對(duì)深孔大口徑取心鉆探工藝的一些認(rèn)識(shí)——以WFSD－2號(hào)孔0～897.66 m段施工為例

秦沛

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京密云 101500)

對(duì)深孔大口徑取心鉆探工藝的一些認(rèn)識(shí)
——以WFSD－2號(hào)孔0～897.66 m段施工為例

秦沛

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京密云 101500)

深孔大口徑取心鉆探，鉆孔口徑大、地層復(fù)雜、鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深孔段效率低，鉆進(jìn)工藝尚不成熟，鉆探工程難度較大。結(jié)合WFSD－2號(hào)孔0～897.66 m段施工情況，介紹了施工中存在的主要問(wèn)題及采取的主要技術(shù)措施;對(duì)各種施工工藝、技術(shù)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了建議。

深孔;大口徑;取心鉆探;汶川地震斷裂帶;科學(xué)鉆探

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)鉆探、重大工程、能源勘探逐步增多，對(duì)深孔大口徑取心鉆探工作需求加大，大口徑深孔取心鉆探工作量越來(lái)越多。

由于大口徑深孔取心鉆探的特殊性，使其面臨許多工藝(技術(shù))難題。一是取心直徑大，鉆孔口徑大，因此，鉆進(jìn)效率低;二是深孔鉆進(jìn)取心技術(shù)(特別是繩索取心鉆進(jìn)技術(shù))尚不成熟，影響鉆進(jìn)效率和取心效果;三是取心難度大，通常，取心鉆進(jìn)較合適的公稱(chēng)直徑為76～110 mm，直徑過(guò)大，巖心卡取及保護(hù)比較困難;四是大口徑深孔取心鉆探多以科學(xué)研究鉆探為目的，鉆孔多選擇在地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜的區(qū)域，如斷裂帶、沉積松散層、含有特殊的(液氣)等復(fù)雜地層。因此，對(duì)鉆探工藝技術(shù)提出了更高的要求，使大口徑深孔取心鉆探施工復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他鉆探工程。

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)項(xiàng)目主要任務(wù)是在龍門(mén)山“北川—映秀”斷裂及龍門(mén)山前緣“安縣—灌縣”斷裂附近實(shí)施5口科學(xué)群鉆，通過(guò)鉆探獲取信息，揭示汶川地震斷裂帶的深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出、構(gòu)造屬性;恢復(fù)汶川地震過(guò)程中的巖石行為、流體行為、能量狀態(tài)與破裂過(guò)程以及逆沖斷裂發(fā)震機(jī)理;同時(shí)監(jiān)測(cè)余震，提供深部無(wú)干擾條件下余震的直接信息。本文所述內(nèi)容屬我單位承擔(dān)的WFSD－2號(hào)孔0～897.66 m孔段部分。

1 工程概況

1.1 地理位置、地層

WFSD－2號(hào)孔位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)境內(nèi)的一條簡(jiǎn)易公路旁河床上，距斷裂帶地表露頭約650 m，距WFSD－1號(hào)孔約300 m。海拔高度約1150 m，屬于龍門(mén)山中央斷裂帶。

鉆遇地層:0～14 m為第四系沖(坡)洪積漂礫石層;14～599.4 m為震旦系花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖，厚585.4 m;599.4～897.66 m為三疊系碳質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)砂巖、石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖、角礫巖、碎裂巖等。

1.2 技術(shù)要求

鉆孔深度3000 m(后變更為2000 m);鉆孔傾角90°(直孔);終孔直徑150 mm。

取心要求:巖心采取率≥85%，巖心保持原狀;巖心直徑≥85 mm;孔斜率:鉆孔頂角≤15°，最大“狗腿“度2°/30 m;完井要求:底部井段為裸眼，供安放監(jiān)測(cè)儀器;其他要求:配合完成WFSD－2號(hào)孔測(cè)井和科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作。

1.3 工程難點(diǎn)

1.3.1 地層破碎、復(fù)雜

上部花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、變質(zhì)火山巖裂隙發(fā)育，裂隙面、小斷層多且斷層傾角大(圖1)，易造斜，易造成巖心堵塞，影響回次長(zhǎng)度。下部三疊系巖性以石英砂巖、碳質(zhì)頁(yè)巖夾煤線為主，受多次地震活動(dòng)的影響，地層比較破碎，孔內(nèi)涌水、掉塊卡鉆、超徑、水敏縮徑、泥包鉆頭等情況時(shí)有發(fā)生;泥質(zhì)含量高的孔段地層(圖2)易吸水軟化、膨脹造成堵心，影響回次進(jìn)尺長(zhǎng)度，巖心易被沖蝕、易脫落，取心比較困難，鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)選擇較困難;地層掉塊、縮徑引發(fā)孔內(nèi)事故。

