汶川地震断裂带科学钻探泥浆体系的研究及应用

摘要

汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)是在我国汶川大地震发生之后由科技部、国土资源部和国家地震局联合组织实施的研究项目。其目的是在汶川大地震地表破裂带实施5口科学群钻，通过对钻孔的直接取样，了解地震断裂带的深部组分、结构和构造属性，重塑地震断裂带的物理和化学过程，为提高未来地震的监测、预报或预警能力提供重要信息。
　　 汶川地震断裂带科学钻探施工难度极大，主要表现在地层条件极其复杂，在施工中易发生钻孔坍塌、缩径、漏失等复杂情况，严重影响施工的正常进行。因此，针对该情况，本文以WFSD-3和WFSD-4孔为背景，从泥浆方面进行深入研究，并在现场得以良好应用，对该项目的顺利进行提供了有力保障。
　　 本文首先从孔壁力学稳定性方面对不同钻孔结构进行了应力状态基本分析，并根据陈群策等人在龙门山断裂带实施的地应力测量数据进行分析研究得知，在汶川地震断裂带科学钻探施工区域的地应力特征表现为以水平地应力为主，且地应力较其他地区异常偏高，其中最大水平地应力与最小水平地应力差值较大，因此，泥浆当量密度可调范围较窄，在该地应力状态下孔壁极易发生剪切破坏而失稳。
　　 同时，针对该钻探工程进行了泥浆技术难点与设计依据分析，并据此选用了不同类型的泥浆处理剂进行作用原理分析与性能评价，主要包括造浆粘土、增粘剂、降失水剂、抑制剂、封堵剂和润滑剂的优选与评价。并采用上述泥浆材料优选出三个主要泥浆体系配方供现场选用，同时对这些泥浆体系进行性能评价，主要包括流变性与失水造壁性能评价、加重性能评价、封堵渗透性评价和抗污染性能评价等。
　　 根据室内优选出的泥浆配方，结合现场实际情况进行合理选用，其中WFSD-3孔主要采用改性磺化泥浆体系和钾铵基聚磺泥浆体系，WFSD-4孔主要选用钾石灰聚磺泥浆体系。同时，在现场应用中对实际施工情况（包括钻进孔深、钻进工艺、钻遇地层情况等）进行研究与分析，再据此对泥浆性能进行合理调整与维护，使用表明此三种泥浆体系均起到了良好的应用效果。
　　 根据在WFSD-3和WFSD-4施工中遇到的特殊情况，对泥浆处理的关键技术进行了研究及应用，主要包括泥浆钙侵与二氧化碳侵处理技术研究与应用、钻头泥包处理技术研究与应用、长裸眼定向孔活动套管工艺的泥浆技术的研究及应用和固相控制理论研究与应用。
　　 因此，本文从孔壁稳定性理论入手，对汶川地震断裂带科学钻探的泥浆体系及现场对所遇到泥浆关键处理技术进行了研究及应用，并取得了良好的应用效果，对整个工程的顺利推进具有重大意义，同时也为以后在地震断裂带进行钻探施工提供了可靠的泥浆技术经验。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 孔壁稳定性国内外研究现状

1．2．2 防塌泥浆体系国内外研究现状

1．3 主要研究内容及研究技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

1．4 预期目标

第2章 孔壁稳定性理论研究

2．1 孔壁应力状态分析

2．2 孔壁稳定性力学分析

2．2．1 地层坍塌压力的确定

2．2．2 地层破裂压力的确定

2．3 汶川地震断裂带地应力分析及影响

2．3．1 龙门山地震断裂带地应力分析

2．3．2 地应力对孔壁稳定性的影响

2．4 孔壁稳定性其他影响因素

第3章 WFSD工程泥浆体系的研究与评价

3．1 泥浆技术难点与设计依据

3．1．1 泥浆技术难点

3．1．2 泥浆设计依据

3．2 处理剂的选择与评价

3．2．1 造浆粘土

3．2．2 增粘剂

3．2．3 降失水剂

3．2．4 抑制剂

3．2．5 封堵剂

3．2．6 润滑剂

3．3 泥浆体系的优化与评价

3．3．1 流变性及失水造壁性能评价

3．3．2 加重性能评价

3．3．3 抑制性评价

3．3．4 封堵性评价

3．3．5 抗污染能力评价

3．4 小结

第4章 WFSD工程泥浆体系现场应用研究

4．1 WFSD-3孔泥浆体系现场应用研究

4．1．1 WFSD-3孔概况

4．1．2 二开以浅现场应用研究

4．1．3 二开以深现场应用研究

4．2 WFSD-4孔泥浆体系现场应用研究

4．2．1 WFSD-4孔概况

4．2．2 一开阶段现场应用研究

4．2．3 二开阶段现场应用研究

4．2．4 三开以深孔段现场应用研究

4．3 小结

第5章 WFSD工程泥浆使用中的关键技术研究与应用

5．1 泥浆抗污染研究与应用

5．1．1 钙侵问题分析与处理技术研究

5．1．2 二氧化碳侵问题分析与处理技术研究

5．2 钻头防泥包泥浆处理技术研究与应用

5．2．1 钻头泥包现象及原因

5．2．2 防止钻头泥包的泥浆处理方法

5．2．3 钻头泥包现场处理应用

5．3 长裸眼定向孔活动套管工艺泥浆技术研究与应用

5．3．1 活动套管施工工艺的目的及意义

5．3．2 活动套管施工的关键泥浆技术

5．3．3 WFSD-4活动套管施工现场应用研究

5．4 固相控制研究与应用

5．4．1 无用固相对钻探施工的影响

5．4．2 固相控制设备选择

5．4．3 WFSD工程现场固控应用

5．5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果