汶川地震斷裂帶科學鉆探項目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，四川 成都 610059）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目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，四川 成都 610059）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目二號孔（WFSD-2），地質條件極為復雜，孔壁穩定性差。施工期間由于地層中水敏性礦物吸水膨脹、地層破碎及地應力釋放等原因，多次發生孔壁縮徑、坍塌掉塊及漏失現象。針對以上問題，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，通過對鉆井液配方、性能參數的合理調整與維護以及固相等方面的控制與處理，較好地解決了上述問題。重點介紹了WFSD-2孔各孔段鉆井液的使用及維護情況。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;復雜地層;孔壁穩定;鉆井液體系

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目二號孔（WFSD-2）位于四川省都江堰市虹口鄉。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組成、結構、產出、構造屬性;恢復汶川地震過程中的巖石行為、流體行為、能量狀態與破裂過程以及逆沖斷裂發震機理;同時監測余震，提供深部無干擾條件下余震的直接信息。項目完鉆后，將在孔內安放地震儀和地應力監測儀等多種監測設備，以實現地震監測和提高地震預報能力的目的。

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

1 WFSD-2孔地質工程概況

1.1 WFSD-2孔地質概況

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

1.2 WFSD-2孔井身結構

2 鉆進施工難點及鉆井液要求

2.1 鉆進施工中遇到的主要技術難點

（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力，鉆進過程中（尤其是擴孔鉆進）經常發生掉塊和坍塌現象，輕則使得鉆具上（下）行遇阻，重則發生埋（卡）鉆事故。

（2）水敏性地層吸水后膨脹縮徑。進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，若停鉆時間長，則下鉆遇阻，需掃孔到底。

（3）強塑性斷層泥地層塑性變形。汶川地震科學鉆探所在的龍門山斷裂帶在歷史上發生過許多次地震，地下巖層中斷層泥十分發育。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，斷層泥中富含伊利石和綠泥石等吸水較強的粘土礦物，遇水即脹，一脹即垮，易導致鉆孔縮徑垮塌。

（4）地層漏失。取心鉆進至孔深1270 m以后，地層壓力低，當壓力超過3 MPa時，便發生漏失，嚴重時孔口失返。

（5）摩擦阻力大、循環泵壓高。取心至1700 m后，由于進尺較慢，采用轉盤+井下動力鉆具（螺桿馬達、液動錘）鉆進，環空間隙小，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，要保證優質、快速、安全鉆進，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雜的地質條件及特殊的施工工藝，對鉆井液提出了較高的要求，既要滿足孔壁穩定的需要，又要滿足特殊的施工工藝要求。

（1）具有優良的防塌性能。濾失量較低，能形成薄而致密的泥餅，且韌性好。

（2）適當的粘度，特別是在較高的泥漿密度下保持良好的流變性能。能很好地攜帶和懸浮巖屑，減少循環壓力損失，減輕鉆井液造成的壓力“激動”和對孔壁的沖刷。

（3）適當的密度。依據地層穩定性要求調整鉆井液的密度，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，以及造漿致使鉆井液粘度切力急劇增大。

（5）具有優良的潤滑性能，降低摩擦阻力，減小鉆機具的磨損。

2.2.2 鉆井液體系選擇

依據地質方面提供的地層條件，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。因此選擇的鉆井液體系以細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，并根據地層變化及施工工藝要求，輔以其它鉆井液處理劑適時對鉆井液參數進行調整。

3 WFSD-2孔鉆井液應用概況

3.1 WFSD-2孔各井段鉆井液使用概況

3.1.1 一開、二開鉆進所采用的鉆井液及其性能

一開全面鉆進時，地層穩定（主要為花崗巖地層），采用膨潤土+CMC體系。

二開鉆進至孔深79.8 m出現鉆孔涌水，當時采用鉆井液密度為1.05 g/cm3左右，及時調整鉆井液密度至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、二開全面鉆進鉆井液性能

3.1.2 三開取心及擴孔鉆進使用的鉆井液及其性能

3.1.2.1 三開取心鉆進所使用的防塌鉆井液

三開638～900 m提鉆取心，主要地層為碳質頁巖、泥巖和碳質粉砂巖，坍塌、掉塊嚴重，該孔段重點解決防塌問題。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，在原鉆井液基礎上逐步調整為低粘增效粉-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 三開擴孔鉆進使用的鉆井液及其性能

由于地層復雜，且擴孔階段孔徑變大，孔壁裸露面積增大，加大了護壁難度;同時巖屑量增加，泥漿上返速度降低。因此為維護孔壁穩定，提高泥漿的懸浮能力，采取適當提高鉆井液的粘度和密度，在取心鉆進鉆井液的基礎上添加了適量的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，該井段當鉆井液密度超過1.28～1.29 g/cm3時，即發生鉆井液漏失，漏失鉆井液總量19.5 m3。采用在原漿基礎上加入隨鉆堵漏劑和碳酸鈣，對孔壁進行強化處理，提高了地層的承壓能力，沒有再次發生漏失。