圖1 花崗巖較陡的節(jié)理面

圖2 三疊系地層泥質(zhì)含量較高

1.3.2 施工工藝及設(shè)備不成熟

1.3.2.1 Φ150 mm取心鉆進(jìn)工藝尚不成熟

WFSD－2號(hào)孔采用Φ150 mm半合管單動(dòng)雙管取心方法，非膨脹地層普通雙管鉆頭內(nèi)徑為103 mm/101 mm，繩索取心鉆頭內(nèi)徑為93 mm，在斷層泥、頁(yè)巖膨脹地層，為避免半合管脹開(kāi)，鉆頭內(nèi)徑適當(dāng)縮小，分別為Φ95和93 mm。

大口徑深孔取心鉆進(jìn)，以往地質(zhì)鉆探中很少使用，鉆進(jìn)工藝及鉆具都不成熟，只能邊試驗(yàn)邊改進(jìn)。

1.3.2.2 鉆探設(shè)備不成熟

WFSD－2號(hào)孔前期使用HXY－8B型鉆機(jī)，后期使用KZ3000型鉆機(jī)，兩臺(tái)鉆機(jī)均屬于新研制鉆機(jī)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)存在一些不足。

和常規(guī)的小口徑鉆探施工不同，鉆塔、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、固控設(shè)備等在選取購(gòu)置方面有著很高的要求，施工工藝尚不成熟，設(shè)備選型方面缺乏可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1.3.3 其他難點(diǎn)

復(fù)雜地層泥漿、擴(kuò)孔技術(shù)，小間隙固井及活動(dòng)套管技術(shù)，都是大口徑取心鉆進(jìn)施工的技術(shù)難點(diǎn)，能否處理好這些問(wèn)題也是大口徑取心鉆進(jìn)施工成功與否的關(guān)鍵。

2 施工主要技術(shù)措施

2.1 斷裂帶復(fù)雜地層取心

WFSD－2號(hào)孔自599.4 m進(jìn)入三疊系地層后，地層碎裂，造成巖心堵塞，影響回次長(zhǎng)度，巖心易脫落，影響巖心采取率。局部地層怕沖蝕并且?guī)r心膨脹，鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)選擇稍有不慎就會(huì)影響巖心采取率，巖心膨脹造成堵心，影響回次長(zhǎng)度。如何提高巖心采取率，提高回次進(jìn)尺，就成了鉆進(jìn)中亟待解決的問(wèn)題。

本孔施工，采用了Φ150 mm普通雙管鉆具及S150繩索取心鉆具，兩種鉆具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但取心效果好。巖心采取率分別達(dá)到92.5%及89.3%。鉆具都采用半合管技術(shù)(抱箍式及嵌入式半合管)，有效防止了巖心被沖蝕、擾動(dòng)，保證了巖心采取率及取心質(zhì)量。

鉆進(jìn)參數(shù)選擇，需要根據(jù)地層情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，泥質(zhì)含量較高的縮徑地層，每回次鉆進(jìn)前輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔到底以消除縮徑影響，并嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺。

2.2 全面鉆進(jìn)防斜保直

2.2.1 孔斜因素

2.2.1.1 地層造斜

WFSD－2號(hào)施工中，47.8～311.39 m孔段采用Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)，地層為花崗巖，通過(guò)取心發(fā)現(xiàn)，巖心破碎，巖心中存在較多傾角較陡的節(jié)理面、小斷層，其傾角在70°左右，說(shuō)明受地殼運(yùn)動(dòng)和多次地震的影響，花崗巖地層中的節(jié)理比較發(fā)育，而且小斷層多，當(dāng)鉆遇傾角比較陡的節(jié)理和斷層時(shí)，再加上鉆孔環(huán)壁間隙大，導(dǎo)致鉆頭順節(jié)理面和斷層面滑動(dòng)，形成“順層溜”。

2.2.1.2 技術(shù)因素

鉆具結(jié)構(gòu)以及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的選擇，對(duì)孔斜的控制至關(guān)重要。

以WFSD－2號(hào)孔為例，在47.8～234.9 m采用Φ245 mm牙輪鉆頭+Φ203 mm鉆鋌+Φ178 mm鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌+Φ121 mm鉆鋌+Φ89 mm鉆桿塔式鉆具結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)孔斜。其后，在234.9～311.39 m孔段采用Φ245 mm牙輪鉆頭+Φ203 mm鉆鋌+Φ243 mm穩(wěn)定器+Φ178 mm鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌+Φ121 mm鉆鋌+Φ89 mm鉆桿鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，孔斜仍未得到控制，孔深311.39 m時(shí)鉆孔頂角達(dá)到6.2°。

Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)中采用低壓(25～50 kN)、慢轉(zhuǎn)(27～46 r/min)鉆進(jìn)，采取了這些措施后孔斜并未得到有效控制，可見(jiàn)大口徑鉆探施工與小口徑鉆探施工有所不同，在孔斜控制方面鉆具結(jié)構(gòu)的選擇更為重要。

2.2.2 防斜措施

(1)把好安裝開(kāi)孔關(guān)，開(kāi)孔后盡量選取“長(zhǎng)、剛、直”的鉆具組合。WFSD－2號(hào)孔開(kāi)孔后的漂礫石層地層松散、軟硬不均，容易導(dǎo)致孔斜。采用了Φ377 mm鋼粒鉆進(jìn)，鉆具組合為:Φ377 mm鋼粒粗徑鉆具+Φ89 mm鉆桿，這種鉆具組合具有鉆具與孔壁之間間隙小、剛性大、能保直的特點(diǎn)，實(shí)踐證明其在WFSD－2號(hào)孔的使用達(dá)到了有效的防斜效果。

