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水平定向钻进、泥浆配置

发布时间:2020-05-09

水平定向钻进已广泛应用于市政、通信中管线穿越。施工的孔径越来越大,穿越长度越来越长,钻越不同地质的情况也越来越多。钻进中的成孔率和孔洞的稳定性对泥浆的配置质量要求越来越高。本文对水平钻进中泥浆配置的适应性作详细分析。

1 泥浆的分类及性能

1.1分类

中国膨润土矿资源非常丰富,既有钙基膨润土,又有钠基膨润土,此外还有氢基、铝基、钠钙基和未分类的膨润土。膨润土(Bentonite)又称膨土岩等,是以蒙脱石(也称微晶高岭石、胶岭石)为主要成分的粘土岩—蒙脱石粘土岩,常含少量伊利石、高岭石及沸石、长石、方解石等。蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物,其化学式为Nax(H2O)4{(Al2~xMg0.)[Si4O10](OH)2}。由于蒙脱石层间水和层间可交换阳离子存在,按蒙脱石所含可交换阳离子种类、含量和结晶化学性质等,可将膨润土划分为钠基膨润土(碱性土)、钙基膨润土(碱性土)和漂白土(酸性土)三种。其中钙基膨润土包括钙钠基、钙镁基等膨润土。碱性土的主要交换阳离子为Na+(和K+),碱性系数大于或等于1,碱性土主要交换阳离子为Ca2+、Na+或Ca2+、Mg2+等,碱性系数小于1,酸性土主要交换阳离子为H+(Al3+)。

1.2性能

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、有机物质有吸附能力,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(水平泡位于中间)。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1.06~1.10 g/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会更加好。

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***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:优等造浆粘土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-CMC 0.1%。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。


