摘要：水平定向钻，属于非开挖技术，源于20世纪70年代，并于90年代传入我国，目前被广泛应用于给排水、电力、通信、燃气等领域的管道建设。穿江定向钻，是指穿越江河的水平定向钻施工，具有穿越距离长、孔径大、埋地深等特点，施工过程需要使用大量的泥浆。膨润土，是泥浆中的主要成份，是定向钻施工必不可少的耗材。因泥浆在使用过后会夹杂碎屑，无法重复使用。在以往的工程中，膨润土作为一次性耗材，历时约100天的施工周期，消耗了数千吨的膨润土材料，并且需要每天使用泥浆罐车把废弃泥浆外运处理，不仅花了大量的材料成本及处理弃浆的费用，而且还对环境造成影响。为了节约成本、提高效益、减少排污，从废弃泥浆中回收膨润土的设想由此萌生。
关键词：定向钻；回收；膨润土
0 前言
在2015年，泥浆回收技术原理在非开挖行业中被剖析，在各个领域的定向钻施工开始增加设备，对废弃泥浆中有用部分进行分离。针对穿江工程中，穿越隧道内含砂量高的特点，结合行业中同类工程的施工经验，我司自2017年初展开穿江定向钻膨润土回收技术的专题研究，于河源110kV方红至中心线路工程中，在胜利桥北侧穿越东江定向钻施工时，成功将一系列的先进技术组合起来运用：采用旋流器、泥浆振动筛等设备组合，迎合多级预扩孔的穿江定向钻施工所需，实现从弃浆中实现膨润土的回收，并在施工过程中反复循环利用，比以往的一次性耗材的传统施工方法，更经济和实效。
1 主要用途
穿江定向钻膨润土的回收技术，其主要的作用是：通过回收系统，净化处理穿江定向穿越过程中从地下返回的泥浆，将膨润土分离出来，重新掺入少量粉量调配，在泥浆输送过程中循环使用。在大型管道穿越江河工程的定向钻施工中，通过抽浆、旋流、隔砂、除泥、回罐等步骤，实现膨润土回收目的。
2 技术原理
2.1穿江定向钻技术及泥浆作用
穿江定向钻技术，是指利用水平定向钻进技术，对江河进行穿越施工。其施工过程，先将水平定向钻机锚固在入土点处，然后依据设计的轨迹曲线，通过定位系统，向出土点处钻出一个导向孔，作为预扩孔和管线回拖的引导，再从出钻点装上扩孔器回拖进行预扩孔，经过多次预扩孔完成回拖所需孔径，最后将管道从出钻点侧拖入孔中，从入钻点处拖出，实现敷设路径的穿越，如图2.1所示。
图2.1 穿江定向钻施工过程示意图
泥浆在水平定向钻进施工中，通过储浆罐调配，经过高压泥浆泵，注入水平定向钻机的钻杆内，穿过多节无缝钢管组成的钻杆后，从钻头或扩孔器上的高压喷头中射出，推动旋转牙轮，破碎土层，悬浮并携带碎屑，充盈整个钻孔，从钻孔两端溢出，流入泥浆池内，把孔道中的碎屑带出，清洁孔道。膨润土作为泥浆中的主要成份，具有冷却钻头、润滑钻具、稳定孔壁、润滑孔壁、排除钻渣、提高施工效率的作用。若把废弃泥浆（含碎屑）直接泵送至水平定向钻机内，将堵塞喷头，从而无法继续作业。
2.2穿江定向钻泥浆的特点和要求
穿江定向钻施工，往往穿越距离较长，孔径较大，埋地较深，因地层硬度高，预扩孔级差小而次数多，使得施工周期长，泥浆用量大且持续时间长。用于造浆材料的膨润土要求含砂量少于3%，若想回收，必须达到这个标准。
2.3泥浆中膨润土的回收
本项目所研究的膨润土回收技术，主要利用了采用旋流器、泥浆振动筛等设备，分离碎屑等不需要的部分出去，将含砂量少于3%的可利用部分回罐，通过配浆装置重新增添小量粉料及外加剂，满足使用要求后注入钻机内循环使用。
旋流器、泥浆振动筛是整个回收系统中的关键设备，其作用是将回流泥浆中的弃土从泥浆基液中分离出来，将砂、泥排除在外。泥浆的含砂率直接影响到整个回收系统的泥浆能否循环使用，而且从江河的河床下穿越，返回的浆液中带有大量的砂粒及沉积岩的碎屑。因此，控制好旋流器过滤网的孔径至关重要。我们在施工前需对穿越路径两径15m以外（以防施工过程中出现漏浆），现场补打钻孔抽出岩样，分析岩石成份及粒径，来确定合适的孔径。膨润土回收循环路径图如下图2.2所示。
图2.2 膨润土回收循环路径图
2.3.1旋流器的工作原理
旋流器是一种利用流体压力产生旋转运动的装置。当料浆以一定的速度进入旋流器，遇到旋流器器壁后被迫作回转运动。由于所受的离心力不同，料浆中的固体粗颗粒所受的离心力大，能够克服水力阻力向器壁运动，并在自身重力的共同作用下，沿器壁螺旋向下运动，细而小的颗粒及大部分水则因所受的离心力小，未及靠近器壁即随料浆做回转运动。在后续给料的推动下，料浆继续向下和回转运动，于是粗颗粒继续向周边浓集，而细小颗粒则停留在中心区域，颗粒粒径由中心向器壁越来越大，形成分层排列。
