汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-4S孔沖洗液技術(shù)

王魯朝， 李曉東， 翟育峰

(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004； 2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-4S孔沖洗液技術(shù)

王魯朝1， 李曉東2， 翟育峰1

(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004； 2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

針對汶川地震斷裂帶科學鉆探項目四號孔淺孔(WFSD-4S)地質(zhì)條件復雜，孔壁穩(wěn)定性差，坍塌、掉塊嚴重等問題，采用了雙聚防塌沖洗液體系。該體系具有良好的穩(wěn)定性和流變性，攜屑能力強，防塌效果好，在WFSD-4S孔鉆進施工中取得了良好的應用效果。通過對沖洗液配方的優(yōu)化和性能參數(shù)的合理調(diào)整與維護，較好地解決了WFSD-4S孔的鉆進技術(shù)難題，為順利完成鉆孔施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。

汶川地震斷裂帶；科學鉆探；破碎地層；雙聚防塌沖洗液；WFSD-4S孔

受汶川地震影響，龍門山斷裂帶中的映秀-北川斷裂和安縣-灌縣斷裂同時破裂，分別形成長達270 km和80 km的地表破裂帶。為研究地震的發(fā)生機理、斷裂行為和機制，同時進行地震監(jiān)測和預報，國土資源部和中國地震局共同組織實施了汶川地震斷裂帶科學鉆探工程項目，沿著不同斷裂帶上盤設(shè)置并完工了5口群鉆。其中，四號孔(WFSD-4)位于映秀-北川斷裂帶北段的平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)，該段具有強烈的走滑作用。為進一步了解汶川地震主滑移帶情況，取得更加全面的地質(zhì)資料，在四號孔附近靠近地表破裂帶的位置加布了一口穿過汶川地震主滑移帶的淺孔(WFSD-4S)。

1 WFSD-4S孔概況

1.1 地質(zhì)概況

WFSD-4S孔地區(qū)發(fā)育震旦、寒武、志留和泥盆系變質(zhì)地層。震旦系地層為千枚巖、結(jié)晶灰?guī)r、變砂巖和硅質(zhì)白云巖；寒武系地層為變砂巖、板巖和硅質(zhì)巖；志留系地層為千枚巖夾變砂巖、灰?guī)r；泥盆系地層為石英砂巖、粉砂巖和泥巖。該地區(qū)褶皺和斷裂發(fā)育，自北西向南東依次有斷面產(chǎn)狀由深到淺逐漸由緩變陡的韌性剪切帶，斷裂上盤是志留系茂縣群千枚巖夾灰?guī)r、變砂巖，下盤是震旦系和寒武系。

發(fā)育的地層由老到新如表1所示。

鉆遇地層主要在寒武系油房組地層中，該地層由變質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖夾板巖組成，變形較強。

表1 WFSD-4S孔地層巖性及可鉆性

1.2 鉆孔基本情況

WFSD-4S孔位于四川省平武縣南壩鎮(zhèn)，海拔高程690 m。井場位置處在涪江二級階地面上南壩鎮(zhèn)北東側(cè)公里邊，地形平坦，交通便利，距地表破裂帶約395 m。

WFSD-4S孔施工設(shè)計要求及完成情況如表2所示。

表2 WFSD-4S孔設(shè)計要求及完成情況

1.3 施工工藝及孔身結(jié)構(gòu)

1.3.1 施工工藝與鉆具組合

一開0～33.6 m，全面鉆進，?225 mm復合片鉆頭+?114 mm鉆桿；

二開33.6～552.46 m，全面鉆進，?165 mm復合片鉆頭+?114 mm鉆桿；

三開552.46～799.94 m，全面鉆進，?122 mm金剛石鉆頭+?60 mm鉆桿；

三開799.94～1204.18 m，采用半合管提鉆取心，?122 mm金剛石鉆頭+取心鉆具+?60 mm鉆桿。

1.3.2 孔身結(jié)構(gòu)

