定向钻穿越河道施工中泥浆的使用方法

摘要

本发明公开了一种定向钻穿越河道施工中泥浆的使用方法，包括：根据地层条件、穿越管道的直径和长度制备泥浆，选择合适的造浆材料；在管线穿越过程中，根据导向钻进、扩孔、洗孔、管线回拖在不同土层的推进速度以及泥浆的流速，计算泥浆及钻头到达不同土层所需要的时间，在设定时间点将不同土层需要的泥浆注入钻孔中，从钻孔中返回的泥浆注入泥浆循环池中，泥浆经处理后回用到钻孔。本发明提高了泥浆的悬浮、携带、润滑、固孔、堵漏等功效，有效避免了塌孔、地层渗漏等现象的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向钻穿越河道施工技术，具体说，涉及一种定向钻穿越河道施工中泥浆的使用方法。

背景技术

随着新工艺、新技术、新材料、新装备在实践中不断应用，管道工程的施工水平得到了快速发展。质量创优、安全性高、工期短、无污染、施工扰民少、经济和社会效益好的非开挖技术将成为今后管道施工的主流趋势。我国管道施工主要采用机械、人工开挖沟槽后进行直埋敷设，施工受城市地下管网密集所限，存在很大的局限性。

水平定向钻进(HDD)是新管道(线)铺设技术方法之一，可以不再使用开挖法铺设地下或水下管道(线)，解决了使用开挖法不能在城区内或大型天然障碍下铺设地下管道(线)的问题。水平定向钻进目前广泛用于市政管道、油气管道的建设。水平定向钻进采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面较小的入射角钻入地层，形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小并铺设管道(线)，在施工中具有跟踪和导向功能。

但是，在定向钻进过程中，由于泥浆的使用不当，往往会出现塌孔、泥浆携带能力下降、地层渗漏等现象的发生。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种定向钻穿越河道施工中泥浆的使用方法，提高了泥浆的悬浮、携带、润滑、固孔、堵漏等功效，有效避免了塌孔、地层渗漏等现象的发生。

技术方案如下：

一种定向钻穿越河道施工中泥浆的使用方法，包括：

根据地层条件、穿越管道的直径和长度制备泥浆，选择合适的造浆材料；

在管线穿越过程中，根据导向钻进、扩孔、洗孔、管线回拖在不同土层的推进速度以及泥浆的流速，计算泥浆及钻头到达不同土层所需要的时间，在设定时间点将不同土层需要的泥浆注入钻孔中，从钻孔中返回的泥浆注入泥浆循环池中，泥浆经处理后回用到钻孔。

进一步：泥浆的技术性能指标包括：密度、黏度、静切力、动切力、滤失量、泥饼厚度、允许含砂量、pH值。

进一步：pH值控制在8～11之间，密度控制在1.02～1.25g/cm³。

进一步：造浆材料包括膨润土、纯碱、烧磁及泥浆处理剂，泥浆处理剂包括降失水剂、稀释剂、絮凝剂、增粘剂、抑制剂，根据地层需要选择泥浆处理剂。

进一步：泥浆的材料、配比和技术性能指标根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。

进一步：泥浆用量根据扩孔直径、钻孔长度、扩孔次数、孔内漏失状况确定，根据公式V＝kπD²L/4确定，式中V代表钻孔泥浆用量；D代表终孔直径；L代表钻孔长度；k代表比例系数，取值范围为3～5。

进一步：施工时泥浆泵的泵量按照公式Q＝AVd/We确定，式中Q为泥浆泵的泵量；A为钻头底层面积；Vd为钻进速度；We为允许的最大钴屑含量百分比。

进一步：导向钻进过程中，在泥浆中添加适量的氢氧化钠，使泥浆的pH值调节到9；在导向钻进过程中通过钻机扭矩和拉力的变化来判断土质层的变化，从而调整泥浆的黏度、pH值及流速；在扩孔过程中，首先将泥浆的黏度保持在50s左右，然后将淤泥层段泥浆的pH值调至10，再向泥浆中添加3％～5％的正电剂和降凝剂；当扩孔器将要到达沙层段时，将泥浆的pH值调至9，在泥浆中添加2％～4％的携沙剂；当扩孔器将要到达水平段段时，在泥浆中加入1％的纤维素；当扩孔器将要到达造斜段段时，泥浆黏度为50；在洗孔过程中，泥浆的黏度保持在55s以上，在泥浆中添加2％的携沙剂，洗孔过程中pH保持在9；管线回拖过程中，泥浆的黏度保持在50s，pH值保持在9。

进一步：在导向钻进过程中，根据导向孔返浆情况，500米-700米之间在钻杆增加补浆短节，补浆短节的距离根据返浆情况与钻机扭矩调整；补浆短节上设有水孔，泥浆通过水孔向导向孔内注入，使导向孔内每隔一段都有一个泥浆喷射口，保障钻杆在导向孔内的扭矩不会增加。

