松散砂卵砾石层桩基泥浆性能优化试验研究

吕晗波,毕彬彬,吴顺喜

(浙江省工程勘察设计院集团有限公司,浙江舟山,316000)

0 引言

砂卵砾石层是我国西部如成都及其周边地区较为常见的一类地层[1],在此类地层进行桩基施工时,由于地层结构松散破碎,渗流通道明显,施工时常遇漏浆严重、孔壁垮塌等复杂情况[2]。目前在松散砂卵石层应用效果较好的泥浆体系主要是以膨润土泥浆为主的低固相不分散泥浆体系及无固相植物胶冲洗液体系,其中膨润土因为生产工艺成熟,原料获取渠道广泛,成为了工程施工中最为常用泥浆配制原料,相关从业人员也以膨润土泥浆为主要对象开展了大量研究。王振飞等[3]对膨润土泥浆改性后进行对比分析,最终确定华北油田Ⅲ型泥浆是北京砂卵石地层的理想泥浆体系;王俊等[4]从砂卵石地层结构特点出发,配制了适用于砂卵石地层施工的盾构泥浆并分析了其渗透成膜过程;蔡耀民等[5]对膨润土泥浆进行配比优化,提出了一种适用于强透水卵石层与弱透水泥质砂岩复合地层的改性膨润土泥浆体系,应用效果良好。

而无固相植物胶冲洗液因其性能优良,在砂卵石地层钻探中应用效果显著,也受到相关从业人员的关注。曹虎麒等[6]对砂卵石地层的钻探方法进行了优化,在钻探过程选用植物胶泥浆进行护壁,有效缓解了砂卵石地层钻进效率低下的问题;李华志等[7]针对白鹤滩水电站厂房错动带的孔壁垮塌难题,利用KL植物胶优良的流变与润滑特性,有效解决了施工过程中的钻进难题。总的来说,目前在工程中应用更为广泛的仍是以膨润土泥浆作为主体的低固相不分散泥浆体系,且关键处理剂多是以添加羧甲基纤维素钠(CMC-Na)或者聚丙烯酰胺(PAM)等,而植物胶冲洗液由于植物胶资源的日益枯竭,导致其成本随之增高,在工程中的应用受到了一定限制。因此,结合工程实际需要,对于松散砂卵石层孔壁垮塌问题仍应以膨润土泥浆为主体开展研究,而目前的膨润土泥浆体系多存在抗污染能力差、钻进工程中易失效、性能调整困难等问题,对实际工程应用不利。研制一种性能优良、抗污染能力强、性能易调整的新型膨润土泥浆体系是解决松散砂卵石层垮塌难题的有效突破口。

基于此,以优质膨润土作为主要原料配浆,对成胶剂、增粘剂、封堵剂等处理剂进行筛选并进行加量优化,再通过正交试验确定优化配方并进行性能评价,以期研制出一种抗污染能力强、性能调节便捷的高性能桩基泥浆配方。研究成果为松散砂卵石层钻探施工所用泥浆提供了一种新的选择,同时对于类似工程也有一定的参考价值和借鉴意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

主要选用的试验材料有:优质复合钠基膨润土,购自山东昌邑市高阳膨润土厂;从纯碱(Na2CO3)、烧碱(NaOH)、小苏打(NaHCO3)筛选成胶剂,购自国药集团化学试剂有限公司;从羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、聚丙烯酰胺(PAM)、HEC(羟乙基纤维素)筛选增粘剂,购自优索化工有限公司;封堵剂从油田用封堵剂(SFD-1)、羧甲基淀粉钠(CMS-Na)、羟丙基淀粉(HPS)中进行筛选,其中油田用封堵剂(SFD-1)购自三和润井科技有限公司,羧甲基淀粉钠(CMS-Na)及羟丙基淀粉(HPS)均购自华南生物科技有限公司。

1.2 仪器与方法

1.2.1 试验仪器

主要采用的试验仪器有:采用100mL透明量筒测量其胶体率以考察其成胶状态;采用ZLN型苏氏漏斗粘度计测量其漏斗粘度,采用六联式中压滤失仪测量其滤失量,青岛同春石油仪器有限公司生产。

