SM植物膠無固相沖洗液在xx高邊坡多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔施工中的應(yīng)用

一、概述xxxx水利樞紐屬國(guó)家西部大開發(fā)的重點(diǎn)工程。1號(hào)導(dǎo)流兼泄洪排砂洞出口高邊坡因地質(zhì)條件差，為監(jiān)測(cè)高邊坡穩(wěn)定性，在高邊坡上增設(shè)7個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)孔。鉆孔總延米393.5米。開孔直徑Φ130mm,終孔直徑Φ91mm，鉆孔傾角為水平下傾5度。鉆孔孔深在50.5－60.5米之間。鉆孔所遇巖石主要為須家河組中細(xì)砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，其中夾有煤質(zhì)頁(yè)巖。巖石破碎，裂隙發(fā)育。因設(shè)計(jì)單位缺少該部位的詳細(xì)地質(zhì)資料，多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔要求取芯并做地質(zhì)描述，且取芯率要求較高。二、SM植物膠無固相沖洗液的引入與配方改進(jìn)受地質(zhì)條件影響，鉆孔過程中沖洗液滲失特別嚴(yán)重，且多次發(fā)生塌孔埋鉆現(xiàn)象。鉆孔難以達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。受孔向影響，鉆具磨損嚴(yán)重。同時(shí)，為了很好地取出保持地層原始結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性狀的巖樣，施工隊(duì)采用了雙管單動(dòng)鉆具取芯鉆進(jìn)，但效果不明顯，巖芯采取率仍難以滿足設(shè)計(jì)要求，為此引進(jìn)了SM植物膠無固相沖洗液。2.1SM植物膠的成分SM植物膠(含28.8%高聚多糖)是一種多年生草本植物的根加工而成，呈土黃色固體料粉末，無毒、無氣味，在干燥的環(huán)境下可保持多年不變質(zhì)。2.2SM植物膠鉆井液的原始配方及改進(jìn)配方原為砂卵石覆蓋層的鉆井液，為了適用于xx的地質(zhì)條件，必須重新經(jīng)試驗(yàn)獲得改進(jìn)配方。2.2.1基本配方SM膠干粉(重量公斤)：水(升)=2：100；Na2CO3加量按SM膠干粉重量的5%。如用NaOH，則按SM膠干粉重量的3%。2.2.2試驗(yàn)配方為取得適應(yīng)該地質(zhì)條件的最佳SM植物膠無固相沖洗液配方，我們通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了寶貴的改進(jìn)配方：(1)水敏性較強(qiáng)，易吸水膨脹縮徑的地層，在SM膠無固相沖洗液中加入一定比例（1—3%)的高粘CMC。(2)極松散、滲透性強(qiáng)有豐富的地下水的覆蓋層，SM膠加量可提高到3%，Na2CO3加量仍按SM膠干粉重量的5%計(jì)算。(3)基巖擠壓破碎帶，易出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象的地層，采用SM膠加入防塌效果較好的腐植酸鉀(KHm)及CMC：SM膠粉1—1.5%；Na2CO3加量按SM膠干粉重量的5%；KHm1—1.5%；CMC500-1000ppm(4)SM膠與膨潤(rùn)土配制低固相泥漿：SM膠是多功能的泥漿處理劑，與膨潤(rùn)土配合，可制配低固相泥漿，或超低固相泥漿。它在泥漿中的突出作用是提粘、降失水、保護(hù)巖芯、防塌、減振和潤(rùn)滑減阻。它還可以起到穩(wěn)定泥漿的作用，泥漿中加入SM膠起到保護(hù)作用以后，可以防止高聚物對(duì)泥漿的絮凝作用，它的護(hù)壁效果比單獨(dú)的SM膠或單純的膨潤(rùn)土低固相泥漿好。它在松散的覆蓋層和基巖破碎地層提高護(hù)壁效果，在漏失地層降低鉆井液的成本具有適用價(jià)值。