汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3孔泥漿技術的設計與應用

張統得，陳禮儀，劉徐三，張文生，張 正

（1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059;2.安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽六安 237010）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3孔泥漿技術的設計與應用

張統得1，陳禮儀1，劉徐三1，張文生2，張 正2

（1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059;2.安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽六安 237010）

汶川科鉆WFSD-3孔鉆遇地層極其復雜，硬脆碎地層與強水敏性等地層交替出現，給鉆進施工帶來極大安全隱患。針對該孔特殊地層情況，以孔壁穩定性理論分析為指導，在室內實驗研究的基礎上，優選出NH4-HPAN、K-PAM、SAS和KHm等抑制劑組成的泥漿體系配方，并結合室內FA無滲透實驗以及ZNP-01頁巖膨脹性實驗對該泥漿配方進行封堵性和抑制性評價，提出了新型泥漿體系，并得以良好應用。還對現場應用遇到的泥漿粘度與切力控制、鉆頭防泥包技術以及鉆水泥塞鈣侵處理技術等進行歸納總結，對復雜地層鉆進施工具有較好的借鑒意義。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;復雜地層;孔壁穩定;泥漿體系設計;泥漿維護

1 工程概況

汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）項目是在汶川大地震和復發地震的源區——龍門山北川-映秀斷裂及龍門山前緣安縣-灌縣斷裂傍側先后實施科學群鉆，WFSD-3孔是其科學群鉆中的第4口鉆孔。該孔位于四川省綿竹市九龍鎮清泉村境內，終孔孔深1502.30 m，終孔口徑75 mm。

2 泥漿體系設計與應用

2.1 理論依據與分析

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、碳質頁巖、泥灰巖等地層，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，使得鉆遇地層嚴重破碎松散，部分地層具有強烈的水化膨脹作用（圖1），極容易造成孔內事故。

圖1 破碎松散巖心與強塑性巖心

根據孔壁穩定理論分析，鉆孔發生不穩定現象主要是由于地層被鉆開之后，致使原始地層應力發生改變，孔壁應力的重新分布，當孔壁巖石所受到的應力超過本身強度之后即會發生孔壁失穩。孔壁失穩在鉆探施工中的直接表現即是孔壁坍塌、鉆孔縮徑等。在WFSD-3孔所鉆地層中，不穩定地層大體可分為硬脆性（如砂巖，粉砂巖等）與強水敏性（如泥質砂巖、碳質泥巖、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，膠結性差，裂隙發育，一旦泥漿濾液進入裂隙，必將導致孔壁周圍的孔隙壓力增大，泥漿液柱壓力對孔壁的有效支撐作用大大減小，孔壁巖層承受過大的拉伸應力，致使裂隙越來越大，泥漿濾液也就更容易進入，形成惡性循環，最終使得孔壁發生坍塌、掉塊，甚至發生埋鉆等事故。因此，在泥漿體系的設計上要注意能有效的封堵地層裂隙，以達到延緩或阻止泥漿濾液的進入。對于強水敏性地層，則主要依靠強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，由于汶川地震之后局部地層殘余應力較大，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，造成鉆孔縮徑埋鉆事故。因此，根據上述理論分析，針對WFSD-3孔復雜地層特性，在泥漿體系的設計上應當滿足以下幾個方面的要求:

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

（2）具有較低的失水特性，以減小強水敏性地層、泥頁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）具有較強的抑制性能，以抑制強水敏性造漿地層的水化分散，保證泥漿體系性能穩定;

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

2.2 泥漿體系的研究與應用

根據上述理論設計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特點，現場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（400 m）以淺的泥漿體系

地層主要為松散破碎砂巖、泥頁巖互層，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。其基礎配方（1號）為:水+4% ～5%膨潤土+5%純堿（膨潤土質量）+0.5%CMC+1%S-1+2%SMC+2%SAS+1%KHm+重晶石（根據地層情況適量加入）。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 二開以深泥漿體系

隨著鉆孔逐漸加深，地層條件更加復雜，巖石更加破碎，局部孔段的地應力高也顯現出來。地層造漿性能極強，縮徑嚴重。因此，為了實現安全鉆探施工的目的，在實現體系的低失水的基礎上，提高泥漿的封堵性、抑制性，現場逐漸轉換泥漿體系為鉀胺聚磺泥漿體系。

經過大量泥漿處理劑的甄選以及室內正交實驗，優選出如下鉀胺聚磺泥漿體系配方（2號）:清水+5%膨潤土+5%純堿（膨潤土質量）+0.3%CMC+1%S-1+1%NH4-HPAN+3%SAS+0.2%KPAM+2%KHm+重晶石（根據地層情況適量加入）。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。

室內主要采用FA無滲透濾失儀進行測試評價體系封堵性能，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測試泥漿對砂床的滲透情況，濾失量越小其封堵性能越好，其實驗結果如表1所示。

表1 FA無滲透砂床實驗結果

為了評價鉀胺聚磺泥漿體系的抑制性能，室內采用ZNP-01型頁巖膨脹儀進行測試。實驗先采用膨潤土制成人工巖心，放入清水中浸泡8 h，測出其膨脹量，以該相對膨脹量為基數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對比得出相對膨脹率，一般膨脹率越小，說明其抑制性能越好，其實驗結果如表2所示。

