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            主營服務項目:定向鉆機非開挖施工、頂管機施工等
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            新聞動態

            非開挖:平衡淤泥質地層的泥漿比重設計及配方調整

            內容摘要:非開挖鋪管時泥漿比重宜控制在1.02g/cm3~1.25g/cm3。淤泥及淤泥質土是在靜水或非常緩慢的流水環境中沉積,并伴有微生物作用的一種結構性土。研究了淤泥質地層的泥漿比重設計及配方問題?偨Y出配制加重泥漿時應合理選用加重劑和懸浮劑,并對加重劑的比重等參數進行確認。

            來源:www.clyag.icu 發布人:非開挖公司

            淤泥及淤泥質土是在靜水或非常緩慢的流水環境中沉積,并伴有微生物作用的一種結構性土。就其成因來看,有濱海沉積、湖泊沉積、河灘沉積及沼澤沉積四種。在天津、上海和廣州等沿海城市,長江中下游、珠江下游、淮河平原、松遼平原等平原地區,洞庭湖、洪澤湖、太湖和鄱陽湖四周,以及昆明滇池地區,都埋藏有厚度達數米至數十米的淤泥及淤泥質土。天然含水量大于液限、天然空隙比大于或等于1.5的粘性土為淤泥。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的粘性土或粉土為淤泥質土。

            淤泥質地層具有流塑性,既要防止欠平衡造成內撐壓力不足而縮徑,又要防止超平衡造成地層軟化而縮徑,孔內泥漿的壓力應與孔深處的地應力相平衡。因此需要配制合理比重的泥漿,以保證循環中的泥漿快速形成致密的泥皮。利用泥漿的壓強和強韌的泥皮,來平衡易可引起塌陷的地層壓力。

            1泥漿比重設計

            非開挖鋪管時泥漿比重宜控制在1.02g/cm31.25g/cm3。

            由于淤泥質地層質軟,泊松比大,擴孔時縮頸程度明顯高于常規地層,因此淤泥質土的比重應盡量取上限值。要配制大比重泥漿,可直接用增大膨潤土加量的方法來加重,但過量的膨潤土會使泥漿粘度、切力增大,導致泥漿在流動性方面不符合要求。而且膨潤土的重度不高,用來增加泥漿的比重效果不顯著。因此,一般采用專門的加重劑對泥漿進行加重。

            1.1泥漿常用加重劑

            加重劑又稱加重材料,由不溶于水的惰性物質經研磨加工制備而成?杉尤脬@井液中以提高鉆井液密度,起到穩定井壁等作用。加重材料應具備的條件是密度大、磨損性小、易粉碎、不與鉆井液中的其它組分發生相互作用。

            泥漿常用加重材料有重晶石粉、石灰石粉、鐵礦粉和方鉛礦粉等。

            1.1.1重晶石粉

            重晶石是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石,經過機械加工后而制成的白色粉末狀產品。按照API標準,其比重應達到4.2g/cm3,粉末細度要求過200目篩子,篩余不大于3%。重晶石只溶于濃硫酸,不溶于水、有機溶劑、其他酸和堿溶液,一般用于加重密度不超過2.30g/cm3的水基或油基鉆井液,是目前應用最廣泛的一種鉆井液加重劑。

            1.1.2石灰石粉

            石灰石粉主要成分是CaCO3,密度為2.2g/cm32.9g/cm3,易與鹽酸等無機酸發生反應,因而適用于在非酸敏性而又需進行酸化作業的產層中使用,以減輕鉆井液對產層的損壞。但由于其密度較低,一般只能用于配置密度不超過1.68g/cm3的鉆井液。

            1.1.3鐵礦粉

            鐵礦粉的主要成分為Fe2O3,密度一般為4.9g/cm35.3g/cm3,為棕色或黑褐色粉末。密度大于重晶石,可用于配制密度更高的鉆井液。選用鐵礦粉將某種鉆井液加重至某一給定的密度,加重后鉆井液的固相含量比選用重晶石時低。加重后固相含量低有利于調節流變性和提高鉆速。此外,由于鐵礦粉具有一定的酸溶性,因此可用于需進行酸化的產層。

