本发明涉及地质勘察工程及岩土工程技术领域，具体涉及一种羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆。
背景技术：
近些年来，岩土钻孔(槽)工程在国民经济和社会发展中发挥着越来越大的作用，已广泛应用于矿产资源勘探和部分矿产的开采、水文地质勘探、工程地质和环境地质勘察、地质灾害的防治与环境治理、工民建和道路桥梁的基础工程、垃圾填埋场防渗隔离墙等工程领域。在诸领域钻孔(或钻挖槽)工程施工中，如遇到盐矿层以及泥页岩(俗称水敏性地层)等复杂地层，该类地层孔壁极不稳定，容易发生钙侵、盐侵和和黏土侵(水敏性膨胀)，致使盐层溶蚀、泥页岩膨胀坍塌等施工事故发生。如何确保盐矿层以及遇水膨胀地层孔壁的稳定性是地下岩土工程施工需要解决的主要技术难题之一。实践证明，选用抗钙侵、盐侵及黏土侵能力均较强、对泥页岩护壁性能好的泥浆(亦称之为冲洗液)是确保此类复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程施工质量、降低生产成本的最有效途径之一。
目前，现有岩土钻孔(槽)工程护壁泥浆主要是细分散泥浆、钙处理粗分散泥浆、不分散低固相泥浆、聚合物型无固相泥浆等。其中，聚合物型无固相泥浆的固壁性能较好，但其泥浆成本较高，应用受到一定限制。
本发明专利属于国家自然科学基金项目“垃圾填埋场pbfc防渗浆材性能与墙体变形分析”(项目编号：51678083)资助研究成果。
技术实现要素：
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，包括如下重量组分：羟乙基纤维素1.2～3.5份、天然植物胶5～12份、膨润土20～50份、纯碱2～5份、交联剂0.2～1.8份、钙盐4～18份、降解剂0.1～0.2份、水909.5～967.2份。
优选的技术方案是，所述的天然植物胶为田菁胶、sm胶、魔芋胶或瓜尔胶中的一种或两种。
优选的技术方案还有，所述的膨润土中含有重量百分数为35％～85％的蒙脱石。
优选的技术方案还有，所述的交联剂为硼砂或氯化铁中的一种；当所述的交联剂为硼砂时，重量份的用量为0.2～0.5份；当所述的交联剂为氯化铁时，重量份的用量为0.5～1.8份。
优选的技术方案还有，所述的钙盐为氯化钙或石膏中的一种。
优选的技术方案还有，所述的降解剂为硼酸钾或硼酸钠中的一种。
为了便于羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的顺利制备和应用实施，现提出一种羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的制备方法，制备上述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，包括如下步骤：
s1：分别称取相应重量份的羟乙基纤维素粉剂、天然植物胶、膨润土、纯碱、交联剂、钙盐、降解剂和水，常温下将纯碱溶解于适量水中形成纯碱溶液，然后将膨润土加入所述的纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
s2：常温下将羟乙基纤维素粉剂溶解于适量水中，搅拌均匀后得到羟乙基纤维素溶液，静置待用；
s3：常温下将天然植物胶溶解于适量水中，搅拌均匀后得到天然植物胶溶液，待用；
s4：常温下将交联剂溶解于适量水中，搅拌均匀后得到交联剂溶液，待用；
s5：常温下将钙盐溶解于适量水中，搅拌均匀后得到钙盐溶液，待用；
s6：常温下将降解剂溶解于适量水中，搅拌均匀后得到降解剂溶液，待用；
s7：将步骤s1制备的经过碱化的膨润土浆液加入盛装有余量水的容器中搅拌均匀，加入步骤s2制备的羟乙基纤维素溶液搅拌均匀，加入步骤s3制备的天然植物胶溶液搅拌均匀，加入步骤s4制备的交联剂溶液搅拌均匀，加入步骤s5制备的钙盐溶液搅拌均匀，最后加入步骤s6制备的降解剂溶液搅拌均匀，即得到羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆。
优选的技术方案有，所述步骤s1中，经过碱化的膨润土浆液中膨润土的质量分数≤50％，所述静置浸泡的时间为12h以上。
优选的技术方案还有，所述步骤s2中，羟乙基纤维素溶液中羟乙基纤维素的质量分数≤10％，所述静置的时间为2h。
本发明的优点和有益效果在于：