进一步：在扩孔过程中，实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力大于孔壁对孔内的压力。

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

本发明通过调整泥浆性能和优化施工工艺，提高了泥浆的悬浮、携带、润滑、固孔、堵漏等功效，有效避免了塌孔、地层渗漏等现象的发生。适当增加聚合物含量，提高泥浆的悬浮和固孔能力；加入泥浆流变剂，使泥浆在较高的粘度下保持良好的流动性，提高携带能力，降低粘滞力；减小摩阻，减少摩阻和扭矩，对上部砂层起到良好的封闭作用。

本发明的使用，钻导向孔阶段能将孔内杂物携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，减少推进阻力；预扩孔阶段，泥浆具有很好的护壁效果，提高泥浆携带能力；扩孔回拖阶段泥浆具有很好的护壁能力。

在满足定向钻施工要求的前提下，泥浆越稠，泥浆颗粒与颗粒之间就不会有足够多的自由水，此时的泥浆实际上是一种可塑和流动状态的混合体，冒浆时，该混合体从定向钻孔上面的土体的颗粒间隙中通过，通过调整泥浆稠度，使它通过上面土体的颗粒间隙时从而受到阻碍和约束，可以起到阻止冒浆的作用。

附图说明

图1是本发明中管线与河道的位置关系图；

图2是本发明中水平定向钻穿越河道线路的剖面图。

具体实施方式

下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

如图1所示，是本发明中穿越轨迹与河道的位置关系图；如图2所示，是本发明中水平定向钻穿越河道线路的剖面图。

穿越轨迹2位于河道1与地面的下方，A点为入土点，F点为出土点，A-C和D-F为造斜段，C-D为水平段，穿越长度为2600m。A-C段为粉质粘土层，C-D段为粉土层，D-E段为沙层，E-F段为淤泥层。

管线穿越过程主要包括导向钻进、扩孔、洗孔、回拖四个工序，定向钻穿越河道施工中泥浆的使用方法应用在管线穿越过程的四个工序中。

步骤1：根据地层条件、穿越管道的直径和长度制备泥浆，选择合适的造浆材料；

泥浆的设计包含下列内容：

1、确定泥浆的密度、黏度、静切力、动切力、滤失量、泥饼厚度、允许含砂量、pH值等技术性能指标。

现场泥浆pH值一般控制在8～11之间。

泥浆的性能参数应符合下列规定：

(1)密度应控制在1.02～1.25g/cm³，可用标准泥浆比重秤或其他方法进行测定。钻孔泥浆适当的比重可以防止漏失和维持孔壁的稳定。

(2)泥浆的黏度越大悬浮钻屑的能力越强，但是会增加泥浆循环的流动阻力。泥浆粘度宜用马氏漏斗测量。泥浆的黏度根据地质情况按马氏黏度表(s)确定。

2、造浆材料的配合比。

造浆材料包括：膨润土、纯碱、烧磁及各类泥浆处理剂，泥浆处理剂包括降失水剂、稀释剂、絮凝剂、增粘剂、抑制剂等，应根据地层需要选择合适的泥浆处理剂。

泥浆的材料、配比和技术性能指标应满足施工要求，并根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。

3、泥浆制备。

泥浆在专用搅拌容器或搅拌池中配制，并通过泥浆循环池使用；从钻孔中返回的泥浆经处理后回用，剩余泥浆应妥善处理。

4、制定泥浆循环、净化、管理措施。

泥浆的压力和流量应按施工步骤分别进行控制。

(1)泥浆的失水量控制。

普通地层的失水量宜控制在10～15ml/30min，水敏性易坍塌和松散地层失水量宜控制在5ml/30min以下。失水量应采用标准的气压式失水量仪测定。

(2)经泥浆净化设备处理后的泥浆的含砂量应小于0.5％，用含砂量仪测定。

(3)泥浆材料用量计算。

泥浆材料用量计算包括：泥浆总体积、膨润土用量、配浆用水量及泥浆处理剂用量。钻孔泥浆用量计算应综合考虑最终扩孔直径、钻孔长度、扩孔次数、孔内漏失状况等因素，可按下式计算：

V＝kπD²L/4，式中V代表钻孔泥浆用量(m³)；D代表终孔直径(m)；L代表钻孔长度(m)；k代表比例系数，取值范围为3～5，一般取3。

(4)施工时泥浆泵的泵量应能满足施工要求，可按下式计算：Q＝AVd/We，式中Q为泥浆泵的泵量(m³/min)；A为钻头底层面积(m²)；Vd为钻进速度(/min)；We为允许的最大钴屑含量百分比，一般情况下，钻屑含量不宜超过10％。

