浅析定向钻施工中的泥浆控制

【摘 要】 水平定向钻穿越是管道建设当中非开挖穿越一种施工方法，在城镇、野外的特殊地域经常使用，定向钻穿越施工中泥浆是必然产物，废弃泥浆有着控制困难、泄露的随机性、污染水源、占地时间长等特点，对环境造成不利影响。随着社会不断进步，越来越多的人们将对泥浆来源逐渐认知和熟悉，为此控制减少泥浆使用量、排放量，采取科学的泥浆回收处里措施将成为定向钻施工中环境保护工作重点。

【关键词】定向钻、泥浆、泄露、处理

一、泥浆来源及特性

1、水平定向钻中的泥浆使用情况。在穿越过程中，选择最优的泥浆压力是工程顺利施工的保证。穿越过程需要经历打导向孔（钻孔）―扩孔―清孔―回拖等施工工艺过程，为避免卡钻、导向失控等问题，对泥浆成分的配比和使用量也会不断的增加和改进。预计每穿越1km管线需要泥浆量800立方米。

2、泥浆主要配比。泥浆主要由水和膨润土构成，每100立方米泥浆配比见下表：

表1-1泥浆配方

序号 材料名称 用量kg 功能及特点

1 钠基膨润土 5000 泥浆主要材料，与细土相仿

2 羧甲基纤维素钠/CMC 25 提高粘度和切力、降滤失、防塌和耐盐、耐温，其通过提高泥浆中固相颗粒的水化膜厚度和泥饼的压缩性，使失水量降低。

3 羧甲基淀粉/CMS 25 是一种降滤失剂，通过氢键吸附到粘土上，增加粘土的负电性和水化薄厚度，提高粘土颗粒间斥力，使泥浆保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼，从而增加滤液粘度。

4 正电胶干粉 25 与粘土颗粒只形成结构，不产生电性中和，不引起粘土颗粒聚沉。堵塞泥饼空隙，减小泥饼渗透性，降低失水量。

5 工业纯碱 5 可改善粘土的水化分散性能，降低滤失量，增大粘度和切力。

6 封堵剂 5 防止钻井液大量漏入地层，可做裂缝性和溶洞性地层堵漏。

7 油基剂 10 增加泥浆的流变性和性

3、不同地层泥浆配方。在穿越施工中，不同地质条件下要求泥浆的性能指标不同，通常通过改良泥浆配方来改善泥浆的性能。可穿越地质主要分为：粘土、亚粘土、粉砂细砂、中砂、粗砂砾砂、岩石。泥浆配方见下表：

表1-2泥浆配方

地质 泥浆配比

粘土 膨润土+纯碱+降失水剂（CMC）+剂=1：0.2%：0.5%：0.5%

粉砂细砂 膨润土+纯碱+正电胶+CMC+CMS+剂=1：0.2%：0.3%：0.4%：0.5%:0.5%

中砂粗砂 膨润土+纯碱+正电胶+CMC+CMS+剂=1：0.2%：0.4%：0.5%：0.5%:0.6%

岩石 膨润土+纯碱+正电胶+CMC+封堵剂+剂=1:0.2%:0.5%:0.4%:0.5:0.6%

4、废弃泥浆特点。穿越地层地质不同，有砂土、黏土、岩层、污泥、卵石等，通过钻头的不断切削，钻屑内会含有少量的金属矿物质等复合物粉碎体，使用过的泥浆是一种低密度聚合物，有保水效果等特点。具体见下表：

表1-3废弃泥浆的组成 [4]

水分（%） COD（mg/L） 有机质（g/Kg） 粘土（%） §电位（mv） 污泥比阻（S2/g）

90～95 3000～8000 6～10 4～6 -30～-40 109～1010

因废弃泥浆保水效果好，所以废弃泥浆自身水粉分离较差，不容易沉淀，拉运起来十分困难。

二、水平定向钻泥浆泄露原因及环保措施

（一）冒浆。当定向钻穿越的河床底部土壤属于松散的砂土、粉土和软土时，设计穿越曲线中河床部位与穿越深度选择不合适，穿越过程中泥浆压力大于上方土壤和水的浮重，穿越部位土层开裂产生泥浆溢出现象。溢出泥浆量的多少与穿越孔径、压力成正比，与河床底部穿越深度成反比。冒浆的原因有很多，中国地质大学研究生刘杰认为冒浆的主要原因是由于地层存在天然的缺陷―空隙和裂缝等。

