汶川地震斷裂帶科學鉆探三號孔（WFSD-3）事故處理與認識

張文生，張正（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安 237010）

汶川地震斷裂帶科學鉆探三號孔（WFSD-3）事故處理與認識

張文生，張正
（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安 237010）

WFSD-3孔因地層破碎、縮徑，不可預(yù)知因素多，發(fā)生多起孔內(nèi)事故，通過對鉆鋌脫扣、下套管卡鉆、埋鉆等不同事故原因分析、事故處理，對WFSD-3孔施工工藝做出了改進與調(diào)整，總結(jié)了對科學鉆探孔事故預(yù)防與處理的經(jīng)驗體會。

汶川地震斷裂帶；復(fù)雜地層；事故處理；認識與體會

0　引言

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目工程三號孔（WFSD-3），位于汶川大地震的源區(qū)——龍門山“北川—映秀”斷裂帶上，由于受許多次地震作用，巖層整體破碎嚴重，鉆探施工異常艱難，孔內(nèi)事故頻發(fā)，處理難度大。在整個施工期間，僅發(fā)生較大以上孔內(nèi)事故就有三起，處理事故時間長達224d。本文結(jié)合WFSD-3孔三起較大孔內(nèi)事故處理情況，探討在復(fù)雜地質(zhì)條件、高標準要求下的科學鉆探孔內(nèi)事故處理與預(yù)防的認識。

1　工程概況與鉆孔結(jié)構(gòu)

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目工程三號孔原設(shè)計1200m，后因地質(zhì)條件變化，鉆孔加深至1502.30m。

WFSD-3孔鉆孔結(jié)構(gòu)與施工過程：

三開Φ150mm取芯鉆進至1186.77m，發(fā)生Φ121mm鉆鋌脫扣事故，打撈無效，采用Φ200mm擴孔鉆具擴至1143.10m(“魚頂”位置)，再用Φ177.8mm套銑筒將鉆具全部打撈上來。試下Φ168 mm套管上提被卡，強拉套管脫扣，封孔自然側(cè)鉆在795m出新孔，Φ152mm鉆頭延伸鉆進至830.10m，擴孔，劃眼，下入Φ168mm套管至815.29m，固井。

四開Φ150mm鉆具取芯鉆進至1187.28m，掃孔換漿時埋鉆，反出部分鉆具后封孔人工側(cè)鉆，Φ152mm全面鉆進至1180.88m，換Φ122mm鉆具取芯至1202.57m,擴孔，下Φ127mm套管至1180.66m，固井。

表 1 WFSD-3孔實際鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序Table 1Actual structure and casing procedure of hole WFSD-3

2　孔內(nèi)事故及其處理

WFSD-3孔在施工過程中共發(fā)生過三次較大以上孔內(nèi)事故，分別是：三開Φ150mm取芯鉆進時Φ121mm鉆鋌脫扣事故；三開試下Φ168mm套管卡鉆事故；四開Φ150mm取芯鉆進鉆具埋鉆事故。

2.1鉆鋌脫扣事故處理及原因分析

2010年10月8日三開取芯鉆進至孔深1186.77m處，操作人員采心時連續(xù)兩個回次發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)扭矩增大，隨即提鉆發(fā)現(xiàn)第一組鉆鋌與下面兩組鉆鋌脫扣，兩組鉆鋌及取芯鉆具掉落孔內(nèi)。

2.1.1事故處理過程

鉆鋌脫落后立即配打撈鉆具，用Φ89mm變絲接頭+Φ73mm公錐嘗試打撈，吃扣后提拔不動，強力提拔數(shù)次，公錐數(shù)次脫扣，經(jīng)多次打撈無效，決定采取擴孔、套銑后再返出事故鉆具的方法處理；起出Φ168mm活動套管后，用Φ150mm/Φ202mm導(dǎo)向擴孔鉆頭自407.50m擴孔至1143.70m（魚頂）；再用Φ178mm套銑管10.32m+Φ202mm套銑鉆頭的套銑鉆具逐根套銑孔內(nèi)鉆鋌與取芯鉆具，然后用Φ73mm反絲鉆桿+Φ168mm套筒公錐反絲撈具逐根打撈，如此反復(fù)。施工中要求每次套銑至事故鉆具下一鉆鋌接頭處，方可下反絲撈具打撈。至2010年11 月23日打撈出全部鉆鋌與鉆具，事故處理完畢，處理時間46d。

