汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3孔施工技術與體會

朱恒銀，朱永宜，張文生，張 正，余善平，漆學忠

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安237010;2.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD-3孔施工技術與體會

朱恒銀1，朱永宜2，張文生1，張 正1，余善平1，漆學忠1

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安237010;2.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

WFSD-3孔是汶川地震科學鉆探項目的系列鉆孔之一，歷經(jīng)2年多的施工，攻克了世界罕見的復雜地層鉆進、大直徑原狀樣取心和高地應力下鉆孔護壁重重技術難關，圓滿完成了施工任務。重點介紹了WFSD-3孔施工技術與經(jīng)驗，并對施工若干技術問題提出探討與認識。

汶川地震;地震斷裂帶;科學鉆探;WFSD-3孔;施工技術;體會

1 概述

汶川地震斷裂帶科學鉆探3號孔（WFSD-3）是汶川地震斷裂帶科學鉆探項目的5個科學鉆探孔之一，由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊承擔施工任務。該孔地處四川省綿竹市九龍鎮(zhèn)清泉村境內(nèi)。九龍鎮(zhèn)地處綿竹市之西北，東南與漢旺鎮(zhèn)接壤，東北與武都鎮(zhèn)毗鄰，北接天池鄉(xiāng)，西靠金花鎮(zhèn)，距綿竹市區(qū)約6.5 km，距成都約90 km。

WFSD-3孔原設計深度1200 m，因地學研究需要進行了加深，實際終孔孔深1502.30 m，終孔口徑77 mm。

WFSD-3孔于2009年12月8日正式開鉆，2012年2月21日終孔，歷經(jīng)2年零3個月，攻克了罕見復雜地層鉆進、大直徑取心和高地應力下鉆孔護壁等重重技術難關，圓滿完成了施工任務。驗收結(jié)果表明，各項技術質(zhì)量指標完全滿足合同要求，達到了地學研究和工程的目的。

2 施工技術要求與條件

2.1 施工技術要求

（1）鉆孔深度:1200 m（變更至1500 m）;

（2）鉆孔傾角:90°（垂直孔）;

（4）取心要求:全孔連續(xù)取心鉆進，全孔巖心采取率≥85%，對地學研究起關鍵作用孔段的巖心采取率≮85%，巖心保持原狀;

（5）巖心直徑:≥85 mm（1200 m孔深后巖心直徑變更為75、50 mm）;

（6）孔斜要求:鉆孔終孔頂角≤10°，最大“狗腿”度2°/30 m;

（7）完井要求:上部孔段下套管，底部孔段為裸眼（變更后下入篩管）。

2.2 施工條件

該孔所鉆進的巖層主要為:侏羅系，粉砂巖含礫砂巖，泥巖互層;三疊系，巖屑砂巖、碳質(zhì)頁巖或煤線、泥灰?guī)r、煤層、斷層泥等。各地層通過歷史上多次強烈地震，巖層十分破碎，地層應力很大，造成鉆孔縮徑，坍塌嚴重，并伴有涌水，漏失等復雜情況。

施工中主要關鍵技術難題有:

（1）鉆孔設計在地震斷裂帶上，幾乎全孔80%的巖層非常破碎，鉆進過程中，沖洗液極易將破碎巖心沖蝕掉。

（2）地震斷裂地層處于一種高應力狀態(tài)。當鉆孔形成后，破壞了巖層內(nèi)部應力平衡狀態(tài)，在地應力的作用下，巖層發(fā)生膨脹，孔壁失穩(wěn)，斷層發(fā)生蠕動，導致鉆孔嚴重縮徑。

（3）斷層泥的強粘滯性。斷層泥顆粒很細，比表面積很大，結(jié)果導致斷層泥滯力強和摩擦阻力大。特別是在高地應力條件下，斷層泥更容易粘附在鉆具上，對鉆具形成強烈的粘滯作用，使得鉆具活動受阻，造成嚴重的粘滯卡鉆。

