泥浆配比资料

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    1）物理性质

    膨润土一般为白色,淡黄,因其含铁量不同又呈浅灰、淡绿粉红、褐红、黑杂等色。膨润土有的松散如土,也有的致密坚硬。
    2）化学组成
    膨润土的主要化学组分是二氧化硅(SiO2),三氧化二铝(Al2O3)和水（H2O）。氧化铁和氧化镁含量有时也较高,钙、钠、钾等常以不同含量存在于膨润土中。膨润土中的Na2O和CaO含量对膨润土的物理化学性能和工艺技术性能影响颇大。
    3）理化性能
    膨润土具有极强的吸湿性，吸水后膨胀，膨胀数可达30倍。在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性。它和水、泥或砂等细碎屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。有较强的阳离子交换能力。对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于它的重量，具有表面活性的酸性漂白土能吸附有色物质。
    膨润土的理化性能主要取决于它所含的蒙脱石种类和含量。一般钠基膨润土较之钙基或镁基膨润土的物理化学性质和工艺技术性能优越。主要表现在：吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；它的胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，PH值高；热稳定性好；有较高的可塑性和较强的粘结性；热湿拉强度和干压强度高。所以钠基膨润土的使用价值和经济价值较高。
    2 泥浆的检验方法
    测量泥浆密度的仪器目前用得最多的是密度秤。测量时，将泥浆装满于泥浆杯中，加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游码左侧的刻度，即为泥浆的密度值。测量泥浆密度前，先用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。
    泥浆的密度是指泥浆的重量与规定体积水的重量之比。施工中现场测定的泥浆密度的大小主要取决于泥浆中造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有外加剂等其他物质加入的时候，外加剂等的重量也须计入。
    3 泥浆在不同地质条件下的应用及其影响
    在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时孔壁很容易坍塌，故成孔的难度很大。对于这类地层用泥浆护壁，解决问题的关键是增加孔壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的泥浆适当渗入孔壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使孔壁的稳定性增强。提高泥浆粘度，主要通过使用高分散度泥浆（细分散泥浆）、增加泥浆中的粘土含量、加入有机或无机增粘剂等措施来实现。细分散泥浆是含盐量小于1%，含钙量小于120ppm，不含抑制性高聚物的分散型泥浆。其组成除粘土、Na2CO3和水外，为了满足钻孔需要，往往加有提粘剂、降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有不同种类，如钠羧甲基纤维素泥浆、铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。用较高粘度的细分散泥浆在砂、砾层中钻进的成功工程很多，包括在流砂地层中钻进。
    3.1泥浆对钻速的影响
    随着泥浆密度的增加，钻速下降，特别是泥浆密度大于1.06～1.10g/cm3时，钻速下降尤为明显。泥浆的密度相同，粘度愈高则钻速愈低。
    3.2 泥浆中含砂量对钻进的影响
    泥浆中的岩屑含量会给钻进造成很大的危害。使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。砂的含量高，孔内沉淀厚。造成孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。同时泥沙含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆密度和含砂量。
    3.3在软土地层中泥浆的密度
    在软土地层中，泥浆密度过小或钻进速度过快，都将导致塌孔现象。通常在此土层中泥浆密度保持到1.25g/cm3会更好。
    4 常见泥浆的配方实例
    工程中泥浆种类繁多，但根据其化学成分可归类为以下几种，其配比方法如下：
    4.1 Na-CMC（钠羧甲基纤维素）泥浆
    该泥浆为最普通的提粘型泥浆，Na-CMC起进一步提粘和降失水作用。配方为：优质造浆粘土150～200g，水1000ml，纯碱5～10Kg，Na-CMC6kg左右。泥浆性能为：密度1.07～1.1 g/cm3，粘度25～35s，失水量小于12ml/30min，pH值约9.5。
   4.2 铁铬盐-Na-CMC泥浆
    该泥浆提粘且稳定性较强，铁铬盐起防絮凝（稀释）作用。配方为：粘土200g，水1000ml，纯碱液50%浓度加量约20%，铁铬盐溶液浓度20%加量0.5%，Na-CMC0.1%。泥浆性能为：密度1.10 g/cm3，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9。
    4.3 木质素磺酸盐泥浆
    木质素磺酸盐取材于亚硫酸纸浆废液，一般与煤碱剂配合使用，在提粘的基础上解决泥浆的防絮凝和降失水。配方为1m3泥浆用粘土100～200kg，亚硫酸纸浆废液30～40kg，煤碱剂10～20kg，NaOH5～10kg，消泡剂5～10kg，水900～1000L。泥浆性能为：密度1.06～1.20 g/cm3，漏斗粘度18～40s，失水量5～10ml/30min，在钻进过程中为进一步降失水可升加0.1～0.3kg Na-CMC。
    4.4 腐植酸泥浆
　 腐植酸泥浆是用煤碱剂或腐植酸钠做稳定剂的，它可以与其他处理剂如Na-CMC等配合使用，制备腐植酸泥浆的配方是1m3泥浆中加150～200kg煤碱剂(干量)，3～5kgNa2CO3，900～1000L水。泥浆性能：密度1.03～1.20 g/cm3，失水量4～10ml/30min，pH值9。 
    5 结语
    在水平钻进施工过程中，正确适当的泥浆的配置对穿越起决定性作用。而选用不同密度的泥浆要视具体地质情况而定。

