汶川地震斷裂帶科學鉆探項目尾管固井技術的應用

樊臘生，張 偉，李前貴，李旭東，趙遠剛

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;2.中國地質調查局，北京100037;3.江蘇省地礦局第六地質大隊，江蘇連云港 222023）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目尾管固井技術的應用

樊臘生1，張 偉2，李前貴1，李旭東3，趙遠剛1

（1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;2.中國地質調查局，北京100037;3.江蘇省地礦局第六地質大隊，江蘇連云港 222023）

介紹了汶川地震斷裂帶科學鉆探項目鉆探施工過程中尾管固井技術的應用情況。針對該項目鉆探施工的復雜地層條件，研發了適合于破碎地層和小套管間隙的無接箍尾管固井技術，關鍵技術包括尾管管柱設計、尾管下入及鉆柱分離技術和施工工藝、適合于破碎地層和小套管間隙條件的尾管固井漿液設計和施工工藝。采用研發成功的尾管固井技術，在該項目的二號孔和三號孔中共進行了4次下尾管作業，均獲得了成功。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;尾管;倒扣接頭;固井

0 前言

汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）項目有5個鉆孔，目前已完成一號孔（WFSD-1）、二號孔（WFSD-2）、三號孔的先導孔（WFSD-3P）和三號孔（WFSD-3）的鉆探施工任務。WFSD-1、WFSD-3P孔采用小口徑地質勘探取心鉆進的方法和工藝，逐級取心逐級下套管固井;WFSD-2、WFSD-3孔主要采用150 mm口徑取心鉆進，在需要下套管時擴孔鉆進后下入套管固井（上部273、219 mm套管內下入168 mm活動套管）、然后繼續以150 mm口徑取心鉆進。

由于龍門山斷裂帶歷史上發生過許多次地震，地層破碎的嚴重程度罕見，4個鉆孔從開鉆到完鉆基本上全部在破碎地層中鉆進，鉆進施工條件十分惡劣，鉆孔垮塌、擴徑、縮徑和漏失等諸多困難同時存在，除了給取心和鉆進帶來了很大困難之外，還導致鉆探事故頻發。針對這種極端惡劣的施工環境和復雜的地質條件，不得不采取多下套管的施工方法。孔深1201.15 m的WFSD-1孔（設計孔深1200 m）下入 5 層套管（168、146、127、108、89 mm）;孔深551.54 m的WFSD-3P孔（設計孔深400 m）下入4層套管（146、127、108、89 mm）;孔深2283.56 m 的WFSD-2孔（設計孔深2000 m）下入5層套管（273.0、219.1、168.3 和139.7 mm 尾管、108 mm尾管）;孔深1502.30 m的WFSD-3孔（設計孔深1200 m）下入 6 層套管（273、219、168、127 mm 和89 mm尾管、73 mm尾管）。

WFSD-2孔設計時采用3層套管程序，實際施工時因孔內情況復雜、鉆進施工困難提前下入各層套管，鉆進施工到后期需下入139.7 mm尾管滿足下部的122 mm取心鉆進要求，完井時下入108 mm尾管（篩管）滿足長期監測要求。WFSD-3孔設計時采用3層套管程序，實際施工時因孔內事故、鉆進施工困難下入4層套管，鉆進施工到后期需下入89 mm尾管滿足下部的77 mm取心鉆進要求，完井時下入73 mm尾管（篩管）滿足長期監測要求。

1 WFSD-2孔小間隙無接箍139.7 mm尾管固井技術

二號孔（WFSD-2）是布置在汶川“5.12”地震主震斷裂映秀-北川斷裂帶上的主孔，位于四川省都江堰市虹口鄉，設計孔深2000 m，實際終孔孔深2283.56 m。WFSD-2孔的實際鉆頭順序:377 mm×47.80 m—253 mm×638.01 m—200 mm ×1349.50 m—150 mm ×1859.78 m—122 mm ×2283.56 m;實際套管順序:273.0 mm×47.80 m—219.1 mm ×637.60 m—168.3 mm ×1296.60 m—139.7 mm×（1258.13～1859.78 m）—108.0 mm×（1836.73～1973.67 m）。從孔深499.03 m開始連續取心，孔深1859.78 m以淺采用150 mm口徑取心鉆進（巖心直徑93～101 mm），需要下套管時擴孔鉆進到需要的尺寸;下部采用122 mm口徑取心鉆進（巖心直徑74～76 mm）。