1、冒浆现象对周围环境造成的影响。冒浆现象一旦发生，大量的泥浆会给水源和土壤造成污染；因泥浆保水性能好若在农田区会造成土地无法耕种；如穿越部位在城市乡村等居民住宅区，会出现房内地面隆起、开裂，引起群众的不满等。

2、环境保护措施

穿越中如果出现泥浆流量加大和泥浆压力减弱等情况可以判断为冒浆。一般选择下列方法控制：（1）工艺上控制冒浆：选择调整钻进参数，控制钻进泥浆排量的方法。泥浆的排量要依照地质情况进行控制。控制好导向孔钻进过程中的泥浆排量是避免冒浆的关键。（2）环境补救措施上控制冒浆：配备完善的泥浆循环和清洁处理回收系统，减少泥浆消耗量。首先是开挖引流池，池内铺设防渗膜。使用抽浆泵把废弃泥浆拉运走或运送到泥浆坑内进行回收利用处理。

（二）卡钻。水平定向钻穿越岩石类、粘性等不利于钻进的地质层，由于钻杆承受的拉力和扭力超过承载限或因操作人员操作不当等施工原因造成钻杆无法进给或折断等。卡钻易造成泥浆倒流溢出地面的现象。

1、卡钻现象造成的环境影响。卡钻现象发生后现场会对钻杆采取打捞措施，打捞后会对钻具进行冲洗。现场容易存在少量废弃泥浆溢出和冲洗后的工业废泥水、废钻屑。

2、环境保护措施。如果出现卡钻现象，现场在采取打捞和冲洗钻具过程中一般选择以下方法控制泥浆：（1）在打捞钻具前，针对打捞点和泥浆溢出较多的部位开挖引流沟，将泥浆引流到指定的部位处理，废弃泥浆经过筛选和过滤后进行回收使用。（2）加强现场环境保护教育，避免在野外河流中清洗钻具，清洗钻具选择在指定的操作设备及坑内清洗，使用环保型清洗方法，尽量避免使用水源清洗。

（三）机械设备故障。施工过程中由于天气气候、工期问题、操作工人操作不当及设备老化等使得穿越使用的泥浆泵、泥浆池、泥浆搅拌器等泥浆设备出现异常，产生大量的废气泥浆和泥浆涂粉材料无法循环使用情况。

1、设备故障造成的环境影响。穿越工程由于泥浆用量大，要求保证泥浆中钻屑含量保持在10%左右，从而保证施工安全。当内部杂物超标，泥浆就不可循环利用。为此容易出现工业废弃物占地，长时间的占地，对施工环境保护易造成负面影响，不利于生态保护。

2、环境保护措施。定向钻穿越设备除泥浆使用设备外，钻机、钻具、扩孔器的灵敏有效也是影响泥浆使用量的主要因素之一，为此我们一般采取以下措施：（1）施工前对各种定向钻和泥浆设备、设施加强保养和维修，使之完好、灵敏、有效。（2）加强环境保护教育，合理处理现场“三废”，发动操作工人对废弃泥浆及时拉运清理。

（四）孔内坍塌(塌孔)。由于泥浆配比的浓度和粘度不够、穿越土层含沙量大、穿越孔径大等诸多问题造成穿越孔壁出现内部小面积土层剥落孔内，出现堵塞钻孔的现象。

1、塌孔对环境的影响。塌孔能直接导致卡钻现象的发生，孔内坍塌增加钻屑，不利于钻进，需要增加洗孔次数。同时塌孔也容易造成冒浆现象的发生，穿越孔径大，孔内大面积塌方出现冒顶，再加上土质疏松等诸多不利因素也会造成冒浆事件。

2、环境保护措施。对待塌孔我们使用的环保措施以改进技术措施和泥浆配比等方法，具体措施有：

（1）采取及时替入新泥浆的粘度提高护孔能力，防止塌孔卡钻；当出现钻屑床时，在泥浆中加入0.05―0.1%的泥浆结构剂。坚持循环泥浆清扫孔眼。

（2）从钻导向孔、扩孔到回拖，有多个工序需耗用较多泥浆，如不回收将增加工程成本，造成环境污染，所以安装回收、处理泥浆系统减少泥浆总量是必要的，出土点的泥浆通过钻杆倒运到入土点进行处理再利用，同时要及时清收和控制跑冒的泥浆。对于出土端的泥浆可通过钻杆使用高压污水泵回收使用。