(2)在地層造斜強(qiáng)烈的孔段，宜采用滿(mǎn)眼鉆具組合:一般采用3個(gè)以上的穩(wěn)定器和適當(dāng)?shù)拇謴姐@鋌配合。WFSD－2號(hào)孔在Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)階段，由于缺乏本地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有及時(shí)采用滿(mǎn)眼鉆具組合，使得孔斜未能得到有效控制。

2.3 復(fù)雜地層繩索取心工藝的沖洗液

2.3.1 泥漿體系、性能及其調(diào)整

838.66 ～894.17 m孔段三疊系沉積巖采用S150繩索取心鉆進(jìn)，由于地層以碳質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)砂巖為主，水敏膨脹，應(yīng)力釋放膨脹。為了滿(mǎn)足繩索取心工藝需求，提出2種泥漿方案:(1)甲酸鹽無(wú)固相體系;(2)普通低固相加重體系，即對(duì)分散體系泥漿以重晶石適當(dāng)進(jìn)行加重。

方案一中，甲酸鹽鉆井液中的甲酸鹽可使用甲酸鉀、甲酸鈉或甲酸銫，可單獨(dú)使用一種，或2種或3種同時(shí)使用。甲酸鹽鉆井液的密度范圍可通過(guò)選擇甲酸鹽類(lèi)型和加重材料，如碳酸鈣、重晶石和赤鐵礦粉加重在1.60～2.30 g/cm3之間調(diào)節(jié)。同時(shí)使用增稠劑、降失水劑、潤(rùn)滑劑和消泡劑以使甲酸鹽鉆井液具有滿(mǎn)意性能。

方案二中，繼續(xù)采用分散鉆井液體系，可配制適應(yīng)于復(fù)雜地層的高密度、低失水、低粘度、低滲透泥漿，處理劑以磺化類(lèi)降失水劑、防塌劑為主，考慮到鉆井液的加重問(wèn)題，選取懸浮重晶石性能比較好的降失水處理和防滲漏的成膜劑。為了降低摩擦阻力，必須具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑減阻特性，同時(shí)為了避免發(fā)生孔內(nèi)卡鉆事故，或發(fā)生卡鉆事故能較好地實(shí)現(xiàn)鉆具的解卡，泥漿體系還應(yīng)該有防卡解卡的功能，因此選取具有潤(rùn)滑和防卡雙重功效的T型潤(rùn)滑防卡劑。配比:4%～5%鈉土+0.3%～0.5%CMC+1%S－1 +2%～3%SAS+1%SMC+1%X－1+0.5%T型潤(rùn)滑劑。性能:密度為1.16～1.22 g/cm3;失水量為4.5～6.0 mL/30 min;漏斗粘度為23～28 s;表觀粘度為17.5～20 mPa·s;塑性粘度為12～17 mPa· s;泥皮厚度≤1 mm。

由于甲酸鹽無(wú)固相鉆井液成本過(guò)高(約20000元/t)，WFSD－2號(hào)孔采用分散體系加重鉆井液。在復(fù)雜地層基本滿(mǎn)足繩索取心鉆進(jìn)需求，在維護(hù)孔壁穩(wěn)定性的同時(shí)，較好地保證了取心鉆進(jìn)的正常進(jìn)行，其成本約為甲酸鹽無(wú)固相鉆井液的30%左右。

2.3.2 固相控制

復(fù)雜地層繩索取心工藝對(duì)固相控制的要求較高，WFSD－2號(hào)孔采用三級(jí)固相控制，即振動(dòng)篩、離心機(jī)以及除泥清潔器。

振動(dòng)篩具有最先、最快分離泥漿固相的特點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著清除大量鉆屑的任務(wù)，其能夠清除固相顆粒的大小，依賴(lài)于網(wǎng)孔的尺寸和形狀，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了80和100目?jī)煞N篩網(wǎng)，繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，巖粉較細(xì)，振動(dòng)篩的作用甚微;主要用離心機(jī)來(lái)清除細(xì)小的巖屑顆粒，現(xiàn)場(chǎng)使用的TGLW350－692T型離心機(jī)，可以分離大于5 μm的固相;除泥器的分離點(diǎn)是43 μm，能夠除出較細(xì)的固相顆粒。

上述的三級(jí)固控在WFSD－2號(hào)孔的使用中，較好地控制了繩索取心階段鉆井液中的有害固相含量，保持了泥漿性能的穩(wěn)定，減少了泥漿材料的浪費(fèi)，起到了比較好的除砂除泥效果。

2.4 復(fù)雜地層擴(kuò)(修)孔

大口徑深孔取心鉆探，擴(kuò)孔是一個(gè)重要工序。WFSD－2號(hào)擴(kuò)孔施工主要包含2方面困難:堅(jiān)硬地層擴(kuò)孔及局部小級(jí)差擴(kuò)(修)孔。

