汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3-P孔鉆探施工概況

趙遠剛，樊臘生，楊明奇

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都610081;2.四川省地礦局四○三地質隊，四川 峨眉山 614200）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3-P孔鉆探施工概況

趙遠剛1，樊臘生1，楊明奇2

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都610081;2.四川省地礦局四○三地質隊，四川 峨眉山 614200）

主要介紹了汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3-P孔的地層情況、施工過程、鉆井液技術、事故的處理與預防技術。在鉆探施工中，采取了高密度低失水泥漿體系和反復掃孔、起鉆中途回灌泥漿的措施，解決了斷層泥縮徑、巖層破碎、鉆孔坍塌擴徑的技術難題，并取得了原狀性完好的巖心。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;鉆探施工;先導孔;鉆井液;事故處理與預防

1 概述

WFSD-3-P孔位于四川省綿竹市九龍鎮(zhèn)，是汶川地震斷裂帶科學鉆探項目在龍門山前緣安縣-灌縣斷裂帶上實施的第一個鉆孔，也是WFSD-3孔的先導孔。該孔在鉆探施工過程中借鑒了WFSD-1孔施工的經驗，優(yōu)化了井身結構，采用四開完井工藝，繩索取心與提鉆取心鉆進相結合，優(yōu)化套管串結構等鉆進技術。全孔施工順利，圓滿完成了鉆探任務。該孔設計孔深400 m，全孔連續(xù)取心，施工實際用時89.5天（含測井和科學實驗），于2009年12月12日完井，完鉆孔深551.54 mm，巖心采取95.1%。WFSD-3-P孔施工進度曲線見圖1。

2 鉆探施工概況

2.1 地層情況

圖1 WFSD-3-P孔施工進度曲線

WFSD-3-P孔地層為三疊系、侏羅系的沉積巖層，巖性主要為砂巖、礫砂巖、粉砂巖、碎裂巖、碳質泥巖以及斷層泥等，巖層產狀大致為308°∠48°～58°。破裂帶深度約為440.67～508.78 m（距地表）。鉆遇地層的巖性情況:0～47.26 m為第四系松散堆積物，地層破碎，漏失嚴重;47.26～440.67 m孔段主要由砂巖、粉砂巖構成，夾雜早期斷層角礫巖、碎裂巖和斷層泥等，上部地層伴有漏失和涌水;440.67～508.78 m孔段是本孔主斷裂帶地層，斷層泥厚度達到19.51 m，主要由斷層泥、碎裂巖組成，該段地層十分破碎，夾雜的斷層泥為黑色，具有強縮徑、粘接性強和膨脹性強的特點;508.78～551.54 m孔段主要由灰綠色砂巖、紫紅色粉砂巖和構造角礫巖組成，地層較為完整。

2.2 鉆探施工過程

圖2 WFSD-3-P孔鉆孔結構

2.2.1 一開孔段（3.76 ～20.98 m）

（1）取心鉆進進尺:17.22 m;

（2）平均巖心采取率:88.4%;

（3）取心鉆進回次數(shù):25;

（4）取心鉆孔直徑:130 mm;

（5）完鉆孔深:20.98 m;

（7）取心鉆進方法:單管取心;

（8）平均機械鉆速:0.77 m/h;

（9）平均回次長度:0.69 m;

（10）開鉆時間:2009年9月14日12:00;

（11）完鉆時間:2009年9月16日11:40;

（12）完井時間:2009年9月16日18:00。

2.2.2 二開孔段（20.98 ～84.79 m）

二開取心鉆進采用SDB110金剛石取心鉆具（圖3）取心鉆進，鉆壓8 kN、轉速250 r/min、泵量47 L/min，取心鉆進67個回次至孔深84.79 m，平均回次長度0.95 m，平均機械鉆速0.91 m/h，巖心采取率94.8%，下入108 mm套管至孔深84.79 m固井，水泥返至孔口。取心鉆進主要技術指標如下:

（1）取心鉆進進尺:63.81 m;

（2）平均巖心采取率:94.8%;

（3）取心鉆進回次數(shù):67;

