汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD-2孔鉆井液工藝研究

陶士先，陳禮儀，單文軍，李之軍，李曉東，張 濤

（1.北京探礦工程研究所，北京100083;2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD-2孔鉆井液工藝研究

陶士先1，陳禮儀2，單文軍1，李之軍2，李曉東1，張 濤2

（1.北京探礦工程研究所，北京100083;2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目二號(hào)孔（WFSD-2），地質(zhì)條件極為復(fù)雜，孔壁穩(wěn)定性差。施工期間由于地層中水敏性礦物吸水膨脹、地層破碎及地應(yīng)力釋放等原因，多次發(fā)生孔壁縮徑、坍塌掉塊及漏失現(xiàn)象。針對(duì)以上問題，施工中采用了以低粘增效粉和改性瀝青為主要原料的LBM-GLA鉆井液體系，通過對(duì)鉆井液配方、性能參數(shù)的合理調(diào)整與維護(hù)以及固相等方面的控制與處理，較好地解決了上述問題。重點(diǎn)介紹了WFSD-2孔各孔段鉆井液的使用及維護(hù)情況。

汶川地震;地震斷裂帶;科學(xué)鉆探;復(fù)雜地層;孔壁穩(wěn)定;鉆井液體系

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目二號(hào)孔（WFSD-2）位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)。其目的是通過鉆探獲取信息，揭示汶川地震斷裂帶的深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出、構(gòu)造屬性;恢復(fù)汶川地震過程中的巖石行為、流體行為、能量狀態(tài)與破裂過程以及逆沖斷裂發(fā)震機(jī)理;同時(shí)監(jiān)測(cè)余震，提供深部無干擾條件下余震的直接信息。項(xiàng)目完鉆后，將在孔內(nèi)安放地震儀和地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀等多種監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)和提高地震預(yù)報(bào)能力的目的。

該孔終孔深度2283.56 m，終孔口徑122 mm，500 m以淺為全面鉆進(jìn)，500 m以深連續(xù)取心。

1 WFSD-2孔地質(zhì)工程概況

1.1 WFSD-2孔地質(zhì)概況

WFSD-2孔位于地震斷裂帶，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。600 m以淺主要是花崗巖，裂隙發(fā)育、破碎、涌水;599～1219 m，三疊系砂巖、碳質(zhì)頁巖和泥巖、碳質(zhì)粉砂巖;1219 m以后，地層變化快，松散、破碎、風(fēng)化嚴(yán)重。施工期間由于地層中水敏性礦物吸水膨脹、地層破碎及地應(yīng)力釋放等原因，引起孔壁縮徑、坍塌掉塊，曾造成多起孔內(nèi)事故。同時(shí)由于地應(yīng)力的存在，需要提高泥漿密度，而個(gè)別孔段裂隙發(fā)育、孔隙壓力低，密度提高又引起鉆孔漏失。從施工情況看，整個(gè)鉆孔孔壁十分薄弱，稍有疏忽可能引起孔內(nèi)事故。

1.2 WFSD-2孔井身結(jié)構(gòu)

2 鉆進(jìn)施工難點(diǎn)及鉆井液要求

2.1 鉆進(jìn)施工中遇到的主要技術(shù)難點(diǎn)

（1）孔壁坍塌、掉塊。WFSD-2孔處于地震斷裂帶，地層極其破碎并伴有地應(yīng)力，鉆進(jìn)過程中（尤其是擴(kuò)孔鉆進(jìn)）經(jīng)常發(fā)生掉塊和坍塌現(xiàn)象，輕則使得鉆具上（下）行遇阻，重則發(fā)生埋（卡）鉆事故。

（2）水敏性地層吸水后膨脹縮徑。進(jìn)入三疊系須家河四段泥頁巖地層，含有蒙脫石、伊利石和高嶺石等粘土礦物，易吸水膨脹，若停鉆時(shí)間長(zhǎng)，則下鉆遇阻，需掃孔到底。

（3）強(qiáng)塑性斷層泥地層塑性變形。汶川地震科學(xué)鉆探所在的龍門山斷裂帶在歷史上發(fā)生過許多次地震，地下巖層中斷層泥十分發(fā)育。斷層泥一方面在強(qiáng)地應(yīng)力作用下，由于塑性變形引起徑向流動(dòng)，造成鉆孔縮徑;另一方面，斷層泥中富含伊利石和綠泥石等吸水較強(qiáng)的粘土礦物，遇水即脹，一脹即垮，易導(dǎo)致鉆孔縮徑垮塌。