1、本发明羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的主剂(羟乙基纤维素、天然植物胶)与交联剂进行交联之后，在盐矿层(或泥页岩层)表面形成一层致密的网状吸附膜，能快速地实现对盐矿层(或泥页岩层)的吸附胶结作用，确保该类复杂地层孔壁的稳定性(起到较好的护壁作用)，提高钻孔(槽)的工程质量与施工效率。加之，制备泥浆时已含有一定的钙盐成分(钙离子浓度较高)，钻孔时就防止了盐矿层钙离子对泥浆钙侵与盐侵的现象发生。同时，本发明的低固相泥浆中因为膨润土的添加量相对较少，泥浆体系可维持较低的固相状态，从而在钻孔内循环时泥浆携带钻屑能力及在地面静止时沉淀钻屑能力都非常强；本发明的低固相泥浆中高分子化合物用量较少，交联剂用量也特别低，其成本低于其他各类聚合物型无固相泥浆及低固相泥浆，相对可降低35％左右的成本。
2、本发明的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的性能指标优良：密度1.03g/cm3～1.12g/cm3；漏斗粘度19～28s；api失水量(0.7mpa压差)7.5～15.5ml/30min；泥浆浆液流型属于宾汉流体，塑性粘度3.6～7.8mpa.s、表观粘度5.0～9.6mpa.s、动切力2.2～4.9pa，泥皮薄而致密(厚度0.2mm～0.6mm)；吸附胶结护壁能力好，并具有良好剪切稀释性和地面净化沉淀钻渣的能力；对氯盐、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐等各类盐矿层具有较强的抗盐侵与钙侵的能力，对各类泥页岩地层具有较强的抗黏土侵的能力，对松散砂及风化破碎岩层也具有极强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，确保钻孔工程的施工质量。本发明低固相水泥浆抗高温稳定性好，能承受较高的井内液柱压力。因此，羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆可广泛用于盐矿层以及泥页岩等复杂地层的钻孔工程施工；也可作为石油钻井的钻井液降低对油层的损害。
3、本发明的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆无毒环保，便于施工现场配制和使用，且可回收重复使用，经济成本低。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的每立方米羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆包括如下重量组分：羟乙基纤维素1.8kg、田菁胶4kg、sm胶4kg、膨润土35kg、纯碱3.5kg、硼砂0.4kg、氯化钙7kg、硼酸钾0.1kg、水944.2kg，所述的膨润土中含有重量百分数为60％的蒙脱石。
上述低固相水泥浆的制备方法，包括如下步骤：
s1：分别称取相应重量份的羟乙基纤维素粉剂、天然植物胶、膨润土、纯碱、交联剂、钙盐、降解剂和水，常温下将3.5kg纯碱溶解于70kg水中形成纯碱溶液，然后将膨润土35kg加入所述的纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡12h，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
s2：常温下将羟乙基纤维素粉剂1.8kg溶解于18kg量水中，搅拌均匀后得到羟乙基纤维素溶液，静置2h待用；
s3：常温下将田菁胶4kg和sm胶4kg溶解于32kg水中，搅拌均匀后得到天然植物胶溶液，待用；
s4：常温下将硼砂0.4kg溶解于4kg水中，搅拌3min至均匀状态得到交联剂溶液，待用；
s5：常温下将氯化钙7kg溶解于21kg水中，搅拌3min至均匀状态得到钙盐溶液，待用；
s6：常温下将硼酸钾0.1kg溶解于1kg水中，搅拌3min至均匀状态得到降解剂溶液，待用；
s7：将步骤s1制备的经过碱化的膨润土浆液加入盛装有798.2kg的容器中搅拌10min至均匀状态，加入步骤s2制备的羟乙基纤维素溶液搅拌10min至均匀状态，加入步骤s3制备的天然植物胶溶液搅拌10min至均匀状态，加入步骤s4制备的交联剂溶液搅拌均匀，加入步骤s5制备的钙盐溶液搅拌5min至均匀状态，最后加入步骤s6制备的降解剂溶液搅拌5min至均匀状态，即得到羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆。
本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。
实施例2
