汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目WFSD-2孔鉆探施工技術(shù)

賈 軍，李旭東，樊臘生，段曉青

（1.北京探礦工程研究所，北京100083;2.江蘇省地礦局第六地質(zhì)大隊，江蘇連云港222023;3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734;4.陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊，陜西榆林 719000）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目WFSD-2孔鉆探施工技術(shù)

賈 軍1，李旭東2，樊臘生3，段曉青4

（1.北京探礦工程研究所，北京100083;2.江蘇省地礦局第六地質(zhì)大隊，江蘇連云港222023;3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734;4.陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊，陜西榆林 719000）

介紹了WFSD-2孔鉆探施工中采用的關(guān)鍵技術(shù)，包括:半合管取心技術(shù)、活動套管技術(shù)、螺桿馬達取心技術(shù)和鉆井液技術(shù)，以及發(fā)生的幾次重大孔內(nèi)事故的處理過程。

汶川地震;地震斷裂帶;科學(xué)鉆探

1 概述

WFSD-2孔是汶川地震帶科學(xué)鉆探工程的2個主孔之一，位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)。該孔原設(shè)計深度3000 m、全孔連續(xù)取心、終孔直徑150 mm、巖心采取率不低于85%、巖心保持原狀。2009年7月初開鉆不久，由于井場發(fā)生歷史罕見的特大泥石流災(zāi)害，經(jīng)專家論證后設(shè)計深度調(diào)整為2000 m，從孔深500 m后連續(xù)取心。

按照設(shè)計，為滿足鉆探施工的要求，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所和中國地質(zhì)裝備集團總公司聯(lián)合專門設(shè)計制造了一臺KZ3000型全液壓鉆機，裝備有液壓頂驅(qū)、液壓轉(zhuǎn)盤和液壓絞車，并配有液壓繩索取心卷揚，采用機電一體化控制。

WFSD-2孔布置在地震斷裂帶上，地層資料缺乏，巖層復(fù)雜，施工難度大。上部采用牙輪鉆頭全面鉆進，然后采用單動半合管提鉆取心和繩索取心鉆進，下部采用螺桿馬達驅(qū)動的單動半合管提鉆取心。期間經(jīng)歷了一次糾斜、一次側(cè)鉆和一次側(cè)鉆開窗補心，完鉆深度2283.56 m，終孔直徑122 mm，全孔平均巖心采取率91.1%，平均回次長度2.76 m，平均機械鉆速0.66 m/h。WFSD-2孔施工進度曲線如圖1，實際的鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序見圖2，鉆進施工時間分配見圖3，開孔頂角0°，終孔頂角6.9°、方位角297°（圖4）。

2 WFSD-2孔鉆探施工簡況

WFSD-2孔上部孔段（0～897.66 m）由北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院承包鉆探施工，下部孔段（897.66～2283.56 m）由陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊承擔(dān)日費制的鉆探施工。

鉆遇地層情況:

0～14.00 m為第四系沖洪積、坡洪積的漂礫石層;

圖1 WFSD-2孔的鉆進施工進展曲線圖

圖2 WFSD-2孔的鉆孔結(jié)構(gòu)與套管程序

圖3 WFSD-2孔鉆進時間分配

14.00～600.00 m主要為花崗巖，夾有閃長巖和火山凝灰?guī)r;

600.00～1218.00 m為三疊系沉積巖，巖性以碳質(zhì)砂泥巖、泥巖、頁巖和砂巖為主，較破碎;

1218.00～1680.00 m主要是花崗巖、閃長巖、凝灰?guī)r;

1680.00～1710.00 m沉積巖，以斷層角礫巖、碳質(zhì)泥巖為主，有縮徑現(xiàn)象;

圖4 WFSD-2孔施工過程中的頂角、方位角（測井原始數(shù)據(jù)）

1710.00～2081.30 m以凝灰?guī)r、花崗巖、花崗閃長巖為主;

