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        汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-2孔鉆井液工藝研究

        2012-11-07 04:43:30陶士先陳禮儀單文軍李之軍李曉東
        鉆探工程 2012年9期
        關鍵詞:泥皮縮徑孔壁

        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(wěn)定性差。施工期間由于地層中水敏性礦物吸水膨脹、地層破碎及地應力釋放等原因,多次發(fā)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(wěn)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(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(tài)與破裂過程以及逆沖斷裂發(fā)震機理;同時監(jiān)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(jiān)測儀等多種監(jiān)測設備,以實現地震監(jiān)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(xù)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(fā)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(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(fā)生掉塊和坍塌現象,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(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(fā)生漏失,嚴重時孔口失返。

        (5)摩擦阻力大、循環(huán)泵壓高。取心至1700 m后,由于進尺較慢,采用轉盤+井下動力鉆具(螺桿馬達、液動錘)鉆進,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、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(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(huán)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(wěn)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(yōu)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(wěn)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(wěn)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(fā)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(fā)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(huán)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?guī)r。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(huán)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(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?,F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?guī)r。由于地層相對穩(wěn)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(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力,是確??妆诜€(wěn)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(wěn)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?,F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(wěn)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(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(fā)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(wěn)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(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(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(yè),從事鉆井液技術研究與應用工作,北京市海淀區(qū)學院路29號探工樓204室,bjhujl@msn.com。

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