泥浆泵的转速为1500r/min，泥浆压力为1.5-2.0MPa，泥浆流速为70-90m3/h，土质层不同，泥浆的流速也不同，在导向钻进过程中遇到硬土质层可适当增大流速。

泵量是泥浆泵重要的性能参数。当钻头尺寸和钻进速度一定时，单位时间内产生的钻屑量是一定的。此时，泥浆中钻屑的含量由泵量决定：泵量大则钻屑含量少，反之，泵量小则钻屑含量大。

步骤2：在管线穿越过程中，根据导向钻进、扩孔、洗孔、管线回拖在不同土层的推进速度以及泥浆的流速，计算泥浆及钻头到达不同土层所需要的时间，在设定时间点将不同土层需要的泥浆注入钻孔中，从钻孔中返回的泥浆注入泥浆循环池中，泥浆经处理后回用到钻孔。

钻导向孔阶段要求尽可能将孔内的泥沙携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，减少推进阻力；预扩孔阶段要求泥浆有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆携带能力；扩孔回拖阶段要求泥浆具有很好的护壁、携带能力，同时还有很好的润滑能力，减少摩阻和扭矩。

(1)导向钻进：导向钻进过程中，在泥浆中添加适量的氢氧化钠，使泥浆的PH值调节到9，一般采用pH试纸测定泥浆的pH。

在导向钻进过程中通过钻机扭矩和拉力的变化来判断土质层的变化，从而调整泥浆的黏度、pH值及流速。

A-C段泥浆(泥浆的成分为水和膨润土，膨润土在泥浆的比例为5％左右，泥浆的黏度使用泥浆粘度计即马氏漏斗测量)的黏度为50s；C-D段泥浆的黏度为45s；D-E段泥浆的黏度为55s；E-F段泥浆的黏度为50s。

在导向孔钻进过程中，因为受到穿越距离的影响，穿越距离越长影响越大，泥浆不能顺着已形成的导向孔返回，会造成钻杆扭矩增大，严重时会造成导向孔失败的严重后果。具体措施为

a)在导向施工过程中，根据导向孔返浆情况，每钻进600米左右增加一个补浆短节，增加补浆短节的距离根据返浆情况与钻机扭矩可适当调整，但最小不易低于500米，最大不易超过700米。

b)补浆短节上有一个直径为4mm的水孔，泥浆可通过水孔不间断的向导向孔内注入，使导向孔内每隔一段都有一个泥浆喷射口，可以保障钻杆在导向孔内的扭矩不会增加。

c)补浆短节上的开孔不易太小或太大，一般情况下以3.5mm～5.5mm为宜，太大会导致导向钻头处的泥浆量减少，太小会因为泥浆里边的杂质而堵塞。

导向钻进阶段要求尽可能将孔内的泥沙等钻屑携带出孔外，并维持孔壁稳定。在钻孔初始阶段要使钻进速度控制在3m/min，增大泥浆的排量，使孔内的钻屑充分被携带出来，保证环空畅通，为后续钻进打下良好的基础。

(2)扩孔：在扩孔过程中，首先将泥浆的黏度保持在50s左右，然后将F-E段泥浆的pH值调至10，再向泥浆中添加3％～5％的正电剂和降凝剂；当扩孔器将要到达E-D段时，将泥浆的pH值调至9，提前在泥浆中添加2％～4％的携沙剂；当扩孔器将要到达D-C段时，提前在泥浆中加入1％的纤维素；当扩孔器将要到达C-A段时，只需保证泥浆黏度为50左右即可(E-A段的pH值一直保持在9左右)。

为了保证不塌孔及扩孔成孔率，在扩孔过程中，实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力要大于孔壁对孔内的压力。根据地质情况，在扩孔时扭矩及拉力大小来确定地质的分布不同，统计扭矩及拉力大小的直线距离从而得出每一层配置泥浆的粘稠度，现场泥浆采用马氏漏斗进行检测。严格控制泥浆浓度，保证浓度不低于85s。

(3)洗孔：在洗孔过程中，将泥浆的黏度保持在55s以上，在泥浆中添加2％的携沙剂即可(整个洗孔过程中pH值一直保持在9左右)。

(4)管线回拖：管线回拖过程中，泥浆的黏度保持在50s左右即可，pH值保持在9左右。

稳定的泥浆循环是有效排除钻屑、稳定钻孔压力、维持孔壁稳定的基础，维持施工过程中泥浆循环可以显著地避免钻屑堆积、埋钻等事故。充分搅拌从钻孔内返回的泥浆，经沉淀池或泥浆净化设备处理并调整后方可重复利用。

定向钻施工过程中应根据地层条件选择钻进液压力和流量，并保持稳定的泥浆流。若因故需长时间中断钻进时，由于泥浆会不断地向地层渗漏，且钻具长时间静置在孔底容易引发工程事故，应定时向孔内补充新泥浆并活动钻具，避免卡钻。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。