表2 ZNP-01相對膨脹率實驗結果

根據以上2種實驗得出配方2號具有較強的封堵性能以及抑制性。在該配方2號體系中，選用NH4-HPAN、K-PAM和KHm為抑制劑，通過其提供的NH4+與K+抑制泥巖的水化膨脹，且該類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量和潤滑效果的磺化瀝青（SAS），提高體系的防塌性能。

在現場采用配方2號體系同時，鉆遇某些局部高地應力孔段，為了實現壓力平衡鉆進，還必須添加重晶石提高密度。如在孔深1150 m以后，由于地層縮徑現象明顯，現場則迅速通過添加重晶石提高密度至1.59 g/cm3，形成高密度、低失水、強抑制、封堵性的泥漿體系。

3 現場泥漿性能的維護

3.1 粘切控制技術

在WFSD-3孔施工過程中，泥漿粘度隨地層的變化十分頻繁。此外，由于現場沒有十分有效的泥漿固相控制系統，泥漿切力控制也顯得不得心應手。因此，泥漿粘切控制成為重中之重。泥漿粘度過低易形成紊流，造成對孔壁和巖心的嚴重沖刷，影響孔內安全和取心質量。同時，粘切過低也會降低對巖粉的懸浮能力，特別是在加重泥漿時必須控制好泥漿的粘度和切力，防止對重晶石的懸浮不夠造成沉淀埋鉆。粘切過高則增大了循環壓耗，導致鉆進效率降低;終切過高時容易造成壓力“激動”，引起孔塌或孔漏。如在550～580 m孔段出現過粘切突然下降，分析孔內可能有少量涌水現象，導致粘切下降較快。因此在調漿時，主要以增粘為主，加大CMC和膨潤土量。又如在625～680 m孔段時則由于鉆遇長段含泥地層，且由于金剛石鉆進巖粉較細，加之現場固控設備能力有限，導致粘度急劇增長。現場主要通過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。3.2 防止鉆頭泥包的泥漿技術

在鉆進過程中，當鉆遇泥質含量較高的地層時，由于其易于水化分散，使孔眼內泥質或固相含量增大，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包;或由于井眼內巖屑過多時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，會引起鉆速變慢，嚴重時甚至會堵塞水眼，導致泵壓升高，造成極為嚴重的后果。WFSD-3孔在鉆進中，在620～780 m時，經常發現鉆頭水眼堵塞較多，后分析原因后，通過加入0.3%的T型潤滑劑后得到較大改觀（如圖2）。T型潤滑劑是一種表面活性劑，具有良好的潤濕、滲透、乳化、起泡性能;能顯著提高鉆井液潤滑性，具有減摩、抗損、耐溫、抗污染等功能，能有效延長鉆頭使用壽命;能使泥漿中的各種成分分散開來，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型潤滑劑處理鉆頭泥包前后對比

3.3 鉆水泥塞泥漿鈣侵的性能維護

根據WFSD-3孔鉆孔結構設計要求，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鉆水泥塞。這些鉆水泥塞的作業，在施工過程中均會對泥漿造成污染，以至于無法滿足后續鉆進需要，必須對其進行維護和處理。

水泥對泥漿的主要污染表現在鈣侵與pH值的影響。主要原因在于水泥水化后產生大量的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ppm的含鈣量就足以讓鉆井液失去膠體性質。泥漿遭受水泥侵之后濾失量、粘度、切力增大，泥餅變厚，導致泥漿性能急劇變壞，嚴重影響孔內安全。

根據水泥污染的主要原因，現場主要采用加入NaHCO3以清除泥漿中的 Ca2+和 OH-，加入 NaHCO3的反應式:

同時，在清除Ca2+和OH-的同時必須降低體系的粘切，現場主要通過加入SMT和KHm等進行稀釋，另外加入 S-1、CMC、SAS等降低體系的失水量，保證體系的性能穩定。如WFSD-3孔在下入219 mm套管水泥固井后泥漿性能急劇變壞，經過上述方法處理，性能逐漸符合鉆進地層要求，其性能變化見表3。

表3 泥漿受侵污染的性能控制

4 總結與認識

（1）根據WFSD-3孔鉆遇的地層情況，結合孔壁穩定性理論分析，得出了可滿足WFSD-3孔鉆進的優質泥漿體系。通過室內研究，優選出不同孔段使用的改性磺化體系和鉀胺聚磺體系，并在現場得到成功應用。這對類似地層的防塌泥漿體系設計具有較好的指導意義。

（2）現場泥漿性能維護是復雜地層鉆探工作的重中之重，必須隨時保持泥漿性能穩定在合適范圍內，才能滿足安全、高效的鉆進要求。根據WFSD-3孔施工特點，總結出在泥漿粘切控制、防泥包泥漿技術以及水泥鈣侵處理技術上的一些做法，具有一定的借鑒作用。

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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

張統得（1987-），男（漢族），四川達縣人，成都理工大學碩士研究生在讀，地質工程專業，從事巖土鉆掘工程方面的研究工作，四川省成都市成華區二仙橋東三路1號，ztd8795@126.com;陳禮儀（1957-），男（漢族），四川郫縣人，成都理工大學教授，探礦工程專業，博士，從事巖土鉆掘工程材料與鉆井液方面的教學和科研工作，cly@cdut.edu.cn。