WFSD-4S孔孔身結(jié)構(gòu)和套管程序如表3所示。

2 鉆進施工難點及沖洗液要求

2.1 鉆進施工主要技術(shù)難點

2.1.1 孔壁易坍塌、掉塊

表3 WFSD-4S孔孔身結(jié)構(gòu)和套管程序

WFSD-4S孔處于地震斷裂帶，地層異常破碎，并伴有地應力，鉆進過程中極易發(fā)生坍塌掉塊現(xiàn)象，輕則使得鉆具上(下)行遇阻，重則發(fā)生埋(卡)鉆事故。以2014年10月19日的卡鉆事故為例，在鉆至517.16 m時發(fā)生掉塊卡鉆事故，在處理卡鉆事故時，由于回轉(zhuǎn)扭矩較大，鉆桿扭斷，先后使用柴油、解卡劑、洗衣粉等多種方法進行解卡，并利用反絲鉆桿打撈孔內(nèi)鉆桿，由于解卡過程中加入的材料破壞了原有的泥皮，同時沖洗液受到污染，產(chǎn)生大量泡沫，密度降低，攜帶和護壁性能變差，導致孔壁坍塌，使得事故更加復雜，耗時43 d才處理完卡鉆事故。

2.1.2 斷層泥地層塑性變形

WFSD-4S孔所在的龍門山斷裂帶在歷史上發(fā)生過多次地震，地下巖層中斷層泥十分發(fā)育。斷層泥一方面在強地應力作用下，由于塑性變形引起徑向流動，造成鉆孔縮徑；另一方面，斷層泥中富含層狀硅酸鹽，如蒙脫石、伊利石和綠泥石等，這類粘土礦物吸水性較強，易導致鉆孔縮徑垮塌。

2.1.3 地層漏失

該孔主要鉆遇高應力變質(zhì)巖帶，斷層及破碎帶容易產(chǎn)生循環(huán)漏失和孔壁失穩(wěn)，導致孔內(nèi)復雜情況的發(fā)生。地層中液體的外逸，會導致井涌、孔壁坍塌等事故。因此鉆進中既要注意防漏、防塌，又要注意防涌。

2.1.4 摩擦阻力大

鉆機開啟高轉(zhuǎn)速易導致鉆具與地層、鉆具與套管摩擦增加，扭矩增大，加劇鉆具磨損。

2.1.5 破碎地層取心困難

地震斷裂帶地層破碎，給取心造成較大困難，圖1為現(xiàn)場取出的破碎巖心。

2.2 沖洗液性能要求

針對地層特點，結(jié)合WFSD-4S孔施工工藝，現(xiàn)場對沖洗液主要有以下要求。

(1)具有優(yōu)良的防塌護壁性能(API濾失量4～6 mL)。濾失量較低，能形成薄而致密的泥皮，且韌性好。

圖1 WFSD-4S孔1081～1083 m孔段取出的破碎巖心

(2)適當?shù)恼扯?馬氏漏斗粘度30～50 s)，特別是在較高密度時保持良好的流變性能。能很好地攜帶和懸浮巖屑，減少循環(huán)壓力損失，減輕沖洗液造成的壓力“激動”和對孔壁的沖刷。

(3)適當?shù)拿芏取Ｒ罁?jù)地層穩(wěn)定性要求調(diào)整沖洗液的密度，防止由于地應力造成的縮徑、孔壁坍塌掉塊。

(4)具有較強的抑制能力，避免泥頁巖、斷層泥等地層由于水化膨脹造成縮徑，以及造漿致使沖洗液粘度切力急劇增大。

(5)具有優(yōu)良的潤滑性能，降低摩擦阻力，減小鉆具的磨損。

2.3 沖洗液體系選擇

根據(jù)地層特點與鉆孔施工工藝，借鑒汶川科鉆其他鉆孔的經(jīng)驗，施工過程中遇到的復雜情況主要以破碎地層及地層壓力釋放為主，重點做好地層的防塌、防掉塊及防止孔壁縮徑。選擇的沖洗液體系以聚合物沖洗液體系為主，因此現(xiàn)場采用了雙聚防塌沖洗液體系，并根據(jù)地層變化及施工工藝要求，輔以其它沖洗液處理劑適時對沖洗液參數(shù)進行調(diào)整。