    HDD用泥浆配方--粘土地质

    泥浆配方是要以正确鉴定我们钻进的土壤地层为基础的。只有在了解了土壤地层的特点后，我们才能正确配制出合适的泥浆。比如，若是在沙地和卵砾石层中钻进，就必须要用膨润土泥浆；若是在粘土和页岩中钻进，我们应该添加聚丙烯酰胺（PHPA）在泥浆中。针对不同的土壤和地层，所用的泥浆原料和添加剂都是很有讲究的。比如在沙地中，如果有卵石或者砾石层，我们就要考虑是否要添加胶凝强度促进剂来增加泥浆悬浮能力，促进排屑。如果是在极度干燥或是多孔而易渗水的地层，就需要多加些降失水剂的聚合物来加强泥壁。

    我国的地表土壤分布状况，按地层特点、结构及土壤可简单分为下列几大类：

    a.粘土地质 b.砂质地质 c.卵砾石层

    下面介绍基本的几种HDD泥浆配置方法（产品为BAROID品牌）。

   （1）粘土地质的泥浆性能要求及组成

    理想HDD泥浆应具备的特性和HDD专用泥浆的组成

    非开挖定向钻技术2009-12-16 18:47:02阅读18评论0字号：大中小

    1 理想的HDD用泥浆应具备的特性

    理想的HDD用泥浆应具备下列特性：

    （1）粘度适中

    （2）胶凝强度高

    （3）泥浆密度（比重）低

    （4）滤失量低，滤饼薄且坚韧、光滑

    （5）含砂量低

    （6）摩擦系数低，润滑性能好

    （7）剪切稀释性好

    下面就以上特性，详细说明为何这些特性是理想HDD用泥浆需要具备的特性。

    （1）粘度适中

    水平定向钻中粘度的测量具有重要的意义，其重要性比在竖井钻进中要大。但是在水平定向钻中，并不是粘度越高越好，粘度要适中。与胶凝强度及滤失性相比，后两者要更为重要。由于粘度就是流体的流动阻力，所以在水平钻定向钻中粘度的重要意义就是保持一定的钻液的流动性。粘度太高容易导致以下几点：-

    ①会降低泥浆泵的效率（粘度愈高，需要愈高压力的泵才能保持泥浆的循环流动。）

    ②过浓的泥浆流动性差，会造成钻孔内压力过高

    ③导致路面破裂或隆起，导致泥浆流失到路面而造成环境污染和交通不便。

    ④因特殊阻塞造成钻杆卡弹

    ⑤减低钻掘速度

    基于上述原因，我们首先要考虑胶凝强度、凝胶生成量以及滤失控制，而不是单凭添加膨润土来增加粘度。这样做的目标就是让设计出来的泥浆流体看起来“很瘦”（不浓），可工作起来“很肥”（运屑能力很强）。

