膨润土泥浆在水平定向钻施工中的应用及特点

在几十年前，水平定向钻技术在西方就成为了一项重要技术。早期，这项技术只是应用于穿越河流铺设管线，而在这些地方，明挖铺设显然是不切合实际的。随着这项技术的进一步发展，水平定向钻技术成为了众多市政管线铺设工程的选择，应用范围逐渐扩大，被用于穿越公路、机场跑道以及地下管线，甚至穿越地下建筑。近年来水平定向钻技术发展很快，穿越纪录不断被打破，铺管直径已从几公分发展到一米以上

[1]泥浆是定向钻工程的血液，泥浆质量往往是决定工程成败的关键。随着水平定向钻市场需求的不断扩大，泥浆材料也拥有巨大的市场需求，而膨润土是水平定向钻泥浆的主要造浆材料。

1　定向钻技术及泥浆功用

1.1 定向钻技术原理

(1)钻进。

在管道铺设的一端固定钻机，按照设定的角度，设备驱动钻杆带动钻头旋转前进，并在导向仪的控制下，按施工要求的深度和长度进行钻进，穿过地面障碍物后，穿出地面。在钻进的过程中，为防止钻杆被土层夹紧、抱死，需要由泥浆泵通过钻杆、钻头打出膨化水泥或泥浆，起到固化通道，防止塌陷，同时也能冷却钻头，润滑钻杆。

(2)回扩。

在钻头带着钻杆穿出地面后，卸掉钻头，将回扩头于钻杆安装固定， 动力头回拖，钻杆带着回扩头反向回拖，扩大管道直径尺寸。

(3)回拖。

在回扩头回拖的同时，将管道固定在回扩头后，动力头拖动钻杆，带着回扩头和管道同时进行反向回拖运动，直至将管道拖出地面，完成管道铺设施工。

1.2 泥浆的功用

(1)悬浮和携带泥(岩)屑。

这是泥浆的基本功用之一，是把钻头或扩孔器破碎的泥(岩)屑带出孔道，保持孔道清洁，以利于管道回拖。

(2)稳定孔壁。

孔壁是否稳定和规则是水平定向穿越是否成功的决定性因素，是高速优质进行水平定向穿越的重要基础条件。

(3)润滑。

在钻导向孔和管线回拖过程中泥浆可以起到很好的润滑作用，在坚硬岩石地层扩孔时对扩孔器的润滑作用更加明显。

(4)冷却钻具。

在导向孔钻进和回扩过程中，钻头和扩孔器旋转破碎泥(岩)层产生一定的热量，钻杆不停地与孔壁摩擦，也产生一定的热量。泥浆能冷却钻头和钻杆，延长钻具使用寿命。

(5)了解地层。

对返出地面的泥浆进行分析，可以了解穿越地层的岩性，适时调整施工工艺[2]。

2　水平定向钻泥浆特点及指标要求

2.1 泥浆特点

水平定向钻工程施工中泥浆的指标是变化的，不同的施工条件和底层环境对泥浆的要求不同，因此泥浆的现场配制方法和配方上可能有所不同。但从泥浆的功用上可以看出定向钻泥浆的一般性要求。

(1)粘度。

粘度可以被描述为液体流动的能力，良好的粘度性能保证泥浆在孔内适当的流动，粘度过高，钻头钻进过程中阻力大，降低施工效率；粘度过低，带不出钻屑。应根据现场条件调配适宜的泥浆粘度。

(2)胶凝强度。

胶凝强度是膨润土泥浆的重要指标，是指泥浆在一定时间内形成胶体的能力，膨润土形成凝胶体在孔内悬浮钻屑。如果钻屑没有被悬浮起来，它们就不能被携带出钻孔，会沉在钻孔的底部。这样钻屑就会堵塞钻孔，导致泥浆循环失效同时孔内压力会急剧升高，泥浆很有可能会压裂地层溢出到地面，也可能会发生埋钻事故损失钻具。

(3)流动性。

水平定向钻要求泥浆的流动性要好，且泥浆在长时间的养护过程中粘度不能急剧上升，失去流动性，形成果冻状，失去对孔壁的压力。

(4)低滤失量。

水平定向钻泥浆要求有较低的滤失量。低滤失量的泥浆会在孔壁上形成一层薄而韧的泥皮，对管壁有保护作用，防止塌孔。且低失水率也能防止岩层因为吸水过多造成膨胀缩颈和塌孔。

