汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探施工進(jìn)展綜述

張 偉，賈 軍，胡時(shí)友，樊臘生

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京100037;2.北京探礦工程研究所，北京100083;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探施工進(jìn)展綜述

張 偉1，賈 軍2，胡時(shí)友3，樊臘生3

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京100037;2.北京探礦工程研究所，北京100083;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734）

編者按:汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目以研究地震為目標(biāo)，對(duì)于減災(zāi)、防災(zāi)意義重大。項(xiàng)目共計(jì)劃施工5口科學(xué)鉆孔，目前4口鉆孔已完鉆，WFSD-4號(hào)孔也于2012年8月6日開鉆。由于汶川地震斷裂帶歷史上頻繁發(fā)生地震，地層嚴(yán)重破碎，鉆探施工條件極端惡劣。另一方面，地學(xué)研究對(duì)鉆探施工提出了很高的要求。這一系列情況對(duì)該項(xiàng)目的鉆探施工帶來了很大的困難，對(duì)鉆探施工技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。通過該項(xiàng)目鉆探工程技術(shù)人員的艱苦努力，克服了重重困難，針對(duì)施工中的技術(shù)難題開展了技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新，取得了較好的施工效果，為地學(xué)研究提供了高質(zhì)量樣品和數(shù)據(jù)，使我國(guó)深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)、取心、護(hù)孔技術(shù)水平得到提高。該項(xiàng)目鉆探施工中采取的技術(shù)措施和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于我國(guó)的深孔復(fù)雜地層取心鉆探施工具有很好的參考價(jià)值。因此，特組織此專欄，供同行們學(xué)習(xí)參考。

介紹了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目的鉆探施工情況，包括鉆探施工進(jìn)展、施工中遇到的技術(shù)難題以及為解決這些技術(shù)問題采取的技術(shù)措施和取得的成果。

汶川地震;地震斷裂帶;科學(xué)鉆探;進(jìn)展

1 概述

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)是:通過在位于四川的龍門山斷裂帶施工科學(xué)鉆孔，獲取地下深處的地學(xué)信息，研究地震活動(dòng)的規(guī)律和發(fā)震機(jī)理。完鉆后，在鉆孔內(nèi)安放地震探測(cè)儀器，建立長(zhǎng)期地震觀測(cè)站，為未來地震的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)或預(yù)警提供基本數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目作為科技部科技支撐計(jì)劃的一個(gè)專項(xiàng)，由國(guó)土資源部和中國(guó)地震局共同組織實(shí)施，國(guó)土資源部為項(xiàng)目負(fù)責(zé)部門。項(xiàng)目的具體實(shí)施工作由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局汶川地震科學(xué)鉆探工程中心承擔(dān)。該項(xiàng)目于2008年10月啟動(dòng)，原計(jì)劃于2011年12月結(jié)束，由于地震斷裂帶地層強(qiáng)烈破碎，鉆探施工難度很大，進(jìn)展比預(yù)期要慢，經(jīng)科技部批準(zhǔn)延期到2014年6月。

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目總共計(jì)劃施工5口科學(xué)鉆孔，鉆井工程的組織實(shí)施由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所承擔(dān)。鉆孔的部署和進(jìn)展情況見表1。

2 汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的鉆探施工情況

2.1 WFSD-1孔

WFSD-1孔于2008年11月4日開鉆，于2009年7月12日鉆達(dá)終孔孔深1201.15 m。取心鉆進(jìn)進(jìn)尺1368.29 m，巖心采取率94.3%［1］。該孔原計(jì)劃的鉆探施工工期是3個(gè)月，實(shí)際用了8個(gè)多月，主要原因是因?yàn)榈貙訃?yán)重破碎和強(qiáng)烈縮徑，導(dǎo)致孔內(nèi)事故頻發(fā)［2］。該孔施工期間發(fā)生較大鉆探事故3起、測(cè)井事故一起，進(jìn)行了2次側(cè)鉆，重復(fù)進(jìn)尺183.11m。測(cè)井次數(shù)也由原計(jì)劃的3次增加到了6次。另外，2009年7月由特大暴雨引發(fā)的泥石流也使該孔的進(jìn)度有所延緩。

