含盐地层顶管润滑泥浆抗盐及抗渗性能试验研究

周千淼， 张 涛， 肖岸峰， 王剑锋, ， 张 鹏, *

(1. 中国地质大学(武汉)工程学院， 湖北 武汉 430074； 2. 上海公路桥梁(集团)有限公司， 上海 200433)

0 引言

顶管法是一种非开挖管道铺设方法，施工中由顶管机头刀盘回转切削地层，始发井千斤顶施加顶进力，逐节将管道顶入地层，具有施工深度大、对周围环境影响小、成本低等优点。在顶进过程中，管节与地层之间的摩阻力是导致顶进力增大的重要原因[1]，对此，可以使用泥浆进行润滑减阻。理想情况下，泥浆可以完全包裹管道，管道与地层由固-固接触转化为固-液-固接触。在含盐地层中进行顶管施工，由于地层盐侵的作用，泥浆会出现黏度下降和漏失量增大等问题，导致泥浆套无法形成，润滑失效[2]。例如： 黄水东调二期穿越某河流的顶管工程处于山东省潍坊地区，该地区自20世纪80年代起受海水入侵严重，地层水矿化度较高[3]，存在润滑泥浆失稳的问题。

为解决盐侵泥浆问题，国内学者开展了有关研究。王福芝等[4]通过正交试验优选出抗盐润滑泥浆配方，并成功应用于港珠澳大桥拱北隧道管幕顶管施工。林俊宇[5]通过室内配伍性试验，研究了钻井泥浆体系对钙离子的抵抗能力。刘晶晶等[6]通过试验得到一种以海水作为配浆水、黄原胶作为增黏降滤失剂的海水泥浆，减少了咸水淡化费用。在抗盐浆材方面，陶怀志[7]、朱腾[8]、李占国等[9]进行了高分子抗盐降滤失剂的开发，研发的多元共聚物加入钻井泥浆中具有抗单种盐侵或复合盐侵的能力。在注浆减阻方面，王春婷等[10]分析了泥浆渗透方式和润滑原理。王双等[11]考虑了管段在泥浆套中的位置状态，针对不同形式的泥浆套提出了更接近实际情况的摩阻力计算方法。综上所述，有关抗盐泥浆的研究在钻井液和浆材方面比较丰富，但针对顶管润滑泥浆在砂层中的抗盐、抗渗性能却鲜有研究。

本文结合顶管相关技术规范[12-13]中对润滑泥浆的性能要求，选用凹凸棒土等抗盐浆材，以高黏度、低滤失量作为泥浆控制指标配制抗盐润滑泥浆，并通过抗盐试验和抗渗试验分析不同阳离子的盐侵特点和泥浆在不同粒径地层中的抗渗效果，以期为顶管工程提供指导。

1 盐侵原理及抗盐方法

黄水东调二期穿越某河流的顶管工程施工穿越地层水质分析报告如表1所示。地层水最高矿化度为67 g/L，属于盐水—卤水范围；现场配浆使用的河水为“Cl-Mg-Na”型水质，其最高矿化度为11 g/L，属于强咸水。因此，高含盐地层中大量Mg2+、Ca2+、Na+等阳离子会抬高泥浆胶体ζ电位，并吸附在黏土颗粒表面或进入层间进行离子交换，缩小泥浆与造浆黏土的电位差，即压缩双电子层厚度，导致黏土颗粒水化膜变薄，扩散层半径急剧减小，出现胶体率下降、滤失量增加、黏度下降等问题。这种状态的泥浆无法满足防渗和润滑要求[14]。

对此，应在3方面改良泥浆性能： 1)提高降滤失性，使用降滤失剂可以吸附在泥浆颗粒表面以阻止泥浆颗粒絮凝，有利于形成致密的泥皮。2)提高黏度，通过加入高分子增黏剂与泥浆颗粒形成的网状结构，提高泥浆分散度，起到支撑管节和地层的作用。3)提高配浆水矿化度，以缩小泥浆与管周土体的阳离子质量浓度差。