(5)触变性。

水平定向钻泥浆要求有较好的触变性。泥浆的触变性是指搅拌后泥浆变稀(切力降低)，静置后泥浆变稠(切力升高)的特性。在泥浆停止循环时，切力能较快地变化到某个适当的数值，又不至于静置后重启时泵负荷过高。触变性好的泥浆能减轻泥浆泵的负荷，有利于泥浆的搅拌和输送。

2.2 泥浆指标要求

不同地层施工对泥浆性能要求见右表。

(1)粘土层。

粘土层一般为冲积砂土层、粉砂土和淤泥。土质构造较硬实，吸水较强，其中以黄色泥岩、褐色泥岩最具有代表性。在粘土层钻孔具有可钻性好，成孔性好，钻具在土中旋转推进、造斜和出土都能比较好的成孔，不易坍塌，是最容易穿越的地层.

(2)细砂层。

砂层地质构造特点一般是少量的粘土或粉质土夹杂大量的黄砂，其中还含有一定量的卵石和砾石。在砂层钻孔具有成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力强，导向孔和回扩孔时极易坍塌。

(3)粗砂层。

粗砂层往往含有大量的黄砂、含水量较大的流砂，其中包括卵石、砾石，此种地层一般比较少。在粗砂层钻孔具有成孔性极差、易坍塌、易漏浆，易造成大区段的井壁坍塌或掩埋钻具或机具，钻进速度慢，钻具、机具磨损严重。

3　泥浆用膨润土特点

膨润土是以蒙脱石为主要成分的粘土。蒙脱石以其层间可交换阳离子的种类、含量一般又划分为钠基和钙基两种膨润土。作水平定向钻用膨润土具有以下几个特点：

(1)钠基膨润土为主。

钠基膨润土具有吸水量大、膨胀倍数高、造浆率高的特点，在水介质中能分散呈胶状，具有一定的粘性，触变性和润滑性。美国的膨润土公司的泥浆膨润土一般选用美国怀俄明州的天然钠基膨润土，国内一般选用人工钠化膨润土。

(2)高蒙脱石含量。

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，蒙脱石含量越高，造浆率也一般更高。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，国内质量较好的造浆膨润土蒙脱石含量也在80%以上。

(3)低含砂率。

用于造浆材料的膨润土一般要求含砂量小于3%。

(4)高胶凝强度。

膨润土具有高胶凝强度，在作造浆材料时能悬浮住颗粒较大的钻屑。当泥浆相对于钻孔地层处于静态时，必须保持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。

(5)具有一定的水适应性。

施工地往往都是在荒郊野外，配浆用水也是五花八门，所以水中难免会含较高的钙镁离子和水质偏酸等情况，很多厂家生产的造浆膨润土遇到钙镁离子水时会产生絮凝分层，粘度大幅度降低，这都是不合格的泥浆材料。

与长石等杂质矿物Zeta电位的不同，硫酸为调整剂、采用混合捕收剂，在pH值=2～3的酸性环境中进行的反浮选试验，磨矿—分级—重选—磁选—擦洗后的精砂为浮选试验入料。试验主要探索浮选药剂用量对精砂指标影响。捕收剂用量对精砂中Fe2O3影响见图3。

由图3可知，捕收剂用量增大，精砂产率降低，精砂中Fe2O3含量降低，捕收剂用量为0.75kg/t时，精砂中Fe2O3为0.0058%，最终精砂的多元素分析结果(%)：SiO2 99.72、Al2O3 0.017Fe2O3 0.0058、TiO2 0.01、K2O0.054、CaO0.0065、MgO0.0084、Na2O0.017、LOI0.16。

由此可知，陕西某地脉石英岩矿经磨矿、分级、重选、磁选、擦洗、浮选组合工艺流程选别后，精砂各项化学指标和粒度组成均满足太阳能光伏玻璃对硅质原料质量要求。

4　结语

(1)磨矿—分级作业能够有效控制石英砂粒度，同时磨矿起到一定的擦洗作业，有利于石英颗粒表面胶结物、粘土矿物的分离。

(2)对含钛铁矿的石英砂，重选、磁选作业有较好的提纯效果。

(3)擦洗、浮选作业可以大幅度降低石英砂Fe2O3和Al2O3含量，最佳的擦洗介质用量为18.4kg/t，擦洗时间10min，浮选捕收剂用量0.75kg/t。

(4)通过对选矿提纯工艺试验探索，采用磨矿、分级、重选、磁选、擦洗、浮选组合工艺可获得满足太阳能光伏玻璃对硅质原料的要求。

(5)擦洗、浮选作业中的药剂可考虑循环利用，最终用碱石灰中和以减少污染。