汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD-3孔泥漿技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張統(tǒng)得，陳禮儀，劉徐三，張文生，張 正

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059;2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽六安 237010）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD-3孔泥漿技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張統(tǒng)得1，陳禮儀1，劉徐三1，張文生2，張 正2

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059;2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽六安 237010）

汶川科鉆WFSD-3孔鉆遇地層極其復(fù)雜，硬脆碎地層與強(qiáng)水敏性等地層交替出現(xiàn)，給鉆進(jìn)施工帶來(lái)極大安全隱患。針對(duì)該孔特殊地層情況，以孔壁穩(wěn)定性理論分析為指導(dǎo)，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出NH4-HPAN、K-PAM、SAS和KHm等抑制劑組成的泥漿體系配方，并結(jié)合室內(nèi)FA無(wú)滲透實(shí)驗(yàn)以及ZNP-01頁(yè)巖膨脹性實(shí)驗(yàn)對(duì)該泥漿配方進(jìn)行封堵性和抑制性評(píng)價(jià)，提出了新型泥漿體系，并得以良好應(yīng)用。還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用遇到的泥漿粘度與切力控制、鉆頭防泥包技術(shù)以及鉆水泥塞鈣侵處理技術(shù)等進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工具有較好的借鑒意義。

汶川地震;地震斷裂帶;科學(xué)鉆探;復(fù)雜地層;孔壁穩(wěn)定;泥漿體系設(shè)計(jì);泥漿維護(hù)

1 工程概況

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）項(xiàng)目是在汶川大地震和復(fù)發(fā)地震的源區(qū)——龍門(mén)山北川-映秀斷裂及龍門(mén)山前緣安縣-灌縣斷裂傍側(cè)先后實(shí)施科學(xué)群鉆，WFSD-3孔是其科學(xué)群鉆中的第4口鉆孔。該孔位于四川省綿竹市九龍鎮(zhèn)清泉村境內(nèi)，終孔孔深1502.30 m，終孔口徑75 mm。

2 泥漿體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 理論依據(jù)與分析

WFSD-3孔布置在汶川地震前緣斷裂帶上，主要地層為侏羅系砂巖、粉砂巖、泥巖和三疊系砂巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r等地層，局部孔段還夾有煤層、斷層泥等。由于歷史上遭受多次地震作用，使得鉆遇地層嚴(yán)重破碎松散，部分地層具有強(qiáng)烈的水化膨脹作用（圖1），極容易造成孔內(nèi)事故。

圖1 破碎松散巖心與強(qiáng)塑性巖心

根據(jù)孔壁穩(wěn)定理論分析，鉆孔發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象主要是由于地層被鉆開(kāi)之后，致使原始地層應(yīng)力發(fā)生改變，孔壁應(yīng)力的重新分布，當(dāng)孔壁巖石所受到的應(yīng)力超過(guò)本身強(qiáng)度之后即會(huì)發(fā)生孔壁失穩(wěn)。孔壁失穩(wěn)在鉆探施工中的直接表現(xiàn)即是孔壁坍塌、鉆孔縮徑等。在WFSD-3孔所鉆地層中，不穩(wěn)定地層大體可分為硬脆性（如砂巖，粉砂巖等）與強(qiáng)水敏性（如泥質(zhì)砂巖、碳質(zhì)泥巖、煤層以及斷層泥等）地層。由于歷史上遭遇多次地震作用，使得所鉆遇的地層大都松散破碎，膠結(jié)性差，裂隙發(fā)育，一旦泥漿濾液進(jìn)入裂隙，必將導(dǎo)致孔壁周?chē)目紫秹毫υ龃?，泥漿液柱壓力對(duì)孔壁的有效支撐作用大大減小，孔壁巖層承受過(guò)大的拉伸應(yīng)力，致使裂隙越來(lái)越大，泥漿濾液也就更容易進(jìn)入，形成惡性循環(huán)，最終使得孔壁發(fā)生坍塌、掉塊，甚至發(fā)生埋鉆等事故。因此，在泥漿體系的設(shè)計(jì)上要注意能有效的封堵地層裂隙，以達(dá)到延緩或阻止泥漿濾液的進(jìn)入。對(duì)于強(qiáng)水敏性地層，則主要依靠強(qiáng)化泥漿體系抑制性和降低泥漿體系的失水量，努力減小孔壁地層的水化膨脹。同時(shí)，由于汶川地震之后局部地層殘余應(yīng)力較大，還必須提高泥漿液柱壓力，以平衡地層壓力，防止水敏性地層的塑性流動(dòng)，造成鉆孔縮徑埋鉆事故。因此，根據(jù)上述理論分析，針對(duì)WFSD-3孔復(fù)雜地層特性，在泥漿體系的設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求:

（1）具有一定的孔隙封堵特性，以減少泥漿對(duì)地層的滲透，避免孔隙壓力增大導(dǎo)致孔壁失穩(wěn);

（2）具有較低的失水特性，以減小強(qiáng)水敏性地層、泥頁(yè)巖以及斷層泥的水化膨脹;

（3）具有合適的密度，以平衡地層壓力，減小泥漿液柱壓力與地層的壓差;

（4）具有較強(qiáng)的抑制性能，以抑制強(qiáng)水敏性造漿地層的水化分散，保證泥漿體系性能穩(wěn)定;

（5）具有優(yōu)良的流變性能及潤(rùn)滑性，以保證泥漿體系有良好的攜巖排粉能力，及提高鉆進(jìn)效率，減小機(jī)具磨損。

2.2 泥漿體系的研究與應(yīng)用

根據(jù)上述理論設(shè)計(jì)分析以及不同孔深地層特性的要求，考慮到金剛石取心鉆進(jìn)特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)先后采用了改性磺化體系和鉀胺聚磺2種泥漿體系。

2.2.1 二開(kāi)（400 m）以淺的泥漿體系

地層主要為松散破碎砂巖、泥頁(yè)巖互層，主要采用改性磺化泥漿體系。該體系具有較低的失水量，良好的流變性能。其基礎(chǔ)配方（1號(hào)）為:水+4% ～5%膨潤(rùn)土+5%純堿（膨潤(rùn)土質(zhì)量）+0.5%CMC+1%S-1+2%SMC+2%SAS+1%KHm+重晶石（根據(jù)地層情況適量加入）。主要性能控制范圍為:密度1.05～1.35 g/cm3，漏斗粘度30～50 s，表觀粘度20 ～30 mPa·s，塑性粘度 12 ～20 mPa·s，動(dòng)切力6～8 Pa，靜切力（1'/10'）2～3/5～10 Pa，失水量4～6 mL/30 min，泥餅厚度0.4～0.6 mm，pH值9～10。

2.2.2 二開(kāi)以深泥漿體系

隨著鉆孔逐漸加深，地層條件更加復(fù)雜，巖石更加破碎，局部孔段的地應(yīng)力高也顯現(xiàn)出來(lái)。地層造漿性能極強(qiáng)，縮徑嚴(yán)重。因此，為了實(shí)現(xiàn)安全鉆探施工的目的，在實(shí)現(xiàn)體系的低失水的基礎(chǔ)上，提高泥漿的封堵性、抑制性，現(xiàn)場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)換泥漿體系為鉀胺聚磺泥漿體系。

經(jīng)過(guò)大量泥漿處理劑的甄選以及室內(nèi)正交實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出如下鉀胺聚磺泥漿體系配方（2號(hào)）:清水+5%膨潤(rùn)土+5%純堿（膨潤(rùn)土質(zhì)量）+0.3%CMC+1%S-1+1%NH4-HPAN+3%SAS+0.2%KPAM+2%KHm+重晶石（根據(jù)地層情況適量加入）。其主要性能控制范圍為:密度1.05～1.55 g/cm3，漏斗粘度35 ～55 s，表觀粘度25 ～35 mPa·s，塑性粘度17～28 mPa·s，動(dòng)切力8～12 Pa，靜切力（1'/10'）2～3/8～12 Pa，失水量3～5 mL/30 min，泥餅厚度0.4～0.6 mm，pH值9～10。

室內(nèi)主要采用FA無(wú)滲透濾失儀進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)體系封堵性能，該方法主要是采用一定量的20～40目砂床，在0.7 MPa壓力下，30 min測(cè)試泥漿對(duì)砂床的滲透情況，濾失量越小其封堵性能越好，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 FA無(wú)滲透砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)鉀胺聚磺泥漿體系的抑制性能，室內(nèi)采用ZNP-01型頁(yè)巖膨脹儀進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)先采用膨潤(rùn)土制成人工巖心，放入清水中浸泡8 h，測(cè)出其膨脹量，以該相對(duì)膨脹量為基數(shù)100%，再制備同樣巖心，在不同的泥漿中浸泡8 h后觀察其膨脹量，與在清水中的膨脹值基數(shù)對(duì)比得出相對(duì)膨脹率，一般膨脹率越小，說(shuō)明其抑制性能越好，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 ZNP-01相對(duì)膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上2種實(shí)驗(yàn)得出配方2號(hào)具有較強(qiáng)的封堵性能以及抑制性。在該配方2號(hào)體系中，選用NH4-HPAN、K-PAM和KHm為抑制劑，通過(guò)其提供的NH4+與K+抑制泥巖的水化膨脹，且該類(lèi)抑制劑還有一定的降低濾失量的作用;采用S-1為降低失水量的主處理劑，配合既具有封堵微裂隙特性又能改善泥餅質(zhì)量和潤(rùn)滑效果的磺化瀝青（SAS），提高體系的防塌性能。