2.4.1 堅(jiān)硬地層擴(kuò)(修)孔

WFSD－2號(hào)孔的擴(kuò)孔段地層以堅(jiān)硬的花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖以及較硬的砂巖、頁(yè)巖為主，在此地層條件下，采用Φ252 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔輔以Φ253 mm金剛石二次擴(kuò)孔的方法擴(kuò)孔施工。

本孔二開(kāi)Φ152 mm牙輪鉆進(jìn)孔段和Φ150 mm取心鉆進(jìn)孔段采用Φ252 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔方法擴(kuò)孔，牙輪擴(kuò)孔鉆頭帶有Φ140 mm前導(dǎo)向。對(duì)于擴(kuò)孔鉆具組合的選擇，必須兼顧擴(kuò)孔鉆壓的選擇，而堅(jiān)硬地層擴(kuò)孔需要足夠的鉆壓，因此必須保證鉆鋌的數(shù)量。

由于牙輪擴(kuò)孔鉆頭磨損嚴(yán)重，不能一次性達(dá)到擴(kuò)孔目的，Φ252 mm牙輪擴(kuò)孔的同時(shí)采取Φ253 mm金剛石修孔鉆頭二次修孔。擴(kuò)、修孔鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 擴(kuò)(修)孔鉆進(jìn)參數(shù)

2.4.2 級(jí)差較小孔段擴(kuò)孔

WFSD－2號(hào)孔在Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)孔段，擴(kuò)孔到Φ253 mm口徑，理論單邊擴(kuò)孔量4 mm，實(shí)際更小。這種小級(jí)擴(kuò)孔，必須采用金剛石鉆頭進(jìn)行，同時(shí)對(duì)施工操作提出了更高要求。

擴(kuò)孔鉆頭、擴(kuò)孔器采用鑲焊工藝，鉆頭前導(dǎo)向Φ241 mm，前導(dǎo)向長(zhǎng)170 mm，擴(kuò)孔部分長(zhǎng)160 mm，擴(kuò)孔器工作外徑253.5 mm，工作長(zhǎng)度均為200 mm，穩(wěn)定器外徑250 mm。

擴(kuò)孔鉆具組合:金剛石擴(kuò)孔鉆頭+金剛石擴(kuò)孔器+鉆鋌+金剛石穩(wěn)定器+鉆鋌+鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù):必須考慮卡鉆等孔內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)，采用輕壓(5～8 kN)、慢轉(zhuǎn)(27～46 r/min)、小泵量(700 L/min)。在操作過(guò)程中，機(jī)臺(tái)司鉆應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行并隨時(shí)關(guān)注回轉(zhuǎn)阻力變化。

3 各種取心方法的應(yīng)用比較

3.1 Φ150 mm普通單管取心

一般小口徑普通單管在堅(jiān)硬、致密、完整地層，巖心不怕沖刷、振動(dòng)，取出的巖(礦)心較為完整，采心率較高，能較好地保持其原生結(jié)構(gòu)。但對(duì)于大口徑取心鉆進(jìn)而言，即使?jié)M足地層條件，由于卡斷堅(jiān)硬巖心的難度增大，其卡心效果也不甚理想，取心質(zhì)量時(shí)常達(dá)不到預(yù)期設(shè)想。

WFSD－2號(hào)孔取心鉆進(jìn)中，由于使用條件和取心效果的限制，Φ150 mm普通單管取心鉆具無(wú)法在正常取心鉆進(jìn)中被使用。然而，在孔深至637.56 m發(fā)生斷取心鉆具事故后，我們采用Φ250 mm普通單管取心鉆具對(duì)事故鉆具進(jìn)行了套銑，成功打撈出了事故鉆具。

3.2 Φ150 mm普通雙管取心

WFSD－2號(hào)孔取心原計(jì)劃在震旦系花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖地層及以下較穩(wěn)定的砂巖地層應(yīng)用繩索取心鉆具，因?yàn)镾127 mm繩索取心鉆桿沒(méi)能及時(shí)到場(chǎng)，只好采用Φ150 mm普通雙管取心鉆具(以Φ150 mm普通單動(dòng)雙管半合管鉆具為主)在上述地層施工鉆進(jìn)，并且基本達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)要求。

下層的三疊系碳質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)砂巖、石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖、角礫巖、碎裂巖等破碎、裂隙發(fā)育的復(fù)雜地層(包含泥質(zhì)含量高、水敏性高、易吸水膨脹縮徑的地層)，也采用了Φ150 mm單動(dòng)普雙半合管鉆具。取得了較好的使用效果，滿(mǎn)足了汶川地震科學(xué)鉆探的要求。