    （2）胶凝强度

    理想的HDD用泥浆必须具备碎屑的支撑、悬浮和运载能力。当泥浆相对于钻孔地层处于静态时，必须保持要足够的胶凝强度来悬浮被钻下来的固体钻屑，而且要在这些固体碎屑从钻孔中排出来时，还要保持其悬浮状态。最终形成的泥浆（钻液和固体钻屑）的功能就好像一条输送带来运走固体碎屑，从而为待装管线留出足够的空间。如果泥浆不能悬浮钻屑，钻屑就会快速沉淀并在水平年井的底部，导致在拉管线时，尤其是大口径的管线，就无法拉过去而被卡住。

    在粗粒土壤（如果砂土、砾石、鹅卵石）中胶凝强度尤其重要，而在粘土和页岩层中，尤其是使用大口径回扩头时也具有重要意义，因为大口径回扩头往往会产生很多碎屑。

    如果只用淡水来钻，由于淡水根本不具备胶凝强度或者凝胶生成量，因此绝对是不适合用作水平定向钻泥浆。

    （3）泥浆密度低

    泥浆（也包括钻进后来自地层的活性固体或者惰性固体与先前配置的泥浆的混合物）密度高，会对泥浆整个钻进提供造成非常不利的影响，不但可能会阻塞钻液干流，而且有可能造成泵体过度磨损。一旦发现泥浆密度过高，必须采取下列措施来降低。

    ①赶紧想办法来去除泥浆中的钻屑固体来减低泥浆的密度

    ②降低钻进速度

    ③如果时间允许的话，废弃当前泥浆，重新配置新的。

    （4）滤失量低/滤饼质量高

    优质的泥浆滤失量低，形成的滤饼又薄又光滑、坚韧并强度较高。泥浆滤失量越高，滤饼越柔软并且越厚。滤饼厚度增加会减小钻孔内部的环行空隙，钻液和碎屑在这个更窄的通道中输送时，要求的压力更大。

    在粘土地层中，因为粘土容易遇水反应并膨胀，此时滤失量控制的非常重要。但是要达到较低的滤失量，质量优异的滤饼必不可少。在沙层中，优质的滤饼更具有极其重要的意义。因为如果大量滤液渗入地层会降低地层强度，甚至可能使地层坍塌。此时滤饼作为钻液的一种密封剂或者稳定剂保持钻孔的稳定性。

    滤饼最佳厚度应该介于1/32”(0.79MM)至3/32”(2.375MM)之间。

    如果单用清水钻进，钻进过程中根本无法很好控制滤失量和形成优质滤饼，最终会为承包商带来无数的问题，如卡钻、坍塌，甚至会导致整个工程失败。

    （5）含砂量低

    含砂量也是判断一个泥浆是否优良的重要标准。好的泥浆含砂量可控制在2% 至 3%以内。含砂量高对环流系统的效率存在不利影响，并会缩短泵送设备、泥浆马达等装置的寿命，也会降低钻液的效率。

    （6）磨擦系数低，润滑性能好

    在水平定向钻施工过程中，如果泥浆摩擦系数低，润滑性能好，则会降低管道与土壤之间的摩擦阻力，从而有助于管道的安装。

    （7）剪切稀释性好

    钻液的粘度随减切率的增加而降低。优质的泥浆，剪切稀释性好，使钻液在静止时成胶状（半固体状态）；而流动时则呈液状。

    2 HDD专用泥浆的组成

    （1）配制泥浆用的水

    ①水

    水是最便宜的钻井材料，也是最重要的材料之一。如果先把水处理好，可以省下很多的钻井材料费用。理想的用来配置泥浆的水，PH值应该控制在8.5-9.5，不含Ca2+, Mg2+,无固体杂质，必要时要进行预处理。