1.1 封固段（1296.60～1859.78 m）基本情況

（1）地層情況:1296.60～1680.00 m為花崗巖、閃長巖、凝灰巖;1680.00～1710.00 m為沉積巖（斷層角礫巖、碳質泥巖、縮徑膨脹）;1710.00～1859.78 m為花崗閃長巖、凝灰巖。

（3）孔斜:頂角在1°～3°之間，1853 m 處頂角為3°、方位角為 312°。

（5）溫度:1853 m處約48℃。

（6）取心鉆進鉆井液性能:密度1.32 g/cm3，動切力10 Pa，塑性粘度30 mPa·s。

1.2 技術難點

（2）本次作業是非常規小間隙尾管固井，理論環空間隙僅約5.15 mm，下尾管摩阻大，且尾管難居中，有發生粘附卡套管的風險;注替水泥漿施工壓力高，施工時間長，對水泥漿性能要求高;地層破碎，孔壁受外界擾動易坍塌、掉塊。

（3）封固段的上部井徑較大（1296.60～1349.50 m孔段是三開200 mm鉆進孔段），下部孔段存在縮徑現象，特別是1680.00～1710.00 m沉積巖孔段縮徑膨脹明顯。

（5）無成熟可靠的技術經驗可供參考。

1.3 無接箍尾管固井工具的研制

圖1 139.7 mm無接箍尾管螺紋

螺紋的密封形式為75°臺肩密封及4 mm手擰緊密距的螺紋過盈嚙合產生的接觸壓力，螺紋上扣的緊扣扭矩5000 N·m。

根據螺紋連接危險截面及管體的最低極限強度計算的螺紋抗拉強度見表1（拉伸效率0.45），螺紋的抗拉強度計算公式為:

式中:Pj——螺紋的抗拉強度，N;Acr——螺紋連接危險截面的面積，mm3;Up——管體的最低極限強度，MPa，P110 管體 Up=861.85 MPa。

表1 139.7 mm無接箍尾管螺紋抗拉強度計算結果

表1 139.7 mm無接箍尾管螺紋抗拉強度計算結果

項目 螺紋抗拉強度/kN根部 根部1扣 根部2扣母螺紋1322.4 1286.2 1250.0公螺紋1349.3 1313.4 1277.5

1.3.2 倒扣接頭、尾管頭

圖2 倒扣接頭

尾管頭（圖3）上部反扣和倒扣接頭連接、有2級喇叭口（倒角、錐度螺紋），下部和尾管連接，尾管頭外徑149 mm起扶正在上層168.3 mm套管內的作用，外表面開有水槽滿足循環和固井的需要。

圖3 139.7 mm尾管頭

1.3.3 浮箍、浮鞋

無接箍尾管用的浮箍（圖4）、浮鞋（圖5）受內、外徑的限制，采用鑄造鋁加工內部零件（閥座、閥芯等），密封處采用O形密封圈，閥座采用上頂（尾管公扣端面頂）下擋（浮箍、浮鞋本體的內臺階）的結構形式。

1.4 無接箍尾管固井施工設計1.4.1 下尾管及固井前準備1.4.1.1 鉆孔準備

圖4 139.7 mm浮箍

圖5 139.7 mm浮鞋

（1）要求鉆孔暢通，孔壁穩定，無沉砂，無嚴重縮徑和擴徑;

（4）最后一次通孔調整泥漿性能，并充分循環泥漿（QZ3NB-350泵），加潤滑劑400 L，泥漿性能要求:密度≮1.30 g/cm3，粘度30 s左右。

1.4.1.2 工具、設備等準備

（1）清理廢漿池、放置水箱;

（2）套管串的試連接、丈量編號、通徑、清扣;

（3）備好前置液、后置液、替漿（量）準備。

1.4.2 下尾管及循環措施

（1）套管及倒扣接頭、尾管頭、浮箍、浮鞋等下入前丈量、編號，認真核對，按順序統一排列、編號，下89 mm鉆桿時，長度及數據要準確;