3.1.2.3 三開側鉆鉆進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鉆井液性能影響很大。側鉆前配制25 m3新漿，鉆井液配方為:7%LBM+5%GLA，目的是頂替孔內掃水泥塞形成的水泥漿（22 m3）。但由于孔內水泥漿和鉆井液池、廢漿池水泥漿量太大，排污準備工作不足，清理廢漿時排污泵和泥漿泵嚴重磨損，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，循環后鉆井液的性能顯著變差:粘度高，流動性差;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 側鉆全面鉆進使用的鉆井液及其性能

側鉆全面鉆進對鉆井液的要求與上述擴孔鉆進基本相同，只是由于水泥污染仍需對泥漿進行除鈣、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 四開取心鉆進使用的鉆井液及其性能

四開鉆進地層復雜，主要巖性為破碎花崗巖、凝灰巖。由于采取了新的工藝措施，即轉盤+螺桿馬達復合鉆進，因此對鉆井液潤滑和固控提出了更高的要求。因此四開井段鉆進過程中，循環鉆井液中除加入潤滑劑外，還加強鉆井液的固相控制。試驗與實踐證明，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量，泥餅厚度明顯降低、韌性增強。

（1）1369.80～1686.34 m提鉆取心，由于地層相對穩定，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 五開鉆進使用的鉆井液及其性能

（1）固井后污染鉆井液處理。現場使用小蘇打（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、凝灰巖。由于地層相對穩定，采用的鉆進方法為:轉盤+螺桿馬達，鉆井液設計時充分考慮潤滑和固控，提高鉆具使用壽命和鉆進效率。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、碳質頁巖、碳質粉砂巖，由于遇到地學要求的目的層——斷層泥，為防止孔壁縮徑，對鉆井液實施加重處理。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

3.2.1 強化鉆井液的抑制、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，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力，是確保孔壁穩定和孔下安全的最基礎也是最重要的手段。在實際現場鉆進過程中，及時分析、觀察，維持鉆井液性能穩定，尤其是在遇到斷層泥、破碎地層有縮徑及坍塌、掉塊現象時，及時提高鉆井液密度。

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于WFSD-2孔復雜地質條件下的鉆進施工很重要。WFSD-2孔地層破碎，坍塌、掉塊嚴重，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，井下動力鉆具的使用，對鉆井液的固控處理提出了更高的要求。現場采用三級固相控制，即振動篩、除砂器和離心機。這些固控設備可以有效地清除鉆井液中的巖屑和劣質粘土固相，現場一直維持含砂量＜0.5%，保證鉆井液性能穩定和鉆進的順利進行。常用的固控設備及清除固相顆粒的能力如下:振動篩 ＞74 μm;除砂器 ＞40 μm;除泥器 ＞25 μm;旋流除泥器 ＞ 12 μm;離心機＞6 μm。WFSD-2孔鉆井液固控循環系統見圖1。

圖1 WFSD-2孔鉆井液固控循環系統示意圖

3.2.5 鉆井液潤滑性維持

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

3.2.6 漏失處理

WFSD-2孔在鉆進過程中多次發生漏失，尤其是在擴孔階段多次憋漏，用隨鉆堵漏劑+超細碳酸鈣復合堵漏，取得了較好的效果，同時適當調整鉆井液的流變性，保證了鉆進的順利進行。

4 結論

（1）WFSD-2孔地質條件復雜，要維護孔壁穩定十分困難。針對WFSD-2孔所設計的LBMGLA鉆井液體系造壁性能好，符合該孔復雜地質條件對鉆井液的護壁要求。

（2）現場對鉆井液的維護與處理，較好的滿足了該孔復雜地層孔壁穩定及其特殊施工工藝要求。

（3）LBM-GLA鉆井液體系，泥漿成本低，現場使用和維護方便。

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

［2］ 賈軍.中國大陸科學鉆探先導孔及擴孔鉆井鉆井液工藝［J］.探礦工程，2003，（3）.

［3］ 鄢捷年.鉆井液工藝學［M］.山東東營:中國石油大學出版社，2005.

［4］ 高德利，等.復雜地質條件下深井超深井鉆井技術［M］.北京:石油工業出版社，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

陶士先（1964-），女（漢族），遼寧人，北京探礦工程研究所教授級高級工程師，探礦工程專業，從事鉆井液技術研究與應用工作，北京市海淀區學院路29號探工樓204室，bjhujl@msn.com。