在現(xiàn)場(chǎng)采用配方2號(hào)體系同時(shí)，鉆遇某些局部高地應(yīng)力孔段，為了實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)，還必須添加重晶石提高密度。如在孔深1150 m以后，由于地層縮徑現(xiàn)象明顯，現(xiàn)場(chǎng)則迅速通過(guò)添加重晶石提高密度至1.59 g/cm3，形成高密度、低失水、強(qiáng)抑制、封堵性的泥漿體系。

3 現(xiàn)場(chǎng)泥漿性能的維護(hù)

3.1 粘切控制技術(shù)

在WFSD-3孔施工過(guò)程中，泥漿粘度隨地層的變化十分頻繁。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有十分有效的泥漿固相控制系統(tǒng)，泥漿切力控制也顯得不得心應(yīng)手。因此，泥漿粘切控制成為重中之重。泥漿粘度過(guò)低易形成紊流，造成對(duì)孔壁和巖心的嚴(yán)重沖刷，影響孔內(nèi)安全和取心質(zhì)量。同時(shí)，粘切過(guò)低也會(huì)降低對(duì)巖粉的懸浮能力，特別是在加重泥漿時(shí)必須控制好泥漿的粘度和切力，防止對(duì)重晶石的懸浮不夠造成沉淀埋鉆。粘切過(guò)高則增大了循環(huán)壓耗，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低;終切過(guò)高時(shí)容易造成壓力“激動(dòng)”，引起孔塌或孔漏。如在550～580 m孔段出現(xiàn)過(guò)粘切突然下降，分析孔內(nèi)可能有少量涌水現(xiàn)象，導(dǎo)致粘切下降較快。因此在調(diào)漿時(shí)，主要以增粘為主，加大CMC和膨潤(rùn)土量。又如在625～680 m孔段時(shí)則由于鉆遇長(zhǎng)段含泥地層，且由于金剛石鉆進(jìn)巖粉較細(xì)，加之現(xiàn)場(chǎng)固控設(shè)備能力有限，導(dǎo)致粘度急劇增長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)主要通過(guò)添加具有稀釋作用兼具抑制作用的KHm等處理劑，或者采用部分換漿，配制粘切較低新漿與之混合，終將粘度控制在了合適的范圍內(nèi)。3.2 防止鉆頭泥包的泥漿技術(shù)

在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆遇泥質(zhì)含量較高的地層時(shí)，由于其易于水化分散，使孔眼內(nèi)泥質(zhì)或固相含量增大，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包;或由于井眼內(nèi)巖屑過(guò)多時(shí)在壓差作用下形成厚泥餅造成泥包。泥包后，由于鉆頭不能直接接觸地層，會(huì)引起鉆速變慢，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)氯郏瑢?dǎo)致泵壓升高，造成極為嚴(yán)重的后果。WFSD-3孔在鉆進(jìn)中，在620～780 m時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鉆頭水眼堵塞較多，后分析原因后，通過(guò)加入0.3%的T型潤(rùn)滑劑后得到較大改觀（如圖2）。T型潤(rùn)滑劑是一種表面活性劑，具有良好的潤(rùn)濕、滲透、乳化、起泡性能;能顯著提高鉆井液潤(rùn)滑性，具有減摩、抗損、耐溫、抗污染等功能，能有效延長(zhǎng)鉆頭使用壽命;能使泥漿中的各種成分分散開(kāi)來(lái)，從而大幅降低鉆具與濾餅之間的摩擦扭矩及巖屑與濾餅在鉆具表面的粘附。

圖2 加入T型潤(rùn)滑劑處理鉆頭泥包前后對(duì)比

3.3 鉆水泥塞泥漿鈣侵的性能維護(hù)

根據(jù)WFSD-3孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，需要下入多層套管并采用水泥固井。此外，處理事故采取水泥封孔也會(huì)鉆水泥塞。這些鉆水泥塞的作業(yè)，在施工過(guò)程中均會(huì)對(duì)泥漿造成污染，以至于無(wú)法滿(mǎn)足后續(xù)鉆進(jìn)需要，必須對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和處理。

