水质分析对泥浆调配的指导意义

水平定向钻穿越施工中水质分析对泥浆调配的指导意义曲百慧摘要：本文以中国兵器华锦集团储运工程Y77-Y78双台子河水平定向钻穿越工程为例，从水质分析角度考虑水质对泥浆性能的影响，分析水中各有害因子比例，进而采取靶向控制，控制添加剂用量，采用最小剂量，去除水中各有害因子，使泥浆性能达到理想状态，从而达到控制成本的目的。关键词：水质分析；泥浆；水平定向钻穿越ThesignificanceoftheanalysisofwaterqualityformodulatingmudintheProjectofcrossbyhorizontaldirectionaldrilling.Qubaihui(LiaoheOilfieldNo.1ConstructionEngineeringCompany,Panjin124120,China)Abstract:Throughanalyzingthequalityofthewaterontheperformanceofmud,forexample,StorageandTransportationEngineeringofChinaOrdnanceHuajinGroupY77-Y78ShuangtaiziRivercrossbyhorizontaldirectionaldrilling,toconsidertheproportionoftheharmfulfactorsinthewater.Thentargetingatthem,andtakecontroloftheamountofadditives,usingtheminimumdosetoremovetheharmfulfactorsinthewaterandachievingthedesiredmud,soastoachievethepurposeofcontrollingcosts.Keywords:waterqualityanalysis;mud;crossbyhorizontaldirectionaldrilling.0引言泥浆性能的优劣对水平定向钻穿越工程施工成败起着非常重要的作用，而水又是影响泥浆性能的重要影响因素，地下水中各分子、离子含量直接影响着泥浆的护壁效果，水平定向钻穿越工程因其施工过程不可预见性，因此水质分析对定向钻穿越施工中泥浆的配比具有指导意义。有经验的泥浆的工程师，往往能够通过观察定向钻施工过程中入土点返出的泥浆形态，确定地下水质、土质情况，进而直接加入适量添加剂至泥浆反应器中，对泥浆性能参数进行微调，从而保证泥浆能够满足下不断变化的地层环境。而对于泥浆初学者就必须通过对相关资料进行综合分析，进而对泥浆的各项参数进行调整，配制出适合不同地下情况的泥浆。1工程概况2008年10月，我公司进行了双台子河水平定向钻穿越工程施工。本文以此工程为例，通过对地下水中各离子、分子含量进行分析，针对离子、分子含量其对泥浆性能的影响可能性，通过量化添加剂加入量，以便迅速、有效的去除地下水中有害离子、分子因素，使泥浆性能一直保持优良状态。施工勘察范围为双台子河穿越处中线两侧15m处各勘测21点（勘测点编号为P174~P194）。地下水位随季节变化幅度为0.50~1.00m，本工程取地下水位值0.75m。双台子河穿越回拖管线管径为φ508×7.9mm，穿越长度710m，设定入土角为8°，出土角为6°，即在入土端钻机钻进5.4m后，出土端钻机钻出6.9m前穿越段，需考虑地下水对泥浆性能的影响，其他穿越段无地下水影响，可直接采用现场配方材料模拟试验结果配制泥浆，进行穿越施工。施工配制泥浆用水取自双台子河河水，为避免出现实验室配方材料与现场配方材料不一致现象，施工前进行现场水质检查与现场水泥浆配方材料模拟试验。