（3）施工中要根据泥浆回返，冒顶情况和泵压变化等分析，判断并采取对应措施。如严重冒顶可进行封堵处理，当钻屑过多导致扭矩增大，应停止钻进，先进行循环，排砂或采取其它措施，待正常后再恢复钻进。

（五）现场其他环境保护管理措施。1、经常性开展环境检查工作，对入土点和出土点开挖专用的泥浆坑，并使用防渗隔膜与土壤隔离，周围设置警戒线，穿越完时对废弃泥浆及时清理。2、对操作人员进行管理方面的培训，要求对泥浆配比使用的材料必须采取防渗措施，使用完毕后剩余材料必须拉运走。3、现场存放泥浆等材料、泥浆设备等部位搭设防风防雨棚，避免在露天、大风天气添加泥浆土粉。

三、对水平定向钻泥浆处理的建议

要控制泥浆大面积污染，还需要从根本上解决泥浆使用的问题：

（一）提高施工技术方法，控制泥浆使用量和排量。1、开钻用普通预水化泥浆，其后适当加入泥浆剂减阻，在穿越过程中视泥浆量及性能及时调整。2、通过严格控制穿越路径和设计参数，不断改进扩孔器，提高泥浆配比等降低卡钻和冒浆等次数，提高一次性穿越率。3、施工中要根据泥浆回返，冒顶情况和泵压变化等分析，判断并采取对应措施。4、减少清孔次数，清孔次数的增加会产生新的泥浆，从而增加泥浆排放量，为此提高泥浆粘稠度和提高护臂效率，根据钻进的扭力和拉力判断是否增加清孔等。

（二）泥浆材料选择、配比尽量选择天然环保型原料。1、使用无害化原材料，选择的泥浆配比材料必须有厂家出厂检验合格证书，经有资质的部门认定是无害化材料方可使用。2、泥浆配比过程中尽量使用纯天然植物添加剂，尽量减少使用工业化学成分的添加剂。减少氧化物等矿物质成分对土壤的破坏。

（三）对废弃的泥浆的处理。1、对于废弃泥浆直接拉运到泥浆处理公司，脱水后回填。将废弃泥浆直接拉运到泥浆处理公司，进行自然脱水或添加化学成分进行脱水，成为固态泥浆后拉运到垃圾处理场地实施深埋。2、引进新的泥浆回收、处理设备。岩石地层穿越泥浆用量大，安装泥浆回收、处理系统来减少泥浆总量。3、使用废弃泥浆固化深埋处理。目前钻井泥浆固化有多种固化方式，它是根据不同类型和种类的钻井泥浆及其不同的化学成份，选取不同基础配方配制而成的一种复合处理方法。这种方法处理工艺简单，便于现场操作，覆土后可以直接耕种。

四、结论

1、由于定向钻穿越技术是一种高风险工程，废弃泥浆量将会因风险的提高而逐渐增加。为此，定向钻穿越技术使用的泥浆材料，必须选择使用环保型材料，配比尽量以不伤害农作物为原则。

2、寻找泥浆肥效处理剂，将废弃物变为有利资源。可以从管道建设中加强水土保持工作方面的深研究，将废弃泥浆进行有氧堆肥化处理，采用添加肥效处理剂，从而有效促进植物的生长，可用将处理后的废弃泥浆用来场站区内的绿化实验。

3、寻找安全地层和环形空间，运用就地固化深埋技术。这种方法适用于远距离拉运处理，可以与当地政府配合，寻找使用无公害化处理等方法。

参考文献

[1]张广伟,吕明纪.非开挖穿越施工的泥浆污染和处理方案.建筑机械化，2006年；第04期.

[2]孙宏全,詹胜文,张洪洲.定向钻穿越冒浆分析及对策.石油工程建设，2007年；第33卷第2期.

[3]刘杰.非开挖冒浆问题解析及防冒浆软件的开发.非开挖技术，2008年；第4期.

[4]胥湘.国外钻井废泥浆处理技术发展动向.石油与天然气化工，1992年；第21卷第2期.

[5]冀忠伦 钻井废弃泥浆于土壤改良的应用探讨 长庆油田工艺研究院。