Φ150 mm普通雙管取心鉆具能有效避免沖洗液對(duì)巖心的沖刷，避免振動(dòng)、擺動(dòng)、摩擦等機(jī)械力對(duì)巖(礦)心的破壞作用;結(jié)構(gòu)上增設(shè)有防振、防污(沉砂)、防脫等裝置，巖心的采取率、完整度、純潔性等都有較大提高;另外，半合管的使用，最大程度保持了巖心的原狀結(jié)構(gòu)，極大提高了巖心采取率。但與小口徑普雙鉆具相比，由于巖心直徑、接觸面積、巖心質(zhì)量等變得更大，取心鉆具與巖心的受力情況發(fā)生變化，使用Φ150 mm普通雙管取心鉆具鉆進(jìn)施工中常會(huì)出現(xiàn)磨心、堵心等問(wèn)題，對(duì)鉆具的單動(dòng)性提出了更高的要求;同時(shí)，Φ150 mm普通雙管取心鉆具對(duì)同心度的要求也更高，因?yàn)椴煌脑斐傻娜⌒你@具彎曲容易引起取心鉆進(jìn)過(guò)程中絲扣連接處脫扣，導(dǎo)致孔內(nèi)事故的發(fā)生。

3.3 S150 繩索取心

小口徑繩索取心鉆進(jìn)已屬于成熟先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)，得到廣泛使用。但Φ150 mm繩索取心鉆進(jìn)在我國(guó)還屬于空白，國(guó)外使用也不多。WFSD－2號(hào)孔的使用，填補(bǔ)了我國(guó)在大孔徑繩索取心方面的空白。

鑒于838.66 m以深提鉆取心純鉆時(shí)間利用率較低，嘗試了S150繩索取心鉆進(jìn)，并對(duì)其進(jìn)行了完善和改進(jìn)。

與小口徑不同，S150繩索取心鉆具以及與其配套的Φ142 mm繩索取心鉆鋌、Φ127 mm繩索鉆桿內(nèi)徑較大，鉆井液的離心力更大，導(dǎo)致固相顆粒粘附在鉆具、鉆桿內(nèi)壁而結(jié)垢的問(wèn)題。因而S150繩索取心鉆進(jìn)對(duì)鉆井液性能的要求較小口徑繩索取心鉆進(jìn)更高。

鉆頭選型考慮到水路設(shè)計(jì)、鉆頭與卡簧座之間的配合、鉆進(jìn)效率等方面因素，WFSD－2號(hào)孔主要選用底噴式PDC鉆頭。目前看來(lái)，底噴鉆頭適合鉆遇地層的鉆探施工，但還需加以適當(dāng)改進(jìn)。主要是: (1)內(nèi)管打撈不動(dòng)，繩索取心鉆進(jìn)29回次，進(jìn)尺55.51 m，提鉆11次，其中因內(nèi)管打撈失敗而提鉆6次，占55%，這說(shuō)明鉆具設(shè)計(jì)和施工工藝還不夠成熟;(2)內(nèi)管投放不到位，導(dǎo)致磨心、丟心;(3)打撈內(nèi)管考慮鉆井液的抽吸作用，限制繩索取心絞車(chē)的上提速度，使得打撈巖心的輔助時(shí)間變長(zhǎng)(打撈耗時(shí)在40～80 min之間)，影響了鉆進(jìn)效率;(4)外管總成螺紋扣高不夠，抗拉能力差(外管總成的擴(kuò)孔器、鉆頭、外管、彈卡室、彈卡彈頭的螺紋高度均為1 mm)，施工過(guò)程中上擴(kuò)孔器與彈卡室絲扣連接處在較大提升力下極易脫扣，從而造成孔內(nèi)事故。

鉆進(jìn)參數(shù)為:鉆壓30～50 kN，轉(zhuǎn)速140～156 r/ min，泵量230～280 L/min，泵壓1.3～2 MPa。

3.4 幾種方法比較

根據(jù)WFSD－2號(hào)孔地層條件及地學(xué)研究對(duì)取心的要求，本孔以Φ150 mm普通單動(dòng)雙管半合管取心為主和S150繩索取心相結(jié)合的方式鉆進(jìn)施工。

Φ150 mm普通單管取心鉆進(jìn)在地層復(fù)雜的汶川地震斷裂帶未被采用。

Φ150 mm普通雙管取心鉆進(jìn)方法雖然勞動(dòng)強(qiáng)度大、深孔段臺(tái)月效率低，但在破碎、極易縮徑的復(fù)雜地層中安全可靠，不易發(fā)生孔內(nèi)事故。在易沖蝕地層通過(guò)采用底噴或側(cè)噴式鉆頭，形成側(cè)向密封，達(dá)到了比S150繩索取心鉆具更好的防巖心沖蝕效果，WFSD－2號(hào)孔施工中，這種鉆進(jìn)方法在堅(jiān)硬巖層及復(fù)雜地層均取得了較好的應(yīng)用效果，并且逐步走向了成熟。

S150繩索取心鉆進(jìn)方法具有普通單動(dòng)雙管取心鉆進(jìn)的特點(diǎn)，而且具有適應(yīng)性強(qiáng)、提高鉆進(jìn)效率、降低鉆進(jìn)成本的諸多優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)鉆桿的材質(zhì)和加工精度要高，使鉆桿的成本昂貴;鉆桿柱與孔壁的間隙小，增加了鉆桿柱的磨損，也使沖洗液循環(huán)阻力增大;繩索取心鉆頭唇面厚，鉆進(jìn)效果較差，對(duì)巖心擾動(dòng)更大;另外，回轉(zhuǎn)阻力大，動(dòng)力消耗大，在深孔段影響開(kāi)高轉(zhuǎn)速。WFSD－2號(hào)孔施工中，鉆具及工藝不成熟，影響了S150繩索取心使用效果。