2穿越段地下含水量计算从地勘报告中，随机选取P174~P194中10处探孔，进行土工试验综合成果分析，发现探孔深度位于1.50m~4.50m区间，天然水含量分别为38.2%、25.5%、38.1%、19.4%、29.7%、20.2%、37.9%、30.9%、35.0%、34.6%，取上述10处探孔含水量平均值，为30.95%。按照设计图纸及规范要求，本次水平定向钻穿越施工管线的曲率半径取1500D，穿越双台子河最底部管线相对地面标高-15.00m，根据本工程实际情况，Φ508管道穿越需要进行三级预扩孔，分别为18″、26″、32″。最终扩孔直径为32″（即812mm），符合《GB50424油气输送管道穿越工程施工规范》要求。利用导向系统控制软件，绘制出设计曲线如下：图1：双台子河水平定向钻穿越设计曲线从上图中可以看出，导向孔理论长度为711.34m，考虑施钻过程中人为管线上、下、左、右偏差及纠偏，按照《GB50424油气输送管道穿越工程施工规范》表7.3.1-2导向孔允许偏差要求，导向孔实际长度设定为720m。管线定向钻穿越土层为粉细砂层，按多年施钻施工经验，钻头、扩孔器平均行进速度大约为0.3m/min，泥浆泵平均排量为1.2m3/min，按照导向孔实际长度及钻头、扩孔器行进速度，泥浆泵排出泥浆量大约需要2880m3。当扩孔器扩孔至812mm时，扩孔器搅动地下土总量为1490.6m3，全部土方含水量约为461.3m3。3水质分析过程根据穿越地层情况及《GB50424油气输送管道穿越工程施工规范》表7.3.5进行现场水泥浆配方材料模拟试验，配制导向孔、扩孔泥浆粘度分别为40~45s、50~55s，PH值为9~10的水泥浆，同时要求其含砂量、固相含量、失水量等数值符合试验室要求值，泥饼成型好。图2：水质分析成果表当施钻至5.4m，标高至-0.75m时，需考虑地下水中各离子、分子对泥浆性能的影响，水中的各离子、分子含量及PH值如下：Ca2+为30.06mg/L，Mg2+为34.05mg/L，NH4+为1.42mg/L，HCO3-为158.65mg/L，PH值为7.34，游离CO2为11.44mg/L。在导向孔及扩孔施工过程中，泥浆不断的与地下水接触，会导致泥浆中OH-含量降低，打破泥浆中原有的H+，OH-的平衡状态，PH值下降，膨润土的水化效果弱化。同时，地下水中的Mg2+，HCO3-，NH4+，均会与现场配制好的泥浆中的OH-发生在地下发生化学反应，从而，产生固体Mg（OH）2、CaCO3，气体NH3，从而增加了泥浆的固相含量、泥饼气孔，影响泥浆的护壁性能，因此，针对不同的地下水质情况，对泥浆的各项参数进行及时的调整，保证泥浆性能，提高水平定向钻穿越施工的成功几率尤为重要。针对上表中各离子的地下水含量，我们进行了详尽的理论分析：1、双台子河水平定向钻采用NaOH添加剂配制泥浆PH值至9~10，在泥浆遇到地下水时，会发生下述反应：HCO3-+OH-→H2O+CO32-地下水中HCO3-含量为158.65mg/L，摩尔质量为61g/mol，其会消耗掉同体积泥浆中的烧碱量为104.2mg，同时释放出156mg的CO32-，进而会与地下水中的发生化学反应，此过程后文将详细说明。2、常温下，水中氢氧化镁饱和水溶液的浓度为1.9mg/L，几乎不溶于水，本次计算设定其溶解量值为0，地下水中Mg2+含量为34.05mg/L，摩尔质量为24g/mol，其会消耗掉同体积泥浆中的烧碱量为57.5mg，并产生Mg（OH）2固体杂质，反应式如下：Mg2++OH-→Mg（OH）23、地下水中游离CO2含量为11.44mg/L，摩尔质量为44g/mol，其会消耗掉同体积泥浆中的NaOH20.8mg，反应式如下：2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O4、地下水中游离NH4+含量为1.42mg/L，摩尔质量为18g/mol，其会消耗掉同体积下泥浆中的NaOH1.34mg，反应式如下：NH4++OH-→NH3+H2O双台子河现场模拟泥浆试验，PH值为9~10，即OH-含量为10-5~10-4mol/L，综上所述，当1L泥浆遇到1L地下水时，因与地下水中有害因子发生反应，需添加烧碱量为183.84mg，OH-为77.6mg，此时为确保泥浆PH值保持在9~10，需额外添加OH-量为（10-5~10-4）/2mol/L，即烧碱量为2~20mg，每1m3泥浆与地下水混合体，需添加烧碱量为0.186~0.204g。