            由于鐵礦粉硬度約為重晶石的兩倍,因此耐研磨,在使用中顆粒尺寸保持較好,損耗率較低。但另一方面,對鉆具、鉆頭和泵的磨損也較為嚴重。在我國,鐵礦粉是用量僅次于重晶石的鉆井液加重材料。

            1.1.4方鉛礦粉

            方鉛礦粉是一種主要成分為PbS的天然礦石粉末,一般呈黑褐色。由于其密度高達7.4g/cm37.7g/cm3,可用于配制超高密度鉆井液。由于該加重劑的成本高、貨源少,一般僅限于在地層孔隙壓力極高的特殊情況下使用。我國滇黔桂石油勘探局在官-3井曾使用方鉛礦配制出密度為3.0g/cm3的超高密度鉆井液。

            1.2泥漿加重劑的優選

            同一種加重劑,粒度分布不同,其臨界密度和摩阻系數也不同。顯微電鏡觀察顯示:石灰石、重晶石顆粒表面為球形,有利于滑動,摩阻較;鐵礦粉顆粒表面為四面體,有阻礙滑動的作用。加重劑的純度、粒度分布和顆粒表面形狀都會影響鉆井液的潤滑性能,加重劑的純度高、雜質少、粒度分布均勻、比表面積小、顆粒表面為球形,都會使鉆井液的摩阻減小,潤滑性能提高。

            另外,根據斯托克斯公式,重晶石顆粒下沉速度與其顆粒半徑,也就是與其目數有關。斯托克斯公式如下所示:

            V=2gr212)/(9η)     。1

            式中,V:懸浮顆粒的沉降速度,m/s;g:重力加速度,m/s2,r:懸浮物顆粒的半徑,mm;ρ1:懸浮顆粒的比重,kg/m3;ρ2:分散介質的比重,kg/m3;η:散介質的粘度,s。

            所以,重晶石目數越大,懸浮物顆粒半徑越小,懸浮物沉降速度也就越小,懸浮效果就越好。建議采用400目以上的加重劑進行加重,以保證現場加重劑的懸浮穩定性?紤]到石灰石加重效果較低,鐵礦粉磨損性較高、方鉛礦粉成本較高,而重晶石粉貨源廣、價格適中等因素,實驗室進行實驗時通常采用重晶石粉。

            1.3泥漿加重劑的加量

            配制加重泥漿時,加重1m3泥漿所需加重劑的重量W(Kg)為:

            式中:γB———加重劑的比重,g/cm3;γ2———加重泥漿的比重,g/cm3;γ0———原漿的比重,g/cm3。

            根據公式算得用比重為4.0g/cm3的重晶石加重1m3泥漿,所需重晶石粉的重量如下表所示。表中泥漿的比重單位均為g/cm3。由于實際操作的誤差,以及測試時攪拌不夠均勻等因素的影響,計算出來的加重材料用量與實際所需用量存在一定差別,在實際應用時可結合經驗對計算結果進行一定調整。

            1加重1m3泥漿所需重晶石粉的重量(kg)

            原漿比重\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羧甲基纖維素鈉(CMC

              羧甲基纖維素是一種陰離子、直鏈、水溶性纖維素醚,可使大多數常用水溶液制劑的粘度發生較大變化。在食品工業中具有實用價值的是它的鈉鹽,因此通常稱CMC就是指羧甲基纖維素鈉。CMC為白色或微黃色粉末、粒狀或纖維狀固體,在水中溶脹時可以形成透明的黏稠膠液。Na-CMC為一種抗鹽、抗溫能力強的降濾失劑、增粘劑、膠體保護劑。