本实施例的每立方米羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆包括如下重量组分：羟乙基纤维素1.2kg、田菁胶5kg、膨润土20kg、纯碱2kg、硼砂0.2kg、石膏4kg、硼酸钠0.1kg、水967.5kg，所述的膨润土中含有重量百分数为35％的蒙脱石。
上述低固相水泥浆的制备方法，包括如下步骤：
s1：分别称取相应重量份的羟乙基纤维素粉剂、天然植物胶、膨润土、纯碱、交联剂、钙盐、降解剂和水，常温下将2kg纯碱溶解于40kg水中形成纯碱溶液，然后将膨润土20kg加入所述的纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡12h，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
s2：常温下将羟乙基纤维素粉剂1.2kg溶解于12kg量水中，搅拌均匀后得到羟乙基纤维素溶液，静置2h待用；
s3：常温下将田菁胶5kg溶解于20kg水中，搅拌均匀后得到天然植物胶溶液，待用；
s4：常温下将硼砂0.2kg溶解于2kg水中，搅拌3min至均匀状态得到交联剂溶液，待用；
s5：常温下将石膏4kg溶解于12kg水中，搅拌3min至均匀状态得到钙盐溶液，待用；
s6：常温下将硼酸钠0.1kg溶解于1kg水中，搅拌3min至均匀状态得到降解剂溶液，待用；
s7：将步骤s1制备的经过碱化的膨润土浆液加入盛装有880.5kg的容器中搅拌10min至均匀状态，加入步骤s2制备的羟乙基纤维素溶液搅拌10min至均匀状态，加入步骤s3制备的天然植物胶溶液搅拌10min至均匀状态，加入步骤s4制备的交联剂溶液搅拌均匀，加入步骤s5制备的钙盐溶液搅拌5min至均匀状态，最后加入步骤s6制备的降解剂溶液搅拌5min至均匀状态，即得到羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆。
本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。
实施例3
本实施例的每立方米羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆包括如下重量组分：羟乙基纤维素3.5kg、魔芋胶6kg、瓜尔胶6kg、膨润土50kg、纯碱5kg、氯化铁1.8kg、氯化钙18kg、硼酸钾0.2kg、水909.5kg，所述的膨润土中含有重量百分数为85％的蒙脱石。
上述低固相水泥浆的制备方法，包括如下步骤：
s1：分别称取相应重量份的羟乙基纤维素粉剂、天然植物胶、膨润土、纯碱、交联剂、钙盐、降解剂和水，常温下将5kg纯碱溶解于100kg水中形成纯碱溶液，然后将膨润土50kg加入所述的纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡12h，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
s2：常温下将羟乙基纤维素粉剂3.5kg溶解于35kg量水中，搅拌均匀后得到羟乙基纤维素溶液，静置2h待用；
s3：常温下将魔芋胶6kg和瓜尔胶6kg溶解于48kg水中，搅拌均匀后得到天然植物胶溶液，待用；
s4：常温下将氯化铁1.8kg溶解于18kg水中，搅拌3min至均匀状态得到交联剂溶液，待用；
s5：常温下将氯化钙18kg溶解于54kg水中，搅拌3min至均匀状态得到钙盐溶液，待用；
s6：常温下将硼酸钾0.2kg溶解于2kg水中，搅拌3min至均匀状态得到降解剂溶液，待用；
s7：将步骤s1制备的经过碱化的膨润土浆液加入盛装有652.5kg的容器中搅拌10min至均匀状态，加入步骤s2制备的羟乙基纤维素溶液搅拌10min至均匀状态，加入步骤s3制备的天然植物胶溶液搅拌10min至均匀状态，加入步骤s4制备的交联剂溶液搅拌均匀，加入步骤s5制备的钙盐溶液搅拌5min至均匀状态，最后加入步骤s6制备的降解剂溶液搅拌5min至均匀状态，即得到羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆。
本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。
表1实施例1～3中低固相水泥浆配方及主要性能参数
注：盐矿、砂土样浸泡是指：①将盐矿块、砂土样团放入泥浆中浸泡48h以上；②将盐矿块、砂土样团放入泥浆中浸泡1min后取出来再放入水中浸泡48h以上。这两种侵泡方式同时进行，盐矿块及砂土样团皆保持原始固结状态而不散为合格。
