2.18 0.3943 15.09514 27.5 13 29 2.23 0.3890 18.72065 27.5 10 30 3 0.2895 37.22476 32.5 10 45 4.5 0.2410 44.72797 35 10 50 5 0.2224 75.31318 32.5 10 45 4.5 0.2410 61.50089 40 19 51 2.7 0.3912 26.8202附注：表 2 的配方
11、与表 1 相同。表 2 说明 SM 植物胶无固相钻井液和用 SM 胶配制的低固相泥浆具有下述特点：(1)SM 胶无固相浆液和用 SM 胶处理的低固相泥浆，流性指数均小于 1，说明它的流变曲线与假塑性流体类似，是一条弯曲的曲线，属幂律模式。而且它的流性指数均小于0.5，它在钻孔中携带岩粉的能力强，剪切稀释作用好。(2)它们的动塑比 / 均大于 0.75，说明具有较好的的剪切稀释作用。(3)塑性粘度 均较低，表观粘度 A高，稠度系数 K 值也高，说明结构粘度高，稠度大，排除岩粉能力强。施工生产中证明，在覆盖层钻进中可以排出较大颗粒岩粉。(4)SM 胶无固相浆液在浓度高时，具有较小的屈服值。当加入土
12、粉时，随着土粉比例的增加，静切力增加，护壁和排粉的能力提高。2.3.3 SM 植物胶钻井液的特殊功能SM 植物胶水溶液是粘弹性较强的粘弹性流体，在钻探中表现出一般泥浆和清水所没有的特殊功能，其中较突出的是护胶作用、粘弹性减振作用和减摩阻效应。(1)护胶作用所谓护胶作用是指高聚物水溶液在岩芯钻探中作为冲洗液时，由于吸附成膜作用，在岩芯表面(或孔壁)形成一层胶膜，使松散、破碎、软弱的岩芯表层被胶结包裹，从而随钻取得原状结构的岩芯的一种特殊功能。SM 植物胶在较高的浓度下钻进覆盖层和基岩破碎、软弱的地层时，不仅可大幅度提高岩芯采取率，而且可随钻取出保持原状结构的岩芯。(2)粘弹性减振作用润滑钻井液是
13、钻井液中加入润滑剂，如皂化油、癸脂酸钠等。它的原理是在钻井液中加入润滑剂后降低钻杆与孔壁的磨擦系数，减小钻杆回转的阻力，从而达到减振的目的。普通润滑钻井液虽然磨擦系数很低，但是在金刚石钻进中减振的作用是有限度的，随转速的提高，振动也随之加剧。而粘弹性钻井液的减振作用比润滑液要强得多。(3)降摩阻效应SM 植物胶钻井液与其他一些高分子溶液一样，具有降摩阻效应，而且降摩阻的效能十分突出。如漏斗粘度在 6 分钟以上的浓 SM 浆，单动双管钻进时，在几十米深的孔内泵压不到 0.5MPa，而清水、低固相泥浆都在 1MPa 以上。从泵吸性能来看，SM 胶的漏斗粘度在 10 分钟以上，仍不影响泵吸性能，也不
14、增加泵压。3 SM 胶钻井液的制备和维护管理SM 植物胶制备无固相钻井液或低固相泥浆，均需采用高速搅拌机搅拌，以容积式立式搅拌机为好，因为 SM 植物胶是高分子聚合物，遇水后容易结疙瘩，需要搅拌机的叶片在高速下强力机械分散。3.1 SM 植物胶无固相钻井液的制备首先向立式搅拌机中加入三分之一清水，并向水中一次加入所需的碳酸钠，开动高速搅拌机使之溶解，同时将 SM 胶粉一次倒入搅拌机中，高速搅拌 5 分钟左右，当植物胶全部分散没有疙瘩时，则将水灌满继续搅拌均匀后，放入贮浆池中静止浸泡半天以上，视植物胶全部溶胀，粘度明显提高，即可使用。3.2 SM 植物胶钻井液的维护管理SM 胶抗微生物和抗温性能
15、差，而且在高价金属离子溶液中发生化学反应将产生聚沉作用，使用时应当注意：(1)在 SM 胶浆液中加入少量防腐剂(如 1 立方米浆液中加入 0.5 升甲醛)，可起到稳定浆液性能，防止腐化变质的作用。(2)SM 胶配制的低固相泥浆不得用钙处理；SM 胶不宜用于可溶性高价盐地层，也不得与水泥浆混合使用。(3)SM 胶不宜用于高温地热井钻进。(4)由于使用的 SM 胶钻井液浓度大，粘度高，岩粉和砂子不容易沉淀，施工中应使用离心式除砂机除砂，亦可在浆液中加入 50-100ppm 的 PHP 溶液，在循环中沉降岩粉和砂子。(5)钻井液使用一段时间后，由于 SM 胶高分子吸附岩粉和砂子及孔壁而消耗，粘度逐渐
16、降低，需要定期加入部分新浆调整粘度。如果是因为腐化变质而降粘，则必须彻底更换新浆。(6)现场泥浆池中的浆液，要避免地表流水和降雨浸入，增大失水量，降低钻井液的各项性能。4 护壁和堵漏在钻孔孔深小于 15 米的地层钻进中发现，钻井液渗失特别严重，为防止孔壁坍塌及减小钻井液的消耗，采取了跟管护壁的措施。5 结束语通过对 SM 植物胶的引入与配方改进，得出适用于紫坪铺地质条件的无固相冲洗液，利用其特有的性能，很好地解决了钻孔施工中所遇的取芯率低、孔壁塌陷严重等难题，极大地提高了生产效率，节约了施工成本。【主要参考文献】1水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 中华人民共和国水利部电力工业部 19942大坝基础灌浆 中国水利水电总公司科技办 19953水电建设总局灌浆试验水利电力出版社 19594水电部东北勘测设计院灌浆施工总结水电部东北勘测设计院 19805水工地基灌浆技术 水利水电科学研究院 19976砂卵石层金刚石钻进李月良 1999