（4）地層漏失。取心鉆進(jìn)至孔深1270 m以后，地層壓力低，當(dāng)壓力超過3 MPa時(shí)，便發(fā)生漏失，嚴(yán)重時(shí)孔口失返。

（5）摩擦阻力大、循環(huán)泵壓高。取心至1700 m后，由于進(jìn)尺較慢，采用轉(zhuǎn)盤+井下動(dòng)力鉆具（螺桿馬達(dá)、液動(dòng)錘）鉆進(jìn)，環(huán)空間隙小，扭矩、泵壓較高。

2.2 WFSD-2孔鉆井液性能要求及鉆井液體系選擇

鉆井液被稱為鉆探的“血液”，因此鉆探工程中，要保證優(yōu)質(zhì)、快速、安全鉆進(jìn)，正確選擇和使用鉆井液是十分重要的。

2.2.1 鉆井液性能要求

汶川地震斷裂帶鉆探復(fù)雜的地質(zhì)條件及特殊的施工工藝，對(duì)鉆井液提出了較高的要求，既要滿足孔壁穩(wěn)定的需要，又要滿足特殊的施工工藝要求。

（1）具有優(yōu)良的防塌性能。濾失量較低，能形成薄而致密的泥餅，且韌性好。

（2）適當(dāng)?shù)恼扯?，特別是在較高的泥漿密度下保持良好的流變性能。能很好地?cái)y帶和懸浮巖屑，減少循環(huán)壓力損失，減輕鉆井液造成的壓力“激動(dòng)”和對(duì)孔壁的沖刷。

（3）適當(dāng)?shù)拿芏?。依?jù)地層穩(wěn)定性要求調(diào)整鉆井液的密度，防止由于地應(yīng)力造成的縮徑、孔壁坍塌掉塊。

（4）具有較強(qiáng)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，以及造漿致使鉆井液粘度切力急劇增大。

（5）具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，降低摩擦阻力，減小鉆機(jī)具的磨損。

2.2.2 鉆井液體系選擇

依據(jù)地質(zhì)方面提供的地層條件，施工過程中遇到的復(fù)雜情況主要以破碎地層及地層壓力釋放為主，重點(diǎn)做好地層的防塌、防掉塊及防止孔壁縮徑。因此選擇的鉆井液體系以細(xì)分散鉆井液體系為主，即以低粘增效粉、改性瀝青為主要原料的LBMGLA鉆井液體系，并根據(jù)地層變化及施工工藝要求，輔以其它鉆井液處理劑適時(shí)對(duì)鉆井液參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 WFSD-2孔鉆井液應(yīng)用概況

3.1 WFSD-2孔各井段鉆井液使用概況

3.1.1 一開、二開鉆進(jìn)所采用的鉆井液及其性能

一開全面鉆進(jìn)時(shí)，地層穩(wěn)定（主要為花崗巖地層），采用膨潤(rùn)土+CMC體系。

二開鉆進(jìn)至孔深79.8 m出現(xiàn)鉆孔涌水，當(dāng)時(shí)采用鉆井液密度為1.05 g/cm3左右，及時(shí)調(diào)整鉆井液密度至1.14 g/cm3，不再涌水。一、二開鉆井液基本性能見表1。

表1 一開、二開全面鉆進(jìn)鉆井液性能

3.1.2 三開取心及擴(kuò)孔鉆進(jìn)使用的鉆井液及其性能

3.1.2.1 三開取心鉆進(jìn)所使用的防塌鉆井液

三開638～900 m提鉆取心，主要地層為碳質(zhì)頁巖、泥巖和碳質(zhì)粉砂巖，坍塌、掉塊嚴(yán)重，該孔段重點(diǎn)解決防塌問題。采用的鉆井液配方為:4%～5%人工鈉土+5‰CMC-HV+2%S-1+3%SAS+1% ～2%KHm。其性能為:密度1.05～1.22 g/cm3，漏斗粘度19～25 s，表觀粘度14～21 mPa·s，塑性粘度10～15 mPa·s，失水量 4 ～6 mL/30 min，泥皮厚度0.3～0.5 mm，pH 值10。