2081.30～2283.56 m為碳泥質(zhì)粉砂巖。

2.1 一開鋼粒鉆進（0～47.80 m）

2.2 二開鉆進（47.80～638.01 m）

2.3 三開鉆進（638.01～1369.80、675.05～1349.50 m）

偏心擴孔后進行綜合測井和測地溫，期間處理電成像探頭遇卡事故。修孔后下入139.7 mm尾管并固井。

完成綜合測井、測地溫后，準(zhǔn)備開窗側(cè)鉆補心。

2.6 側(cè)鉆開窗補心鉆進（1356.00～1468.38 m）

2.7 完井

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 半合管取心技術(shù)

半合管取心技術(shù)是汶川地震科學(xué)鉆探采用的主要取心方法，很好地保證了取心的原狀性。WFSD-2孔取心鉆進使用的半合管鉆具規(guī)格有150和122 mm，長度分別為3、4和6 m。盡管地層破碎，容易堵心，但也曾采用6 m長半合管完成了回次進尺6 m的紀(jì)錄。圖5所示為WFSD-2-S1-13回次（1401.70～1405.40 m）采用半合管在極破碎地層中鉆取的較好保持原狀結(jié)構(gòu)的巖心。

通常，半合管取心方法主要應(yīng)用在鉆取軟的、易被沖蝕的巖礦層，由于受到施工成本和鉆具加工條件的限制，在一般的工程中很少使用。在汶川地震科學(xué)鉆探中，由于對巖心原狀性的特殊要求，幾乎全部采用半合管取心。在使用中發(fā)現(xiàn)，半合管整體剛度較整管大為降低，存在卡箍易碎裂、鎖緊力不夠，巖心堵塞時易將管體漲開造成單動失靈等問題。這些問題在施工期間得到了一定程度改進，但仍不夠完善。

圖5 采用半合管鉆取的WFSD-2S1-13回次巖心

3.2 活動套管技術(shù)

采用了活動套管技術(shù)解決了WFSD-2孔上部孔段取心鉆進期間的鉆具穩(wěn)定和泥漿上返攜帶巖屑問題。分別在鉆進孔深達到605.63 m和638.01 m時2次下入168.3 mm活動套管。第一次活動套管下入深度為311.84 m，其目的是解決500 m以下孔段的取心鉆具的穩(wěn)定和泥漿返速問題;當(dāng)取心鉆進至637.56 m時，發(fā)生了鉆具斷落事故，為了處理事故拔出168.3 mm活動套管，實施擴孔和套銑，事故處理完后，下入219.1 mm技術(shù)套管并固井，然后又在219.1 mm套管內(nèi)第二次下入168.3 mm活動套管，取心鉆進至859.63 m發(fā)生活動套管脫扣事故、處理后再次下入活動套管，取心鉆進至1368.80 m，再次拔出活動套管，實施擴孔。

通常選用活動套管直徑規(guī)格應(yīng)該是套管程序中較小的一種套管，在上部孔段施工中用作活動套管，在下部孔段用作技術(shù)套管，免得造成浪費。選用的套管扣型最好可重復(fù)擰卸，采用API套管時可選用BTC扣型，比長圓扣更適于多次擰卸。

下入的活動套管防止倒扣是非常重要的，最好在活動套管底部安裝有防止倒扣功能的承托短節(jié)，即可承托套管的重力，又可防止鉆進期間套管倒扣。

3.3 螺桿馬達取心鉆進技術(shù)

螺桿馬達驅(qū)動的單動雙管（半合式內(nèi)管）取心鉆進工藝是WFSD-2孔深部采取的主要取心鉆進方法。采用螺桿馬達取心鉆進工藝主要是解決了鉆遇地層嚴重破碎，有利于維護井壁穩(wěn)定，防止掉塊、減小井壁坍塌埋鉆的事故風(fēng)險。