（4）取心鉆孔直徑:110 mm;

（5）完鉆孔深:84.79 m;

（7）取心鉆進方法:單管取心、單動雙管取心;

（8）平均機械鉆速:0.91m/h;

（9）平均回次長度:0.95m;

（10）開鉆時間:2009年9月16日18:00;

（11）完鉆時間:2009年9月22日10:00;

（12）完井時間:2009年9月22日19:00。

圖3 SDB110雙級單動雙管鉆具

2.2.3 三開孔段（84.79 ～500.64 m）

三開采用HQ繩索半合管取心鉆具從84.79 m開始鉆進，至孔深184.16 m發(fā)生卡鉆事故，強力起拔、打吊錘無效后，采用50 mm反絲鉆桿+89 mm反絲公錐上反孔內鉆具，反至HQ事故鉆具彈卡擋頭，換帶63 mm導向95 mm削鐵鉆具切削剩余鉆具，從2009年9月28日8:00至2009年10月5日5:40事故處理完畢，恢復正常鉆進。從孔深166.88～500.64 m換用SDB94單動雙管半合管鉆具取心，于2009年11月13日9:30結束取心鉆進。三開按照設計要求下入89 mm套管至孔深500 m，由于三開井眼與套管環(huán)空間隙僅為3 mm，且?guī)r心連續(xù)破碎，施工技術難度較大，最終套管下入孔深為434.56 m。2009年11月29日8:20完成89 mm套管固井和掃孔作業(yè)。取心鉆進主要技術指標如下:

（1）取心鉆進進尺:415.85 m;

（2）平均巖心采取率:95.8%;

（3）取心鉆進回次數(shù):332;

（4）SDB110提鉆回次數(shù):253;

（5）取心鉆孔直徑:95 mm;

（6）完鉆孔深:500.64 m;

（8）取心鉆進方法:半合管取心、繩索取心;

（9）平均機械鉆速:0.84 m/h;

（10）平均回次長度:1.25 m;

（11）HQ繩索回次數(shù):79（含提大鉆7次）;

（12）開鉆時間:2009年9月2日19:00;

（13）完鉆時間:2009年11月13日9:30;

（14）完井時間:2009年11月29日8:20。

（WFSD-3-P孔三開鉆進到184.16 m發(fā)生卡鉆事故，處理結束后換用SDB110雙管鉆具取心。）

2.2.4 四開孔段（500.64 ～551.54 m）

采用SDB75 mm單動雙管半合管鉆具從500.64 m取心鉆進至510.25 m（10個回次），采用SDB75 mm單動雙管普通內管鉆具從510.25 m取心鉆進至551.54 m（19個回次），裸孔完井。取心鉆進主要技術指標如下:

（1）取心鉆進進尺:50.90 m;

（2）平均巖心采取率:97.9%;

（3）取心鉆進回次數(shù):29;

（4）半合管回次數(shù):10;

（5）取心鉆孔直徑:75 mm;

（6）完鉆孔深:551.54 m;

（7）完井方式:裸孔洗井;

（8）取心鉆進方法:半合管、普通內管取心;

（9）平均機械鉆速:0.80 m/h;

（10）平均回次長度:1.76 m;

（11）普通內管回次數(shù):19;

（12）開鉆時間:2009年11月30日12:30;

（13）完鉆時間:2009年12月8日7:00;

（14）完井時間:2009年12月12日19:00。

2.3 孔斜控制技術

WFSD-3-P孔為垂直孔，終孔頂角3.0°、方位角134°。鉆孔頂角及“狗腿”度隨孔深演變情況見圖4。

圖4 WFSD-3-P孔頂角和“狗腿”度隨孔深變化曲線

WFSD-3-P孔鉆遇地層主要為砂巖、泥巖（含斷層泥）、角礫巖、碎裂巖等，地層的自然造斜強度不是很高，在防斜方面主要做好設備安裝、開孔、擴孔、換徑等方面的工作。

（1）鉆塔、鉆機的安裝周正、水平、穩(wěn)固，保證天車、回轉器、鉆孔中心三點一線;