（2）套管內絲扣必須清理干凈;

（3）做好孔口的清理工作，準備好下套管工具（提升短節、卡瓦、安全卡瓦）;

（4）套管吊上鉆臺時，嚴防碰撞;

（5）入孔套管要均勻涂抹套管絲扣油;

（6）對扣時用自由鉗上扣，確認入扣后再用液壓大鉗上扣;

（7）卡瓦要坐牢，安全卡瓦要上緊;

（8）套管上扣扭矩按5000 N·m計。

（1）浮鞋、浮箍及前3根套管，上部尾管頭及前2根套管要焊接，焊時沿周邊進行3段焊，每段5 cm;

（2）要控制尾管下放速度，每根在40 s左右，特別在1685～1705 m漏層時，89 mm鉆桿1立根應控制在2～3 min;

（3）每下5根尾管（鉆桿5柱）灌滿泥漿;

（5）人工灌漿時，要不停地活動尾管柱，上下活動范圍不少于3 m，循環或注替（水）泥漿時先用小排量頂通，再逐漸增加至230 L/min排量循環;

1.4.2.3 循環措施

主要目的是破壞泥漿凝膠結構，降低開泵泵壓。（1）下尾管到168 mm套管鞋時循環泥漿，時間≮30 min;

（2）下至1750 m循環泥漿;

（3）循環泥漿排量先用低擋頂通，然后根據泵壓情況適當增大排量，循環時根據情況適當活動套管，活動范圍3 m以上;

（4）尾管下到位后，先上下活動鉆具3～5次后再開泵循環，嚴格監測泥漿池液面和返漿情況，循環2周。

1.4.3 水泥漿體系、用量及混拌程序

1.4.3.1 水泥漿體系

水泥漿配方為:夾江G級水泥+微硅+降失水劑+減阻劑+緩凝劑+消泡劑，設計密度1.70 g/cm3。

1.4.3.2 水泥漿用量（表 2）

表2 139.7 mm無接箍尾管固井水泥漿量

表2 139.7 mm無接箍尾管固井水泥漿量

注:水泥漿總量5.46 m3。

附加124.0 1809 1859 50 0.60 0.60 1.0類 別 井徑/mm 鉆桿或者套管外徑/mm頂深/m底深/m段長/m體積/m3考慮附加量后體積/m3 153.6 88.9 1239 1259 20 0.25 0.25 1.0套管重合段環空體積 153.6 139.7 1259 1296.4 37.4 0.12 0.12 1.0裸眼段環空體積 169.6 139.7 1296.4 1859 562.6 4.08 4.49 1.1 50 m尾管水泥塞體積系數返出尾管頂部20 m體積

1.4.3.3 混拌程序

（1）第一次3 m3水泥漿配制加量及混拌程序:在配漿池中先加清水2.0 m3，再依次加入消泡劑3 kg（0.1%）、緩凝劑 9 kg（0.3%）、減阻劑 50 kg（1.67%）、降濾失劑125 kg（4.17%）、微硅150 kg（5%），邊加入邊攪拌均勻（BW280/30型泵自循環），最后加入夾江G級油井水泥3 t，邊加入邊攪拌，攪拌均勻，取樣測量密度，密度變化小于0.03 g/cm3時結束攪拌，將攪拌好的水泥漿（約3.1 m3）泵入水箱備用。

（2）重復上述步驟再配制3 m3水泥漿（配漿池）。

1.4.4 注替（水）泥漿

（1）下完尾管時用BW280/30型泵循環，循環正常后，倒BW280/12型泵再循環。用BW280/30型泵配制水泥漿，先在配漿池配3 m3，用BW280/30型泵打入水箱，再配3 m3。