4 施工工藝分析

4.1 鉆探設(shè)備

WFSD－2號(hào)孔主要設(shè)備(包括:鉆機(jī)、鉆塔、專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的鉆機(jī)底座和泥漿循環(huán)固控系統(tǒng))由甲方提供。施工中所需的其它設(shè)備、鉆具、工具和材料，均由施工方配備。

鉆機(jī)選擇:838.66 m之前采用HXY－8B型巖心鉆機(jī)，之后更換為KZ3000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。HXY－8B型巖心鉆機(jī)沿用了傳統(tǒng)立軸式巖心鉆機(jī)風(fēng)格，符合操作人員習(xí)慣，但實(shí)際應(yīng)用中，HXY－8B型鉆機(jī)出現(xiàn)了提升能力不足、離合器打滑等問(wèn)題。KZ3000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)采用數(shù)字化操作模式，使得鉆進(jìn)參數(shù)控制方面更加量化、更加直觀，采用全液壓控制，性能可靠穩(wěn)定，由于是新樣機(jī)，存在卷?yè)P(yáng)機(jī)平衡閥工作不穩(wěn)定，造成在某個(gè)速度段內(nèi)卷?yè)P(yáng)機(jī)下鉆或提升抖動(dòng)問(wèn)題。

鉆塔選擇:WFSD－2號(hào)孔采用K31－135/4.0井架及底座。在鉆井平臺(tái)布局方面，前場(chǎng)設(shè)備布置密集，空間局促，而后場(chǎng)布置稀疏，給施工帶來(lái)了一定不便。為了方便S150繩索取心鉆具的使用，后期對(duì)鉆塔二層平臺(tái)進(jìn)行了改造，增加了繩索鉆桿平臺(tái)。

鉆井液循環(huán)設(shè)備:WFSD－2號(hào)孔選用TBW1200/7B型、BW320/80型、BW280/30型泥漿泵。泥漿泵的選擇滿(mǎn)足了大口徑牙輪全面鉆進(jìn)施工以及大口徑取心鉆進(jìn)施工工藝的要求。

三級(jí)固控設(shè)備:HS240－3P型振動(dòng)篩、TGLW350－692T型離心機(jī)、HM－100×4－C型除泥器。三級(jí)固控設(shè)備亦是達(dá)到了清除鉆井液內(nèi)有害固相的目的。

動(dòng)力配置:HXY－8B型巖心鉆機(jī)以400GF型發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，KZ3000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)則以配套的KZ3000液壓動(dòng)力站驅(qū)動(dòng)，固控設(shè)備配有額定電壓380 V、額定電流160 A的電控柜1臺(tái)。

4.2 提升、擰卸、事故處理等工具

與小口徑不同，大口徑取心鉆探施工需要專(zhuān)門(mén)的提升、擰卸、事故處理等工具。WFSD－2號(hào)孔施工中，選用的提升工具包括5、3?和2in鉆桿，Φ168.3、219.1、273.1 mm套管專(zhuān)用吊卡，以及不同型號(hào)的安全卡瓦。特別是ZQ162－50型鉆桿動(dòng)力鉗、B型吊鉗、各種規(guī)格的自由鉗和管鉗，鉆桿動(dòng)力鉗的使用，大幅度減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了起下鉆時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。事故處理工具除常用的公錐、母錐、磨鞋、撈杯等，還包括了石油鉆井的卡瓦打撈矛、上擊器、水力內(nèi)割刀、反循環(huán)強(qiáng)磁打撈器等。

4.3 取心鉆具

WFSD－2號(hào)孔施工使用了3種普通雙管(普通內(nèi)管和半合管)取心鉆具的新產(chǎn)品，經(jīng)實(shí)際使用，鉆具的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 WFSD－2號(hào)孔普通雙管取心鉆具比較

在沉積巖地層為了保證原狀巖心，主要使用SDB150半合管鉆具鉆進(jìn)。

如前所述，WFSD－2號(hào)孔使用的S150繩索取心鉆具，其設(shè)計(jì)上仍需改進(jìn)。

4.4 沖洗液

WFSD－2號(hào)孔地層復(fù)雜，為保證鉆孔順利施工，泥漿護(hù)壁是關(guān)鍵。開(kāi)鉆前，針對(duì)WFSD－1號(hào)孔泥漿使用情況，汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程中心組織專(zhuān)家多次研討，初步確定了WFSD－2號(hào)孔的泥漿方案。施工中經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，針對(duì)地層情況、施工工藝要求確定具體的泥漿配方及性能，鉆進(jìn)中根據(jù)孔內(nèi)情況適時(shí)調(diào)整泥漿性能，保證了孔壁穩(wěn)定和孔內(nèi)巖屑的攜帶正常。

一開(kāi)采用鋼粒鉆進(jìn)，采用普通的淡水鈉基分散體系泥漿，泥漿材料也比較簡(jiǎn)單，主要是普通膨潤(rùn)土+碳酸鈉，在表層泥漿漏失時(shí)采用粘土球堵漏。

