一种岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆及制备方法

摘要

本发明公开了一种岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆配方及制备方法，泥浆配方包括主剂2份～8份、交联剂0.4份～1.3份、纯碱1份～2份、水996.6份～988.7份。本发明的泥浆性能指标优良。密度为1.0g/cm3；漏斗粘度18～28s；API失水量（0.7MPa压差）10～18ml/30min；浆液流型属于幂律流体，具有良好剪切稀释性；对松散砂及风化破碎岩层具有极强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，对见水即散的碎石砂样放入该冲洗液中久泡不散；抗高温稳定性好，能承受较高的井内液柱压力，适合于5000m左右的深孔钻进要求；具有良好的絮凝钻屑聚沉的能力，维持体系无固相。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆及制备方法。

背景技术

近年来，岩土钻挖孔工程在国民经济和社会发展中发挥着越来越大的作用，已广泛应用于矿产资源勘探和部分矿产的开采、水文地质勘探、工程地质和环境地质勘察、地质灾害的防治与环境治理、工民建和道路桥梁的基础工程、垃圾填埋场防渗隔离墙等工程领域。在诸领域钻孔（或钻挖槽）工程施工中，经常遇到风化、松散、破碎、节理裂隙发育、矿层蚀变带、遇水膨胀（水敏性）等复杂地层，该类岩土层孔壁极不稳定，容易发生坍塌、漏失、掉块等施工事故。如何确保复杂地层孔壁的稳定性是地下岩土工程施工需要解决的主要技术难题之一。实践证明，选用固壁性能好的泥浆（亦称之为冲洗液，或钻井液）是确保复杂地层孔壁稳定性、提高工程施工质量、降低生产成本的最有效途径之一。

自钻挖孔工程施工方法应用以来，该工程所用护壁泥浆经历了五个发展阶段：①清水和自然造浆阶段（第一代冲洗液，无任何处理剂）；②细分散泥浆阶段（第二代冲洗液，固相含量高，粘土高度分散）；③粗分散泥浆阶段（第三代冲洗液，固相含量适中，粘土适度分散）；④不分散低固相泥浆阶段 （第四代冲洗液，固相含量低，粘土不分散）；⑤聚合物无固相泥浆阶段（第五代冲洗液，不含粘土固相）。

本发明所指的聚合物型无固相泥浆对松散砂及风化碎石层胶结性能将优于现有的同类无固相泥浆，起到“下套管”的护壁作用；其黏度、API失水量、静切力、流变性、吸附胶结性、抗高温稳定性、絮凝聚沉钻屑能力、润滑性等性能指标优良，有利于冲孔、碎岩和携带钻屑，经济成本低，无毒环保，便于施工现场配制和使用。该种泥浆可用于各类地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程等钻孔（或钻挖槽）、垃圾填埋场防渗隔离墙槽孔施工等工程领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本且用于岩土钻挖孔工程中护壁性能好的聚合物型无固相泥浆及制备方法。实现本发明目的的技术方案如下：

聚合物型无固相泥浆具有下述重量份的组分：主剂2份～8份、交联剂0.4份～1.3份、纯碱1份～2份、水996.6份～988.7份。

所述聚合物型无固相泥浆的主剂优选为分子量500万～1500万、水解度在20%～40%的水解聚丙烯酰胺与聚合度为1788或2788的聚乙烯醇（或聚合度为300～600的钠羧甲基纤维素）这两种水溶性高分子聚合物组合而成，水解聚丙烯酰胺与聚乙烯醇（或钠羧甲基纤维素）二者的组合重量比为1:1～1:4；交联剂优选为重量份为0.1～0.4份的硫酸铝或氯化铝、0.3～0.8份的硼砂与0～0.1份的碳酸锂组合而成。

按配制1m³泥浆计算，本发明所述聚合物型无固相泥浆的制备方法按以下步骤实施：

①取纯碱1kg～2kg，放入100kg～200kg水中常温下进行溶解；

②取主剂2kg～8kg，放入纯碱溶液中常温下进行预溶解，溶解浓度不超过5%，一般应往水中边散入主剂，边进行搅拌，搅拌15min～30min后，静置5h～8h待用。优选在搅拌时间内加热使水温保持在50℃左右，提高主剂的溶解速度。

