浅析用于高承压水头下深厚覆盖层钻孔加重泥浆研制及配送回收工艺

朱成坤，谢 武，付 成，赵明华，叶玉麟

（1.四川华电泸定水电有限公司，四川 成都 610000；2.中国水电基础局有限公司，天津 武清 301700；3.天津市地基与基础工程企业重点实验室，天津 301700）

0 前 言

为控制钻孔过程中出现涌水、涌砂，本文拟研究采用加重泥浆护壁钻孔，通过加重泥浆自重来抵消涌水水头压力，避免涌水带出砂砾料，同时起到保护孔壁的作用。通过水头压力计算得出加重泥浆比重需在1.5～1.8之间才能满足护壁钻孔要求。在研制过程中，既要兼顾加重泥浆的比重（达到足够的比重才能抵消涌水水头压力），又要兼顾泥浆的悬浮携渣能力（只有适宜的悬浮携渣能力才能使加重泥浆呈均质状态，避免重晶石粉沉淀至孔底导致钻孔抱钻、埋钻孔故），最后还要求加重泥浆才能达到一定黏度，以满足在覆盖层中的钻孔护壁效果。加重泥浆护壁钻孔在水电工程中应用很少，没有类似工程经验可以借鉴，只能通过大量的室内试验及现场试验不断摸索、调整、完善，才能达到护壁钻孔要求的浆液性能。

因此在钻孔过程中，如何控制出现涌水、涌砂情况是急需解决的技术难题。研制一种加重泥浆压制涌水、涌砂是高承压水头下坝基深厚覆盖层帷幕补强灌浆施工的先决条件。

1 工程概况

泸定水电站位于四川省甘孜藏族自治州泸定县境内，为大渡河干流第12级电站。水库正常蓄水位1 378.00 m，总库容2.195亿m3，装机容量920 MW，工程为二等大（2）型工程。电站大坝为黏土心墙堆石坝，建基于覆盖层上，坝顶高程1 385.50 m，最大坝高79.50 m；坝址河床覆盖层深厚，一般厚度120～130m。河床部位（0+105.50 m～0+250.30 m）坝基防渗体系由垂直混凝土防渗墙下接三排灌浆帷幕（防渗墙内一排、防渗墙上下游各一排）组成，混凝土防渗墙厚度1 m，最大深度110 m，覆盖层灌浆帷幕深度约40 m；两岸部位坝基防渗体系由“垂直混凝土防渗墙+基岩帷幕灌浆（防渗墙内一排）”组成。

泸定水电站于2011年8月20日开始蓄水，于2012年6月6日四台机组全部投入商业运行。电站正常运行库水位变化高程范围为1 375～1 378 m。2013年3月31日在下游距坝轴线约448 m、距坝脚下游约200 m的右岸河道1 306 m高程发现渗水，对应坝桩号约0+240 m。至2013年4月15日涌水区地面发生塌陷，目测流量约为200 L／s，且有较多的灰黑色细颗粒涌出。针对这一情况，在涌水区域及大坝间布设9个观测孔，在涌水点布置11个减压孔进行疏导。随后进行了三个阶段坝后帷幕补强灌浆施工，通过三个阶段的补强帷幕灌浆，涌水点流量和大坝安全监测值没有明显减小。

泸定水电站坝址区河谷覆盖层深厚，覆盖层最大深度超过150 m，层次结构复杂。根据物质组成、分布情况、成因及形成时代等，自下而上主要分为四层七个亚层，即第①层漂（块）卵（碎）砾石层；第②-1亚层漂（块）卵（碎）砾石层夹砂层，第②-2亚层碎（卵）砾石土层，第②-3亚层粉细砂及粉土层；第③-1亚层含漂（块）卵（碎）砾石层，第③-2亚层砾质砂层；第④层漂卵砾石层。坝顶高程1 385 m，正常蓄水高程1 375 m左右，通过论证，在灌浆廊道内实施补灌是唯一可行的方案。但灌浆廊道底板高程为1 311 m，承受的水头为60～70 m，因此在钻孔过程中普遍存在涌水压力超0.5 MPa、涌水流量超100 L／min的情况，而且会带出地层中大量的砂砾料，对坝基原始地层造成进一步破坏；同时钻孔过程中塌孔情况十分普遍，对施工进度的影响极大，如何处理钻孔中的涌水、涌砂、塌孔是施工的重点和难点（灌浆施工剖面见图1）。

图1 灌浆施工剖面示意

2 加重泥浆及其护壁原理

加重泥浆也叫加重钻井液，是由石油钻探行业最早开始研究和使用的。通过使用泥浆材料（膨润土浆、黏土泥浆、化学泥浆）、加重材料（重晶石粉、铁矿粉、石灰石）、有机高分子材料（植物胶、正电胶、聚合物）和其他化学处理剂等制备而成的加重钻井液，保证浆液具有良好的流动性和悬浮加重能力。

对于每种地层条件，都必须按照一定的配比，使用各种配浆原材料和化学处理剂配置成所需的护壁泥浆，或者将它们添加到正在使用的护壁泥浆中，以随时调节和维持护壁泥浆的性能［1］。目前护壁泥浆的制浆材料主体已经变为膨润土，这是一种以膨润土为主要成分的矿物原料［2］。

加重泥浆的护壁原理主要表现在以下几个方面：

（1）泥浆的凝胶化。泥浆通过管路泵压渗透到周围土基土内，粘附土体颗粒，成为静止的凝胶，从而减小了颗粒的移动，并将孔壁表层一定范围内的土体孔隙填满，增强了土体原有的结构稳定性，从而减少孔壁的坍塌性和透水性，使孔壁趋于稳定。

