水平定向钻泥浆配制

□于洪涛（周口市水利建筑工程局）

1 工程概况

河南省南水北调受水区周口供水配套工程施工十标段，由河南省水利第二工程局施工，管线穿越沙颖河设水平定向钻1处。该处起点位于周口市东环路与七一路交叉口北约600m处，紧邻东环路与沙河大桥平行布置，起点桩号为140+350.44，终点桩号为141+249.13。设计为双管定向钻（两道涂塑复合钢管DN1000，壁厚16mm，内EP，外PE），两管间距20.20m（外壁-外壁），曲线段的曲率半径为1800D，定向钻入土角与出土角的角度为7°，入土点与出土点的水平距离为523.23m，单根管道穿越长度525.92m。河底最低点管道中心线高程为23.33m，管道水平段埋深14m。

场区地下水类型为第四系孔隙潜水，潜水主要赋存于粉质壤土和细砂中，地下水位高程一般在42.75～43.35m左右，建基面位于地下水位以下，含水细砂层为中等透水性、富水性好，具微承压性，场区粘性土属弱透水性，细砂层属中等透水性，渗透系数K=5.00×10-3cm/s。施工区地貌单元为冲积倾斜平原，微地貌为河谷地貌，河谷呈“U”形，坡岸较陡，两岸发育有漫滩。自西北向东南流经场区，常年有水。河底高程约37.90～39.70m，河面宽约180m左右，勘测期间水位在43.20m左右。

2 定向钻泥浆配制

泥浆是水平定向钻穿越工程中的关键因素，被称为穿越工程定向钻的“血液”，其作用主要是悬浮和携带钻屑并将其排至地表或指定位置、稳固孔壁、降低钻进时钻机的扭矩以及推拉力、冷却和冲洗孔底钻具等。泥浆的主要工艺性能是流变性和失水造壁性，现场控制的主要性能指标是粘度、密度、滤失量和含砂量。而对于水平定向钻施工，要求泥浆具有一定的特性，保证水平定向钻成孔效果以及在扩孔、管道回拖过程中的稳定性；并要求在施工过程中注意观察井眼泥浆返回情况，以便准确判断钻进及回拖过程中不同穿越地层的地质情况，优化泥浆配方，调节泥浆性能，确保孔洞的稳定及施工成孔的进行。特别在管道回拖过程中，提高泥浆的润滑性，降低摩阻，增强携砂、岩效果。按照穿越不同地质、穿越长度及穿越管径，需在钻导向孔、预扩孔及回拖过程中采取泥浆护壁措施，具体措施除保证传统配比外（表1），再按一定比例加大泥浆材料用量，从而达到提高泥浆粘度，保证孔壁安全（用有泥浆测试仪每两小时测量一次泥浆粘度）的效果。

表1 泥浆粘度表

沙颖河水平定向钻工程穿越地层主要为粉细砂层，在导向孔、预扩孔和回拖各阶段对泥浆的性能要求都比较高，因此泥浆配比十分关键，直接影响钻孔及管道回拖的成败，故采用泥浆复合配方进行施工，并强化各施工阶段泥浆性能的调整。实际施工中泥浆基本配方为：1m3水+40～50 kg膨润土+羧甲基纤维素钠（CMC）适量，根据场区地质条件，穿越工程泥浆粘度指标控制在55～60 s。

在施工过程中用烧碱、纯碱对泥浆pH值进行调节，维持泥浆pH值在9～10之间。

2.1 各施工阶段泥浆控制

2.1.1 斜孔段

泥浆的流动性能要好，结构性要强，保证钻屑携带和孔眼清洁。控制泥浆的失水，防止孔壁坍塌，需增大固壁剂、降失水剂含量。

2.1.2 水平孔段

应提高润滑剂剂量，适当降低粘度和切力，保证泥浆的流变性能良好，使钻屑顺利返出地面。增强泥浆的润滑性能，减小钻机旋转及推进阻力。

2.1.3 扩孔段

增强泥浆的造壁性能，防止孔壁坍塌，需要增大固壁剂，降低失水剂剂量。

2.1.4 回拖段

提高泥浆的润滑性，以降低摩擦阻力，增强携屑效果，需提高润滑剂量。

3 泥浆的回收和处理

3.1 泥浆处理池选择

根据施工现场的实际情况，在出、入土点工作坑的两侧，各挖一座泥浆处理池，使废弃的泥浆流入泥浆处理池中，以便于在管线回拖完毕后，进行泥浆外运或作深埋处理，保证其处理的效果符合环保要求。

3.2 出、入土点的泥浆回收处理问题

如返浆量很大，无法就地处理的情况下，应采用泥浆回收处理系统进行回收利用。

3.3 泥浆的外运问题

采用罐车外运的办法解决，装车容量应为15～20m3，装车前用振动筛进行一级处理，清除大颗粒钻屑，然后用污泥泵抽到罐车，运至处理地点。出入土点应准备相应振动筛用电源、大排量污泥泵、水龙带、冲洗设备等机具。

泥浆的处理应与当地政府或环保部门签订协议，可采用外运、掩埋、回收等处理手段。掩埋处理应采取稳妥的安全措施，并告知附近居民，处理的结果必须达到当地环保部门的认可。

4 施工阶段泥浆用量控制

4.1 钻导向孔阶段

导向孔钻进阶段是管线穿越的关键，因为管线穿越孔还没有贯通，因此在导向孔钻进的过程中，穿越泥浆是在盲孔中向入土点返出，如果入土点前端孔堵塞，则有可能在穿越沿线冒出泥浆，因此在管线导向孔的前100m，将采取较大的泥浆量，泥浆的流量较大以便于携带出破碎的泥土，使孔洞保持畅通。在导向孔的后半段，泥浆压力应尽量减小，因为穿越距离越长泥浆很难再从入土点孔洞内返出。

4.2 扩孔阶段

开始扩孔的前半段，要采取比较大的泥浆量，充分利用泥浆的流动把孔内的泥土带到出土点。当扩孔中段，泥浆量应减小，因为距离出土点与入土点都比较远，泥浆从这两点返出需要的压力较大，如果采取大的泥浆压力可能从沿线位置冒出泥浆。在回扩到距离入土点较近时泥浆排量应再次加大，泥浆将从入土点孔洞返出。

4.3 回拖阶段

回拖是定向穿越的最后一步，也是较为关键的步骤。在管线回拖阶段，因为整个穿越孔内已充满了泥浆，在回拖管线的过程中，泥浆的排量与压力均不应太大，随着管线进入穿越空洞，孔内的泥浆将被管线挤出，因此管线回拖应缓慢进行。

[1]尹东莉，刘丽妍.水平定向钻技术在天然气管道穿越工程的应用[J].煤气与热力，2009（12）.