三開自897.66 m起，在原鉆井液基礎(chǔ)上逐步調(diào)整為低粘增效粉-改性瀝青鉆井液體系，其鉆井液配方為:4%低粘增效粉（LBM-1）+3%改性瀝青（GLA）+0.3%～0.5%PAC-141（或0.3%～0.5%CMC）+重晶石。其性能為:密度1.27～1.32 g/cm3，漏斗粘度25 ～30 s，初切力2 ～3 Pa，終切力6～10 Pa，失水量3.8～5 mL/30 min，泥皮厚度0.3～0.5 mm，pH 值10。

3.1.2.2 三開擴(kuò)孔鉆進(jìn)使用的鉆井液及其性能

由于地層復(fù)雜，且擴(kuò)孔階段孔徑變大，孔壁裸露面積增大，加大了護(hù)壁難度;同時(shí)巖屑量增加，泥漿上返速度降低。因此為維護(hù)孔壁穩(wěn)定，提高泥漿的懸浮能力，采取適當(dāng)提高鉆井液的粘度和密度，在取心鉆進(jìn)鉆井液的基礎(chǔ)上添加了適量的CMC-HV。采用的鉆井液配方為:4%LBM+3%GLA+0.3%～0.5%CMC-HV（或PAC-141）+重晶石（調(diào)整鉆井液密度為1.29～1.35 g/cm3）。其性能為:密度1.29～1.35 g/cm3，漏斗粘度 30 ～35 s，初切力 2.5～4.0 Pa，終切力8～12 Pa，失水量3.5～4.8 mL/30 min，泥皮厚度0.4～0.5 mm，pH值10。

另外，該井段當(dāng)鉆井液密度超過1.28～1.29 g/cm3時(shí)，即發(fā)生鉆井液漏失，漏失鉆井液總量19.5 m3。采用在原漿基礎(chǔ)上加入隨鉆堵漏劑和碳酸鈣，對(duì)孔壁進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高了地層的承壓能力，沒有再次發(fā)生漏失。

3.1.2.3 三開側(cè)鉆鉆進(jìn)使用的鉆井液及其性能3.1.2.3.1 打水泥塞后污染泥漿處理

打水泥塞后殘留水泥對(duì)鉆井液性能影響很大。側(cè)鉆前配制25 m3新漿，鉆井液配方為:7%LBM+5%GLA，目的是頂替孔內(nèi)掃水泥塞形成的水泥漿（22 m3）。但由于孔內(nèi)水泥漿和鉆井液池、廢漿池水泥漿量太大，排污準(zhǔn)備工作不足，清理廢漿時(shí)排污泵和泥漿泵嚴(yán)重磨損，無法正常工作，新配制的鉆井液沒有完全頂替水泥漿，造成孔內(nèi)鉆井液污染。鉆井液組分為:15 m3新漿+5 m3水泥漿+2 m3廢水，污染后的鉆井液性能為:密度1.25～1.30 g/cm3，漏斗粘度70～107 s，初切力2.5～4.0 Pa，終切力17～25 Pa，失水量50～60 mL/30 min，泥皮厚度1～5 mm，pH 值10。

可以看出，用新漿頂替水泥漿后由于沒有完全頂替，循環(huán)后鉆井液的性能顯著變差:粘度高，流動(dòng)性差;濾失量增大，泥皮增厚。

水泥漿污染的鉆井液處理:加入0.5%小蘇打除鈣，加入0.3%CMC降失水，加入3%SMT稀釋降粘。處理后的鉆井液性能為:密度1.29～1.32 g/cm3，漏斗粘度 40 ～60 s，初切力 2.5 ～3.0 Pa，終切力13～18 Pa，失水量 8～10 mL/30 min，泥皮厚度0.7～1 mm，pH 值10。

3.1.2.3.2 側(cè)鉆全面鉆進(jìn)使用的鉆井液及其性能

側(cè)鉆全面鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的要求與上述擴(kuò)孔鉆進(jìn)基本相同，只是由于水泥污染仍需對(duì)泥漿進(jìn)行除鈣、降失水及降粘處理。鉆井液配方:5%～7%LBM+3%～5%GLA+0.5%小蘇打+0.3%SMT+0.3%CMC。鉆井液性能為:密度1.29～1.32 g/cm3，漏斗粘度40～50 s，初切力2.5～3.0 Pa，終切力13～18 Pa，失水量3～5 mL/30 min，泥皮厚度0.3～0.5 mm，pH 值10。