施工中選用的螺桿馬達主要有2種型號:4LZ120和5LZ95，均為天津立林機械集團有限公司生產(chǎn)的。

WFSD-2孔從孔深1500.99 m開始使用螺桿馬達取心鉆進，到孔深1861.07 m變更孔徑為122 mm，更換5LZ95螺桿至終孔。

在極其破碎的斷裂帶中，采用螺桿馬達取心鉆進不僅有效地維護孔壁穩(wěn)定，而且提高了機械鉆速，避免了鉆桿磨損，對提高巖心采取率和保持巖心原狀都很有利。

3.4 泥漿技術(shù)

泥漿的使用效果和管理水平直接關(guān)系到鉆進效果，特別是在復(fù)雜地層中，泥漿的作用顯得尤為突出。WFSD-2孔鉆遇地層極為復(fù)雜，孔壁十分脆弱，施工期間遇到的主要問題如下。

（1）孔壁坍塌、掉塊。WFSD-2孔位于地震斷裂帶，地層極其破碎，鉆進中（尤其是擴孔鉆進）經(jīng)常發(fā)生掉塊和坍塌現(xiàn)象，輕則使得鉆具上（下）行遇阻，重則發(fā)生埋（卡）鉆事故。

（2）縮徑。進入三疊系含有蒙脫石、伊利石和高嶺石等粘土礦物的泥頁巖地層，由于地層水敏和地應(yīng)力釋放，若鉆具停留時間稍長，就會出現(xiàn)起下鉆遇阻，必須掃孔通過。

（3）涌水和漏失。該鉆孔淺部涌水，深部漏失。取心鉆進到孔深1270 m以后，地層壓力低，一旦立管壓力超過3 MPa，便發(fā)生漏失，嚴重時孔口失返。

（4）斷層泥。汶川地震科學(xué)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(yīng)力作用下，孔壁巖層朝著鉆孔徑向塑性流動產(chǎn)生鉆孔縮徑;另一方面，斷層泥中富含伊利石和綠泥石等吸水膨脹性很強的粘土礦物，遇水即脹，極易導(dǎo)致鉆孔縮徑。

WFSD-2孔泥漿設(shè)計和管理由北京探礦工程研究所和成都理工大學(xué)負責(zé)，采用以LBM為主料的泥漿體系，為達到穩(wěn)定孔壁的作用，復(fù)配有GLA（俗稱高改性瀝青粉），提高裂縫的粘結(jié)力，抑制地層水化，防止孔壁掉塊和坍塌;在縮徑嚴重的斷層泥孔段，適當(dāng)加入HV-CMC和PAC141降低失水，加入重晶石調(diào)整泥漿密度，適量添加GLUB提供泥漿的潤滑效果;采用螺桿馬達鉆進孔段要提高泥漿的潤滑性;在地層壓力允許的情況下，盡可能降低泥漿的含砂量，使泥漿對孔底動力系統(tǒng)的磨損降到最小。

4 幾次嚴重的孔內(nèi)事故

4.1 SDB150鉆具擴孔器折斷

SDB150鉆具是成都李工鉆探設(shè)備有限公司新設(shè)計的大直徑半合管取心鉆具，在WFSD-2孔首次使用，2010年1月4日孔深637.56 m時發(fā)生上擴孔器公扣根部折斷事故。折斷的上擴孔器見圖6。

圖6 折斷的SDB鉆具上擴孔器

圖7 套銑出的SDB鉆具

金剛石擴孔器公扣絲底厚度薄弱，疲勞破壞是導(dǎo)致此次事故的直接原因，說明SDB150鉆具初次設(shè)計不夠成熟。

4.2 繩索取心鉆具脫扣

S150繩索取心鉆具是為汶川科鉆項目新研制的鉆具，在WFSD-2孔首次使用，從孔深838.66 m開始到894.17 m，使用了29回次。在第29回次鉆進結(jié)束后，內(nèi)管打撈不動，提鉆后發(fā)現(xiàn)彈卡室（母扣）與鉆具上擴孔器（公扣）脫扣，內(nèi)管總成和上擴孔器及以下部分落入孔內(nèi)。