5、常温下，100g水能溶0.004g碳酸钙，几乎不溶于水，本次计算设定其溶解量为0。地下水中游离Ca2+含量为30.06mg/L，摩尔质量为40g/mol，因HCO3-与NaOH发生反应后释放出156mg/L的CO32-，会与地下水中游离Ca2+发生进一步反应，其反应式如下；Ca2++CO32-=CaCO3地下水中游离Ca2+会消耗掉同体积下的CO32-45.09mg，CO32-会与Ca2+充分反映，并析出固体杂质。双台子河水平定向钻穿越施工过程中，入土点、出土点回收后的泥浆，经振动筛进行粗净化，水力旋流器分离后再次进入循环利用系统，但经回收后的泥浆已与地下水发生了反应，需继续添加正电胶、淀粉、CMC钠盐、烧碱等添加剂，以保证泥浆良好的性能。泥浆与地下水总体积约为3341.3m3，为避免有害离子或分子，对泥浆性能的影响，需添加烧碱621.5~681.6g。现场采用3座泥浆罐并联同时运行方式施工，分别为泥浆搅拌罐，泥浆供应罐，泥浆回收罐，每罐罐容约为20m3，现场约配制167罐泥浆（含回收利用泥浆量），每罐添加3.72~4.08g烧碱即可达到直接地去除地下水中有害离子、分子或间接地通过地下水中各离子、分子相互反应以去除地下水中有害离子、分子的效果。通过对回收后的泥浆进行振动筛过滤，水力旋流器分离后的泥浆进行模拟试验，试验结果如下：项目比重粘度（秒）含砂率PH值一般性能指标1.05~1.1540~554%9~10泥浆PH值介于9~10，导向孔、扩孔泥浆粘度分别为40~45s、50~55s，比重、含砂率及失水量符合施工要求，同时触变性良好，泥饼渗透低、韧性好，证明经与地下水反应后的泥浆性能良好，符合穿越施工要求。4、水质分析的意义地下水量决定了泥浆泵入地下后泥浆稠度，地下水量多，泥浆被稀释，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差；泥浆太稠会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。因此，通过加入添加剂，成功去除有害离子或分子对泥浆的性能后，还要考虑泥浆与地下水混合后，其他参数的变化情况，通过估算地下含水量，现场泥浆配方模拟材料试验，量化添加胶体、CMC、淀粉等有机添加剂，提高泥浆的携渣能力，护壁能力，同时保证钻头冲击功能，降低钻进速度。影响泥浆性能的因素有很多，本文仅从地下水水质分析结果方面考虑其对泥浆的影响效果，通过科学的、量化的加入各种添加剂，直接地去除地下水中有害离子、分子或间接地通过地下水中各离子、分子相互反应以去除地下水中有害离子、分子，达到确保泥浆性能的目的。同时最大限度节约成本，避免浪费；同时，水平定向钻穿越施工强度大，施工工期急等特点，往往需要泥浆工12h连续作业，不断进行现场水泥浆配方材料模拟试验，工人易疲乏，通过此方法，亦可降低模拟试验次数，同时最大限度降低因人员疲劳造成穿越施工误操作的几率。参考文献：[1]乔春会，钻井泥浆工，中国石油大学出版社，2004-5-1。[2]中油辽河工程有限公司，岩土工程勘察报告，地2318-6，008-01-30。[3]中国石油天然气集团公司，油气输送管道穿越工程施工规范GB50424-2007，中国计划出版社，2007-10-23。