3.1.3 四開取心鉆進(jìn)使用的鉆井液及其性能

四開鉆進(jìn)地層復(fù)雜，主要巖性為破碎花崗巖、凝灰?guī)r。由于采取了新的工藝措施，即轉(zhuǎn)盤+螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)，因此對(duì)鉆井液潤(rùn)滑和固控提出了更高的要求。因此四開井段鉆進(jìn)過程中，循環(huán)鉆井液中除加入潤(rùn)滑劑外，還加強(qiáng)鉆井液的固相控制。試驗(yàn)與實(shí)踐證明，鉆井液的固相控制除了滿足上述新的工藝要求外，也明顯改善了泥餅的質(zhì)量，泥餅厚度明顯降低、韌性增強(qiáng)。

（1）1369.80～1686.34 m提鉆取心，由于地層相對(duì)穩(wěn)定，采用的鉆井液配方為:4% ～5%LBM+5‰CMC+2%GLA+1%銨鹽+0.3% ～0.5%GLUB+NaOH（調(diào)整pH值）。其性能為:密度1.13～1.15 g/cm3，漏斗粘度25 ～35 s，初切力1 ～3 Pa，終切力4～6 Pa，失水量4～6 mL/30 min，泥皮厚度0.1～0.3 mm，pH 值10。

（2）1686.34～1859.78 m井段，由于地層破碎，坍塌、掉塊嚴(yán)重，地層壓力較大，因此將鉆井液密度提高至1.25～1.32 g/cm3。采用的鉆井液配方為:3% ～5%LBM+5‰CMC+2%GLA+1%銨鹽 +0.1% ～0.3%KPAM+0.3% ～0.5%GLUB+NaOH（調(diào)整pH值）+重晶石。其性能為:密度1.25～1.32 g/cm3，漏斗粘度30 ～35 s，初切力3 ～5 Pa，終切力8～12 Pa，失水量3～5 mL/30 min，泥皮厚度0.3～0.5 mm，pH 值10。

3.1.4 五開鉆進(jìn)使用的鉆井液及其性能

（1）固井后污染鉆井液處理?，F(xiàn)場(chǎng)使用小蘇打（碳酸氫鈉）+腐殖酸鉀來處理水泥漿，處理后的鉆井液性能參數(shù)見表2。

（2）五開1859.78～2080 m提鉆取心，主要巖性為較完整的花崗巖、凝灰?guī)r。由于地層相對(duì)穩(wěn)定，采用的鉆進(jìn)方法為:轉(zhuǎn)盤+螺桿馬達(dá)，鉆井液設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮潤(rùn)滑和固控，提高鉆具使用壽命和鉆進(jìn)效率。采用的鉆井液配方為:3%～5%土+2%GLA+1%銨鹽+0.1% ～0.3%KPAM+0.5% ～1%GLUB+NaOH（調(diào)整pH值）。其性能為:密度1.10～1.14 g/cm3，漏斗粘度25 ～30 s，初切力1 ～3 Pa，終切力4～7 Pa，失水量3～5 mL/30 min，泥皮厚度0.1～0.3 mm，pH 值10。

表2 水泥漿及處理后鉆井液性能

（3）五開2080～2283.56 m提鉆取心，該井段巖性為斷層泥、碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)粉砂巖，由于遇到地學(xué)要求的目的層——斷層泥，為防止孔壁縮徑，對(duì)鉆井液實(shí)施加重處理。采用的鉆井液配方為:3%～5%LBM+5‰CMC+2%GLA+1%銨鹽+0.1% ～0.3%KPAM+1%GLUB+NaOH（調(diào)整pH值）+重晶石。其性能為:密度1.18～1.20 g/cm3，漏斗粘度28～35 s，初切力3 ～5 Pa，終切力10～12 Pa，失水量4 ～6 mL/30 min，泥皮厚度0.3～0.5 mm，pH 值10。

3.2 WFSD-2孔鉆井液的維護(hù)

3.2.1 強(qiáng)化鉆井液的抑制、防塌性

鉆井液中改性瀝青的加量保持在2%以上，KPAM的加量0.2%以上，銨鹽的加量1%以上，使LBM體系始終處于高抑制狀態(tài)，防塌效果好。

3.2.2 合適的鉆井液密度

合適的鉆井液密度平衡地應(yīng)力，是確保孔壁穩(wěn)定和孔下安全的最基礎(chǔ)也是最重要的手段。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過程中，及時(shí)分析、觀察，維持鉆井液性能穩(wěn)定，尤其是在遇到斷層泥、破碎地層有縮徑及坍塌、掉塊現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)提高鉆井液密度。