    ②纯碱

    即碳酸钠，又叫苏打。纯碱主要用来软化水质，降低水的硬度和调节PH值。用纯碱处理后的水更适合膨润土水化，使泥浆更好得发挥好的性能。

    （2）膨润土

    目前在市面上有各式各样的膨润土，其品质参差不齐，给使用者带来很大的困惑。其实膨润土的判定标准是这样的：-

    膨润土又称斑脱岩、膨土岩，是以蒙脱石为主要成分的粘土。膨润土可根据所含蒙皂石族矿物的属型而相应划分。蒙脱石以其层间可交换阳离子的种类、含量划分属型，当某一阳离子的含量超过阳离子交换容量50%时，即以该阳离子命名。例如钠基蒙脱石(ENa+/ΣEC≥50%)、钙基蒙脱石(ECa2+/ΣEC≥50%)。当层间没有一个阳离子含量超过50%交换容量时，则以含量最多的两个阳离子命名，如钙钠基蒙脱石等。

    钠基膨润土又命名碱型土，吸水后高度膨胀，适合用作钻井泥浆。钙基膨润土又名碱土型土，吸水后膨胀不太大，主要用于铸造行业。目前天然的钠基膨润土产地主要在美国怀俄明州；国内所谓的钠基膨润土都是钙基膨润土改性钠化而成，各项性能较纯天然的钠基膨润土要差，稳定性也没有天然的钠基膨润土好。

    膨润土能吸附8-15倍其体积的水量，吸水后膨胀，好的可以达30余倍。在水介质中能分散呈胶状，具有一定的粘滞性，触变性和润滑性；它和水、泥和砂等碎屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。膨润土的理化性能主要取决于它所含的蒙脱石种类和含量。美国怀俄明州所产的天然钠基膨润土中钠基蒙脱石可高达85%以上。作为怀俄明州天然钠基膨润土的主要供应商，BAROID公司对膨润土有50多年以上的经验，其膨润土产品是针对某种特殊钻井技术的需求而专门生产的。

    （3）泥浆添加剂

    泥浆添加剂种类繁多，有增加悬浮的，有提高或降低粘度的，有堵塞钻孔孔壁缝隙有助于成孔的……选择什么样的添加剂，要根据现场情况具体确定。HDD泥浆常用的添加剂可简单分为下面几类：-

    成功穿越的诀窍--选用合适的泥浆

    摘要本文结合作者多年的实践经验和工程事例，再次强调了合适的运用泥浆是HDD钻孔过程成败的关键。使用恰当设计的钻液配方和合适的钻液配置程序，将提高整个工程的效率，最终将节省工程费用。合适的泥浆配方和合理的钻进工艺的标准，就是要在钻具周围形成一个用来容纳回拖管线的通敞的孔洞。引用了国内外专家的论述，更进一步的证实了泥浆在整个钻进过程的重要。

    关键词泥浆泥饼成孔成功

    钻液(泥浆)是进行各种钻孔施工包括水平定向穿越项目的关键技术，这个问题若摆在石油钻井工业专家面前是不会产生争论的，若询问泥浆材料的供应商和水平导向钻孔的大多数施工单位，他们会告诉你使用泥浆将使工程进行的顺利和轻松、经济并取得高效。但总有些工程单位在进行钻孔工程时不重视泥浆，或根本就不使用泥浆，他们在钻进和回拖过程中只使用水来充当泥浆，他们认为水比较便宜又方便提取，还可以增加在岩层中的切削速度，其实这是一种错误的观念。下面就现场经常遇到的几种情况和问题，结合本人多年的实际经验进行分析，并借用国外泥浆专家的观点进行点评，以便在施工时对照学习和提高：

    我们知道水平导向钻孔市场竞争是越来越激烈，但若能够使用合适泥浆的操作者，即使在困难的地质条件和较低的合同价时也肯定能赚大钱。因为，具体的土壤条件将决定你使用的泥浆的具体成分和构成，不要舍不得把钱花在泥浆材料的投入上，其实泥浆材料的成本只占整个工程成本的1?5％之间。否则可能会在工程中花更多的钱去处理钻孔中的事故或导致工程失败，造成的损失将大大超过泥浆材料的投入，若失去了相应的市场那就更不值得。