表1 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目的鉆孔部署及其進(jìn)展情況

2.2 WFSD-2孔

WFSD-2孔于2009年7月5日開鉆，2012年2月9日鉆達(dá)終孔孔深2283.56 m。此后，在1356～1468 m孔段，通過套管開窗側(cè)鉆進(jìn)行了補(bǔ)取巖心鉆進(jìn)。該孔取心鉆進(jìn)進(jìn)尺1905.53 m，巖心采取率91.1%。由于地層條件惡劣，該孔的鉆探施工極不順利［3］，施工期間發(fā)生較大鉆探事故5起、測(cè)井事故2起，進(jìn)行了2次側(cè)鉆，重復(fù)進(jìn)尺807.13 m。該孔的施工進(jìn)度也受到了2009年7月特大暴雨引發(fā)的泥石流的影響。

2.3 WFSD-3-P孔

WFSD-3-P孔設(shè)計(jì)孔深400 m，于2009年9月14日開鉆，2009年12月8日以551.54 m的深度完鉆。取心鉆進(jìn)進(jìn)尺 551.54 m，巖心采取率95.1%。該孔施工期間發(fā)生較大孔內(nèi)事故1次。

2.4 WFSD-3孔

WFSD-3孔設(shè)計(jì)孔深1200 m，于2009年12月8日開鉆，2012年2月21日鉆達(dá)終孔孔深1502.3 m。取心鉆進(jìn)進(jìn)尺1548.44 m，巖心采取率94.3%。該孔施工期間發(fā)生較大孔內(nèi)事故3起，進(jìn)行了2次側(cè)鉆，重復(fù)進(jìn)尺526.52 m。

3 鉆探施工的困難及其原因

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目的鉆探施工遇到了極大的困難，主要是地層強(qiáng)烈破碎和復(fù)雜所致，而這一切的總根源是龍門山斷裂帶歷史上的多次地震。文獻(xiàn)［4］對(duì)汶川地震發(fā)生的原因進(jìn)行了介紹:印度洋板塊向亞歐板塊俯沖，造成青藏高原快速隆升。高原物質(zhì)向東緩慢流動(dòng)，在高原東緣沿龍門山構(gòu)造帶向東擠壓，遇到四川盆地之下剛性地塊的頑強(qiáng)阻擋，造成構(gòu)造應(yīng)力能量的長(zhǎng)期積累，超過巖石的強(qiáng)度極限后，巖石發(fā)生破裂，地應(yīng)力能量以地震波的形式突然釋放，形成地震。由于產(chǎn)生地震的根源一直存在，因此一次地震產(chǎn)生和地應(yīng)力得到釋放后，巖體中的地應(yīng)力又重新開始積累，直到下一次地震產(chǎn)生。這種過程一直在循環(huán)進(jìn)行，因此龍門山斷裂帶歷史上經(jīng)歷了許多次地震。

在許多次地震的作用下，龍門山斷裂帶地下巖層整體破碎，“體無完膚”，嚴(yán)重程度罕見（圖1～3）。鉆進(jìn)施工中鉆孔垮塌、擴(kuò)徑（圖4）、縮徑和漏失等諸多困難同時(shí)存在，除了給取心和鉆進(jìn)帶來了很大困難之外，還導(dǎo)致鉆探和測(cè)井事故頻發(fā)，處理事故耗費(fèi)了大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

圖1 WFSD-1孔上部孔段的巖心

圖2 WFSD-2孔1390 m深度的巖心

圖3 WFSD-3孔上部孔段的巖心

在鉆進(jìn)施工過程中，孔壁巖石受到各種機(jī)械擾動(dòng)作用，包括:（1）回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中的鉆桿敲擊作用;起鉆過程中的抽吸作用;（2）下鉆過程中的壓力“激動(dòng)”作用;（3）處理事故過程中孔內(nèi)震擊器的震擊作用等。

在各種機(jī)械擾動(dòng)作用的綜合影響下，本身就破碎的孔壁巖石發(fā)生剝落，剝落物掉在孔內(nèi)。若孔內(nèi)有鉆具，即形成卡鉆或埋鉆。地層破碎和孔壁巖石的剝落、掉塊是卡鉆事故的主要原因之一，WFSD-2孔擴(kuò)孔鉆進(jìn)期間的2次卡鉆事故和WFSD-3孔中試下套管時(shí)發(fā)生的卡鉆事故，都是由于孔壁坍塌掉塊引起的。