3.2.3 保持較低的濾失和良好的造壁性

較低的濾失量和良好的造壁性對(duì)于WFSD-2孔復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆進(jìn)施工很重要。WFSD-2孔地層破碎，坍塌、掉塊嚴(yán)重，全孔鉆井液濾失控制在6 mL/30 min以下。

3.2.4 固相控制

WFSD-2孔施工過程中，井下動(dòng)力鉆具的使用，對(duì)鉆井液的固控處理提出了更高的要求?，F(xiàn)場(chǎng)采用三級(jí)固相控制，即振動(dòng)篩、除砂器和離心機(jī)。這些固控設(shè)備可以有效地清除鉆井液中的巖屑和劣質(zhì)粘土固相，現(xiàn)場(chǎng)一直維持含砂量＜0.5%，保證鉆井液性能穩(wěn)定和鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。常用的固控設(shè)備及清除固相顆粒的能力如下:振動(dòng)篩 ＞74 μm;除砂器 ＞40 μm;除泥器 ＞25 μm;旋流除泥器 ＞ 12 μm;離心機(jī)＞6 μm。WFSD-2孔鉆井液固控循環(huán)系統(tǒng)見圖1。

圖1 WFSD-2孔鉆井液固控循環(huán)系統(tǒng)示意圖

3.2.5 鉆井液潤(rùn)滑性維持

現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤(rùn)滑性維護(hù)，一方面通過固相控制將泥漿中的無用固相及時(shí)清除;另一方面通過處理劑的加入提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，如現(xiàn)場(chǎng)使用的泥漿材料改性瀝青本身有一定的潤(rùn)滑性能，鉆進(jìn)過程中，又加入1% ～2%GLUB極壓型潤(rùn)滑劑，使泥漿潤(rùn)滑系數(shù)維持在0.1以下，較好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工的需要。

3.2.6 漏失處理

WFSD-2孔在鉆進(jìn)過程中多次發(fā)生漏失，尤其是在擴(kuò)孔階段多次憋漏，用隨鉆堵漏劑+超細(xì)碳酸鈣復(fù)合堵漏，取得了較好的效果，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整鉆井液的流變性，保證了鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

（1）WFSD-2孔地質(zhì)條件復(fù)雜，要維護(hù)孔壁穩(wěn)定十分困難。針對(duì)WFSD-2孔所設(shè)計(jì)的LBMGLA鉆井液體系造壁性能好，符合該孔復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)鉆井液的護(hù)壁要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井液的維護(hù)與處理，較好的滿足了該孔復(fù)雜地層孔壁穩(wěn)定及其特殊施工工藝要求。

（3）LBM-GLA鉆井液體系，泥漿成本低，現(xiàn)場(chǎng)使用和維護(hù)方便。

［1］ 張偉，賈軍，胡時(shí)友.汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的概況和鉆探技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）.

［2］ 賈軍.中國(guó)大陸科學(xué)鉆探先導(dǎo)孔及擴(kuò)孔鉆井鉆井液工藝［J］.探礦工程，2003，（3）.

［3］ 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2005.

［4］ 高德利，等.復(fù)雜地質(zhì)條件下深井超深井鉆井技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004.

Research on Drilling Fluid Technology for WFSD-2 Hole of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Pro-ject

TAO Shi-xian1，CHEN Li-yi2，SHAN Wen-jun1，LI Zhi-jun2，LI Xiao-dong1，ZHANG Tao2（1.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China;2.Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China）

The geological conditions were extremely complicated with poor wall stability in WFSD-2 hole drilling construction of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project.Due to the water-sensitive formation of mineral water swelling，broken strata and stress release，the hole wall necking，collapsing and leakage happened many times.Through the adjustment and maintenance of the formulation，parameters，and solid control，LBM- GLA drilling fluid system with a low viscosity synergy powder and modified asphalt as the main raw materials was adopted in the construction;the above problems were successfully solved.This article mainly describes the use and maintenance of drilling fluid in each section of WFSD-2 hole.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;complex formation;hole wall stability;drilling fluid system

P634.6

A

1672-7428（2012）09-0045-04

2012-08-08

科技部科技支撐計(jì)劃專項(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

陶士先（1964-），女（漢族），遼寧人，北京探礦工程研究所教授級(jí)高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓204室，bjhujl@msn.com。