③取交联剂0.4 kg～1.3kg, 溶解于常温下的水中，溶解浓度不超过10%，待用。

④将预溶解的主剂加入水中进行搅拌至均匀后，加入交联剂溶液及剩余水量，搅拌至均匀状态即可。

上述制备方法聚合物型无固相泥浆的主剂优选为分子量500万～1500万、水解度在20%～40%的水解聚丙烯酰胺与聚合度为1788或2788的聚乙烯醇（或聚合度为300～600的钠羧甲基纤维素）这两种水溶性高分子聚合物组合而成，水解聚丙烯酰胺与聚乙烯醇（或钠羧甲基纤维素）二者的组合重量比为1:1～1:4；交联剂优选为重量份为0.1～0.4份的硫酸铝或氯化铝、0.3～0.8份的硼砂与0～0.1份的碳酸锂组合而成。

本发明具有积极的效果：

（1）本发明的聚合物型无固相泥浆的主剂与交联剂进行交联之后，能快速地实现对松散岩石（或碎石土）的吸附胶结作用，确保复杂地层孔壁的稳定性（起到下套管的作用），提高钻孔/槽的工程质量与施工效率。同时，本发明的泥浆因为没有固相（指钻屑等），孔内循环时携带钻屑能力及在地面静止时聚沉钻屑能力都非常强；本发明的泥浆高分子聚合物用量较少，成本低，按目前泥浆处理剂市场价格计算，配制本发明的1m³泥浆成本仅为20～50元，而配制1m³其他聚合物型无固相泥浆成本在70元以上。

（2）本发明的聚合物型无固相泥浆的粘度、API失水量、静切力、流变性、吸附胶结性等性能指标优良：密度为1.0g/cm³；漏斗粘度18～28s；API失水量（0.7MPa压差）10～18ml/30min；浆液流型属于幂律流体，600转旋转粘度读数为10～20格、动切力1～4Pa、动塑比0.48左右，具有良好剪切稀释性；对松散砂及风化破碎岩层具有极强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，对见水即散的碎石砂样放入该冲洗液中久泡不散，并且该砂样放入冲洗液中只浸泡1s钟，取出后立即放入清水中仍然久泡不散；抗高温稳定性好，能承受较高的井内液柱压力，适合于5000m左右的深孔钻进要求；具有良好的絮凝钻屑聚沉的能力，维持体系无固相。因此，聚合物型无固相泥浆可广泛用于各类地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程等钻孔（或钻挖槽）、垃圾填埋场防渗隔离墙槽孔施工等工程领域。

（3）本发明的聚合物型无固相泥浆无毒环保，便于施工现场配制和使用，且可回收重复使用。

（4）本发明的聚合物型无固相泥浆可与其他类型的泥浆交替使用，当钻进松散、破碎、风化严重的岩层时，下钻具至孔底，通过钻杆将配制好的聚合物型无固相泥浆泵入孔内循环钻进，随着孔深增加，以及岩粉絮凝沉淀的消耗，需不断补充所配浆液；当钻进稳定地层，静止10min左右，可改用正常泥浆或清水钻进，也可继续使用聚合物型无固相泥浆钻进，而上部经聚合物胶结过的复杂地层稳定性不会降低。

具体实施方式

以下通过实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例限制。

在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

本实施例的岩土钻孔/槽工程聚合物型无固相泥浆用各剂组分为：

主剂为分子量500万，水解度在20%水解聚丙烯酰胺1份、聚合度为1788的聚乙烯醇1份；交联剂为0.1份的硫酸铝和0.3份的硼砂；纯碱1份；水996.6份。

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆的制备方法包括以下步骤：按配制1m³泥浆计算，

①将1kg纯碱倒入装有100kg水的容器中常温下进行溶解。

②将1kg分子量500万，水解度在20%水解聚丙烯酰胺干粉与1kg聚合度为1788的聚乙烯醇干粉混匀后，放入步骤①的纯碱溶液中常温下进行预溶解，一般应往水中边散入主剂，边进行搅拌，搅拌15min～30min后，静置5h～8h待用。若要提高主剂的溶解速度，可在搅拌时间内加热使容器内的水温保持在50℃左右。

③将0.1kg硫酸铝、0.3kg硼砂混合之后，加入10kg水中，常温下完全溶解后的得到的交联剂溶液待用。

④将步骤②已预溶解的主剂溶液倒入装有886.6kg水（余量水）的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤③准备的交联剂溶液，搅拌均匀后即得到岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆。