表1 复合盐水中各阳离子质量浓度对照表

2 泥浆配制

2.1 抗盐泥浆性能要求

为保证泥浆受盐侵后能满足顶管施工需求，结合顶管润滑泥浆及盐侵特点，对泥浆性能要求如下： 盐侵前黏度>60 s，失水量小于15 mL/30 min，24 h无离析水，黏附系数转矩值小于5 N·m；盐侵后黏度>30 s，失水量小于25 mL/30 min，胶体率大于95%，NF-2转矩仪测得黏附系数小于0.035[12-13]。

2.2 配浆材料

1)选择安徽产200目提纯凹凸棒土和山东潍坊产工业级膨润土，其中凹凸棒土属于海泡石族矿物，常规条件下其颗粒片状程度较低，故造浆性能不如膨润土，但凹凸棒土特殊的内部构造使其盐侵前后的水化膨胀能力几乎不变[15]。

2)使用抗盐性能较好的黄原胶、HV-CMC(高黏度那羧甲基纤维素)作为的增黏剂，LV-CMC(低黏度那羧甲基纤维素)为降滤失剂，NaOH作为 pH调节剂，各材料纯度均为分析级。

2.3 造浆黏土配比

本配方通过凹凸棒土与膨润土配合使用的方法弥补凹凸棒土水化能力差的缺点。将配置好的泥浆静止水化12 h后进行配比，试验结果见表2。由表可知，泥浆性能随着凹凸棒土加量增加而缓慢提升，考虑到2种材料的特点以及成本，确定配比为1∶1。

表2 不同的黏土配比对泥浆性能的影响

结合国内工程经验，本配方造浆黏土加量范围拟定为8%～14%，配浆并水化12 h后加量试验结果如表 3所示。分析认为,2种造浆黏土加量增加导致漏斗黏度和动切力大幅度上升，这有利于发挥润滑泥浆承载管道作用，但黏度过高会导致泵送困难和成本上升。综合分析确定凹凸棒土与膨润土加量各5%，NaOH加量0.35%。

表3 不同的黏土加量对泥浆性能的影响

2.4 增黏剂和降滤失剂单剂优选

为突出增黏剂和降滤失剂的抗盐效果，本试验将造浆黏土总加量设定为6%，并使用与现场河水矿化度相同的配浆水(下文简称配浆水)。增黏剂和降滤失剂加量范围为0.2%～1.0%，加量梯度为0.2%。主要测试泥浆的胶体率、漏斗黏度和滤失量,得到结果如图 1—3所示。由图可知，HV-CMC对泥浆的黏度和降滤失性的改善最明显，故可以选择HV-CMC为增黏剂和降滤失剂，加量拟定0.8%。由此可以得到泥浆配方为： 配浆水+5%加量凹凸棒土+5%加量膨润土+0.35%加量NaOH+0.8%加量HV-CMC。

XC为黄原胶。

图2 3种增黏降滤失剂对漏斗黏度的影响

图3 3种增黏降滤失剂对滤失量的影响

3 泥浆抗盐侵性能试验

为研究抗盐性能，按照上述配方配浆并预水化12 h后，以表 1中模拟地层含盐量对应加量为最大加量，向泥浆中加入梯度质量百分比的复合盐粉末，搅拌30 min后测试得到的性能参数如表 4所示。在最高质量浓度复合盐侵下，本配方性能达到2.1节要求。盐侵主要表现为漏斗黏度、动切力下降，滤失量上升；盐侵质量浓度对抗盐泥浆的影响是非线性的： 复合盐加量由0增至2%时漏斗黏度下降了37.8 s，滤失量增加6 mL/30 min；盐加量由2%增至6.7%，漏斗黏度下降5.9 s，滤失量增加4 mL/30 min，泥浆性能不再随复合盐加量增加而大幅度下降。

表4 复合盐侵对抗盐泥浆的影响

单种阳离子对抗盐泥浆的影响见表 5。通过进一步的单一阳离子盐侵试验可以发现，3种盐对泥浆的影响差别较大。由表可知，泥浆抗Ca2+浓度最大为7.207 mol/L，而Na+、Mg2+浓度分别达到78.632、11.823 mol/L时泥浆仍满足各项指标要求。这是由于Ca2+、Mg2+价位更高，对双电子层的压缩能力更强，并且Ca2+本身水化能力最弱，所以Ca2+盐侵对泥浆影响最大，Mg2+其次,Na+最弱。