1.2.2 试验方法

称取一定量优质复合钠基膨润土与淡水混合搅拌均匀,制得膨润土质量分数为10%的基浆;在基浆中分别加入膨润土粉质量分数1%～5%的成胶剂(Na2CO3、NaOH、NaHCO3)进行筛选及加量优化得到初步配方;在初步配方基础上分别加入膨润土粉质量分数1%～5%的增粘剂(HPMC、CMC-Na、PAM、HEC)进行筛选及加量优化,得到增粘配方;在增粘配方基础上分别加入膨润土粉质量分数1%～5%的封堵剂(SFD-1、CMS-Na、HPS)进行筛选及加量优化,得到封堵配方;基于成胶剂、增粘剂、封堵剂的筛选及加量优化结果,设计三因素三水平正交试验,通过极差分析得到优化配方。

2 各处理剂筛选及加量优化

2.1 成胶剂对泥浆成胶状态的影响研究

分别将加入不同质量分数的成胶剂(Na2CO3、NaOH、NaHCO3)加入基浆中,以24h胶体率来考察各试验组成胶状态,试验结果如图1所示。

图1 成胶剂对基浆胶体率的影响

分析图1可知,基浆的胶体率为80%,三种成胶剂对基浆的成胶状态均有所改善,但Na2CO3、NaOH对基浆成胶状态的改善不太稳定,当Na2CO3、NaOH质量分数超过一定范围时,基浆的成胶状态有所下降,其中Na2CO3的质量分数临界点为3%,NaOH质量分数临界点为2%。在实际工程中配制泥浆时,难以精确控制处理剂的理论加量,而Na2CO3、NaOH的理论最优加量范围过窄,不利于实际工程应用。而NaHCO3对基浆成胶状态的改善作用同样十分显著,且理论最优加量范围较宽泛,其在质量分数为2%～5%的范围内均能使基浆胶体率达98%及以上,因此选用NaHCO3作为基浆的成胶剂,并结合成本控制原则与试验结果考虑,将NaHCO3质量分数3%作为后续试验研究的基础加量。

2.2 增粘剂对泥浆粘度的影响研究

在2.1小节试验所确定的初步配方基础上,分别加入1%～5%的增粘剂(HPMC、CMC-Na、PAM、HEC),以实际工程中最常用的粘度测试指标—漏斗粘度作为评价指标,同时考察了各增粘剂对初步配方胶体率的影响,试验结果如图2所示。

图2 增粘剂对泥浆性能的影响

分析图2可知,各增粘剂对初步配方漏斗粘度均有一定提升,其中HEC的增粘作用相对较弱,在其质量分数为5%时,泥浆粘度仅为32s;PAM、HPMC、CMC-Na对初步配方漏斗粘度提升效果更为显著,但随着PAM和CMC-Na质量分数的不断增加,其胶体率出现下降,泥浆胶体状态受到破坏,泥浆中出现颗粒絮凝状态,其中当PAM质量分数增加至5%时,泥浆胶体率下降至65%,甚至低于初步配方(对照组)的胶体率,在实际工程中,泥浆胶体状态本身便容易随着钻进工作的进行而恶化,因此若再使用易使膨润土颗粒发生絮凝的增粘剂,对于维持泥浆胶体状态的稳定性是十分不利的。而HPMC在有效提升泥浆粘度的同时,能够使泥浆维持于一个稳定的胶体状态,在HPMC质量分数增加至5%时,泥浆胶体率仍能维持在99%。因此,综合对比选用HPMC作为增粘剂,添加3%的HPMC作为增粘配方以开展后续研究。