（2）不透水膜的形成。泥浆向孔壁周围地层渗透，泥浆内部的土颗粒在孔壁接触面上逐渐形成一层致密的泥皮。泥皮能防止漏浆、跑浆，同时也能抵挡水向孔内渗入，有效促进了泥浆的护壁功能。泥皮的形成必须要求地层具有一定的渗透性，假如地层的渗透系数接近于零，则其壁面上是无法形成泥皮的。另外，泥浆的性质也影响着泥皮形成的质量，品质优良的泥浆往往比较迅速地形成薄而韧、密度大、耐冲击的泥皮，有效地保护孔壁。

（3）静液压力的作用。泥浆对孔壁作用存在静液压力，加上比重大，其值比地下水压力和涌水压力要大，从而能有效地防止水向孔内渗入，破坏泥浆的性能［3-5］。

3 加重泥浆研制

本项目使用的加重泥浆是由膨润土、重晶石粉、植物胶、表面活性剂、聚丙烯纤维和水组成。参考石油钻探行业钻井液性能测试标准，需要检测的护壁泥浆性能包括：浆液密度、扩散度、黏度、动塑比、滤失量等重点考察指标。

按照上述材料和方法，通过室内配合比试验，研究加重泥浆配比和性能。

黏度：也称塑性黏度，表示泥浆静止后胶体系统被破坏的难易程度。

动塑比：动切力和塑性黏度的比值，表示剪切稀释性的强弱。

滤失量：对泥浆进行压滤试验，表示通过过滤介质和其所形成泥饼的滤液体积。

3.1 膨润土泥浆配比试验

加重泥浆在现场膨润土浆站的膨化泥浆中掺加重晶石粉配制而成。膨润土配比及性能指标见表1。

表1 膨润土浆性能检测结果

通过表1可以看出，随着膨润土掺量的增加，膨润土浆密度逐渐增大，扩散度变小，黏度逐渐增大，动塑比也增大，滤失量变小。经验表明膨润土浆液性能良好。

3.2 普通加重泥浆配比试验

不同比重加重泥浆配比性能检测结果见表2。

通过表2可以看出，随着重晶石粉掺量的增加，加重泥浆密度逐渐增大，说明重晶石粉对于泥浆比重的改善非常明显。扩散度变大，黏度也逐渐增大，说明重晶石粉的颗粒分散作用和改善浆液流动性效果明显；动塑比增大，滤失量变小。经验表明，普通加重泥浆性能良好。

表2 普通加重泥浆性能检测结果

3.3 特殊加重泥浆配比试验

特殊加重泥浆是解决涌水、涌砂条件下通过添加植物胶和表面活性剂配制而成的泥浆（见表3）。

通过表3可以看出，随着水掺量的增加，加重泥浆比重和黏度逐渐减小，说明水对泥浆密度和黏度的改良较为明显。对于涌水、涌砂地层而言，需要不同密度的泥浆形成浆柱压力来压制水头压力，平衡孔内涌水压力。通过不同浆液黏度和动塑比使岩屑、沉渣上浮，循环带出。

表3 特殊加重泥浆性能检测结果

3.4 纤维加重泥浆配比试验

纤维加重泥浆采用特殊加重泥浆和纤维配制而成。不同纤维掺量加重泥浆配比性能检测结果见表4。

表4 不同纤维掺量加重泥浆性能检测结果

通过表4可以看出，随着纤维掺量的增加，加重泥浆扩散度逐渐减小，说明纤维对于泥浆扩散度的影响较为明显。对于漏失量较大的地层而言，需要扩散度适宜的纤维泥浆封堵大的渗漏通道，达到孔壁内部渗透平衡的目的。

4 加重泥浆制备及输送回收

4.1 加重泥浆制备和输送

由于加重泥浆的成本较高，因此必须合理规划泥浆的制备、输送和回收问题。施工现场设置一个集中制浆站，首先将160组份膨润土在浆池子加上水膨化24 h，然后抽至加重泥浆池，加入1 750组份水、4 000组重晶石粉，安装泥浆泵进行内循环，使泥浆混合均匀及陈化。然后，通过管路输送至现场高速搅拌机（储浆罐），通过管路电磁流量计和电磁蝶阀控制浆液向四个机组精确、及时、可控的供应。机组根据钻孔需要在高速搅拌机中加入植物胶、表面活性剂、聚丙烯纤维和水来及时调整浆液，以满足不同地层情况的钻孔状态。加重泥浆制备及输送回收系统见图2。

图2 加重泥浆制备及输送回收系统示意

通过相关试验表明：加重泥浆按照膨润土∶重晶石粉∶水=160∶4 000∶1 750的配比是适宜的，在使用过程中根据需要加入适宜的外加剂。

4.2 加重泥浆回收

加重泥浆使用量较大且成本高，在施工过程中，需对加重泥浆进行回收并重复利用，如图3所示。

图3 加重泥浆回收系统示意

5 结 论

泸定水电工程由于具有高水头、大涌水、深厚覆盖层地层的施工条件，成孔施工难度极大。通过对泥浆护壁原理和作用的分析，在泥浆中掺加不同材料制备需要的加重泥浆，通过加重泥浆钻孔工艺有效地防止了粉细砂层造孔过程中流砂及塌孔事故的发生。研制的加重泥浆性能能够满足高承压水头下深厚覆盖层钻孔需求，在施工过程中解决了泥浆制备、输送、计量等问题，同时从经济效益出发，成功研制出了加重泥浆回收系统，类似经验可供其他工程借鉴。