2.1.2事故原因分析

（1）鉆遇地層1160m往下縮徑現(xiàn)象嚴重，孔內(nèi)阻力大，同時采心時泵量過小，取芯方法不當。

（2）提鉆頻繁，個別鉆鋌絲扣磨損嚴重；鉆桿與鉆鋌上緊扭矩不夠。

（3）鉆孔超徑嚴重，鉆具工作失穩(wěn)使鉆鋌受力不均松扣。

2.2試下套管卡鉆事故處理及原因分析

2.2.1事故過程及處理

2010年12月1日試下套管至1053.86m遇阻，遂提鉆至938.50m時遇卡，強拉不動，后用大鉤與油缸連頂帶拉，鉆具被強力提出孔內(nèi)，卻發(fā)現(xiàn)套管脫扣，有70.26m套管留在孔內(nèi)（“魚頂”在871.02m處）。

套管脫落后配打撈工具，配Φ73mm變絲接頭+Φ168mm公錐嘗試打撈，錐頭難以進入套管，打撈未成功，之后焊公錐導(dǎo)向數(shù)次打撈仍未成功。經(jīng)研究決定采取水泥封孔，側(cè)鉆或自然出新孔繞障，繞障后下套管固井。

采用G油井水泥封孔至6 7 7.1 6 m，待水泥凝固后用Φ200mm鉆頭掃水泥至761.59m，換用Φ 1 5 2 m m鉆頭鉆進至830.10m，進尺慢、阻力大。途中通過多次取芯與測斜，發(fā)現(xiàn)在788~790m出現(xiàn)拐點，頂角由4.5°增至7.5°，確認在此孔段出現(xiàn)新孔，至830m頂角仍有增大趨勢。由于新孔孔斜增大過快，不利下一步施工。為保證下步施工與孔內(nèi)安全，根據(jù)施工實際情況，先劃眼下套管至815.29m，固井，再用Φ152mm三牙輪鉆頭鉆進至1149.85m。之后采用Φ150mm鉆頭取芯鉆進，至4月9日達到并超過事故前孔深（1186.77m），事故處理結(jié)束，歷時130d。

2.2.2事故原因分析

（1）孔內(nèi)掉塊、縮徑，局部孔段泥皮塌落；

（2）施工技術(shù)上為追求完美，試下套管太長；

（3）套管遇阻時，正趕上早換班，班長經(jīng)驗不足，處理方法不當，未及時活動鉆具。

（4）套管遇阻，提升過程中，因鉆機能力不足，鉆機發(fā)生故障，延誤處理最佳時機。

2.3埋鉆事故及處理

2.3.1事故發(fā)生情況

2011年4月10日，WFSD-S1-3孔采用Φ150mm雙管鉆具取芯鉆進至1187.28m；施工中發(fā)現(xiàn)自1164m往下鉆孔嚴重縮徑，每回次取芯鉆進前均需掃孔，而且自WFSD-S1-3孔第22回次（孔深1182.34m）開始每次提鉆孔內(nèi)有勁。

為保證施工順利進行，補充比重1.57g/cm3（加入重晶石）新泥漿6 m3；掃孔至1175.40m，突然BW300/12泥漿安全閥沖開，調(diào)好安全閥后泵送漿不通，提鉆有勁，倒劃眼不轉(zhuǎn)，連頂帶拉，強力提拔不動，鉆具卡死。

2.3.2事故處理過程

此次事故因受三開套管口徑限制，處理難度極大，具體處理過程:

（1）事故發(fā)生后，開泵循環(huán)不通、倒劃眼不動，處理無效。

（2）用XY-8B鉆機連頂帶拉強拔，鋼絲繩斷，處理失敗。

（3）用DY-75液壓千斤頂起拔，起拔力達75T拔出Φ73mm單根1根9.53m。后效果不明顯，停止強力起拔。

（4）用注漿泵送漿以圖建立循環(huán)，泵壓達25MPa，鉆孔漏失，未建立循環(huán)停止作業(yè)。

（5）反鉆具：第一步用鉆機拉緊退扣，返出Φ73mm正絲鉆桿89根，后用Φ73mm反絲鉆桿分2次返出3根Φ73mm正絲鉆桿，累計866.87m；第二步：先用Φ140mm套銑筒套銑，再用Φ73mm反絲鉆桿打撈，分多次返出剩余26根Φ73mm正絲鉆桿，至1097.76m。其下孔內(nèi)殘留鉆具因Φ140套銑筒穿過”魚頂”將桿體磨薄，扭斷在孔內(nèi)，無法打撈，只得封孔側(cè)鉆。

（6）通過Φ73mm鉆桿，采用泵送注入油井G級水泥8t，進行封孔。水泥凝固后，Φ152mm三牙輪鉆頭掃水泥塞，至孔深1051.50m，采用Φ130mm造斜鉆頭側(cè)鉆，至1096.83m取芯確認出新孔后，采用Φ152mm三牙輪鉆頭鉆進至1180.88m，之后采用Φ122mm鉆頭取芯鉆進，至1202.57m 換徑。

2.3.3事故原因分析

孔壁形成泥皮厚且松散，鉆孔裸眼鉆進周期太長，鉆孔超徑嚴重，一次換漿量過大，掃孔時孔內(nèi)超徑孔段泥皮、巖屑、碎塊脫落，出現(xiàn)“脫褲子”現(xiàn)象，導(dǎo)致埋鉆。

WFSD-3孔三次孔內(nèi)事故除鉆鋌脫扣采取套銑方法處理成功外，后兩次事故因復(fù)雜只得側(cè)鉆處理。第一次：Φ168mm套管卡鉆事故后，采用水泥封孔，自然側(cè)鉆繞過事故套管；第二次：Φ150mm鉆具埋鉆事故后，采用水泥封孔,人工側(cè)鉆繞過事故鉆具。

3　事故后施工改進措施及其效果

3.1下管前充分劃眼

WFSD-3孔在試下套管卡鉆事故后采用多遍劃眼方法：第一遍擴孔鉆頭+同徑穩(wěn)定器1只+鉆鋌+鉆桿的鉆具組合劃眼；第二遍擴孔鉆頭+同徑穩(wěn)定器1只+鉆鋌2根+同徑穩(wěn)定器1只+鉆鋌+鉆桿的鉆具組合劃眼；第三遍擴孔鉆頭+同徑穩(wěn)定器1 只+鉆鋌1根+同徑穩(wěn)定器1只+鉆鋌1 根+同徑穩(wěn)定器1只+鉆鋌+鉆桿的鉆具組合劃眼；劃眼要勻速，劃眼擴孔鉆頭用帶導(dǎo)向四翼或六翼復(fù)合片鉆頭，這樣井眼圓正，易于套管下入。上述方法效果好，后期套管均一次下放到位。

3.2改善泥漿體系

WFSD-3孔地應(yīng)力較高，所鉆遇大量煤系、泥頁巖地層以及斷層泥，具有較強的塑性和遇水膨脹性，尤其在1150m以后地層縮徑現(xiàn)象嚴重，鉆鋌脫扣與埋鉆事故均與此有關(guān)，通過以下技術(shù)方法有效控制了鉆孔快速縮徑：

（1）平衡強地應(yīng)力，用加重晶石提高泥漿密度（泥漿密度最高為1.59g/cm3）；

（2）控制失水量，主要通過向泥漿中添加S-1，CMC等降濾失劑，體系失水量一般控制在4~6 ml/30min（最低至3.2ml/30min）；

（3）提高泥漿體系的抑制能力，加入多種強抑制劑（如：NH4-HPAN，K-PAM），提高泥漿防塌能力。

3.3加強固控措施

因泥漿粘度高、比重大，用沉淀法撈碴已不適應(yīng)泥漿凈化及固控需要，增加自制振動篩和除泥器各1臺，與原有的離心機形成三級固控體系，加強泥漿除碴、除泥工作，取得了較好效果。

每次調(diào)漿量控制在2m3以內(nèi)，充分循環(huán)后再加漿；泥漿泵采用TBW850-5A與BW300-12一大一小雙泵并聯(lián)，取芯用BW300-12泵，沖孔排碴用TBW850-5A，既保證取芯質(zhì)量，又保持鉆孔干凈。

