汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-2孔防漏固井技術研究與應用

李前貴，李旭東，賈 軍，張培豐，李早元

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;2.江蘇省地礦局第六地質大隊，江蘇 連云港222023;3.北京探礦工程研究所，北京100083;4.西南石油大學，四川 成都 610500）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-2孔防漏固井技術研究與應用

李前貴1，李旭東2，賈 軍3，張培豐3，李早元4

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;2.江蘇省地礦局第六地質大隊，江蘇 連云港222023;3.北京探礦工程研究所，北京100083;4.西南石油大學，四川 成都 610500）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目二號孔（WFSD-2）鉆探施工過程中，地層破碎，坍塌、掉塊嚴重，鉆進過程中發生多次井漏。為防止固井過程中發生漏失影響固井質量，采用低密度防漏水泥漿常規單級固井工藝。經過多次水泥漿性能試驗，調配出了既具有良好流動性、又具有觸變性的低密度纖維防漏水泥漿配方。該低密度纖維防漏水泥漿體系在WFSD-2孔168.3 mm套管固井中施工順利，應用效果良好。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;低密度水泥漿;防漏;固井

1 WFSD-2孔概況

1.1 基本情況

WFSD-2孔位于四川省都江堰市虹口鄉八角廟六組境內，鉆孔位置海拔高度約1150 m，工作區處于四川龍門山中央斷裂帶，WFSD-2孔孔口距斷裂帶地表露頭約650 m，距WFSD-1孔約300 m。鉆遇地層為碳質頁巖、砂巖、破碎松散的蝕變花崗巖等，具有破碎、裂隙發育、地應力高、縮徑等特點。其中638.01～1212 m為三疊系沉積巖，巖性以碳質泥巖、頁巖和砂巖為主，較破碎;1212～1369.80 m以蝕變花崗巖為主，夾少量的閃長巖，較破碎。

1.2 鉆進復雜情況

擴孔鉆進至孔深844.38 m，扭矩突然增大，卡鉆，上下活動鉆具，最大拉力達720 kN解卡（隨鉆震擊器震擊），憋漏（4 MPa）泥漿約 10 m3。孔深915.14 m，因下鉆過快、鉆壓過大導致卡鉆，上下活動鉆具，最大拉力達1200 kN解卡，憋漏泥漿約7 m3。擴孔鉆進至孔深1004 m卡鉆，上下活動鉆具，最大拉力達690 kN解卡，漏失泥漿約2 m3。全面鉆進鉆至1250 m，起鉆過程中，憋壓12 MPa左右，漏失鉆井液2 m3，鉆井液密度1.29 g/cm3;通孔下鉆至899 m左右憋壓12.2 MPa，漏失鉆井液11 m3。

為確保該孔下部安全鉆進，在鉆至井深1369.80 m時決定下入168.3 mm套管。考慮到鉆進施工過程中頻繁漏失的情況，為保證固井成功，決定采用低密度防漏水泥漿常規單級固井工藝。水泥漿采用漂珠微硅低密度防漏水泥漿，設計密度1.40 g/cm3，封固0～1350 m。

2 固井難點及主要技術措施

2.1 固井難點

（1）憋壓易孔漏，下套管、循環、注水泥漿、頂替中必須考慮防止孔漏;

（2）地層復雜，孔壁坍塌掉塊嚴重，裸眼段較長;

（3）起下鉆遇阻遇卡嚴重，下套管有遇阻遇卡的風險。

2.2 固井主要技術措施

（1）通孔，要求孔眼暢通，無垮塌、無沉砂;

（2）在套管串中使用剛性扶正器4只，提高套管的居中度;

（3）優選低密度防漏水泥漿配方;

（4）優化地面施工工藝，嚴格控制水泥漿密度和施工排量。

3 防漏低密度水泥漿固井技術

3.1 水泥漿性能要求

根據孔下條件和地層承壓能力，決定采用降低水泥漿密度來防止孔漏的方案。完鉆時鉆井液密度為1.35 g/cm3，考慮地層破碎，裂縫發育，為防止固井過程中發生漏失影響固井質量，設計水泥漿密度為1.40 g/cm3。在固井施工中，對稠化時間的要求非常嚴格，它是固井作業順利進行和安全結束的時間保證。一般要求稠化時間在確保施工順利的前提下盡可能地要短，以便縮短候凝時間，減少水泥漿析水。結合該孔的注水泥固井方式，依據固井設計要求，稠化時間為120～200 min。