由表1可知，本发明的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的性能指标优良：密度1.03g/cm3～1.12g/cm3；漏斗粘度19～28s；api失水量(0.7mpa压差)7.5～15.5ml/30min；泥浆浆液流型属于宾汉流体，塑性粘度3.6～7.8mpa.s、表观粘度5.0～9.6mpa.s、动切力2.2～4.9pa，泥皮薄而致密(厚度0.2mm～0.6mm)；吸附胶结护壁能力好，并具有良好剪切稀释性和地面净化沉淀钻渣的能力；对氯盐、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐等各类盐矿层具有较强的抗盐侵与钙侵的能力，对各类泥页岩地层具有较强的抗黏土侵的能力，对松散砂及风化破碎岩层也具有极强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，确保钻孔工程的施工质量；对见水即散的盐矿块或砂土样团放入该水泥浆中久泡不散，并且盐矿块或砂土样团放入该水泥浆中只1min，取出后立即放入清水中仍然久泡不散。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，包括如下重量组分：羟乙基纤维素1.2～3.5份、天然植物胶5～12份、膨润土20～50份、纯碱2～5份、交联剂0.2～1.8份、钙盐4～18份、降解剂0.1～0.2份、水909.5～967.2份。
2.如权利要求1所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，所述的天然植物胶为田菁胶、sm胶、魔芋胶或瓜尔胶中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，所述的膨润土中含有重量百分数为35％～85％的蒙脱石。
4.如权利要求1所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，所述的交联剂为硼砂或氯化铁中的一种；当所述的交联剂为硼砂时，重量份的用量为0.2～0.5份；当所述的交联剂为氯化铁时，重量份的用量为0.5～1.8份。
5.如权利要求1所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，所述的钙盐为氯化钙或石膏中的一种。
6.如权利要求1所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，所述的降解剂为硼酸钾或硼酸钠中的一种。
7.一种羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的制备方法，制备如权利要求1～6任意一项所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆，其特征在于，包括如下步骤：
s1：分别称取相应重量份的羟乙基纤维素粉剂、天然植物胶、膨润土、纯碱、交联剂、钙盐、降解剂和水，常温下将纯碱溶解于适量水中形成纯碱溶液，然后将膨润土加入所述的纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀后，静置浸泡，得到经过碱化的膨润土浆液，待用；
s2：常温下将羟乙基纤维素粉剂溶解于适量水中，搅拌均匀后得到羟乙基纤维素溶液，静置待用；
s3：常温下将天然植物胶溶解于适量水中，搅拌均匀后得到天然植物胶溶液，待用；
s4：常温下将交联剂溶解于适量水中，搅拌均匀后得到交联剂溶液，待用；
s5：常温下将钙盐溶解于适量水中，搅拌均匀后得到钙盐溶液，待用；
s6：常温下将降解剂溶解于适量水中，搅拌均匀后得到降解剂溶液，待用；
s7：将步骤s1制备的经过碱化的膨润土浆液加入盛装有余量水的容器中搅拌均匀，加入步骤s2制备的羟乙基纤维素溶液搅拌均匀，加入步骤s3制备的天然植物胶溶液搅拌均匀，加入步骤s4制备的交联剂溶液搅拌均匀，加入步骤s5制备的钙盐溶液搅拌均匀，最后加入步骤s6制备的降解剂溶液搅拌均匀，即得到羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆。
8.如权利要求7所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，经过碱化的膨润土浆液中膨润土的质量分数≤50％，所述静置浸泡的时间为12h以上。
9.如权利要求7所述的羟乙基纤维素和天然植物胶为主剂的低固相盐水泥浆的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，羟乙基纤维素溶液中羟乙基纤维素的质量分数≤10％，所述静置的时间为2h。
技术总结