配水泥漿流程:加足清水—加消泡劑—加緩凝劑—加降濾失劑—加微硅—加夾江G級水泥。

（2）配完水泥漿后，BW280/30型泵注前置液（約1～1.5 m3），先用小排量頂通，再逐漸提高至230 L/min排量。

（3）注完前置液即注水泥漿，先用小排量頂通，再逐漸提高至230 L/min排量，注水泥漿正常后，將水箱中水泥漿放進配漿池。

（4）注完水泥漿，立即倒換進漿管閘閥，用BW280/30型泵頂替水泥漿，先用小排量頂通，再逐漸至230 L/min排量。

（5）替完漿盡快返出鉆桿，退倒扣接頭時，上提至中和點，轉動圈數不大于6圈，無倒車，可試提鉆具，懸重下降為鉆桿重力，即證明已倒扣成功，立即起出1立根，開泵循環，并不停地上下活動或轉動鉆具，將多余的水泥漿替出井口，然后起鉆候凝。

1.5 無接箍尾管固井施工過程

（1）通孔;

（3）混拌水泥漿6m3（混拌水泥漿時用BW280/12泵循環泥漿，保持尾管串的暢通）;

（4）連接管匯，注前置液（清水）1 m3;

（5）注水泥漿6 m3，注水泥漿過程中，孔口返出泥漿量正常;

（6）注后置液（清水）1 m3;

（7）采用等體積頂替法，用BW280/30型泵注入鉆井液10.51 m3頂替水泥漿（表3）;

表3 139.7 mm無接箍尾管實際固井施工數據

表3 139.7 mm無接箍尾管實際固井施工數據

注水泥、頂替泵 BW280/30型泵 注水泥壓力5 MPa注入前置液量 1 m3 注入水泥漿量 6 m3水泥漿密度/（g·cm-3最大1.69，最小1.64，平均1.66單點:1.65、1.64、1.65、1.69、1.67、1.68、1.68、1.69、1.68、1.68、1.68、1.64注后置液量 1.0 m3 替鉆井液量 10.51 m3替鉆井液時間 40 min 替壓4 MPa使用材料:G級水泥6 t，微硅300 kg及添加劑降濾失劑（LT-2）250 kg、減阻劑（SXY-2）120 kg、緩凝劑（KH-1）18 kg、消泡劑6 kg

（8）替漿結束后開始倒扣施工，程序如下:將尾管坐放到位;上提管柱，使倒扣部位成中和點;正轉管柱6圈（倒扣）;再上提鉆具，若懸重下降至倒扣接頭上部鉆具重力，證明倒扣成功;立即起出1立根，開泵循環，并不停地上下活動或轉動鉆具，將多余的水泥漿替出井口;起鉆侯凝。

2 WFSD-2孔108 mm尾管（篩管）完井技術

WFSD-2孔完成孔深2283.56 m鉆探施工后，需對上部孔段1368～1466 m進行補心作業。針對側鉆開窗的斜向器的回收技術的擔心及尾管的加工時間長的考慮，決定先補心后下篩管（108 mm套管上每50 mm鉆2個12 mm的眼）完井。

WFSD-2孔完成上部1362.87～1468.38 m側鉆補心施工后（開窗點孔深1356m，139.7 mm尾管內），順利回收出斜向器。用117.5 mm牙輪鉆頭通井至2234.15 m發生埋鉆事故，反復處理（最大拉力900 kN）無效后，在孔深1973.67 m爆炸松扣（測卡位置1973.67 m左右）倒開扣?？變葰埩簟奥漪~”260.45 m，“魚頂”位置1973.67 m。

2.1 尾管（篩管）準備

2.1.1 尾管（篩管）及附件

尾管（篩管）串（圖6）主要由倒扣接頭、尾管頭、篩管、中接頭、尾管引鞋等組成。

圖6 108 mm尾管（篩管）串

（2）尾管引鞋采用球形形狀，坐孔底（內徑85 mm）;

圖7 114.3 mm襯管（飛管）串

（2）襯管引鞋采用內喇叭口結構，內徑98 mm、外徑122 mm（保證投入的鋼粒不掉入下部的套管內）;

2.2 完井施工過程

（3）上提至中和點，轉盤正轉，成功倒開扣，提鉆;