水泥漿的過大失水能夠改變水泥漿的流變特性，縮短稠化時間，促使其過早凝固，造成環空橋堵，因此要求設計水泥漿API失水量＜50 mL/30 min。

為防止固井及候凝過程發生孔下漏失，水泥漿體系采用“漂珠+超細水泥”低密度水泥漿體系，同時加入適量堵漏纖維，增強體系的防漏堵漏性能。

3.2 水泥漿配方研究

外加劑、外摻料種類及摻量是影響水泥漿物理性能的主要因素。根據緊密堆積理論，采用有效調配水泥、漂珠、超細水泥等不同粒度的顆粒級配，可形成低密度水泥漿體系。通過試驗，研究和調整水泥配方中各組分水化特性和比例，可以獲得滿足施工要求的水泥漿配比。結合WFSD-2孔實際情況，通過室內對低密度水泥漿外摻料的種類和加量進行了系列試驗，并對水泥漿早強劑、降失水劑、分散劑等外加劑加量進行了優選，經過多次水泥漿性能試驗，調配出既具有良好流動性、又具有觸變性的水泥漿配方:夾江G級純水泥∶漂珠∶微硅∶超細水泥=65∶25∶5∶5;添加劑:1%降濾失劑（LT-2）+1%減阻劑（SXY-2）+2%增強劑（SW-2）+0.2%堵漏劑（DL500）+0.02%消泡劑XP-1（水固比0.53）。

該水泥漿密度為1.40 g/cm3，水泥漿流動度21 cm，濾失量46 mL/30 min，稠化時間161 min/70 BC（實驗條件:35℃、20 MPa、30 min）;抗壓強度9.1 MPa（24 h、35 ℃），3.8 MPa（48 h、常溫）。該配方水泥漿體系穩定，性能符合要求。

4 WFSD-2防漏固井技術應用

根據電測井徑、封固段長度及水泥附加量并考慮到可能會有少部分漏失，計算需水泥量25 t。下完168.3 mm套管固井前鉆井液性能為:鉆井液密度 1.35 g/cm3，粘度35 Pa·s，濾失量5 mL/30 min，濾餅0.5 mm，含砂量0.2%，pH值9。

根據室內試驗結果及現場具體情況，確定使用上述配方進行現場施工。固井現場施工過程如下:

（1）通孔;

（2）上下活動套管，用BW280型泵循環泥漿;

（3）連接管匯，注前置液2 m3;

（4）注水泥漿28 m3，注水泥漿過程中，孔口返出泥漿量少，漏失泥漿約15 m3;

（5）開擋銷，釋放膠塞，注后置液1 m3;

（6）BW280型泵注入鉆井液18 m3頂替水泥漿，最高泵壓6 MPa，水泥漿返出孔口;

（7）替漿結束，緩慢打開水泥頭上閥門，套管內無外溢，將套管坐放到位，拆管匯候凝。

水泥面預計返至地面，實際返至地面。水泥塞預計井深1280 m，實測井深811 m。

5 結論

（1）經過多次水泥漿性能試驗，調配出既具有良好流動性、又具有觸變性的水泥漿配方:夾江G級純水泥∶漂珠∶微硅∶超細水泥=65∶25∶5∶5;添加劑:1%降濾失劑（LT-2）+1%減阻劑（SXY-2）+2%增強劑（SW-2）+0.2%堵漏劑（DL500）+0.02%消泡劑XP-1（水固比0.53）。

（2）纖維防漏堵漏材料與漂珠、超細水泥組成的低密度水泥漿體系，能夠滿足WFSD-2孔復雜地層易漏孔固井的要求;在漂珠低密度水泥漿體系中加入早強劑可以顯著提高水泥漿的早期強度;良好的觸變性能有效防止水泥漿的漏失。

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Anti-leakage Cementing Technology with Low Density Slurry in WFSD-2 of Wenchuan Earthquake Fault Scien-tific Drilling Project

LI Qian-gui1，LI Xu-dong2，JIA Jun3，ZHANG Pei-feng3，LI Zao-yuan4（1.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China;2.No.6 Geological Brigade，Jiangsu Geology ＆ Mineral Exploration Bureau，Lianyungang Jiangsu 222023，China;3.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China;4.Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

Due to the broken stratum，wall collapsing，landslide accidents and lost circulation happened frequently in the drilling of the second hole of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project（WFSD-2）.For preventing lost circulation during cementing，anti-leakage cementing technology with low density slurry was selected.Through multiple performance experiment of slurry，the formulation of low density slurry for anti-leak was optimized.This formulation was successfully adopted to cement the168.3 casing in WFSD-2.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;low-density slurry;anti-leakage;cementation

P634.8;TE256+.1

A

1672-7428（2012）09-0039-02

2012-08-08

科技部科技支撐計劃專項“汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）”項目之“科學鉆探與科學測井”課題

李前貴（1979-），男（土家族），湖南桑植人，中國地質科學院探礦工藝研究所，石油工程專業，博士，從事鉆探工程工作，四川省成都市郫縣成都現代工業港（北區）港華路139號，liqiangui@163.com。