1 流沙对沉井施工的影响在城市基础设施及基础建设的施工中,我们经常遇到混凝土小室的工程。由于市区的施工受到地下大型管道、建筑物等障碍的影响,不能大开挖施工,给设计、施工带来很大的难度,经多种方案论证,将沉井施工技术应用到了热力小室的施工中。  沉井下沉是沉井施工阶段的主要施工过程,就我国目前土建施工技术和施工装备水平看,采用排水法控制沉井下沉,是比较理想的施工方法。因为该施工方法劳动条件好,挖土准确,容易控制和纠偏,土层中如有障碍物则易发现和排除,且能直接检查地基土质情况,可进行干封底。采用这种施工方法,沉井在下沉过程中,经常会出现沉井突沉、偏斜、下沉过慢和不下沉等现象。而出现这些现象,往往与沉井所处土质和发生的“流沙”有关。发生流沙时,土完全失去承载力,不但造成施工困难,而且流沙严重时会引起基础边坡塌方,附近建筑物会因地基被淘空而下沉,倾斜,甚至倒塌。因此,预防和处理流沙,在沉井施工中具有十分重要的作用。根据分析,流沙一般出现在如下土层:  (1)土层中亚黏土或粉沙层厚度>25 cm以上;  (2)在粉沙土层中,黏土颗粒含量<10%,粉粒含量>75%的土层;  (3)土的含水量>30%;  (4)土的孔隙率>43% .地下水动水压力的水力坡度愈大(即水位差愈大)愈容易发生流沙。一般在可能发生流沙土层挖土深度超过地下水位0.5 m时,就会出现流沙。  2 处理流沙的施工方法土在一定条件下转化为流沙。如果改变动水压力的大小和方向,或者设法改变沉井刃脚外围上下土质物理力学性质,又可将流沙转变为稳定土。在沉井施工中处理流沙的途径有3种:一是设法减小动水压力,二是设法使动水压力向下,三是化学固结形成防渗帷幕。  2.1 减小动水压力的施工方法  2.1.1 争取在全年低水位季节施工如果在地下水位以下的土质属上述4种可能发生流沙的土质,则可以争取在全年低水位季节施工。因为地下水位低时,沉井内外水位差小,所以动水压力减小。即在沉井下沉施工过程中也就不易发生流沙,至少也可以减轻流沙,从而达到顺利施工的目的。  2.1.2 掷大块石在沉井下沉施工过程中,如果出现了流沙,沉井下沉缓慢甚至不下沉,往往首先向井底抛下大石块,来增加土的压重,减小动水压力。先减小或阻止流沙出现,然后即组织抢挖,使挖土速度超过冒沙速度,迫使沉井继续下沉,挖至标高后立即铺设芦席并抛大石块把流沙压住,此法用以解决局部或轻微流沙是有效的。如果井内冒沙较快,土完全失去承载力,则抛入井内的石块就会沉入井内的土中,无法阻止流沙。  2.1.3 水下挖土在沉井下沉过程中,如果出现了流沙或采用上述方法处理效果不理想,这时可采用不排水法施工。即使沉井内外在同一高度(同一高程)上,在井内利用潜水挖土或用机械抓斗进行水底作业挖土,使井内水压与井外地下水压相平衡,阻止流沙产生,从而使沉井继续下沉。  2.2 使动水压力向下的施工方法在沉井下沉施工过程中出现了流沙,如果沉井所处位置地层的地质情况和施工条件较好,可采用井点降水施工方法。井点降水主要是降低沉井外地下水位,使其动水压力方向朝下,因而也就较有效地整治流沙。此法采用较广,但是如果井点施工质量不良,井点降水将会失效,会给工程和附近建筑物沉降带来不良影响。  目前常用的井点降水设备有,轻型井点、管井井点、深井井点、喷射井点和电渗井点,供不同渗透系数、降水深度和工程特点选用。  2.2.1 轻型井点法轻型井点法是在沉井的四周将许多直径较细的井点管埋入地下蓄水层中,井点管的上端通过弯联管与总管相连接,利用抽水设备将地下水从井点内不断抽出,这样便可将原有地下水位降低至坑底以下。  目前,轻型井点抽水设备已有定型产品,主要设备包括:井点管(包括滤管)、总管和抽水设备等。抽水设备宜布置在地下水的上游,并设在总管的中部,以发挥其大效能。  2.2.2 管井井点法在遇有流沙的情况,除采用轻型井点外,还可以土法上马,采用管井井点,特别是在土的渗透系数大,地下水比较丰富的土层中,采用轻型井点解决不了的问题时,宜采用管井井点法。  管井井点是在沉井周围每隔一定距离设一个管井,每个管井单独用一台抽水泵不断地抽水,从而降低地下水位。根据管井的材料,管井可分为金属管、竹木管与混凝土管等。管井的埋设宜采用泥浆护壁钻孔法。  2.2.3 喷射井点法主要设备包括有扬水器的井点管、进水总管、回水总管、高压水泵和循环水池(或水箱)。主要原理是:地下水经高压水泵加压的工作水由扬水器而提升到地面。  2.2.4 深井井点法主要设备包括深井、深井泵(或深井潜水泵)和排水管路等。地下水依靠深井泵(或深井潜水泵)叶轮的机械力量直接从深井内扬升到地面排出。  2.3 化学固结形成防渗帷幕的施工方法利用化学溶液或胶黏剂,通过压力灌注到沉井外围刃脚下的土层,而将土粒胶黏起来,以改善沉井外围刃脚下土层的物理力学性质,这种处理方法叫化学加固法。其主要目的不仅是提高岩土的力学强度和变形模量,而且还能降低土的渗透性,减小地下水的渗流量,提高土的抗剪强度和抗渗能力,使其在沉井下形成一层新的闭合防渗帷幕,截阻地下水流和治理流沙,使沉井能继续下沉施工,或者预先通过化学加固沉井下沉位置附近可能出现流沙的土层,以形成强度高,抗渗力好的新土层,从而为日后沉井下沉施工创造良好条件,杜绝流沙的产生。化学加固能否得到预期的效果主要决定于能否根据各土层具体土质条件,选择适当的化学浆液(溶液和胶黏剂)和有效的施工工艺。  目前化学加固的浆液主要采用,黏土水泥浆、黏土水玻璃浆、水泥粉煤灰混合物、丙凝Ac-Ms、铬木素以及无机试剂为固化剂的硅酸盐浆液等。目前发展高强、无毒、易透的浆液是化学加固法的发展方向。  2.3.1 高压喷射注浆法利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后,以高压设备使浆液成为20 m左右的高压流从喷嘴中向四周围喷射,冲击破坏土体,使土粒与浆液混合。旋喷时,喷嘴一面喷射一面旋转和提升,胶结硬化后,即在土层中形成直径比较均匀的圆柱体,当旋转喷射位置环绕沉井外围一定的均匀距离施工时,便成一个闭合的帷幕。高压旋喷法的主要设备是高压脉冲泵和带有特殊喷嘴的钻头。其他设备有钻机和浆液搅拌机等。喷射注浆的基本方法有:单管法、二重管法和多重管法。  2.3.2 灌浆法用气压、液压把某些能固化的浆液注入沉井位置下的土层中,以改善土层的物理力学性质,它是一种静态的高压喷射注浆法,其中以“袖阀管法”较为先进。其施工工艺是:钻孔插入袖阀管,浇注套壳料,灌浆,有时也采用边钻孔边灌浆的施工方法。  2.3.3 电硅化法利用硅酸钠(水玻璃)为主要的混合液进行化学加固土层的方法叫硅化加固。该法是在透水性较大的土中,利用一定的压力将浆液通过一根下端带孔的管子注入土中,使土中的硅酸盐达到饱和程度。硅酸盐在土中分解形成凝胶变为固态胶结物,把土粒胶结起来,也可分别注入硅酸钠和氯化钙两种溶液。氯化钙溶液的作用主要是促进硅胶的形成,其反应Na2nSO2+CaCl2+nH2O →nSO2(m-1)H2O+Ca(OH)2+2NaCl,所生成的是凝胶氢氧化钙和氯化钠。  硅化加固的效果与所用的化学溶液的浓度、土的透水性及压力有关。对于渗透系数在1×10-6 m/min~1×10-5 m/min的土应用本法加固。如果渗透系数小于1×10-5 m/min的黏性土,则具有压力水玻璃溶液难以注入的孔隙中,那就要借助于电渗作用,使水玻璃液能进入土的孔隙中。施工时,先在沉井两边土中打入两个电极(即两根金属管子),然后将水玻璃溶液和氯化钙溶液先后由阳极(下端有金属管子)压入土中,通以电流,使溶液在土中电渗,这种加固方法称为电动硅化法。  采用电动硅化法加固土层,不但对土的加固作用快,抗剪力强,而且抗渗能力极好,是理想的制止流沙、堵塞泉眼的施工方法。 600米DN630钢管成功回拖 施工视频 定向钻下管施工 球墨管托管施工 非开挖管道钻孔施工 定向钻多管施工 球墨管拖管施工 160吨机器进场施工 定向钻托管施工 施工视频