SM膠配制的低固相泥漿，其功能隨SM和膨潤(rùn)土二者的比例不同而異，具體規(guī)律是：SM膠比例增加，膨潤(rùn)土加量減少，護(hù)芯的效果增加，取芯質(zhì)量提高；粘彈性減振的作用增強(qiáng)，可以提高轉(zhuǎn)速，從而提高鉆進(jìn)效率。膨潤(rùn)土的比例加大，SM的比例減少，則破碎地層的護(hù)壁效果提高，漏失地層的成本降低。但護(hù)芯的效果變差，取芯質(zhì)量變低，粘彈性減振的效果下降，鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速必須降低。與SM膠復(fù)配的膨潤(rùn)土以鈉土為好，因?yàn)殁c土不需要浸泡鈉化。如果采用鈣質(zhì)土，則加堿時(shí)要把膨潤(rùn)土鈉化所需堿量加上去。SM膠處理低固相泥漿用于水敏性地層時(shí)，加入適量的CMC，可以提高護(hù)壁防塌效果。SM膠與膨潤(rùn)土的適用配方如下：①SM1%+Na2CO35%+鈉土3-5%②SM1%+Na2CO35%+鈉土3%+CMC0.1%③SM0.5%+Na2CO35%+鈉土5%+CMC0.1%以上Na2CO3的加量5%均為SM干粉重量的百分比。2.3SM植物膠鉆井液的性能和特殊功能2.3.1SM植物膠鉆井液的基本性能SM植物膠在碳酸鈉或氫氧化鈉的助溶作用下，可以任何比例溶解于水制造無固相鉆井液或低固相泥漿。加量越大，粘度越高。漏斗粘度達(dá)到10分鐘以上仍不影響泵吸性能，不增加泵壓。表1是不同濃度SM膠無固相漿液和低固相泥漿不同配方的基本性能對(duì)比。表1SM膠土無固相鉆井液和低固相泥漿基本性能對(duì)比編號(hào)配方粘度失水量(ml/30分)初切力(達(dá)因/厘米)1SM1%1.0036752SM2%1.01520993SM1%+CMC0.2%1.0057.54SM1.5%+CMC0.2%1.0088.85SM1%+鈉土3%866SM1%+鈉土4%1.0259.67SM1%+鈉土5%8.88SM1%+鈉土3%+CMC0.1%8.69SM0.5%+鈉土5%+CMC0.1%1.035附注：(1)SM膠中均加入5%的Na2CO3(2)失水量采用低速濾紙?jiān)囼?yàn)。2.3.2SM植物膠鉆井液的的流型和流變性：SM植物膠配制的無固相鉆井液和低固相泥漿，都是粘彈性流體。在粘性流體(或牛頓流體)上施加壓力時(shí)，流體產(chǎn)生形變，且變形與切力成正比，這部分切力作為克服內(nèi)部摩擦阻力以熱的形式放出，沒有貯存在體系內(nèi)，切力去除后，形變不恢復(fù)。這就是粘性流體或牛頓流體。在彈性流體上施加切力時(shí)，物體產(chǎn)生形變，且變形與切力成正比，并服從霍克定律。如果除去切力，貯存在物體內(nèi)部的能量立即放出，物體也就立即恢復(fù)到原來形態(tài)，這種物體稱為彈性體。粘彈性流體是介于粘性流體和彈性物體之間和一種流體。當(dāng)外力作用于粘性彈性流體上，一部分能量消耗于內(nèi)摩擦，以熱的形式放出。一部分能量作為彈性變形貯存于流體內(nèi)，當(dāng)除去切力時(shí)，流體立即恢復(fù)部分形變，達(dá)到體系內(nèi)的新的平衡。SM植物膠就是粘彈性流體。SM植物膠的流變性能如表2所示：表2SM膠不同配方的流變性能配方編號(hào)d(磅/100尺)pnK120.52.10.403412.6348232.52.30.378523.789232.180.394315.0951427.52.230.389018.7206527.530.289537.2247632.5454.50.241044.7279750.222475.3131832.5454.50.241061.50089402.70.391226.8202附注：表2的配方與表1相同。表2說明SM植物膠無固相鉆井液和用SM膠配制的低固相泥漿具有下述特點(diǎn)：(1)SM膠無固相漿液和用SM膠處理的低固相泥漿，流性指數(shù)均小于1，說明它的流變曲線與假塑性流體類似，是一條彎曲的曲線，屬冪律模式。而且它的流性指數(shù)均小于0.5，它在鉆孔中攜帶巖粉的能力強(qiáng)，剪切稀釋作用好。