3 WFSD-3孔89 mm尾管固井技術

三號孔（WFSD-3）是布置在安縣-灌縣斷裂帶上的主孔，位于四川省綿竹市九龍鎮，設計孔深1200 m，實際孔深1502.30 m。WFSD-3孔的實際鉆頭順序:311 mm×23.50 m—256 mm×407.50 m—200 mm×816.26 m—152 mm×1186.87 m—122 mm ×1202.57 m—100 mm ×1404.53 m—77 mm ×1502.30 m;實際套管順序:273 mm ×23.50 m—219 mm × 407.50 m—168 mm ×815.29 m—127 mm ×1180.66 m—89 mm ×（1160.49～1404.53 m）—73 mm ×（1397.95～1502.30 m）。全孔連續取心，孔深1186.77 m以上采用150 mm口徑取心鉆進（巖心直徑93～101 mm），需要下套管時擴孔鉆進到需要的尺寸;下部采用122、100、77 mm口徑取心鉆進。

3.1 尾管及附件準備

尾管串主要由倒扣接頭、尾管頭、套管、中接頭、浮鞋等組成。

圖8 浮鞋

3.2 下尾管及固井施工

圖9 倒扣接頭和尾管頭

（3）人工攪拌水泥漿（42.5普通硅酸鹽水泥1.8 t、水灰比 0.5、密度 1.82 g/cm3）;

（4）注前置液（清水）0.5 m3;

（5）注水泥漿1.5 m3;

（6）注后置液（清水）0.2 m3;

（7）采用等體積頂替法，用BW300/12型泵注入鉆井液1.95 m3頂替水泥漿;

（8）替漿結束，將尾管坐放到位，上提至中和點，立軸正轉，成功倒開扣，起鉆候凝。

4 WFSD-2孔73 mm尾管（篩管）完井技術

4.1 尾管（篩管）準備

尾管（篩管）串主要由倒扣接頭、尾管頭、套管、篩管、中接頭、尾管引鞋等組成。

（2）尾管引鞋采用中接頭去一頭公扣加工成（內徑63 mm）;

4.2 完井施工過程

（3）上提至中和點，立軸正轉，倒扣未成功;停待5 h后，立軸正轉，成功倒開扣，提鉆;

5 結語

（1）尾管固井可減少固井作業的套管和水泥等材料的用量，可明顯節省固井施工時間和成本。

（2）針對 WFSD-2孔四開孔段（1349.50～1859.78 m）鉆探施工的復雜地層條件，研發了適合于破碎地層和小套管間隙的139.7 mm無接箍尾管管柱和施工工藝。采用自行設計、加工的倒扣接頭、尾管頭、無接箍套管、浮箍、浮鞋等工具，運用通井（掃孔）—下尾管—開泵循環（分段）—注前置液—注水泥漿—注后置液—替漿—倒扣丟手—循環—提鉆的下尾管固井工藝，一次圓滿完成了小間隙（5.15 mm）無接箍139.7 mm尾管固井作業，保證了后續122 mm口徑的取心鉆進，滿足了地學研究對巖心直徑的要求。

（4）WFSD項目4次下尾管作業（2次固井、2次不需要固井）、1次下飛管作業均獲得了成功，但自制小直徑尾管倒扣接頭的反扣螺紋有待進一步優化，特別是尾管柱質量輕、需要固井時須慎重設計反扣螺紋，保證成功倒扣丟手。

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Application of Liner Cementation Technology in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

FAN Lasheng1，ZHANG Wei2，LI Qian-gui1，LI Xu-dong2，ZHAO Yuan-gang1（1.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China;2.China Geological Survey，Beijing 100037，China;3.No.6 Geological Brigade，Jiangsu Geology＆ Mineral Exploration Bureau，Lianyungang Jiangsu 222023，China）

This article introduces the liner cementation technology and its application in Wenchuan earthquake scientific drilling project.According to the conditions of complex formation in this drilling project，liner cementation technology which is suitable for broken formation and small annulus between borehole and casing string，has been developed.The key points of this technology include liner string design and installation and cementing slurry design and construction.This technology has been successfully used in 4 liner cementation operations.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;liner;buckle connector;cementation

P634;TE256+.4

A

1672-7428（2012）09-0032-07

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

樊臘生（1964-），男（漢族），江蘇金壇人，中國地質科學院探礦工藝研究所教授級高級工程師，中國地質調查局汶川地震科學鉆探工程中心鉆井工程部副主任，探礦工程專業，從事科學鉆探工作，四川省成都市郫縣成都現代工業港（北區）港華路139號。