2.3.1 體系組成

現(xiàn)場所用的處理劑及其加量和作用如表4所示。

表4 現(xiàn)場所用的處理劑及其加量和作用

2.3.2 體系性能

在實驗室進行沖洗液配方實驗，分別按以下配方配制沖洗液，并測量性能，其結(jié)果如表5所示。

配方1：3%LBM+0.5%GPNH+1%GLA+0.2%GBBJ；

表5 不同配方?jīng)_洗液的性能

配方2：4%LBM+1%GPNH+1%GLA+1%GPC+0.2%GBBJ；

配方3：4%LBM+1%GPNH+2%GLA+0.2%GBBJ+0.2%GTQ；

配方4：4%LBM+2%GPNH+2%GLA+1%GFT+1%GPC+0.2%GBBJ+0.3%GTQ。

3 WFSD-4S孔沖洗液現(xiàn)場應用

3.1 沖洗液使用與維護

3.1.1 一開沖洗液使用與維護

一開0～33.6 m，使用?225 mm鉆頭全面鉆進，地層比較穩(wěn)定，沖洗液以LBM為主，滿足攜帶巖粉即可?，F(xiàn)場使用4%LBM+0.3%GBBJ的配方，漏斗粘度30～40 s，密度1.02～1.05 g/cm3。

3.1.2 二開沖洗液使用與維護

二開33.6～552.46 m，使用?165 mm鉆頭全面鉆進，該段地層以碳質(zhì)板巖為主，地層破碎，坍塌掉塊嚴重。上部使用沖洗液的配方為：4%LBM+1%GPNH+1%GLA+1%GPC+0.2%GBBJ。

后因坍塌掉塊較多，在鉆進至517.16 m時發(fā)生掉塊卡鉆事故，處理事故過程中沖洗液被解卡劑等材料破壞。因此在原有配方基礎(chǔ)上加入防塌減阻劑GFT和增粘劑GTQ，加入防塌減阻劑后，電流由原來的60～70 A降至50 A左右，扭矩明顯降低。調(diào)整沖洗液配方為：4%LBM+1%GPNH+1%GLA+1%GFT+1%GPC+0.2%GBBJ+0.3%GTQ。

配方調(diào)整后，沖洗液具有更好的潤滑性能和穩(wěn)定的攜帶性，保證了處理事故過程的順利進行。調(diào)整配方前后沖洗液性能指標如表6所示。

3.1.3 三開沖洗液使用與維護

表6 二開沖洗液性能

三開552.46～799.94 m，使用?122 mm鉆頭全面鉆進，地層破碎依然較多，沖洗液在二開配方基礎(chǔ)上提高處理劑加量，其配方如下：4%LBM+2%GPNH+2%GLA+1%GFT+1%GPC+0.2%GBBJ+0.3%GTQ。

三開從799.94 m開始取心，由于地層異常破碎，部分孔段存在地應力，不但需要沖洗液具有良好的護壁和攜帶性能，還要保證取心質(zhì)量，因此對沖洗液要求更高。在該孔段進一步提高沖洗液密度，以平衡地應力，維持孔壁穩(wěn)定，防止應力性坍塌；適當降低粘度，若粘度過高，則會導致泵壓過高，孔內(nèi)壓力增大，存在壓漏地層的風險；若粘度過低，則攜帶性變差，同時對孔壁的沖刷加劇，不利于孔壁穩(wěn)定；同時降低沖洗液的濾失量，減少水對地層的侵害，并改善泥皮質(zhì)量，利于孔壁的穩(wěn)定。三開沖洗液性能如表7所示。

表7 三開沖洗液性能

3.2 沖洗液維護要點

現(xiàn)場沖洗液使用和維護應注意以下幾方面。

(1)在配制沖洗液時，按配方的順序依次加入，每一種材料攪勻后再加入下一種材料，其中包被劑和增粘劑在加入時應緩慢加入，防止因攪不開成團塊狀，造成材料浪費或堵塞蓮蓬頭。

(2)沖洗液粘度保持在合適范圍，根據(jù)實際需要，增減LBM加量來調(diào)節(jié)粘度，當需要較高粘度時通過加入增粘劑來提高粘度。

(3)若孔內(nèi)阻力增加、扭矩變大，則提高防塌減阻劑的加量，可有效減少孔內(nèi)摩擦阻力。

(4)在破碎地層鉆進時，需增加改性瀝青和隨鉆堵漏劑的加量，以封堵填充裂隙，改善泥皮質(zhì)量。

(5)包被劑是高分子聚合物，消耗較快，需要每個班在循環(huán)系統(tǒng)中加入0.5 kg的包被劑，預溶成膠液加入沖洗液效果更好。

(6)為預防因地層應力造成的坍塌掉塊問題，應及時提高沖洗液密度來穩(wěn)定地層，密度維持在1.10～1.20 g/cm3范圍內(nèi)。

(7)保證固控設(shè)備的工作時間，經(jīng)常清理循環(huán)槽及沉淀池中的巖粉，從而降低沖洗液中的固相含量。

3.3 沖洗液現(xiàn)場應用效果

通過雙聚防塌沖洗液體系在WFSD-4S孔現(xiàn)場應用，其效果主要如下。

3.3.1 護壁效果好

該孔地層破碎、局部傾角較大(見圖2)，極易發(fā)生坍塌掉塊現(xiàn)象，施工過程中使用雙聚防塌沖洗液、并合理調(diào)配其性能后，API濾失量控制在4～6 mL，可形成薄韌的泥皮，利于孔壁穩(wěn)定，坍塌掉塊現(xiàn)象明顯減少，起下鉆通暢。

