汶川地震斷裂帶科學鉆探項目鉆探事故預防與處理技術

吳金生，賈 軍，段玉剛，李正前

（1.成都理工大學，四川成都610059;2.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都611734;3.北京探礦工程研究所，北京 100083）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目鉆探事故預防與處理技術

吳金生1，2，賈 軍3，段玉剛2，李正前2

（1.成都理工大學，四川成都610059;2.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都611734;3.北京探礦工程研究所，北京 100083）

汶川地震斷裂帶科學鉆探工程的地層條件十分復雜，巖層破碎，膨脹縮徑，不確定因素多，出現多次卡、斷、落等孔內事故，但都科學診斷、成功處理。通過優化鉆進方法、鉆具結構及泥漿體系等多種事故預防措施，最大限度地減少事故發生，保證了科學鉆探工程的順利進行。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;事故預防;事故處理

1 概述及難點

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目是在汶川大地震和復發微地震的源區——龍門山“北川-映秀”斷裂及龍門山前緣“安縣-灌縣”斷裂旁側實施5口科學群鉆。龍門山斷裂帶自公元1169年以來，共發生破壞性地震25次，其中6級以上地震20次。“5.12”發生震驚世界的Ms8.0大地震后，余震也有幾萬次。在此斷裂帶進行科學鉆探施工的難點在于:

（1）地層破碎、膨脹縮徑，坍塌、掉塊、漏失、涌水時有發生。汶川地震屬于逆沖型地震，地應力釋放慢，特別是鉆進斷層泥時，地應力強烈釋放，膨脹縮徑。

（2）地學研究要求高。取心直徑大（取心鉆孔直徑150 mm）;采取率要求高，每回次85%以上;對巖心原狀性要求極高，須采用半合管取心;鉆孔深，最大鉆孔深度達3000多米。

（3）不可預見因素多。地層狀況不詳，鉆進深度不確定，孔身結構變數大，鉆進參數難以掌握。

汶川地震斷裂帶科學鉆探是對鉆探技術的極大挑戰!

2 事故的發生及類型

鉆探施工中孔內事故主要分為卡鉆、斷鉆具、落物、測井事故，還有套管事故、固井事故等。截至目前，汶川地震斷裂帶科學鉆探項目的4口鉆孔中共發生孔內事故21次，其中卡鉆6次，斷鉆具7次，井下落物2次，測井事故3次，套管斷裂3次。

造成孔內復雜與事故的因素有地質因素與工程因素，要及時科學診斷。

3 事故的預防措施

對于地層條件十分復雜的鉆探工程，要在鉆探施工過程中完全避免孔內事故幾乎是不可能的事情。盡管科學鉆探不可預見性因素很多，任何事故的發生都有一定先兆，應采取“預防為主”的原則，提前做好預防措施，同時建立應急預案，對可能出現的事故做好工具物資的充分準備。針對汶川地震斷裂帶科學鉆探工程的特點，采取了以下預防措施。

3.1 加強鉆探施工管理工作

（1）檢查入孔鉆具，定期探傷，定期報廢。肉眼看得見的入孔鉆具，采用“一看”、“二摸”、“三量測”，對鉆具脹扣、絲扣磨損、裂紋等認真檢查，不合格的嚴禁使用;肉眼不好判斷的入孔鉆具，采用超聲波與磁粉探傷儀進行探傷;超過使用壽命的鉆具定期報廢。

（2）綜合錄井，對鉆孔異常及時預測。工程錄井參數包括鉆壓、轉速、扭矩、泵壓以及鉆進速度等，鉆探人員可以通過工程錄井隨時掌握起下鉆速度和遇阻情況，還可對孔涌、孔漏、鉆具失效、鉆頭異常、溜鉆、頓鉆、減震器失效及孔塌等進行預測。

3.2 優化鉆進方法、鉆具結構和施工工藝

3.2.1 優化鉆進方法

采用螺桿馬達+轉盤+液動錘復合鉆進，實現孔底低鉆壓高轉速高效鉆進。對于深孔大直徑破碎地層，轉速降低，可減少鉆具對孔壁擾動，有利于孔壁穩定和降低卡鉆事故發生的可能性。此外，這種驅動方式還有利于降低孔斜和“狗腿”度。

3.2.2 改進鉆具結構

將取心鉆具外管螺紋扣高由1.0 mm增加到2.0 mm，絲扣強度大大提高。端面由平面改為15°倒角，增加咬合面積。去掉上擴孔器，減少薄弱環節，鉆具的連接強度大大提高（參見圖1）。