（4）地層破碎易造成孔壁超徑和掉塊卡鉆。

（5）斷裂帶地層鉆進鉆孔遇到漏水、涌水，使鉆孔壓力失去平衡，鉆孔坍塌縮徑嚴重。

（6）在斷裂帶地層采用大直徑取心，且全孔采取不擾動巖心，巖心采取率必須達到85%以上，目前尚無成熟可靠的取心機具。

（7）斷裂帶破碎地層鉆進需下多層套管，對鉆孔保直性要求嚴格。

（8）深孔段下套管，小間隙套管固井及長孔段活動套管的安放、提拔和安全鉆進問題。

3 主要施工設備及機具

3.1 主要設備

鉆機:HXY-8、XY-8B型;

鉆塔:ZT22A型;

泥漿泵:BW- 320、ZBW600/60、BW300/12B、TBW-850/5A、BW-1200A型;

柴油發(fā)電機:250 kW;

固控離心機:TGLW350-692T型;

除泥清潔器:HM-100*4-C型;

防噴器:SFZ23-21型;

測斜儀:KXP-2D型;

旋流振動篩、泥漿攪拌機、鉆孔錄井裝置、動力鉗、吊鉗、套管頭、油壓千斤頂?shù)取?/p>

3.2 主要機具

鉆具:半合管鉆具（WX150、SDB150、KZ150、SDB122、KZ122、SDB100、SDB77）、S77 繩索取心鉆具;

液動潛孔錘等其它工具。

4 鉆探工藝技術

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)與套管程序

鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WFSD-3孔實際鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序

4.2 鉆進方法與取心技術

擴孔:一開、二開、三開用帶導向牙輪鉆頭或帶導向復合片鉆頭加159 mm鉆鋌加壓鉆進;四開用152 mm帶導向硬質(zhì)合金鉆頭加121 mm鉆鋌擴孔、劃眼鉆進;五開、六開用原鉆具掃孔。部分取心、擴孔鉆頭如圖2、圖3所示（由中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所和北京探礦工程研究所提供）。

圖2 部分取心鉆進用鉆頭

圖3 擴孔用鉆頭

4.3 鉆具組合

取心鉆進鉆具組合從下至上分別為:

擴孔鉆具組合:

4.4 泥漿護壁與堵漏技術

4.4.1 對泥漿的要求

WFSD-3孔所鉆遇地層異常復雜，遇水膨脹、縮徑、坍塌掉塊、漏失等地層皆有，鉆進、取心及擴孔作業(yè)泥漿護壁是技術關鍵。針對地層特點結(jié)合WFSD-3孔施工工藝，現(xiàn)場泥漿體系必須滿足以下要求:

（1）能形成薄而致密的泥餅，并且韌性好，失水量低，具有優(yōu)良的防塌性能;

（2）能具有足夠的懸浮力，適于配制高密度泥漿以平衡地層應力，防止高地應力造成的縮徑和孔壁坍塌;

（3）具有良好的保護巖心作用，以滿足地層特殊取心質(zhì)量要求;

（4）具有優(yōu)良的流變性能，能很好地攜帶和懸浮巖屑，減少循環(huán)壓力損失，減輕泥漿造成的壓力“激動”和對孔壁的沖刷，防止孔塌和孔漏的發(fā)生;

（5）具有一定的抑制作用，避免泥頁巖、斷層泥孔段等水化膨脹造成縮徑，以及造漿致使泥漿粘度切力急劇增大;

（6）具有優(yōu)良的潤滑性能，減小管材機具的磨損、滿足大口徑鉆探鉆機施工能力。4.4.2 不同地層泥漿處理的方法

（1）松散破碎地層:針對該地層（圖4）在泥漿配方及處理上，采用人工優(yōu)質(zhì)鈉膨潤土加CMC與植物膠，使泥漿具有較強的抑制性和一定降濾失能力，提高了泥漿防塌能力、懸浮能力。植物膠與CMC同時還具有良好的增粘作用和較強的潤滑性，能起到保護巖心、減小鉆具磨損、降低泥漿循環(huán)流動阻力，取得了良好的效果。其泥漿性能為:密度1.06～1.16 g/cm3，粘度 27 ～51 s，失水量 7 ～14 mL/30 min，泥皮厚度0.4～0.5 mm，含砂量≤0.7%。