              2.1.2瓜爾膠(GUAR

              瓜爾膠是一種天然高聚物。它由胍爾植物種子胍爾豆中提取。胍爾豆中的膠體含量可達40%。瓜爾膠用于配制鉆井液,可以降低濾失量和提高井壁的穩定性。瓜爾膠在溫度高于65.55時會很快降解,粘度降低。因此,只能在淺井應用。

              2.1.3黃原膠(XC

              XC生物聚合物又稱做黃原膠,是由黃原菌類作用于碳水化合物而生成的高分子鏈狀多糖聚合物,相對分子質量可高達5×106,易溶于水。是一種適用于淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液的高效增粘劑,加入很少的量即可產生較高的粘度,并兼有降濾失作用。

              2.1.4田菁粉、田菁膠(SG

              田菁膠屬于天然多糖高分子化合物,根據其在常溫下的水溶性能可分為兩部分,即水溶性部分和水不溶性部分。水溶性部分占田菁膠的63%68%,主要是半乳甘露聚糖膠,是工業上使用的有效部分。水不溶性部分約占田菁膠的27%32%,大部分是由分子量較大的半乳甘露聚糖膠和少量的粗纖維、蛋白質、脂肪和其他物質等組成。

              2.2加重泥漿懸浮劑的優選

              選擇加重泥漿懸浮劑時,應綜合考慮不同懸浮劑的特性,選出若干種進行實驗。對其所配制成的泥漿進行測試,通過對比分析泥漿的粘度、切力等數據和懸浮效果,得出最適合相應工程施工情況的配方。

            3加重泥漿配方舉例

              3.1XC與田菁粉體系

              XC型:基漿500ml+0.8%DFD+0.05%XC+50%重晶石

              田菁粉型:基漿500ml+0.8%DFD+0.05%田菁粉+50%重晶石兩種漿液比重均為

              1.31g/cm3,重晶石的懸浮穩定性能良好。對XC型和田菁粉型加重效果進行比較,實驗結果顯示:加入重晶石粉并充分攪拌后,田菁粉型漿液下部沒有明顯沉淀物,而XC型漿液下部有近50ml的沉淀物?梢娞镙挤坌蜐{液懸浮能力比XC型漿液好。在淤泥質地層中,按此配方可將比重調至1.31g/cm3,有助于解決孔壁蠕變縮頸問題。

              3.2HV-CMC與瓜爾膠體系

              配方12%+4%純堿+6‰HV-CMC+4%腐殖酸鉀+80%重晶石配方性能:表觀粘度:53MPa·s;塑性粘度:28MPa·s;動切力:25.6pa;濾失量:13ml/30min);PH值:10;比重:1.52g/cm3。

              配方22%+4%純堿+6‰瓜爾膠+4%腐殖酸鉀+70%重晶石配方性能:表觀粘度:97MPa·s;塑性粘度:62MPa·s;動切力:35.8pa;濾失量:13ml/30min);PH值:10;比重:1.47g/cm3。

              可見瓜爾膠的提粘效果優于HV-CMC,而二者的降濾失效果相差不大。兩種泥漿體系比重分別達到1.52g/cm31.47g/cm3,加重效果明顯。

              3.3某兩種成品土加重效果

            2某兩種成品土加重效果

            土樣

            重晶石加工量/%

            泥漿比重/g/cm3

            高端土

            0

            1.045

            30

            1.193

            低端土

            0

            1.045

            30

            1.193

              這兩種配方比重均在1.02g/cm31.25g/cm3范圍內,符合非開挖鋪管的要求,重晶石的加重效果與表2中比重為2.9g/cm3的重晶石相似,可見該配方中使用的重晶石比重應在2.9g/cm3左右。

            4結語

              本文研究了淤泥質地層的泥漿比重設計及配方問題?偨Y出配制加重泥漿時應合理選用加重劑和懸浮劑,并對加重劑的比重等參數進行確認。文章提供了幾種加重泥漿的配方,為生產實際提供一定的參考。

             


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