    泥浆在工程中对提高总体的切削速度和悬浮钻削起着重要的作用，只有使用适合地质条件的泥浆，才能够确保操作者快速顺利的完成一个项目，同时，泥浆材料的工程消耗与占大头的设备开支以及完成工程项目后的价值相比，相对成本并不高。

    钻液专家告诉我们：通常所说的使用合适的泥浆，必须是符合地质条件的淡水和泥浆材料的混合物，而不只是清水，由于流动状态的水不具有的相应的携带能力和护壁性能，而且它也会不停地向周围岩层渗透所以就会导致钻孔塌方或缩径，反而会使回拖和旋转压力上升，并且造成对钻杆和钻具的过度磨损。所以再次提示：仅使用水会产生许多不利的因素，有时水的不利因素远远超过其有利因素，甚至会导致工程的失败。例如：在一个工作现场，在钻孔时用清水在粘土中钻进，不用说问题是接踵而来。在导向孔打到大约100m钻头准备出土的时候，钻杆几乎被粘住了。因为，此时钻机已经达到最大旋转压力，而钻杆几乎不转。回拉压力也达到了最大，回抽一根钻杆要花45min到1个小时的时间，当然，此时的机器绝对达到了能力极限，这些粘性的、膨胀了的泥土给设备造成了非常大的磨损和损害。在第二次打导向孔时，根据地质情况，采取了合适的泥浆配方，调整了泥浆性能，然后进行钻孔和回拖管道，整个过程中旋转压力只有最大值的1/3?1/4，并且轻而易举地拖回了管道。

    以上是一个不使用钻液导致粘管的例子。美国Sun West泥浆公司的工程经理White说：“这是一个主要问题。如果不使用任何钻液来将钻屑清除出钻孔它们就会留在钻孔中并挤满钻杆、回扩头和回拖件周围的空间，从而导致三者都被粘牢，这就是一个因不使用钻液而导致粘管的事例。原因就是粘土遇水会膨胀并变得非常的粘，以至钻杆不能转动或抽出的典型工程”。还有一个场合，“就是在不使用膨润土或其它添加剂的情况下在沙土中钻进。沙土会变潮变松，使孔壁塌方或使整个孔壁紧贴在钻头或扩孔器的周围。如果你的钻具被粘牢且不能挖出，价值成千上万的设备将会损失掉。”以下就是一个典型的例子：在另一个现场，钻孔时直接推进的力较大，旋转钻进时推力减小，停下来10min，再次钻进时就不好钻入，停下来20min后，再想钻进或抽回时都很困难，原因是钻进到砂层，只使用水做钻进液不能够使钻孔成型，钻进的同时钻孔也随着塌方，所以，钻进或抽回都十分困难，费了好多时间和材料才将钻头抽回，后来经过使用泥浆材料，使泥浆具有相应的悬浮岩削的能力，钻进和回拖管道都十分顺利。

    针对这类情况，美国捷高CETCO公司东南亚地区经理Jim Piasecki认为，这些情况的原因都是因为“仅仅用水是不能悬浮切屑的，因为钻液才具有稳定钻孔，悬浮并将切屑带至孔外的作用，所以，不使用钻液钻孔时，悬浮性将成为一个问题，它将使钻削留在孔中，从而造成埋钻和钻液损失”。

    还要注意：无论什么情况下，都要使用膨润土配制的泥浆，不能只使用水做钻进液，只使用水的严重结果，是对钻孔和你的泥浆泵系统的设备造成损害。对钻孔的损坏的情况就如前述的在粘土和砂层中的钻进，一边钻进一边破坏原来的孔壁，使钻孔难以进行或工程失败。对泥浆系统的损坏，主要体现在机件的磨损上，泥浆具有一定的润滑性，而水没有润滑性，通常说水是发涩的，不能够提供摩擦副之间的润滑膜，所以会造成泥浆泵柱塞和缸套和泥浆管路的磨损。所以，要求施工时一定要取用干净的淡水，不能够含有杂草，尤其注意不要将河底的沙子一并抽入泥浆罐中，以免造成泥浆系统的过度磨损。