3.2.3 短回次鉆進和劃眼

圖1 鉆具改進對比圖

鉆進膨脹縮徑地層時，如WFSD-2孔在1680～1710 m時，縮短回次進尺，若遇異常，立即提鉆檢查;下鉆時，提前逐單根劃眼，直到孔內順暢后才開始鉆進。從圖2可以看出，下鉆提前劃眼，劃眼時出現突然憋泵，通過反復開泵，強力轉動轉盤，拉轉結合，最大拉力達750 kN（鉆具質量38 t），才恢復正常。

圖2 劃眼錄井圖

3.2.4 在膨脹縮徑地層采用偏心擴孔

為WFSD-2孔四開小間隙（5 mm）下套管順利，采用偏心擴孔器（圖3）對1680～1710 m縮徑段進行局部擴孔，最大擴孔井徑達165 mm，通過測井資料，可以看出擴孔后井徑增大，后下601 m技術尾管十分順利并成功固井。

圖3 偏心擴孔器

3.2.5 優化鉆孔結構設計

優化鉆孔結構設計，為事故的處理留有余地，如事故的套銑處理。

3.3 優化泥漿性能參數

3.3.1 采用低失水、高密度及流變性好的泥漿

在斷層泥膨脹縮徑孔段，逐漸加大泥漿密度，采用高密度、低失水及流變性能好的泥漿，其泥漿性能參數為:密度1.15～1.30 g/cm3，漏斗粘度30～35 s，初切力2 ～3.5 Pa，終切力8 ～11 Pa，失水量4.0 ～6.5 mL/30 min，泥餅 0.2 mm，含砂量 0.3% ～0.4%，pH值9，動切力7～15 Pa，塑性粘度15～23 mPa·s，動塑比0.35～0.60。實現平衡鉆進，同時加入適量潤滑劑。施工過程中，由于巖屑的加入，泥漿密度會自然增高，應加強固控。泥漿密度波動范圍不大于設計要求的±0.02 g/cm3，泥餅潤滑系數應控制在0.18內。

3.3.2 及時調整鉆進參數

根據工程錄井參數，及時調整鉆壓、轉速、扭矩等，根據地層變化、井壁的穩定性、環空間隙大小、泵壓高低、返渣情況及時調整泵量。安裝變頻調速器，實現泵量的無級調節。

3.4 嚴格遵守操作規程

嚴格遵守《汶川地震斷裂帶科學鉆探操作規程》，嚴禁強拉及強放。起下鉆要平穩，遇卡以下放為主，嚴禁強起硬拔，在鉆具懸重的基礎上附加力100 kN;遇阻以上提為主，嚴禁強壓，遇阻超過50 kN，禁止強行下鉆;及時接轉盤（頂驅）循環鉆井液，上下劃眼，正常后繼續起下鉆;擴孔或全面鉆進40 h左右應進行短程起下鉆，以保持井眼規則、暢通;鉆柱在裸眼孔段靜停不允許超過3 min。

4 事故的處理

4.1 事故處理基本原則

事故處理應遵循“科學診斷、安全快捷及經濟”的基本原則。“科學診斷”是關鍵，事故發生后，認真研究事故發生情況、事故性質、事故原因，同時摸清事故部位、事故頭以及井內情況等，慎重制定事故處理方案。

4.2 卡鉆處理及程序

卡鉆事故處理最復雜。汶川地震斷裂帶科學鉆探地層復雜、不確定因素多，卡鉆事故頻發，科學判斷事故原因，正確掌握卡鉆事故處理原則和程序，提高事故處理成功率。

（1）明確卡鉆事故處理原則，為事故處理創造條件。卡鉆事故發生后，應首先考慮的問題是為順利解除事故創造條件。一是維持鉆井液循環，保持井眼暢通;二是要保持鉆柱的完整性;三是切忌將鉆桿螺紋扭得過緊。

（2）掌握卡鉆事故處理程序，為事故處理提供技術支撐。不同性質的卡鉆事故，處理程序不盡相同。歸納起來，多數卡鉆事故的處理，遵循以下8個處理程序，都是在本處理程序無法解決的情況下，才進入下一步:

第一步:保持水眼暢通，恢復鉆井液循環;

第二步:活動鉆具，上下拉壓或扭轉，以提拉為主;

第三步:若為粘附卡鉆，注入解卡劑;

第四步:震擊器震擊+強力起拔;

第五步:爆炸松扣（或人工倒扣）;

第六步:若強拉斷，工具打撈（打撈矛、打撈筒等）;

第七步:套銑反鉆具;

第八步:側鉆（或磨銑）。

4.3 斷鉆具事故處理

鉆具斷裂主要發生在巖心外管和鉆鋌絲扣處。主要是因為巖心外管扣高較小，強度低;地層膨脹縮徑或掉塊卡鉆，上提拉力過大;鉆具交變應力作用，疲勞破壞。對于鉆鋌斷裂，通常指穩定器下部連接的鉆鋌;絲扣磨損嚴重，脹扣;絲扣加工精度不夠等。