p均大于0.75，說明具有較好的的剪切稀釋作用。(3)塑性粘度ηp均較低，表觀粘度ηA高，稠度系數(shù)K值也高，說明結(jié)構(gòu)粘度高，稠度大，排除巖粉能力強(qiáng)。施工生產(chǎn)中證明，在覆蓋層鉆進(jìn)中可以排出較大顆粒巖粉。(4)SM膠無固相漿液在濃度高時(shí)，具有較小的屈服值。當(dāng)加入土粉時(shí)，隨著土粉比例的增加，靜切力增加，護(hù)壁和排粉的能力提高。2.3.3SM植物膠鉆井液的特殊功能SM植物膠水溶液是粘彈性較強(qiáng)的粘彈性流體，在鉆探中表現(xiàn)出一般泥漿和清水所沒有的特殊功能，其中較突出的是護(hù)膠作用、粘彈性減振作用和減摩阻效應(yīng)。(1)護(hù)膠作用所謂護(hù)膠作用是指高聚物水溶液在巖芯鉆探中作為沖洗液時(shí)，由于吸附成膜作用，在巖芯表面(或孔壁)形成一層膠膜，使松散、破碎、軟弱的巖芯表層被膠結(jié)包裹，從而隨鉆取得原狀結(jié)構(gòu)的巖芯的一種特殊功能。SM植物膠在較高的濃度下鉆進(jìn)覆蓋層和基巖破碎、軟弱的地層時(shí)，不僅可大幅度提高巖芯采取率，而且可隨鉆取出保持原狀結(jié)構(gòu)的巖芯。(2)粘彈性減振作用潤(rùn)滑鉆井液是鉆井液中加入潤(rùn)滑劑，如皂化油、癸脂酸鈉等。它的原理是在鉆井液中加入潤(rùn)滑劑后降低鉆桿與孔壁的磨擦系數(shù)，減小鉆桿回轉(zhuǎn)的阻力，從而達(dá)到減振的目的。普通潤(rùn)滑鉆井液雖然磨擦系數(shù)很低，但是在金剛石鉆進(jìn)中減振的作用是有限度的，隨轉(zhuǎn)速的提高，振動(dòng)也隨之加劇。而粘彈性鉆井液的減振作用比潤(rùn)滑液要強(qiáng)得多。(3)降摩阻效應(yīng)SM植物膠鉆井液與其他一些高分子溶液一樣，具有降摩阻效應(yīng)，而且降摩阻的效能十分突出。如漏斗粘度在6分鐘以上的濃SM漿，單動(dòng)雙管鉆進(jìn)時(shí)，在幾十米深的孔內(nèi)泵壓不到0.5MPa，而清水、低固相泥漿都在1MPa以上。從泵吸性能來看，SM膠的漏斗粘度在10分鐘以上，仍不影響泵吸性能，也不增加泵壓。三、SM膠鉆井液的制備和維護(hù)管理SM植物膠制備無固相鉆井液或低固相泥漿，均需采用高速攪拌機(jī)攪拌，以容積式立式攪拌機(jī)為好，因?yàn)镾M植物膠是高分子聚合物，遇水后容易結(jié)疙瘩，需要攪拌機(jī)的葉片在高速下強(qiáng)力機(jī)械分散。3.1SM植物膠無固相鉆井液的制備首先向立式攪拌機(jī)中加入三分之一清水，并向水中一次加入所需的碳酸鈉，開動(dòng)高速攪拌機(jī)使之溶解，同時(shí)將SM膠粉一次倒入攪拌機(jī)中，高速攪拌5分鐘左右，當(dāng)植物膠全部分散沒有疙瘩時(shí)，則將水灌滿繼續(xù)攪拌均勻后，放入貯漿池中靜止浸泡半天以上，視植物膠全部溶脹，粘度明顯提高，即可使用。3.2SM植物膠鉆井液的維護(hù)管理SM膠抗微生物和抗溫性能差，而且在高價(jià)金屬離子溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生聚沉作用，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：(1)在SM膠漿液中加入少量防腐劑(如1立方米漿液中加入0.5升甲醛)，可起到穩(wěn)定漿液性能，防止腐化變質(zhì)的作用。(2)SM膠配制的低固相泥漿不得用鈣處理；SM膠不宜用于可溶性高價(jià)鹽地層，也不得與水泥漿混合使用。(3)SM膠不宜用于高溫地?zé)峋@進(jìn)。(4)由于使用的SM膠鉆井液濃度大，粘度高，巖粉和砂子不容易沉淀，施工中應(yīng)使用離心式除砂機(jī)除砂，亦可在漿液中加入50-100ppm的PHP溶液，在循環(huán)中沉降巖粉和砂子。(5)鉆井液使用一段時(shí)間后，由于SM膠高分子吸附巖粉和砂子及孔壁而消耗，粘度逐漸降低，需要定期加入部分新漿調(diào)整粘度。如果是因?yàn)楦冑|(zhì)而降粘，則必須徹底更換新