經(jīng)多次打撈，均未成功，并且導(dǎo)致第二套鉆具卡鉆，強拉520 kN，鉆具再一次從彈卡室與上擴孔器連接絲扣處拉斷，造成事故套事故。

下入LM-T127打撈矛加ZSJ46液壓隨鉆上擊器打撈上“落魚”，經(jīng)過反復(fù)振擊，最大拉力540 kN，每次振擊后鉆具上升幾厘米，振擊十幾次后鉆具解卡，隨后接主動鉆桿開泵循環(huán)，上提至550 kN拉動鉆具，成功打撈出上“落魚”。

通孔后用ND-S140水力式內(nèi)割刀從下擴孔器上面割斷以減小打撈阻力;然后下入LM-T127（117 mm卡瓦）打撈矛+ZSJ46隨鉆上擊器進行打撈，打撈矛卡瓦卡不住“落魚”，連續(xù)多次打撈均未成功。不得已，采用磨削鉆具消滅“落魚”，期間下入LM139.7打撈矛（127 mm卡瓦）+ZSJ46液壓隨鉆上擊器，撈出0.27 m的割口位置以上“落魚”。尚有150 mm擴孔器和150 mm PDC鉆頭留在孔底，繼續(xù)用磨鞋消滅孔底“落魚”，從892.93 m磨削至894.17 m后，兩次下入取心鉆具均未取出巖心，最后下入強磁打撈器，取出部分金屬碎屑。再次下入取心鉆具，鉆進至895.94 m，進尺0.53 m，取出巖心0.70 m。此次事故處理時間從2010年7月31日到2010年9月2日，共計用時約33天。

發(fā)生事故的原因主要是:

（1）地層破碎，受泥漿浸泡以后孔壁剝離巖屑或出現(xiàn)掉塊;

（2）擴孔器設(shè)計扣高為1 mm，材質(zhì)為45鋼，抗拉脫的強度低。

這次嚴重的事故，最終導(dǎo)致更換施工隊伍。盡管事故處理已結(jié)束，孔深也超過了事故前的深度，但采用磨削的辦法消滅“落魚”，很難做到干凈徹底，孔底仍然存在有大量未完全消滅的鉆具殘骸，給后續(xù)的施工帶來很大麻煩。圖8是在后續(xù)施工中取出的事故殘骸和被破壞的PDC鉆頭。

圖8 處理事故后遺留的鉆具殘骸和被破壞的PDC鉆頭

4.3 擴孔埋鉆

取心鉆進至1369.80 m后，考慮到孔壁安全，開始實施擴孔，準(zhǔn)備下入168.3 mm套管。擴孔鉆頭直徑為200 mm，擴孔鉆進從638.01 m開始。上部沉積巖地層采用復(fù)合片（PDC）導(dǎo)向鉆頭擴孔至1224.52 m，下部地層為花崗巖，改用牙輪擴孔鉆頭。當(dāng)擴孔鉆進至1330.23 m時，因孔內(nèi)鉆具跳動嚴重，扭矩波動大，進尺緩慢，決定提鉆檢查鉆具。當(dāng)提鉆至1249.57～1254.83 m孔段時，發(fā)生坍塌埋鉆事故，經(jīng)多次反復(fù)提壓和震擊均未解卡，不得已聘請川慶鉆探工程有限公司測井公司實施爆破松口，提出穩(wěn)定器以上全部鉆具。

爆破松口后，打算采用套銑的辦法，打撈下部“落魚”。先后2次下入套銑筒，均沒能到達“魚頂”，第二次套銑筒下到771.25 m，又發(fā)生卡鉆事故。采用孔口預(yù)緊倒扣的方法，從套銑筒上部松開，起出除套銑筒以外的全部鉆具，“魚頂”位置769.04 m。為加快施工進度和減少施工成本，最后決定水泥封固，實施側(cè)鉆。