除了孔壁坍塌掉塊導(dǎo)致的卡鉆之外，經(jīng)常遇到的還有鉆孔縮徑導(dǎo)致的卡鉆。龍門山斷裂帶在歷史上發(fā)生過許多次地震，地下巖層中斷層泥十分發(fā)育，厚度極大，例如在WFSD-1孔中就遇到了幾十米厚的斷層泥［5］。斷層泥中含有蒙脫石、伊利石等粘土礦物，吸水膨脹性很強(qiáng)，成為鉆孔縮徑的因素之一。此外，鉆孔形成后在地下巖層中產(chǎn)生了自由面，在地應(yīng)力作用下，巖層產(chǎn)生朝著鉆孔方向的塑性流動(dòng)，使鉆孔直徑變小。以上兩種因素往往會(huì)同時(shí)作用，可能造成鉆孔嚴(yán)重縮徑，鉆具非常容易被抱死。WFSD-1孔在斷層泥中鉆進(jìn)時(shí)就遇到了這樣的問題，在孔深590～625 m孔段連續(xù)3次發(fā)生由于縮徑導(dǎo)致的卡鉆和鉆具被拉脫、拉斷事故［2］。在其它3個(gè)鉆孔的施工過程中，也都發(fā)生過由于鉆孔縮徑導(dǎo)致的卡鉆事故。

破碎地層取心也是鉆探施工中的主要問題之一。某些鉆孔的一些孔段巖層強(qiáng)烈破碎，取心異常困難。譬如WFSD-2孔在1400～1470 m孔段取心極度困難，盡管采取了各種措施，巖心采取率也只能達(dá)到40% ～50%，有時(shí)候甚至打空管。

4 汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探施工組織管理和技術(shù)措施

筆者認(rèn)為，在這種極端惡劣的地層條件下進(jìn)行鉆探施工，完成好施工任務(wù)的前提條件是:（1）加強(qiáng)鉆探施工組織管理;（2）加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，通過有效的技術(shù)措施來解決鉆探施工的安全、質(zhì)量和效率問題。

4.1 汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探施工組織管理措施

汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的鉆探施工由于地層條件復(fù)雜，取心要求嚴(yán)格，施工中大量采用新方法和新技術(shù)以及施工設(shè)計(jì)經(jīng)常根據(jù)地學(xué)研究的要求進(jìn)行變化等一系列特點(diǎn)，使得常規(guī)的鉆探施工承包方式難以取得好的效果。參照中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程項(xiàng)目組織實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)［6］，從2010年9月WFSD-2孔下半段施工時(shí)開始采用“甲方指揮施工的日費(fèi)制”，即甲方負(fù)責(zé)從設(shè)計(jì)、器材供應(yīng)到施工指令下達(dá)等一系列決定性的工作，乙方（鉆探隊(duì)伍）按照甲方指令進(jìn)行操作，甲方給乙方的報(bào)酬按日計(jì)費(fèi)。

制定了“科學(xué)鉆探與科學(xué)測(cè)井”課題實(shí)施管理辦法，明確了課題每一個(gè)管理分組和主要人員的崗位職責(zé)，規(guī)定了辦事制度和程序以及物資采購(gòu)制度和程序。

針對(duì)鉆探施工中的技術(shù)難題，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所和汶川地震科學(xué)鉆探工程中心鉆井工程部數(shù)次召開專題性的技術(shù)研討會(huì)和專家咨詢會(huì)，邀請(qǐng)有關(guān)大學(xué)、研究所、施工單位和管理部門的知名專家（涉及地質(zhì)、石油、水電、煤田等部門）對(duì)鉆探技術(shù)難題進(jìn)行會(huì)診并提出解決方案。此外，組織開展了技術(shù)攻關(guān)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)的大學(xué)、研究所和企業(yè)開展了鉆探技術(shù)研究與開發(fā)。一系列技術(shù)和管理措施的采取，為鉆探施工的順利進(jìn)行提供了有力的保證。

