WFSD-4孔的钻井泥浆技术(李前贵)

三、钻井泥浆设计
WFSD-4泥浆总体要求
1 2 3 4 5 6 7 • 强抑制性 • 封堵能力强 • 防塌性强 • 性能稳定，剪切稀释性好 • 抗污染能力强 • 体系工艺简单，易于维护 • 环保，成本较低
三、钻井泥浆设计
钾石灰聚磺泥浆的组成
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 11 12 处理剂 配浆土NV-1 KCl CaO 聚丙烯酰胺钾盐K-PAM 水解聚丙烯腈铵盐NH4-PAN 磺甲基化酚醛树脂SMP 磺化褐煤SMC 磺化褐煤树脂SPNH 改性沥青FT-342 超细碳酸钙QS-1 CMC FKRH BaSO4 主要功能 造浆材料 抑制、调节PH值 抑制、调节PH值 包被絮凝剂 降滤失剂 抗高温降滤失剂 抗高温降滤失剂、降粘 抗高温抗盐降滤失剂 封堵、防塌、润滑 封堵、加重、润滑 增粘、降滤失剂 高效润滑剂 加重剂 推荐加量（%） 3～ 4 6 0.3 0.1～0.2 0.5 5 1 ~2 0.5 3 1-2 3 3
三、钻井泥浆设计
分井段泥浆配方
一开井段 CMC高坂含泥浆 基本配方：8%NV-1+4%Na2CO3 (土量)+0.3-0.5%HV-CMC 二开井段 钾石灰聚磺泥浆 • 4-7%NV-1+0.2%K-PAM+0.3%NH4-HPAN+1%FT342+2%KCl+0.4%CaO+2%SMP-1+0.5% CMC+ 2%SMC+0.5%SPNH • 其它处理添加剂：NaOH、JN-A、FKRH、XC等 三开井段 钾石灰聚磺泥浆 • 3-4%NV-1+0.1%K-PAM+3-5%SMP+3%FT-342+1%QS-1+48%KCl+0.4%CaO+0.5% CMC+2%SMC+0.5%SPNH+3%FKRH • 其它处理添加剂：NaOH、JN-A、XC、JD-6、FGL、重晶石粉等
四开
WFSD‐S5 WFSD‐S6
二、钻探复杂问题 断裂带钻探复杂因素
地层因素 破碎地层 松软地层 工程因素 大直径
井段 0-500 -2000 -2800 -3350
斜井
钻头直径 mm 316.5 250.8 200 150 套管外径/内径 mm 273/258.9 219.1/203.7 168.3/153.6 139.7/125.7
配浆系统
搅拌桶
循环池上面
除砂器 离心机 砂泵
振动筛
固控系统
三、钻井泥浆设计
固相颗粒的粒度级别
粒度级别 一、粗粒 二、中粗粒 三、中粗 四、细粒 五、超细粒 六、胶体 直径（μm） >20000 250－2000 74－250 44－74 2－44 <2
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三、钻井泥浆设计
部分固控设备的处理能力和处理的粒度范围
三、钻井泥浆设计
WFSD-4不同钻进方式对泥浆的要求 316.5直井全 面钻进 250.8定向及 全面钻进 200.0以上扩 孔钻进 150取心及全 面钻进
• 大直径井眼的携砂与护壁是重点 • 适当高粘切 • 适当密度，强化抑制封堵性能，提高防塌能力 • 适当粘切，增强携岩能力；润滑好，降摩阻防卡 • 适当密度，强化抑制封堵性能，提高防塌能力 • 适当粘切，增强携岩能力；润滑好，降摩阻防卡 • 性能稳定，井壁稳定和润滑性好 • 较好的剪切稀释能力
0-500m直井段 500-1450造斜段（最大井斜角35°） 1450-3350m稳斜（35°左右）
二、钻探复杂问题
WFSD-2孔1020m的碳质粉砂岩，非常破碎
19 17 15
井径 in
13 11 9 7 5 600 650 700 750 800 井深 m 850 900 950 1000
WFSD-2孔井眼扩径严重
二、钻探复杂问题 • 掉块、坍塌
表现： （1）在取心、扩孔、通井 及全面钻进均有所表现； （2）造成卡钻事故
二、钻探复杂问题
WFSD-1孔具有极强膨胀性的断层泥， 造成缩径卡钻
二、钻探复杂问题
地层条件和工程因素带来的复杂问题
地层破碎 地层松软 大直径斜井