（2）縮徑地層:縮徑地層（圖5）主要為泥巖及斷層泥等，具有較強的膨脹性和粘滯性，針對該類地層，在泥漿處理上主要以平衡強地應力、控制失水量、提高抑制能力。在泥漿配制上，主要以添加CMC、SAS、SMC、KHm、S-1、重晶石、T 型潤滑劑為主。泥漿性能為:密度1.55～1.57 g/cm3，粘度40～60 s，失水量4～6 mL/30 min，泥餅厚度0.3～0.5 mm，含砂量＜0.9%。

圖4 WFSD-3孔破碎砂巖及煤線巖心

圖5 強膨脹、強粘滯性泥巖及斷層泥

（3）漏失地層:在泥漿配制上，主要以添加惰性材料（核桃殼與木屑）、SZ隨鉆堵漏王為主，泥漿密度控制在1.39 g/cm3，粘度＞60 s。

4.5 鉆孔事故與側(cè)鉆技術

WFSD-3孔由于地層破碎嚴重，超徑、縮徑、坍塌掉塊及施工周期長等原因，施工過程中共發(fā)生過3次較大事故，分別為鉆鋌脫扣、試下套管坍塌掉塊卡鉆、斷層泥吸附抱鉆事故。第一次事故孔深位于1186.77 m處，第二次事故孔深位于938.50 m處，第三次事故孔深位于1175.4 m處。3次事故主要處理方法是:

第一次鉆鋌脫扣事故處理是采取先大直徑擴孔至事故頭位置，進行逐根套銑鉆鋌及鉆具，再逐根反出事故鉆具;

第二次試下套管卡鉆事故因孔徑局限，無法套銑，在事故套管頭位置用油井水泥封孔至677.16 m，采用先掃孔后取心鉆進至788 m，出現(xiàn)新孔，自然側(cè)鉆成功，恢復正常鉆進;

第三次斷層泥吸附抱鉆事故處理，先將孔內(nèi)鉆桿套銑反至粗徑鉆具位置后，從孔深1097.76 m用油井水泥封孔至895.82 m，再采用液動螺桿鉆造斜鉆具進行側(cè)鉆至1096 m出新孔，側(cè)鉆成功。

WFSD-3孔鉆孔側(cè)鉆及鉆孔軌跡如圖6所示。

造成上述3次較大事故主要原因有以下幾個方面:

（1）為了保證巖心采取率，提鉆頻繁，個別鉆鋌絲扣磨損嚴重;

圖6 WFSD-3孔鉆孔軌跡示意圖

（2）鉆孔超徑嚴重，鉆具工作失穩(wěn)使鉆鋌松扣;

（3）孔內(nèi)掉塊、局部孔段泥皮塌落;

（4）鉆孔事故位置基本都在斷層泥和煤線地層，地應力較大，造成鉆孔嚴重縮徑;

（5）鉆孔裸眼鉆進周期太長，鉆孔超徑嚴重，掃孔時孔內(nèi)超徑孔段泥皮、巖屑、碎塊脫落，出現(xiàn)“脫褲子”現(xiàn)象，導致埋鉆。

5 質(zhì)量、經(jīng)濟技術指標與成果

5.1 鉆孔質(zhì)量指標

（1）巖心采取率:WFSD-3孔進尺1502.30 m，全孔平均巖心采取率92.5%，巖心采取質(zhì)量均為不擾動原狀樣，完全滿足地學研究要求。

（2）孔斜:WFSD-3孔終孔頂角7.6°、方位角203°，最大頂角 9°，鉆孔“狗腿”度小于 2°/30 m，完全符合汶川地質(zhì)斷裂帶科學鉆探鉆孔質(zhì)量指標要求。