4.2 汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探施工技術(shù)措施

4.2.1 深孔硬巖取心鉆探裝備

針對(duì)國(guó)內(nèi)沒有適合于大直徑深孔繩索取心鉆進(jìn)施工的鉆機(jī)的問題，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)裝備總公司研發(fā)出了一套多功能、低成本的深孔取心鉆探設(shè)備KZ3000型鉆機(jī)（圖5）和配套器具。該鉆機(jī)的基本思路是，在地?zé)徂D(zhuǎn)盤鉆機(jī)上加裝一套高轉(zhuǎn)速液壓頂驅(qū)系統(tǒng)和高精度給進(jìn)控制系統(tǒng)，既可滿足金剛石繩索取心鉆進(jìn)的要求，又可實(shí)現(xiàn)大口徑擴(kuò)孔鉆進(jìn)。該鉆機(jī)能以150 mm口徑鉆進(jìn)到3000 m，可用于3000 m左右的科學(xué)鉆探，還可用于深孔巖心鉆探、地?zé)徙@探以及煤層氣鉆探。

圖5 KZ3000型深孔取心鉆機(jī)

4.2.2 硬巖取心鉆進(jìn)方法

對(duì)于復(fù)雜巖層條件的深孔取心鉆進(jìn)的工藝方法，進(jìn)行了大量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析［7］和實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)過的取心鉆進(jìn)工藝方法包括轉(zhuǎn)盤提鉆取心、頂驅(qū)提鉆取心、頂驅(qū)繩索取心、螺桿馬達(dá)提鉆取心、螺桿馬達(dá)/液動(dòng)錘提鉆取心。為開展大口徑繩索取心鉆進(jìn)試驗(yàn)，專門研制了一套127 mm繩索取心鉆桿，可用于鉆孔直徑150 mm、深度3000 m的繩索取心鉆進(jìn)。對(duì)以上幾種取心鉆進(jìn)方法試驗(yàn)的結(jié)果表明:在這種極端破碎的地層條件下，孔底馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的取心鉆進(jìn)比轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)和頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)更有利于鉆孔的穩(wěn)定，可提高鉆頭轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速，減少對(duì)孔壁的敲擊和卡鉆事故。而再加上液動(dòng)錘之后，可以使機(jī)械鉆速和回次長(zhǎng)度顯著地增加。無論采用何種方法，取心鉆進(jìn)時(shí)都采用了半合管，其結(jié)果顯著改善了巖心的原狀性，為地學(xué)研究提供了高質(zhì)量的樣品。

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目的前4個(gè)鉆孔取心鉆進(jìn)總進(jìn)尺5371.18 m，取得巖心總長(zhǎng)4979.14 m，平均巖心采取率為92.7%。雖然通過采用半合管取心技術(shù)，解決了破碎巖層的巖心采取率低和巖心原狀性差的問題，但最初施工時(shí)半合管取心鉆進(jìn)回次進(jìn)尺短，導(dǎo)致提鉆次數(shù)多，輔助時(shí)間長(zhǎng)和鉆探施工效率低。為了解決此問題，組織研發(fā)了長(zhǎng)半合管取心鉆具，將取心鉆具的取心回次長(zhǎng)度由2 m左右增加到4～6 m，大大提高了日進(jìn)尺效率。大量研究和試驗(yàn)的結(jié)果表明，適合于汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目極破碎地層條件的深孔取心鉆進(jìn)系統(tǒng)是螺桿馬達(dá)/液動(dòng)錘/長(zhǎng)半合管/金剛石取心鉆進(jìn)系統(tǒng)（圖6）。

圖6 螺桿馬達(dá)、液動(dòng)錘和長(zhǎng)半合管取心鉆具

4.2.3 改善巖心采取率的技術(shù)措施

通過采取綜合技術(shù)措施來提高極破碎地層的巖心采取率。采取的措施包括:

（1）采用隔水效果好的取心鉆頭（圖7），鉆頭水路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要防止巖心被沖蝕，又要解決鉆頭下方地層被沖蝕的問題。