二開(kāi)Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)時(shí)采用聚合物泥漿體系，由于聚合物堵振動(dòng)篩網(wǎng)不能正常除砂，后來(lái)逐漸轉(zhuǎn)化成分散泥漿體系，花崗巖地層泥漿處理劑以提粘、防塌劑為主，進(jìn)入沉積巖地層處理劑以降失水、防滲漏為主，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)在原漿基礎(chǔ)上增加粘土或加入HV－CMC、PAC141等提粘降失水劑，提高泥漿切力。

三開(kāi)取心鉆進(jìn)，地層為三疊系沉積巖，以碳質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)砂巖為主，地層水敏膨脹，應(yīng)力釋放膨脹，采用分散體系泥漿，分散體系泥漿可以容納較多的固相，可以配制出高密度、低失水、低粘度、低滲透泥漿，處理劑以磺化類(lèi)降失水劑、防塌劑為主，考慮向加重泥漿轉(zhuǎn)化問(wèn)題，還加入懸浮重晶石性能比較好的降失水處理和防滲漏的成膜劑。

4.5 擴(kuò)孔及套管護(hù)壁

4.5.1 擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)

WFSD－2號(hào)孔施工中，取心鉆進(jìn)后，擴(kuò)孔下管固井，然后繼續(xù)取心鉆進(jìn)，是經(jīng)常使用的施工方法。根據(jù)擴(kuò)孔量的大小，可選用金剛石擴(kuò)孔或牙輪擴(kuò)孔方法，本孔在二開(kāi)Φ245 mm全面鉆進(jìn)孔段采用Φ253 mm金剛石擴(kuò)孔，在糾斜和取心鉆進(jìn)孔段采用了Φ252 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔。

4.5.2 套管護(hù)壁技術(shù)

4.5.2.1 小間隙固井技術(shù)

WFSD－2號(hào)孔，一開(kāi)固井，深度47.8 m，井徑Φ377 mm，下入Φ273 mm×7.09 mm石油套管，強(qiáng)度J55，采用鉆桿內(nèi)插法固井。二開(kāi)固井，深度638.01 m，是為了隔離上部花崗巖與三疊系地層接觸面坍塌掉塊超徑的復(fù)雜地層，井徑Φ253 mm，下入Φ21 9mm×7.72 mm石油套管，強(qiáng)度N80Q，采用偏梯形螺紋連接。采用單級(jí)固井工藝固井，用高壓泵(蘭石1000，額定壓力30 MPa，最大流量1000 L/min)固井，水泥漿配方:G級(jí)75°油井水泥，水灰比0.45～0.5，水泥漿密度1.86 g/cm3左右，設(shè)計(jì)水泥漿15 m3，干水泥用量19 t。

下管、固井必須注意:(1)通孔用Φ253 mm金剛石擴(kuò)孔鉆具;(2)探孔用長(zhǎng)51.05 m、Φ219 mm套管串;(3)下套管(扶正)、居中;(4)注漿管匯連接牢固、流暢;(5)頂通(用沖洗液循環(huán));(6)注前置液(6 m3);(7)注漿(15 m3);(8)注后置液(2 m3); (9)替漿，大泵量注入鉆井液(16 m3);(10)小泵量補(bǔ)注鉆井液(2.28 m3)泵壓到8 MPa;(11)泄壓，檢查是否倒流;(12)拆管匯候凝。另外，整個(gè)施工過(guò)程中，要密切注意泵壓變化;注水泥作業(yè)必須連續(xù)施工(水泥漿密度符合設(shè)計(jì)要求并有專(zhuān)人測(cè)量和記錄水泥漿密度);優(yōu)化地面施工工藝(采用Φ219 mm套管作注漿通道)，嚴(yán)格控制水泥漿密度和替漿量。

4.5.2.2 活動(dòng)套管技術(shù)

WFSD－2號(hào)孔在二開(kāi)和三開(kāi)取心鉆進(jìn)時(shí)均下入了活動(dòng)套管，主要用來(lái)解決取心鉆進(jìn)時(shí)上面鉆孔直徑大帶來(lái)的一系列問(wèn)題，活動(dòng)套管為Φ168 mm× 7.32 mm，強(qiáng)度N80Q。二開(kāi)取心鉆進(jìn)在0～311.84 m裸眼段下入活動(dòng)套管，孔徑Φ253 mm，活動(dòng)套管下端的套管鞋坐落在花崗巖層上;三開(kāi)在0～637.6 m的Φ219 mm套管內(nèi)下入活動(dòng)套管，活動(dòng)套管下端坐落在Φ219 mm套管鞋上?；顒?dòng)套管在孔內(nèi)的固定均采用上掛、下座、中間扶正的固定方式。