表5 单种阳离子对抗盐泥浆的影响

4 抗渗性能研究

4.1 试验方案及设备

通过API中压滤失仪抗漏失试验可以证明抗盐泥浆在盐侵条件下良好的降滤失性。然而,顶管施工中管周地质条件复杂于滤纸表面，泥浆的真实渗透量无法通过该试验表示。对此，以表1所示含盐量配置地层水对泥浆进行盐侵，并制备3种级配的饱和砂样，依据表 6试验参数，使用渗透仪进行试验。其中，对照组普通泥浆盐侵前漏斗黏度大于70 s，API滤失量小于5 mL/30 min。3种砂样级配如图4—6所示。

表6 注浆抗渗试验参数表

图4 样品1砂样级配图

图5 样品2砂样级配图

图6 样品3砂样级配图

参考苏立君等[16]、朱崇辉[17]使用的渗透量测试仪，本试验设计的渗透设备如图7所示，由框架、亚克力管道、密封端盖和压力系统组成，最大试验压力500 kPa。其工作原理如图8所示，通过调压阀控制氮气罐输出气压，将泥浆经由管道注入含盐量为6.7%的地层水(见表1)浸泡的饱和砂样中，并使用量筒和电子天平实时记录渗透量变化。

图7 渗透仪组件实物图

图8 渗透仪组件原理图

4.2 试验结果分析

渗透试验结果如图9—11所示。通过分析泥浆渗透量曲线可以发现，抗盐泥浆渗透主要发生在泥皮和渗透带形成之前，泥皮形成后，渗透量仅在压力梯度增加时产生小幅度上升；而普通泥浆渗透量普遍较大，且曲线形态在不同粒径地层中有很大区别。

图9 砂样1中3种浆水抗渗性能对比

图10 砂样2中3种浆水抗渗性能对比

(a)

在砂样1中，盐侵后的普通泥浆渗透量达到2 177 mL，这是由于砂样1渗流通道直径较大，受盐侵的泥浆颗粒黏度低，渗透速率快，难以在渗流通道中形成桥接。而在砂样2和砂样3的试验中，絮凝状泥浆颗粒堆积在砂样上方，形成的松散泥皮无法阻止泥浆中的水继续漏失，在调压期间出现渗透量激增现象。

相较于普通泥浆，盐侵后的抗盐泥浆渗透速率下降更快，能够短时间内堵塞砂样渗流通道并形成具有阻流作用的渗透带；并且由于泥浆分散度更高，泥浆颗粒可以在砂样表面形成致密的泥皮，起到抗压抗渗的作用。如图11所示，在砂样3中仅注浆压力增加瞬间渗透量发生少量增加，其他时间泥浆不发生渗透，总渗透量小于50 mL，抗渗效果良好。

综合分析认为，泥浆渗透量受泥浆抗盐能力和地层粒径2方面影响，抗盐泥浆在砂样1的渗透量是砂样3的17.8倍。因此，施工中需注意泥浆与地层的匹配性，如在粗砂层中注浆可在泥浆中添加适量细砂作为骨架材料，更有利于形成泥皮和抗渗渗透带。

5 结论与讨论

1)凹凸棒土-膨润土顶管润滑泥浆具有抗盐效果好、高黏度、低滤失量的特点，在盐侵试验中各项指标能达到要求，可以应用于含盐地层顶管工程。

2)泥浆性能在受到盐侵时表现为先快速下降后趋于稳定的趋势，且抗渗性和黏度受盐侵影响最大。不同价位阳离子盐侵能力不同，Na+通过缩小电位差压缩扩散层；而Mg2+、Ca2+离子在缩小电位差的同时减少扩散层中的离子个数，扩散层被压缩更严重，盐侵能力更强。

3)在中粗砂层注浆中，提高泥浆的黏度和分散度有利于降低泥浆颗粒的渗流速率、堵塞渗流通道。并且在不同粒径的砂层中泥浆的抗渗能力相差很大，建议施工前进行抗渗试验，分析泥浆与地层的匹配效果，使室内试验更具有现场指导意义。

4)本文对含盐地层顶管泥浆材料进行了室内研究，泥浆材料对顶管施工至关重要，下一步准备结合工程案例进行应用研究，并将顶管泥浆拓展到各地层的应用中。