• 掉块、井塌 • 扩径 • 缩径
• 携岩问题 • 摩阻扭矩大
三、钻井泥浆设计
钾石灰聚磺泥浆的优点
泥皮薄而韧
良好的抑制性
抗污染能力强：WFSD-4固井后扫200多m 水泥塞，泥浆性能无明显变化
三、钻井泥浆设计
钾石灰聚磺泥浆体系的理论基础 K+的直径(2.66A0)与硅氧四面体的六角环的直径相等, 恰好镶嵌 在硅氧四面体的六角环中, 导致易水化的泥页岩呈较好的惰性, 从 而降低泥页岩的水化分散 Ca2+离子交换和吸附都降低了黏土颗粒的亲水性和分散度,从而抑 制泥页岩的水化分散 高分子量阳离子聚合物的包被絮凝剂与小分子量有机阳离子化合 物的泥页岩抑制剂相互结合, 具有较强的抑制性、较好的稳定井 壁能力。并配合磺化沥青和磺化类处理剂的应用,有效地解决了抑 制防塌问题
WFSD-4钻孔结构和套管程序
WFSD-4孔 钻遇地层剖面
0—500m：寒武纪地层：变砂岩、凝 灰质砂岩夹板岩和硅质岩。1100m左 右可能存在<1m厚的断层泥。 500‐1100m：寒武纪地层：深灰色板 岩、灰白色细砂岩、含少量石英、少 量细砂岩、黑色砂质泥岩、含长石、 灰色泥质粉砂岩、泥质胶结、灰色泥 质粉砂岩、含少量泥质粉砂岩、砾岩 等 1100—1980m：震旦纪地层：灰色粉 砂质泥岩、含泥质胶结砾岩、含砾岩、 杂色砾岩、含深灰板岩，灰色泥质粉 砂岩，粉砂颗粒，含泥质等。期间经 历了F2和F3两个断层，其中， 1552.70m‐1754.00 m地层较为破碎。 1980—2319.07m震旦纪地层：薄层变 砂岩、千枚岩、含砾变砂岩，页岩夹 石英灰砂质泥岩，深灰色泥岩，深灰 色板岩， 变质泥岩，碳质板岩等
WFSD-4孔的钻井泥浆技术
李前贵 联系电话：13551177831 中国地质科学院探矿工艺研究所
2013年11月20日
主要内容
WFSD-4

概况 钻探复杂问题 钻井泥浆设计 现场应用 认识
WFSD-1
南坝镇
WFSD-3
WFSD-2
WFSD-3P
一、概
况
汶川地震断裂带科学钻探项目四号孔（WFSD-4）是一期 科学钻探工程的钻孔之一，设计井深3350m，下部2000～3350m 取心，并进行流体监测、测井和孔内长期实验观测等。 由于地震断裂带岩石强烈破碎，钻进施工中护壁困难， 易发生漏失、坍塌、掉块和卡钻事故。 针对该井不同井段的实际情况，采取了不同的钻井液体 系及相应的维护手段和处理措施。一开使用CMC高坂含钻井液 、二开及以下使用钾石灰聚磺钻井液，并进一步提高钻井液防 塌效果。现场应用结果表明：应用的钻井液体系有较好的悬浮 携带、护壁防塌、润滑防卡能力。目前最深钻进至2319m。
级别 一 二 三 四 五 设备 振动筛 除砂器 除泥器 清洁器 离心机 处理能力（μm） >250 32－80 10－52 10－60 2－7
四、现场应用
泥浆技术的指导思想
泥浆技术是一项实践科学技术。要解决好实际工作中的 问题，最基本的一点就是要从实际出发，因地制 宜，不 能千篇一律、一成不变，要运用成熟先进的技术理念对 待问题，用有效的方法解决问题，特殊问题就用特殊方 法治理。同时，要坚持“预防为主、处理为辅”的方针 （墨菲定律）。
二、钻探复杂问题
松软地层缩径问题
B
破碎地层坍塌 问题
A 钻探复杂问题
C
扩径问题
大直径斜井携岩 问题
E
D
斜井降低摩阻 问题
三、钻井泥浆设计
WFSD-4孔泥浆技术总体思路
问题 • 井塌 • 扩径 • 缩径 • 携岩 • 润滑 解决思路 • 提高防塌 • 强化封堵 • 强化抑制 • 提高密度 • 提高粘切 • 高效润滑 具体措施 • 阳离子抑制水 化分散 • 多软化点沥青、 超细碳酸钙封 堵 • 多元防塌 • 合理粘切
三、钻井泥浆设计
钾石灰聚磺泥浆的优点
（1）抑制、防塌能力强。利用同离子效应和阳离子的强抑制作用,有效 地解决了长段泥岩和硬脆性地层的垮塌问题； （2）具有低分散 、低固相 、低滤失量特性； （3）抗污染能力强。具有良好的抗温、抗盐、抗钙和抗膨润土、钻屑 的污染能力,适合长段泥岩段、大井眼井段的施工; （4）流动性好,维护处理简单,成本合理。
四、现场应用
钾石灰聚磺钻井液配制方法