圖2 現(xiàn)場取出的破碎地層巖心

3.3.2 取心率高

該孔要求取心率>85%，實際取心率高達99.23%，沖洗液保護巖心的效果非常好，即使在破碎地層中也可有效保證取心率。

3.3.3 流變性好

沖洗液具有良好的流變性，并根據(jù)具體情況調(diào)整性能，既能滿足攜砂要求，同時沖洗液中的巖屑又能在地表較好地沉降，沖洗液使用周期長，有效減少了沖洗液排放。

3.3.4 鉆進效率高

采用雙聚防塌沖洗液體系鉆進時，由于該沖洗液粘度適中、潤滑性能好，鉆機可以開高速，鉆進效率高。

3.3.5 滿足事故處理要求

鉆至517.16 m時發(fā)生掉塊卡鉆事故，在處理卡鉆事故過程中加入的材料破壞了沖洗液，導致事故復雜加劇。及時將原沖洗液全部排掉，配制新的沖洗液，加入增粘劑GTQ，將粘度提高至40～50 s，經(jīng)過反復掃孔撈粉，撈出大量掉塊，以直徑5～10 mm掉塊為主，夾有大塊，如圖3和圖4所示。在處理事故過程中，沖洗液保持的良好性能起到了關(guān)鍵作用，有效攜帶巖粉和護壁，保證了事故處理的順利進行。

圖3 孔內(nèi)撈出的掉塊

圖4 清洗后的掉塊

4 結(jié)語

(1)WFSD-4S孔地質(zhì)條件復雜，孔壁穩(wěn)定性差，使用雙聚防塌沖洗液體系滿足了該孔復雜地層孔壁穩(wěn)定及其特殊施工工藝要求。

(2)雙聚防塌沖洗液體系防塌護壁效果顯著、抑制性強、潤滑效果好，符合WFSD-4S孔復雜地質(zhì)條件的要求。

(3)沖洗液性能并非固定不變的，根據(jù)施工過程中遇到的實際問題，及時對沖洗液性能進行調(diào)整和維護具有重要意義。

(4)使用雙聚防塌沖洗液鉆進效率高，沖洗液總體成本較低，綜合效益顯著。

(5)雙聚防塌沖洗液現(xiàn)場使用和維護方便，配漿人員容易掌握。

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Research on Drilling Fluids Technology for WFSD-4S Hole of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project/

WANGLu-zhao1,LIXiao-dong2,ZHAIYu-feng1

(1.The Third Geological Team of Shandong Bureau of Geology and Mineral, Yantai Shandong 264004, China; 2.Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

The geological conditions were extremely complicated with poor wall stability and severe sloughing problems in WFSD-4S hole of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project. To solve the above problems, the drilling fluid system of bi-polymer anti-sloughing system was adopted in the drilling construction, which had excellent properties of stability, rheology, cuttings carrying and anti-sloughing, and presented effective application result in WFSD-4S hole drilling construction. Through optimizing the formula of drilling fluid and rationally adjusting and maintaining the performance parameters, the technical difficulties in WFSD-4S hole drilling were successfully solved, which laid a solid foundation for smooth completion of drilling construction.

Wenchuan earthquake fault; scientific drilling; broken formation; bi-polymer anti-sloughing flushing fluid; WFSD-4S hole

2016-03-28；

2016-10-10

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“重點成礦帶鉆探?jīng)_洗液關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(編號：12120113097400)

王魯朝，男，漢族，1974年生，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，從事鉆探管理及工藝研究工作，山東省煙臺市芝罘區(qū)機場路271號。

李曉東，男，漢族，1984年生，工程師，應用化學專業(yè)，從事沖洗液技術(shù)研究與應用工作，北京市海淀區(qū)學院路29號，lixd@bjiee.com.cn。

P634.6

A

1672-7428(2017)02-0027-05