（2）開孔時，主動鉆桿不得有偏擺，軸心壓力要均勻，隨鉆孔加深而加長巖心管;

（4）在鉆進條件許可的情況下盡量采用繩索取心鉆進技術，實現(xiàn)滿眼鉆進;

（5）取心鉆進中鉆壓較小，平均機械鉆速只有0.85 m/h，有利于防斜;

（6）堅持50～100 m測斜一次。

2.4 鉆井液技術

WFSD-3-P孔鉆進中遇到了孔內漏失、涌水、長破碎帶裸眼鉆進、長孔段縮徑等復雜情況。采用無固相沖洗液、低固相泥漿和高密度低失水泥漿體系克服了孔內各種復雜情況，順利按期完成鉆探施工任務。WFSD-3-P孔鉆井液使用情況見表1。

2.5 事故預防與處理

WFSD-3-P孔鉆探施工期間共發(fā)生14起事故，損失時間560.33 h，事故類型主要有:鉆桿折斷（2起）、鉆桿脫扣（2起）、卡鉆（1起）。其中卡鉆事故為重大事故，HQ繩索取心打撈內管取心（巖心如圖5）時，準備上提鉆具卸主動鉆桿時憋泵、埋鉆卡死，整個事故處理時間165 h。

圖5 WFSD-3-P孔卡鉆事故第184回次巖心（孔深181.94～184.16 m）

2.5.1 具體處理過程

（1）第184回次鉆進至孔深184.16 m，準備上提鉆具卸主動鉆桿時憋泵、卡鉆，強力起拔、打吊錘等均無效果，強力拉脫HQ鉆桿。

表1 WFSD-3-P孔鉆井液使用情況

2.5.2 原因分析

鉆進過程中巖性突然改變，地層縮徑嚴重，來不及調整泥漿性能和鉆進工藝，最終導致卡鉆事故發(fā)生。

2.5.3 預防措施

鉆遇縮徑地層，應及時采用高密度低失水鉆井液體系，鉆進中反復掃孔和提鉆取心中回灌泥漿，采用此工藝技術在后續(xù)鉆探施工中提高了施工效率，解決了斷層泥孔段縮徑卡鉆的問題。

3 結論

（1）在WFSD-3-P孔鉆探施工中，借鑒了WFSD-1孔鉆探施工經驗，采取了一系列綜合技術措施，解決了地震斷裂帶鉆探施工中存在的斷層泥縮徑、巖層破碎、鉆孔坍塌擴徑等技術難題。

（2）采用半合管的取心工藝，解決了破碎地層取心質量技術難題，為地學研究提供了原狀性良好的巖心。

（3）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難題，為鉆孔施工任務的完成提供了重要的保障條件。

［1］ 許志琴，李海兵，吳忠良.汶川地震和科學鉆探［J］.地質學報，2008，82，（12）.

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

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［6］ 王煥.汶川地震斷裂帶結構特征及其與地震活動性的關系［D］.北京:中國地質大學（北京），2011.

Situation of WFSD-3-P Drilling Operation of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

ZHAO Yuan-gang1，F(xiàn)AN La-sheng1，YANG Ming-qi2（1.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 610081，China;2.403 Geological Brigade，Sichuan Exploration and Development Bureau of Geology and Mineral Resources，Emeishan Sichuan 614200，China）

This article introduces the drilling process of WFSD-3-P of Wenchuan earthquake fault scientific drilling（WFSD）project.A series of technical measures of high-density and low-filtration drilling fluid system，repeated reaming and mud recharging in pipe trip were taken to overcome drilling difficulties，such as borehole shrinkage in fault gouge formation，rock breaking and collapsed borehole enlarging.As the result，high quality undisturbed cores have been obtained and rich drilling experiences in earthquake fault have been accumulated.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;drilling construction;pilot hole;drilling fluid;accident treatment and prevention

P634

A

1672-7428（2012）09-0018-04

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

趙遠剛（1983-），男（漢族），四川人，中國地質科學院探礦工藝研究所，勘查技術與工程專業(yè)，從事鉆探工藝及工具研究工作，四川省成都市一環(huán)路北二段1號，171613061@qq.com。