斷鉆具事故常采用公、母錐，打撈筒（矛）及對扣打撈等。施工中發生的7次卡鉆事故3次成功打撈，還有4次因孔內復雜，打撈無法進行，不得不采用套銑、磨銑等。

4.4 落物事故處理

4.5 測井事故處理

（1）穿心打撈（測繩電纜未斷）;

（2）如果測井電纜斷裂，則先打撈電纜，再下打撈筒打撈儀器;

（3）若各種打撈無效，下單管鉆具套撈。

本文重點介紹了卡、斷、落、測井事故的處理措施，對于套管事故、固井事故、井斜、井漏、井噴等發生較少，甚至沒有發生，在此不作介紹。

5 典型事故案例分析

5.1 WFSD-2孔卡鉆定點爆炸松扣

5.1.1 事故發生經過

5.1.2 事故處理

震擊器+強力起拔無效后，先進行卡點估算（如下式），后經測卡儀測出卡點位置也在1230 m左右，即上穩定器位置，最后成功爆炸松扣。

卡點估算:

式中:L——卡點深度，m;k——計算系數;ΔL——鉆具的絕對伸長量，m;P——上提拉力，kN。

爆炸松扣施工程序:

（1）測卡點（或推算卡點）;

（2）組裝爆炸桿;

（3）分級上提井內鉆具，分段緊扣，使卡點成為中和點;

（4）連接電纜并確定松扣位置;

（5）施加反扭矩;

（6）引爆。

5.2 WFSD-3孔卡鉆“落魚”套銑打撈

5.2.1 事故發生經過

圖4 “落魚”結構示意

5.2.2 事故處理

采用各種打撈措施處理無效后，采用擴孔和套銑的方法處理完事故，回收全部鉆具。

施工程序:

圖5 套銑鉆頭

5.3 WFSD-2孔電成像測井事故打撈

5.3.1 事故發生經過

（1）穿心打撈，測繩突然斷裂，井內尚留39 m測繩;

（2）下磁定位，探“魚頂”，下打撈鉤，把測繩基本打撈完;

（3）下卡瓦打撈筒，打撈測井儀器，成功打撈。

6 結論與建議

汶川地震斷裂帶科學鉆探工程已完成4個鉆孔的施工，因地層破碎復雜、膨脹縮徑，遇到很多突發事故，但都成功解決。后采用多種綜合預防措施后，事故發生率大大減少。

主要體會和建議如下:

（1）采取預防為主，任何事故的發生都有先兆，提前做好預防措施;

（2）建立應急預案，對可能出現的事故做好工具物資的充分準備;

（3）加強日常管理，認真檢查鉆孔鉆具，定期探傷，定期報廢;

（4）細節決定成敗，事故的發生往往都是忽略某個細節;

（5）優化鉆孔結構設計，為事故的處理留有余地;

（6）借鑒石油鉆井經驗，如全面鉆進泥漿技術、事故處理技術等。

［1］ 蔣希文.鉆井事故與復雜問題（第二版）［M］.北京:石油工業出版社，2006.

［2］ 張偉，賈軍，胡時友.汶川地震科學鉆探項目的概況與鉆探技術［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，39（S1）.

［3］ 李繼文，王平，張志強，等.鉆探工作中常見孔內事故的預防與處理［J］.吉林地質，2010，（10）.

［4］ 裴建軍，劉天科，孫啟忠，等.勝科1井鉆井事故預防與處理［J］.石油鉆探技術，2007，（11）.

［5］ 徐進，胡大梁，任茂，等.川西深井井下復雜情況及故障預防與處理［J］.石油鉆探技術，2010，（7）.

Drilling Accident Prevention in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project and the Treatment Technol-ogy

WU Jin-sheng1，2，JIA Jun3，DUAN Yu-gang2，LI Zheng-qian2（1.Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China;2.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China;3.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China）

The formation conditions of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project are very complicated.Broken rock formation，lost circulation and borehole shrinkage are encountered frequently.As a result，many drilling accidents，such as drill pipe sticking，drilling pipe breaking，objects dropping and so on happened and were successfully solved.Technical measures for preventing accidents，including scientific diagnosis and optimizing drilling method，drill tool structure and drilling mud system，have been taken to minimize accidents and ensure the smooth progress of scientific drilling project.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;accident prevention;accident treatment

P634.8

A

1672-7428（2012）09-0049-04

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

吳金生（1970-），男（漢族），安徽人，成都理工大學在讀博士，中國地質科學院探礦工藝研究所高級工程師，地質工程專業，從事鉆探技術及科學鉆探研究工作，四川省成都市郫縣成都現代工業港（北區）港華路139號。