主抑制剂 KCl、石灰 辅抑制剂 K-PAM、 NH4HPAN 封堵剂FT342、QS-1
降滤失剂SMP、 SPNH、SMC、 CMC等 pH值调节剂 NaOH、KOH 增粘剂 HV-CMC
膨润土NV-1
土浆
水
润滑剂 FKRH
四、现场应用
现场维护办法
问题 粘度 － 失水 N 坂含 H 固相 N 钙离子 N 处理办法 1 、 加 入 KHm 、 NaHm 低 浓 度 碱 液 稀 释 ； 1、加烧碱；2、加 SMT 低 浓 度 高 碱 比 碱 液 ； 加 KHm 或 NaHm 低浓度 高碱比碱液； 1 、加强固控； 2 、加 低 浓 度 低 碱 比 SMT 或 KHm、NaHm碱液 1 、 加 大 KHm 和 SMC 等护胶剂加量且以碱液方 式入井； 1、使用好固控设备；
219.1
1972.3
一、概
况
各阶段施工情况（续）
开次 井眼编号 WFSD WFSD‐S1 三开 WFSD‐S2 WFSD‐S3 WFSD‐S4 WFSD‐S4 施工性质 取心钻进 取心钻进 侧钻 侧钻 侧钻 全面钻进 开窗侧钻 全面钻进 开窗侧钻 全面钻进 井眼直径 （mm） 150.0 150.0 152.4 152.4 152.4 152.4 152.4 152.4 井深段 （m） 1972.3-2313.70 2290.50-2319.07 2010.00-2271.03 2178.00-2281.90 2190.00-2262.36 2260.00-2291.90 2245.00-2262.55 2221.30-2261.81 168.3 2260.0 套管外径 （mm） 套管下深 （m）
三、钻井泥浆设计
分段泥浆主要性能参数设计指标
Ρ (g/cm3) YP τ0(pa) (API) FL (ml)
开次
FV (s)
PV (mpa.s)
1G/10G (Pa) 3-7/ 8-15 4-14 /1128
K (mm)
PH
Kf
一开
1.05-1.15
50-70
10-25
8-15
<10
0.6～1
一、概
316mm 502m
况
103/4-in （273/258.9mm）
250.8mm
85/8-in （219.1/203.7mm）
1972.3m 200mm 2262m 150mm 2800m 122mm 3350m 41/2-in（114.3/99.6mm） 51/2-in（139.7/125.7mm） 65/8-in（168.3/153.6mm）
一、概
况
各阶段施工情况
开次 一开 施工性质 全面钻进 全面钻进 井眼直径 （mm） 316.5 250.8 井深段 （m） 0-502.00 502.00 -1444.55 219.1 套管外径 （mm） 273 套管下深 （m） 501.73
活动套管：Φ219mm、下深：1439.61m 二开 取心钻进 扩孔钻进 全面钻进 150.0 250.8 250.8 1444.55-1555.00 1435.00-1555.00 1555.00-1972.30
8～ 9 0.090.11 0.090.06
二开
1.11-1.19
31-68
7-19
7-20.5
6-11.4
0.5-0.8
8.5-9.5
三开
1.24-1.55
32-73
19-37
5.5-35
2-6 /7-19
3.2-4.6
0.5-0.3
9.5-11
三、钻井泥浆设计
配浆与固控系统
砂泵 漏斗
进浆管+蝶阀+法兰盘
三、钻井泥浆设计
分段泥浆设计
地层特点 一开表层井段 （22～ 500m） （全面钻进） 二开至2000m （全面钻进、定 向钻进） 需穿过F2、F3断层，地层破 碎，且有断层泥，易坍塌、 缩径，造成起下钻遇阻、卡 钻严重。 2000m以下（取 心钻进、扩孔钻 进） 30-35°斜井，井眼清洁是 难点，要穿过F4、F5断层， 同时地层复杂程度难以预计 钾石灰聚磺聚合物泥浆体系，降 滤失、增强封堵能力和润滑防卡 能力 应预防涌水、井塌及井漏 泥浆 普通的CMC高坂含泥浆，地层 较简单，在安全钻进下，选择低 成本泥浆 钾石灰聚磺聚合物泥浆体系，降 滤失、增强封堵能力，以防阻、 卡