水泥對(duì)泥漿的主要污染表現(xiàn)在鈣侵與pH值的影響。主要原因在于水泥水化后產(chǎn)生大量的Ca（OH）2，由于部分Ca（OH）2能在水中電離成Ca2+和OH-，雖然Ca（OH）2溶解度不高，但幾百個(gè)ppm的含鈣量就足以讓鉆井液失去膠體性質(zhì)。泥漿遭受水泥侵之后濾失量、粘度、切力增大，泥餅變厚，導(dǎo)致泥漿性能急劇變壞，嚴(yán)重影響孔內(nèi)安全。

根據(jù)水泥污染的主要原因，現(xiàn)場(chǎng)主要采用加入NaHCO3以清除泥漿中的 Ca2+和 OH-，加入 NaHCO3的反應(yīng)式:

同時(shí)，在清除Ca2+和OH-的同時(shí)必須降低體系的粘切，現(xiàn)場(chǎng)主要通過(guò)加入SMT和KHm等進(jìn)行稀釋?zhuān)硗饧尤?S-1、CMC、SAS等降低體系的失水量，保證體系的性能穩(wěn)定。如WFSD-3孔在下入219 mm套管水泥固井后泥漿性能急劇變壞，經(jīng)過(guò)上述方法處理，性能逐漸符合鉆進(jìn)地層要求，其性能變化見(jiàn)表3。

表3 泥漿受侵污染的性能控制

4 總結(jié)與認(rèn)識(shí)

（1）根據(jù)WFSD-3孔鉆遇的地層情況，結(jié)合孔壁穩(wěn)定性理論分析，得出了可滿(mǎn)足WFSD-3孔鉆進(jìn)的優(yōu)質(zhì)泥漿體系。通過(guò)室內(nèi)研究，優(yōu)選出不同孔段使用的改性磺化體系和鉀胺聚磺體系，并在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用。這對(duì)類(lèi)似地層的防塌泥漿體系設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

（2）現(xiàn)場(chǎng)泥漿性能維護(hù)是復(fù)雜地層鉆探工作的重中之重，必須隨時(shí)保持泥漿性能穩(wěn)定在合適范圍內(nèi)，才能滿(mǎn)足安全、高效的鉆進(jìn)要求。根據(jù)WFSD-3孔施工特點(diǎn)，總結(jié)出在泥漿粘切控制、防泥包泥漿技術(shù)以及水泥鈣侵處理技術(shù)上的一些做法，具有一定的借鑒作用。

［1］ 徐同臺(tái).井壁穩(wěn)定技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.鉆井液與完井液，1997，14（4）.

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Mud System Design and Application in the WFSD-3 of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

ZHANG Tong-de1，CHEN Li-yi1，LIU Xu-san1，ZHANG Wen-sheng2，ZHANG Zheng2（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China;2.313 Geological Brigade of Anhui Exploration and Development Bureau of Geology and Mineral Resources，Lu’an Anhui 237010，China）

The drilling formation of WFSD-3 hole is extremely complex with hard，brittle and broken formation and high water sensitivity formation appearing alternately，which brought huge hidden danger to the drilling construction.According to the special formation situation of the hole，based on the borehole stability theory analysis and the laboratory experiments，NH4-HPAN，K-PAM，SAS and KHm inhibitors had been selected out as the optimized additives for the mud system.In addition，the laboratory sand-bed non-filtration experiments and the ZNP-01 shale swelling experiments had been carried out to evaluate the blocking and inhibitory capacity of the mud formulations.This mud system has satisfactory application effects.The paper also summarized some treatment technologies in the application of mud maintenance，such as mud viscosity and gels control technique，the drill bit anti-balling technique and calcium invasion treatment technique while drilling cement plug，which have a good reference to drilling in the complex formation.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;complex formation;borehole stability;mud system design;mud maintenance

P634.6

A

1672-7428（2012）09-0041-04

2012-08-08

科技部科技支撐計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）”項(xiàng)目之“科學(xué)鉆探與科學(xué)測(cè)井”課題

張統(tǒng)得（1987-），男（漢族），四川達(dá)縣人，成都理工大學(xué)碩士研究生在讀，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，從事巖土鉆掘工程方面的研究工作，四川省成都市成華區(qū)二仙橋東三路1號(hào)，ztd8795@126.com;陳禮儀（1957-），男（漢族），四川郫縣人，成都理工大學(xué)教授，探礦工程專(zhuān)業(yè)，博士，從事巖土鉆掘工程材料與鉆井液方面的教學(xué)和科研工作，cly@cdut.edu.cn。