本实施例的泥浆属于幂律流体，具体性能参数详见下表1。

实施例2

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆用各剂组分为：

主剂为分子量1000万，水解度在30%水解聚丙烯酰胺1.5份、聚合度为2788的聚乙烯醇4.0份；交联剂为0.25份的氯化铝、0.6份的硼砂与0.05份的碳酸锂；纯碱1.5份；水992.1份。

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆的制备方法包括以下步骤：按配制1m³泥浆计算，

①将1.5kg纯碱倒入装有150kg水的容器中常温下进行溶解。

②将1.5kg分子量1000万，水解度在30%水解聚丙烯酰胺干粉与4.0kg聚合度为2788的聚乙烯醇干粉混匀后，放入步骤①的纯碱溶液中常温下进行预溶解，一般应往水中边散入主剂，边进行搅拌，搅拌15min～30min后，静置5h～8h待用。若要提高主剂的溶解速度，可在搅拌时间内加热使容器内的水温保持在50℃左右。

③将0.25kg的氯化铝、0.6kg的硼砂与0.05kg的碳酸锂混合之后，加入10kg水中，常温下完全溶解后的得到的交联剂溶液待用。

④将步骤②已预溶解的主剂溶液倒入装有832.1kg水（余量水）的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤③准备的交联剂溶液，搅拌均匀后即得到岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆。

实施例3

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆用各剂组分为：

主剂为分子量1500万，水解度在40%水解聚丙烯酰胺2.0份、聚合度为300的钠羧甲基纤维素6.0份；交联剂为0.4份的硫酸铝、0.8份的硼砂与0.1份的碳酸锂；纯碱2份；水988.7份。

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆的制备方法包括以下步骤：按配制1m³泥浆计算，

①将2kg纯碱倒入装有200kg水的容器中常温下进行溶解。

②将2.0kg分子量1500万，水解度在40%水解聚丙烯酰胺干粉与6.0kg聚合度为300的钠羧甲基纤维素干粉混匀后，放入步骤①的纯碱溶液中常温下进行预溶解，一般应往水中边散入主剂，边进行搅拌，搅拌15min～30min后，静置5h～8h待用。若要提高主剂的溶解速度，可在搅拌时间内加热使容器内的水温保持在50℃左右。

③将0.4kg的硫酸铝、0.8kg的硼砂与0.1kg的碳酸锂混合之后，加入20kg水中，常温下完全溶解后的得到的交联剂溶液待用。

④将步骤②已预溶解的主剂溶液倒入装有768.7kg水（余量水）的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤③准备的交联剂溶液，搅拌均匀后即得到岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆。

本实施例制备的泥浆属于幂律流体，具体的性能参数详见下表1。

实施例4

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆用各剂组分为：

主剂为分子量800万，水解度在30%水解聚丙烯酰胺1.0份、聚合度为600的钠羧甲基纤维素4.0份；交联剂为0.2份的氯化铝和0.7份的硼砂；纯碱1.3份；水992.8份。

本实施例的岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆的制备方法包括以下步骤：按配制1m³泥浆计算，

①将1.3kg纯碱倒入装有100kg水的容器中常温下进行溶解。

②将1.0kg分子量1500万，水解度在30%水解聚丙烯酰胺干粉与4.0kg聚合度为500的钠羧甲基纤维素干粉混匀后，放入步骤①的纯碱溶液中常温下进行预溶解，一般应往水中边散入主剂，边进行搅拌，搅拌15min～30min后，静置5h～8h待用。若要提高主剂的溶解速度，可在搅拌时间内加热使容器内的水温保持在50℃左右。

③将0.2kg的氯化铝与0.7kg的硼砂混合之后，加入10kg水中，常温下完全溶解后的得到的交联剂溶液待用。

④将步骤②已预溶解的主剂溶液倒入装有882.8kg水（余量水）的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤③准备的交联剂溶液，搅拌均匀后即得到岩土钻挖孔工程聚合物型无固相泥浆。

本实施例制备的泥浆属于幂律流体，具体的性能参数详见下表1。

表1 实施例的泥浆配方及主要性能参数

注：砂样侵泡实验是指将干碎石砂团放入泥浆中浸泡1min后再放入水中浸泡48h以上。