    泥浆专家和有经验的施工者都认为：使用恰当设计的钻液配方和合适的钻液配置程序，将提高整个工程的效率，最终将节省工程费用。我们都有体会：合适的泥浆配方和合理的钻进工艺，对整个工程的顺利是很重要的，关键是要在钻具周围形成一个用来容纳回拖管线的通敞的孔洞，一定要依照地质地层的实际情况，来配制泥浆，必要时还要加入相应性能的化学添加剂，没有万能的泥浆配方，同时要注意的是：添加剂一般都具有这样和那样的作用，选用时，要根据具体的情况来决定添加比例，不是越多越好，就像再好的药都有副作用那样，有时副作用会致人于死地的，泥浆添加剂也一样。

    例如：有一家穿越公司，每次都采用同样的几种添加剂，用在一般粘土或亚粘土等普通地质钻孔工程，各种材料的比例和加入量基本不变，在几次工程中没有出现什么情况，而在换了另一个地区后，还采用自己的“万能”配方，结果第一次导向孔钻孔到600m后，无法钻进，只有抽回钻杆重钻，当第二次再钻到500m后，又无法钻进了，不得不再次抽回全部钻杆，并请求我帮助分析原因和提供技术支持，经过了解和分析当地的地质情况，指导他们改变了泥浆添加剂的组成和配方，结合所用钻机的性能，调整泥浆的压力和流量，以及钻进的工艺参数，这次只用了不到30小时就完成了820m的导向孔的钻进，拖管时也很顺利。

    以上是一些经历的工程事例和简单分析，下面请听有关专家的在这些方面的评说：美国捷高CETCO公司的Jim Piasecki说“钻液是专门用来排除施工中的麻烦的。我们在竭力教会采购我们产品的施工人员，知道在什么时候应该使用哪一种钻液和添加剂。”“我们希望施工人员能够将泥浆技术作为一种工具，来完成HDD的工程施工过程”。

    美国Bariod公司的Frank Canon这样回答了钻液的重要性问题，“让我们用一些其它问题来回答这个问题”，他说，“当一个项目进行得很糟时，为什么我们是首先求助的对象？为什么总是询问钻液混合是否有问题？难道是因为有特定的钻液用于控制特定的土壤吗？”。只能这样理解：只有使用合适的泥浆，才能够使工程进行的顺利并取得效益。

    美国Wyo?Ben公司的工程师Pac Kelly对使用钻液的评论是“恰当配制的钻井液，并不一定意味着是很复杂的钻液，关键是要适合地质状况，有时只使用高效的膨润土和一种或几种聚合物的混合物，通过改变数量就可以处理许多不同土壤的钻孔，掌握原则和灵活处理，你一定能成功。”

    总之，泥浆(钻液)专家和我们的经验都证实：恰当的使用钻液是成功完成一个钻进项目的关键因素，而且不使用钻液的承包商所占比例也越来越小，所以，要重视对钻进操作者的培训，尤其对新的操作者的培训更重要。

    一定要牢记：保持泥浆的性能符合地质要求，并使钻液在流动时具有将更多的物质带出钻孔的能力，而且在钻液停止流动时，泥浆的凝胶悬浮力能够支撑切屑，保证钻孔中切屑不会堆积。所用泥浆要求能够在孔的周围形成滤饼通常称为“泥饼”，形成的薄而坚韧的泥饼，将控制钻液中的水分渗透到钻进的土层中去，并维持钻孔在一定的时间内不塌方，直到将整个管道回拖完成。记住以上的专家建议和提示，就可以使你的工程进行的更顺利并取得良好的经济效益和社会效益。

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