随着料浆从旋流器的柱体部分流向锥体部分，流动断面越来越小，在外层料浆收缩压迫之下，含有大量细小颗粒的内层料浆不得不改表方向，转而向上运动，形成内旋流，自溢流管排出，成为溢流，而粗大颗粒则继续沿器壁螺旋向下运动，形成外旋流，最终由底流口排出，成为沉砂。
泥浆回收系统将开挖出的弃土从泥浆基液中分离出来，并不是将所有的固态物分离出来，泥浆回收系统只是分离不需要的部分。
膨润土和其他钻进液添加剂也是固态的，但我们所需要的都是非常小的颗粒尺寸，所以泥浆回收系统在处理过程中颗粒尺寸的测量是很重要的。被经常使用的测量单位是微米。一个100微米的网口意味着他可能分离出100微米和更大的颗粒。泥浆回收系统正确混拌的膨润土是亚微米级的颗粒尺寸。这一点尤为重要，它意味着膨润土是不容易从浆液中分离出来的。粘土的尺寸比沙土的小，岩削的尺寸比两者都要大。颗粒尺寸越小分离便越趋于困难。在非开挖行业中，在大多数情况将小于20微米的颗粒进行分离是不经济的，亚微米的膨润土是不应从泥浆回收系统中分离，所以要控制好过滤网的孔径。
2.3.2泥浆振动筛的作用
其作用是经旋流器排砂口所排出的泥浆与砂的混合物，将砂、泥排除在外，把留在砂粒之中的浆液二次回收。因为其需要长时间工作，机身需要增强抗震强度，具备角度调节装置，可解决粘筛和跑浆问题。旋流器和泥浆振动筛上下组合，使设备结构紧凑，减少占地面积。
3关键技术和创新点
3.1关键技术
本技术通过研制一套水平定向钻膨润土回收系统，用于净化处理水平定向穿越过程中从钻孔返回的泥浆。回收系统采用旋流器、泥浆振动筛等固相控制设备，将大粒径的钻屑分离出去，通过混浆罐等装置添加所需的泥浆材料，并搅拌循环均匀，达到再次使用的性能要求，再由泥浆泵灌入水平定向钻系统，实现膨润土的反复循环利用。
该项目在大型管道穿越江河工程的施工时自主研制开发，采用泥浆泵、旋流器、泥浆振动筛等组合，通过抽浆、旋流、除砂、除泥、回收等步骤，形成一套泥浆回收装置，人工操作摇控开关调控挡位，实现半自动回收。
3.2创新点
1、在穿越江河的水平定向钻施工过程中，增加一套膨润土回收装置，处理废弃泥浆，分离出钻屑，能够解决返浆中含大量细砂及岩屑的问题，将泥浆的主要成份回收利用，其回收率高达75%，节约大量的耗材成本，而且减少废弃泥浆对周围环境的影响。
2、回收的泥浆中含砂量较少，低于3%，不会造成施工过程中，钻杆及钻头堵塞的现象。
3、回收装置二为一体，两者组合的机身结构紧凑，占地面积少，回收装置能耗低于15kW每小时，可在施工过程中不间断使用。
4与国内已有同类先进技术对比情况
（1）目前国内已有的回收技术，所采用的回收装置体积庞大，设备能耗高；与之相比，本技术回收装置机身结构紧凑，易于运输，能耗较低，可持续使用。
（2）以往的回收装置只对碎屑简单的过滤，回收率低，没有充分的回收废弃泥浆中的可重复利用部分。本技术采用泥浆泵、旋流器、泥浆振动筛组合，回收充分，排污量显著减少。
（3）旧的回收装置简单的将滤网、泥浆泵等组合，碎屑清理等过程，还需人工作业；本技术已经实现按钮式操作，半自动完成回收全过程。
（4）穿江定向钻膨润土的回收技术，具有系统性强、操作简单、便于布置、设备精练、高回收率、高效率、高纯度等优势，属业行中领先水平。
结束语
工程施工中在应用穿江定向钻膨润土的回收技术后，废弃泥浆中的膨润土得到充分的回收，回收率将近80%。随着水平定向钻进的迅猛发展，管道穿越江河工程的穿越距离长、孔径大，穿越隧道内返砂量大，对泥浆回收技术提出了更高的要求。对于水平定向钻进技术不断发展，保障泥浆的高回收利用率将越来越重要，穿江定向钻膨润土的回收技术将得到推广使用，具有显著的社会效益、经济效益和广泛应用的市场前景。
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论文作者:张文龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
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