3.4加強施工管理

（1）采取項目經(jīng)理、技術(shù)負責、機長值班制，交接班、下套管、固井、鉆孔漏失、縮徑、泵壓高等不正常情況必須在場,尤其在早3~5點危險時段實施查崗；班長每2h換人，保持注意力。

（2）操作上要求下鉆前，仔細檢查鉆具絲扣，發(fā)現(xiàn)不合格的、損壞的及時更換，嚴禁下入孔內(nèi)；遇到不正常情況，及時匯報；提鉆時遇阻力時，拉力表反映數(shù)據(jù)超過額定值，及時下放活動鉆具。

4　幾點體會

（1）WFSD-3孔地處龍門山地震斷裂帶上，地層復(fù)雜，發(fā)生的事故處理難度大。大口徑鉆探孔深鉆具重，手感差，孔內(nèi)事故處理不能停留在小口徑鉆探經(jīng)驗上，光憑手感和經(jīng)驗處理不準確，要根據(jù)孔內(nèi)鉆具扭矩、拉力、泵壓、泵量、余尺等參數(shù)準確判斷。大口徑鉆探卡鉆時若無法建立泥漿循環(huán)、震擊強拔無效時，可采用爆炸松扣處理，長孔段套洗反鉆具周期長、風險大、勞民傷財。

（2） WFSD-3孔屬大直徑、復(fù)雜地層取芯鉆孔，采用的HXY-8B鉆機及配套設(shè)備，在當時是較好的取芯鉆探設(shè)備，但其施工能力明顯不足，尤其鉆孔發(fā)生異常情況，無能力及時處理，而造成孔內(nèi)事故。如第三次埋鉆事故若設(shè)備提升能力能達100T，可能就可快速處理上來。

（3） WFSD-3孔地層復(fù)雜，泥漿護壁，有其時效性，長時間裸眼鉆進，頻繁提下鉆，孔壁極易坍塌；應(yīng)及時按設(shè)計下入相應(yīng)的套管，不能因施工順利加深施工，因一念之差造成重大損失。每層套管直徑與鉆孔直徑級差不宜偏小，否則增加下井管與固井的難度。復(fù)雜地層中試下長套管串風險大,易造成孔內(nèi)重大事故，施工中不宜采用試下套管的辦法。若套管下放不到位，也應(yīng)及時固井，采用下尾管方法補救。

（4）地層縮徑采用偏心鉆頭或擴孔器掃孔，擴大井徑，防止鉆具卡埋。

（5） 地表泥漿凈化及固控系統(tǒng)不規(guī)范，應(yīng)配備適應(yīng)大口徑取芯鉆進的固控設(shè)備。尤其金剛石鉆進泥漿固相顆粒細，加強泥漿除泥工作。

（6）測井口袋長，擴孔時，下部孔段用黏土球封閉，否則在下好套管后，掃下部口袋，因口袋內(nèi)沉碴多、碎塊大，不易破碎，無法隨泥漿排出，造成憋泵，無法正常鉆進，只得采用撈碴筒一點一點撈出，嚴重影響施工進度。施工中應(yīng)盡量減少測井口袋長度和套管鞋以下的大井眼預(yù)留長度。

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treAtment of the ACCident With SCientifiC drillinG hole WfSd-3 in the WenChuAn SeiSmiC fAult zone And the underStAndinGS

zhAnG Wen-sheng, zhAnG zheng
( No.313 Unit of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province , Lu'an, Anhui 237010,China)

Hole WFSD-3 encountered a number of downhole accidents due to stratigraphic breakage, h ole shrinkage and many unforeseen factors. After analysis of causes and treatment of different accidents such as drill collar tripping, run-casing sticking and bit burying, this paper improved and adjusted hole WFSD-3 construction techniques, summarized work experiences from prevention and treatment of scientific drilling hole accidents.

Wenchuan seismic fault zone; complex stratum; accident treatment; understandings

P634.8

A

1005－6157（2016）01－040－4

2015-08-21

張文生（1966-），男，安徽懷寧人，高級工程師，現(xiàn)主要從事探礦工程技術(shù)和管理工作。