通過(guò)WFSD－2號(hào)孔施工，對(duì)活動(dòng)套管的使用有幾點(diǎn)值得注意:(1)套管間環(huán)空要使用無(wú)固相、高懸浮能力的液體，以防止固相沉積;(2)提鉆時(shí)要控制速度，以防抽吸作用在活動(dòng)套管鞋處引起壓力波動(dòng)，使套管間環(huán)空與井眼內(nèi)流體相互流動(dòng);(3)起鉆要及時(shí)灌漿，防止出現(xiàn)井漏(環(huán)空液面下降時(shí))，使套管間環(huán)空液體流入井內(nèi);(4)使用高潤(rùn)滑性的鉆井液體系，根據(jù)井底巖石的抗壓強(qiáng)度和井溫的變化合理地調(diào)整活動(dòng)套管在井底的支撐重量，以防止活動(dòng)套管的下滑，防止套管磨損后可能發(fā)生的斷套管事故;(5)在每使用一段時(shí)間后起出活動(dòng)套管，檢查后調(diào)換活動(dòng)套管排序或轉(zhuǎn)動(dòng)套管位置，有效防止活動(dòng)套管脫扣。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求，大口徑深孔取心鉆探工藝應(yīng)用前景越來(lái)越廣，但本項(xiàng)技術(shù)仍欠成熟，需要不斷研究完善。WFSD－2號(hào)孔基本上形成了一套較成熟的取心鉆進(jìn)工藝，并且在施工應(yīng)用中對(duì)定做的S150繩索取心鉆具進(jìn)行了逐步改進(jìn)，填補(bǔ)了技術(shù)空白，但仍需要繼續(xù)深入研究、試驗(yàn)和不斷總結(jié)完善。

(2)深孔的鉆孔結(jié)構(gòu)和地層復(fù)雜，取心→擴(kuò)孔→下管、固井→(下活動(dòng)套管)→取心鉆進(jìn)……是必須程序。小級(jí)差擴(kuò)(修)孔不可避免，必須選擇合理的擴(kuò)孔鉆具和操作規(guī)程。WFSD－2號(hào)孔在二開(kāi)采用Φ245 mm牙輪鉆頭/Φ253 mm金剛石鉆頭擴(kuò)孔。在糾斜和取心段采用Φ152/Φ252、Φ150/Φ252 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔并及時(shí)利用Φ253 mm金剛石鉆頭修孔。采用輕壓、慢轉(zhuǎn)和控制給進(jìn)速度操作規(guī)程，保證擴(kuò)孔順利。

(3)套管護(hù)壁也是大口徑取心鉆探施工重要工序，WFSD－2號(hào)孔在使用小間隙套管的同時(shí)，靈活使用活動(dòng)套管技術(shù)，數(shù)次下入Φ168 mm活動(dòng)套管，解決取心鉆進(jìn)時(shí)上面鉆孔直徑大帶來(lái)的一系列問(wèn)題，保障施工安全的同時(shí)提高了取心鉆進(jìn)效率。

(4)深孔段復(fù)雜地層，沖洗液既要護(hù)壁又要平衡地層壓力，密度必須足夠大。而繩索取心工藝要求固相含量盡量降低，甲酸鹽沖洗液最理想，但成本過(guò)高。對(duì)分散沖洗液體系進(jìn)行處理，使其滿(mǎn)足施工要求。WFSD－2號(hào)孔在三疊系復(fù)雜地層中，采用分散型鉆井液體系，具有高密度、低失水、低粘度、低滲透等特性，在遇水膨脹縮徑地層適當(dāng)加重，基本上滿(mǎn)足了復(fù)雜地層大口徑取心鉆進(jìn)的需求。

［1］劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

［2］樊臘生，賈軍，吳金生，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號(hào)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，胡時(shí)友.汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的概況和鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

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致謝:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所、汶川地震科學(xué)鉆探工程中心鉆井工程部的領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家在WFSD－2號(hào)孔(0～897.66 m段)施工過(guò)程中給予了全面指導(dǎo)、支持和幫助，特別是對(duì)施工中技術(shù)難題的解決，提出了寶貴的意見(jiàn)和建議;在本文的編寫(xiě)、修改中，給予了悉心指導(dǎo)，提出了寶貴的意見(jiàn)。在此對(duì)他們表示衷心的感謝!

Some Knowledge of Coring Drilling Technology in Large Diameter Deep Hole

QIN Pei(Beijing Geological Engineer-ing Design Institute，Miyun Beijing 101500，China)

Drilling is difficult for coring in large diameter deep hole because of large diameter，complex formation and borehole structure with immature drilling technology.According to the construction of the section of 0～897.66m of hole WFSD－2，the paper introduced the main problems and technical measures in construction.Comparative analysis was made on different construction technologies and technical methods，and some suggestions were put forward to the similar project.

deep hole;large diameter;coring drilling technology;Wenchuan seismic fracture zone;scientific drilling

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0007－07

2011－10－31;

2011－11－09

科技部科技支撐計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)”項(xiàng)目之“科學(xué)鉆探與科學(xué)測(cè)井”課題資助

秦沛(1963－)，男(漢族)，甘肅鎮(zhèn)原人，北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院總工程師、高級(jí)工程師，探礦工程專(zhuān)業(yè)，碩士，從事工程施工技術(shù)管理工作，北京市密云縣園林東路1號(hào)，101qinpei@163.com。