2.3 封堵剂对泥浆封堵性能的影响研究

在2.2小节试验确定的增粘配方基础上,分别加入1%～5%的封堵剂(SFD-1、CMS-Na、HPS),以API滤失量作为评价指标,试验结果如图3所示。

图3 封堵剂对泥浆封堵性能的影响

分析图3可知,各封堵剂加入增粘配方(对照组)后,均对增粘配方的滤失性能产生了一定影响,但淀粉类封堵剂(CMS-Na、HPS)并没有显著降低增粘配方的滤失量,当CMS-Na、HPS质量分数为5%时,泥浆滤失量仅分别降低至23mL、25mL,并未显著降低增粘配方的原始滤失量(29mL),这是因为淀粉类降滤失剂多是通过物理充填孔隙使得泥饼更为致密,从而降低滤失量,而增粘配方中主要存在复合钠基膨润土、成胶剂、增粘剂三个组分,在三个组分的相互作用下,泥浆中的细颗粒较多,压力作用下细颗粒已经填充了部分泥饼孔隙,因此,此试验条件下,淀粉类降滤失剂的作用效果不佳。而封堵剂SFD-1的降滤失作用非常明显,随着SFD-1质量分数的增加,泥浆滤失量不断降低,当其质量分数增加至5%时,泥浆滤失量降低至14mL,对比增粘配方的原始滤失量,其降滤失效率可达51.72%,因此选用SFD-1作为封堵剂,结合工程成本考虑,其最优加量初步确定为4%。

3 优化配方研制及性能评价

3.1 正交试验优化配方

为进一步优化各组分用量,设计三因素三水平正交试验来得出优化配方。正交试验结果如表1所示。

表1 正交试验结果

利用Mintab软件对试验结果进行置信度分析,结合工程实际情况考虑,确定改良后的泥浆配方为:10%复合钠基膨润土粉+3%(膨润土粉质量分数)成胶剂+3%(膨润土粉质量分数)增粘剂+5%(膨润土粉质量分数)封堵剂,即正交表中第5组试验配方,其漏斗粘度可达46s,滤失量仅为12mL,胶体率为99%。对于松散砂卵砾石层的桩基施工来说,较高的粘度(46s)可以保证施工过程中泥浆可以有效悬浮携带岩屑,而较低的滤失量则表明泥浆可在孔壁表面形成一层致密的泥皮,减弱渗流通道对泥浆漏失的影响,从而有效维护孔壁稳定,同时,优化配方良好的胶体状态(胶体率99%)则表明泥浆状态稳定性良好,有利于在施工过程中持续高效地发挥护壁作用。

3.2 优化配方抗污染及性能可调性评价

为进一步验证优化配方的工程实用性,利用天然土粉(模拟实际施工环境)对优化配方进行污染,以评价其性能可调性及抗污染性能,试验结果见表2。

表2 优化配方抗污染性能评价

分析表2可知,随着天然土粉质量分数的不断增加,优化配方的密度、粘度随之进一步提升,但由于天然土粉的造浆能力远低于复合钠基膨润土,因此优化配方粘度的增加趋势不如密度明显。对于实际施工过程中,粘度增加缓慢有利于桩基施工完成后的清孔换浆工作。当天然土粉质量分数超过6%后,污染后的优化配方其胶体率、滤失量发生显著降低,但仍未出现泥浆颗粒絮凝情况,说明即使优化配方被过量土粉污染后,仍可通过加水稀释并调整处理剂用量来改善泥浆胶体状态。为进一步验证优化配方性能可调性,将经6%、8%、10%天然土粉污染后的优化配方进行加水稀释并合理调整处理剂用量,对各性能指标进行再次测定,结果显示因土粉污染而显著恶化的相关性能参数得到有效改善,表明优化配方性能可调性良好,更有利于满足桩基工程实际施工过程对护壁泥浆的性能要求。

4 结论

(1)针对松散砂卵砾石层桩基工程施工,对传统膨润土泥浆进行优化改进,选取合适的处理剂对其进行优化改良,研制了一种抗污染性良好、性能调节便捷的高效护壁泥浆,其优化配方为:10%复合钠基膨润土粉+3%(膨润土粉质量分数)成胶剂+3%(膨润土粉质量分数)增粘剂+5%(膨润土粉质量分数)封堵剂,优化改良后的膨润土泥浆更有利于满足松散砂卵砾石层桩基工程的实际施工需求。

(2)桩基工程所常用的传统膨润土泥浆存在抗污染性能差、性能调节困难的问题,而松散砂卵砾石层桩基工程施工所用护壁泥浆常仅关注密度、粘度及滤失量等基本性能指标,对其抗污染性能、性能可调节难易程度等因素关注不足。因此,为更好地服务于松散砂卵砾石层等复杂地层的桩基工程施工,泥浆研制过程应加强对其抗污染性能、性能可调难易程度等相关因素的关注。