圖7 超前式隔水防沖蝕取心鉆頭

（2）采用帶可收縮攔簧的取心鉆具。在回次結(jié)束后，使攔簧收攏，兜住巖心，以避免破碎的巖心在起鉆過程中被抖落。

（3）采用低排量，以減輕泥漿對(duì)巖心和地層的沖蝕作用。

（4）提高泥漿粘度和切力，以保證在較低排量時(shí)泥漿的攜帶巖屑效果。

4.2.4 預(yù)防卡鉆事故的技術(shù)措施

卡鉆事故主要有孔壁巖石坍塌掉塊卡鉆和鉆孔縮徑卡鉆2種。

（1）對(duì)于坍塌掉塊導(dǎo)致的卡鉆，采取的預(yù)防和處理措施包括:

①采用防塌效果好的泥漿體系。主要采用以低粘增效粉（LBM）和改性瀝青為主要原料的細(xì)分散鉆井液體系;盡量維持低的失水量（3～6 mL）;根據(jù)地層情況調(diào)整泥漿密度（1.05～1.55 g/cm3），在破碎帶和井徑較大的條件下鉆進(jìn)，將密度調(diào)得稍高一些，有利于孔壁穩(wěn)定。

②遇到異常情況時(shí)采取正確技術(shù)措施和操作措施。

③簡(jiǎn)化孔內(nèi)鉆具組合。

（2）對(duì)于鉆孔縮徑導(dǎo)致的卡鉆，采取的預(yù)防和處理措施包括:

①加大泥漿密度，以泥漿柱的壓力來平衡地層的縮徑力。

②采取局部擴(kuò)孔措施，使縮徑帶的鉆孔直徑變大，縮徑卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)降低。

③降低泥漿失水量并采用抑制粘土礦物膨脹的泥漿處理劑。

④起鉆回灌泥漿。

⑤擴(kuò)孔鉆進(jìn)中采用短起鉆（起到套管內(nèi)、再下鉆擴(kuò)孔鉆進(jìn)）。

5 結(jié)語(yǔ)

汶川地震斷裂帶地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆進(jìn)的地層嚴(yán)重破碎，鉆孔涌水、漏失、垮塌和縮徑等諸多困難同時(shí)存在，給鉆探施工帶來了很大的困難。汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探是對(duì)鉆探技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。通過采取技術(shù)措施，解決該項(xiàng)目鉆探施工中的技術(shù)問題，使我們的復(fù)雜地層鉆進(jìn)、取心、護(hù)孔技術(shù)水平得到提高，能力得到增強(qiáng)。汶川地震科學(xué)鉆探為地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展提供了極好的機(jī)會(huì)。

［1］ 尤建武，曹其友，楊明奇，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號(hào)孔（WFSD-1）不同取心方法的應(yīng)用效果分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）:9-12.

［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）:5-8.

［3］ 秦沛.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［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（11）:7-13.

［4］ 許志琴，李海兵，吳忠良.汶川地震和科學(xué)鉆探［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，82（12）:1614-1622.

［5］ 李之軍，陳禮儀，賈軍，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號(hào)孔（WFSD-1）斷層泥孔段泥漿體系的研究與應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）:13-15，19.

［6］ 王達(dá)，嚴(yán)良，王柏軒.中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程項(xiàng)目組織與管理研究［M］.湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2008.

［7］ 張偉，賈軍.汶川地震科學(xué)鉆探二號(hào)孔取心鉆進(jìn)方法的選擇［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（7）:5-7.

Overview on Drilling Construction Progress in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

ZHANG Wei1，JIA Jun2，HU Shi-you3，F(xiàn)AN La-sheng3（1.China Geological Survey，Beijing 100037，China;2.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China;3.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China）

The paper introduces the drilling operation of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project，including drilling progress，technical problems encountered while drilling with the corresponding measures and the achievements obtained during drilling operation.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;progress

P634

A

1672-7428（2012）09-0001-05

2012-08-08

科技部科技支撐計(jì)劃專項(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

張偉（1954-），男（漢族），湖北恩施人，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局汶川地震科學(xué)鉆探工程中心總工程師，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）客座教授，探礦工程專業(yè)，博士，負(fù)責(zé)組織汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的鉆探和測(cè)井施工工作，北京市西城區(qū)阜外大街45號(hào)院，zhangwei@wfsd.org。