طراحی و ارزیابی سیال پشتیبان پلیمری در مخلوط خاک و سنگ

در صنعت نفت و گاز، مخلوط‌های خاک و سنگ، که ترکیبی از مواد ضروری از روبارها هستند، اغلب به عنوان یک “جعبه سیاه” در نظر گرفته می‌شوند و به سرعت برای رسیدن به مخزن حفاری می‌شوند . در نتیجه، توجه زیادی به مخزن عمیق‌تر از مخلوط‌های کم‌عمق‌تر خاک و سنگ در علم نفت شده است. با این حال، این مواد معمولا در کارهای ساخت و ساز ژئوتکنیکی مواجه می شوند، جایی که شمع های حفر شده و سیالات پشتیبانی برای حفاری این مواد معمولاً در این مورد کانون توجه هستند.

سیالات نگهدارنده بنتونیت برای بیش از ۶۰ سال در پروژه های ساختمانی در سراسر جهان از زمان کار پیشگام ودر استفاده شده است. با این حال، استفاده طولانی‌مدت آن‌ها نیز مشکلات متعددی را ایجاد کرد، مانند تأثیر زیست‌محیطی مهم‌تر، اختلاط پیچیده‌تر، ردپای سایت بزرگ‌تر، عملکرد پایه ضعیف‌تر، و به طور کلی اقتصاد پایین . با توسعه مواد و فناوری، سیالات پلیمری مصنوعی به طور قابل توجهی بر مضرات بنتونیتی که در بالا ذکر شد غلبه می کنند. در نتیجه، سیالات پلیمری به طور فزاینده ای به عنوان جایگزینی کامل

برای دوغاب های بنتونیت معمولی در مهندسی عمران استفاده می شود. محلول های آبی پلی آکریل آمیدهای نیمه هیدرولیز شده (PHPA) از جمله محصولاتی هستند که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

عملکرد پلیمر به عنوان تثبیت کننده گمانه تحت شرایط مختلف زمین به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. شمع‌های گچ در نورویچ، نورفولک، که با سیال پلیمری ساخته شده‌اند، در مقاومت شفت بهتر از آن‌هایی که با آب و سیال بنتونیت حفر شده‌اند، رفتار می‌کنند، احتمالاً به دلیل قابلیت پشتیبانی زیاد سیال پلیمری از سوراخ شمع. ویلر از سیالات پلیمری در خاک رس سفت و ماسه متراکم در لندن استفاده کرد. مشخص شد که شمع های ساخته شده با استفاده از سیالات پلیمری مقاومت شفت شمع را کاهش ندادند و افزایش زمان ساخت از ۱۲ ساعت به ۳۷ ساعت تأثیر ناچیزی بر عملکرد شمع نشان داد. این یافته ها توسط لام و همکاران تأیید شد.لام، که مشاهده کرد که شمع های تشکیل شده با سیال پلیمری به طور قابل توجهی عملکرد بهتری از شمع های پشتیبانی شده توسط سیال بنتونیت داشتند و تفاوت کمی بین شمع های حفاری شده در ۷٫۵ ساعت و ۲۶ ساعت مشاهده شد. بوستامانت و همکاران  شمع های ساخته شده با سیال پلیمری در خاک آذرآواری متشکل از پوکه و لاپیلی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که سیال پلیمری هیچ اثر نامطلوبی بر مقاومت شفت شمع در خاک های آذرآواری نشان نداد. موارد موفق مشابهی از سیالات پلیمری به عنوان تثبیت کننده سوراخ شمع نیز در ماسه یافت می شود.

با این حال، مطالعات کمی با استفاده از سیالات پشتیبان پلیمری برای حفاری مخلوط خاک و سنگ انجام شده است. این وضعیت احتمالاً به این تصور رایج نسبت داده می شود که تنها سیال پشتیبان بنتونیت می تواند خاک شنی را به دلیل توانایی ذاتی آن در تشکیل لایه ای از کیک فیلتر برای آب بندی سطح خاک تثبیت کند. Lesemann  استفاده موفقیت آمیز از سه نوع مایع پلیمری، یعنی پلی آکریل آمید (PAA)، کربوکسی متیل سلولز (CAM) و صمغ زانتان (XAM) را در مخلوط شن و ماسه در مونیخ، آلمان گزارش کرد که موارد فوق را رد کرد. – ادراک مشترک را ذکر کرد. یافته‌های آنها همچنین نشان داد که ویسکوزیته کافی همراه با جذب چند نقطه‌ای روی دیواره گمانه و همچنین مسدود شدن منافذ خاک با مواد حفاری ریزتر کلید کاربرد موفقیت آمیز پلیمرها در مخلوط شن و ماسه بود. تا به امروز، ارزیابی مناسب بودن پرکاربردترین PHPA در حفاری مخلوط‌های خاک و سنگ هنوز در مهندسی عمران مورد مطالعه قرار نگرفته است، که کاربرد پلیمرها را محدود می‌کند. بنابراین، اهمیت زیادی دارد که ما کاربرد احتمالی سیالات PHPA را برای حفاری مخلوط‌های خاک و سنگ که معمولاً در مهندسی عمران با آن مواجه می‌شویم بررسی کنیم.

سه جنبه زیر برای ارزیابی سیال پشتیبان پلیمری در مخلوط های خاک و سنگ مهم ترین هستند. ابتدا، مدل های ریاضی مناسب برای تفسیر رفتار جریان سیالات پشتیبان پلیمری استفاده می شود. دوم، رفتار پیری مایع پلیمری بسیار مهم است، زیرا این مایعات ممکن است برای هفته‌ها تا ماه‌ها استفاده شوند. با این وجود، هیچ نتیجه گیری منسجمی را نمی توان در مهندسی عمران به کار برد. برخی کاهش سریع اولیه در ویسکوزیته را گزارش کرده اند ، برخی افزایش قابل توجه ویسکوزیته  را اعلام کرده اند، و برخی کاهش آهسته را مشاهده کردند ، در حالی که دیگران اولین کاهش جزئی و کاهش بیشتر به ثابت ویسکوزیته را مشاهده کردند.