這次事故耽擱工期12天。發(fā)生事故的原因主要是擴孔鉆進造成鉆孔直徑加大，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，提鉆誘發(fā)坍塌埋鉆。

5 地震科學(xué)鉆探有待解決的問題

（2）專門為汶川地震科學(xué)鉆探設(shè)計制造的KZ3000型全液壓鉆進鉆機經(jīng)施工實踐檢驗，發(fā)現(xiàn)存在輸出效率低和頂驅(qū)回轉(zhuǎn)扭矩不足、給進控制不便和絞車排繩等不足問題。

（3）在破碎帶實施大直徑深孔取心鉆探，不管從設(shè)備到工藝方面，由于并存有多重復(fù)雜因素（破碎、坍塌、涌漏、縮徑等），有待針對多種復(fù)雜條件并存的情況，開展復(fù)合工藝的研究。

6 結(jié)論

（1）在WFSD-2孔鉆探施工中，采取了一系列綜合技術(shù)措施，解決了地震斷裂帶鉆探施工存在的巖層破碎、鉆孔涌水、鉆孔坍塌擴徑、斷層泥縮徑、卡鉆、埋鉆、取心和護壁困難等諸多技術(shù)難題，為地震斷裂帶的鉆探施工摸索和積累了寶貴的經(jīng)驗。

（2）采用半合管取心工藝，解決了破碎地層取心質(zhì)量技術(shù)難題，為地學(xué)研究提供了原狀性好的優(yōu)質(zhì)巖心。

（3）采用活動套管技術(shù)解決了WFSD-2孔上部孔段取心鉆進期間的鉆具穩(wěn)定和泥漿上返攜帶巖屑問題。

（4）在極其破碎的斷裂帶中，采用螺桿馬達取心鉆進不僅有效地維護孔壁穩(wěn)定，而且提高了機械鉆速，避免了鉆桿磨損，對提高巖心采取率和保持巖心原狀都很有利。

（5）采用高密度低失水泥漿體系，解決了鉆孔垮塌、斷層泥膨脹縮徑的技術(shù)難題，為鉆孔任務(wù)的完成提供了重要的保障條件。

［1］ 胡時友，宋軍，張偉，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）項目鉆探和測井課題的組織實施與管理［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）.

［2］ 樊臘生，賈軍，吳金生，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔（WFSD-1）鉆探施工概況［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）.

［3］ 張偉，賈軍.汶川地震科學(xué)鉆探二號孔取心鉆進方法的選擇［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（7）.

［4］ 李海明.WFSD-2孔二開孔斜分析及糾斜施工［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（1）.

［5］ 李之軍，陳禮儀，賈軍，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔（WFSD-1）斷層泥孔段泥漿體系的研究與應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）.

［6］ 王達，張偉，張曉西，等.中國大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

Drilling Technology in WFSD-2 of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

JIA Jun1，LI Xu-dong2，F(xiàn)AN La-sheng3，DUAN Xiao-qing4（1.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China;2.No.6 Geological Brigade，Jiangsu Geology＆ Mineral Exploration Bureau，Lianyungang Jiangsu 222023，China;3.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China;4.185 Brigade，Shaanxi Bureau of Coal Geology，Yulin Shanxi 719000，China）

This paper introduces the key drilling technology used in WFSD-2，including half-open core barrel coring technology，moving casing technology，down hole motor coring technique and drilling fluid technology.Several major accident management processes are summarized also.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling

P634

A

1672-7428（2012）09-0006-06

2012-08-08

科技部科技支撐計劃專項“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）”項目之“科學(xué)鉆探與科學(xué)測井”課題

賈軍（1956-），男（漢族），黑龍江人，北京探礦工程研究所副所長、教授級高級工程師，汶川地震科學(xué)鉆探工程（WFSD）中心副總工程師、鉆井工程部主任，曾任中國大陸科學(xué)鉆探工程（CCSD）現(xiàn)場指揮部調(diào)度室主任，探礦工程專業(yè)，博士，從事科學(xué)鉆探工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號探工樓307室。