（3）固井:全孔共下6層套管（2層尾管，其中1層為篩管），5層套管進行了固井，固井質(zhì)量完全達到了設計要求。

5.2 主要經(jīng)濟技術指標

WFSD-3孔施工周期805天，總?cè)⌒倪M尺1545.82 m（含2次側(cè)鉆后新孔銜接取心進尺），全孔平均巖心采取率92.5%，平均機械鉆速0.74 m/h，平均回次長度1.99 m，鉆月效率57.3 m，純鉆時間利用率為10.5%。WFSD-3孔作業(yè)時間分析如圖7所示。

圖7 WFSD-3作業(yè)時間分析

（其他停待時間包含自然災害停待時間、法定假日停待時間、等待方案與機具等停待時間）

5.3 主要成果

5.3.1 鉆探技術方面

（1）半合管取心技術的研究與應用。WFSD-3孔在罕見的復雜地層情況下，使鉆孔超過設計孔深延伸至1502.30 m，下入6層護壁套管（273、219、168、127、89、73 mm），采用不同口徑的半合管取心技術，保證了全孔不擾動巖心原狀性，巖心平均采取率達到92.5%，為地學研究提供了高質(zhì)量的實物樣品。

（2）高分子聚合物泥漿護壁及平衡地壓鉆進技術的應用。由于WFSD-3孔設計在汶川龍門山前緣斷裂帶上，所鉆遇地層80%是破碎、松散、縮徑、坍塌和部分層位涌、漏水等異常復雜情況。在該孔施工過程中成功合理的針對不同地層選擇泥漿體系，采用“四高一低”（即高粘度、高密度、高抑制、高切力和低失水）的泥漿性能，實現(xiàn)平衡地壓鉆進，解決了孔壁穩(wěn)定性和巖心的原狀性問題。

（3）鉆孔活動套管下入與提拔技術。由于WFSD-3孔鉆孔結(jié)構(gòu)較復雜，上部孔段的護壁套管口徑較大，為了安全鉆進，必須下入活動套管?；顒犹坠芟氯牒蟮姆€(wěn)定性和安全起拔是十分關鍵的，WFSD-3孔施工設計采用了活動套管彈塑性扶正器及外套管與活動套管上下部連接密封和防回扣裝置，有效解決了活動套管折斷和內(nèi)外套管間隙被沉渣卡死、難以提拔等技術難題。

（4）小直徑尾管下入與固定技術。由于WFSD-3孔根據(jù)地學部要求，達到設計孔深后需要延伸至1500 m，所以鉆孔結(jié)構(gòu)就要相應改變，分別下入2層尾管（89 mm尾管1160.49～1404.53 m和73 mm尾管1397.95～1502.30 m），施工中設計了尾管下入和固定裝置，解決了小直徑鉆孔中下入尾管的難題。

（5）在施工過程中，對不同地層選擇不同結(jié)構(gòu)的鉆頭及現(xiàn)場設計采用的自銳式硬質(zhì)合金鉆頭、鉆孔事故處理等方面均積累了很好的經(jīng)驗。

5.3.2 施工管理方面

WFSD-3孔施工項目，不同于一般概念的巖心鉆探孔，其特殊性是:地層異常復雜，巖心采取要求質(zhì)量高、直徑大，無現(xiàn)成的技術可借鑒，所以當施工思路（設計）確定之后，組成施工隊伍和管理也是施工成敗的關鍵之一。該項目實施過程中，在施工管理上做了以下幾個方面具有成效的工作。

（1）實行項目管理，組成精干的施工隊伍。安徽313地質(zhì)隊中標后，組建了“汶川地震斷裂帶科學鉆探3號孔施工313地質(zhì)隊項目部”，實行項目管理責任制，隊確定一名鉆探副隊長直接管項目。該項目抽調(diào)2名研究生、2名高級工程師、9名大專以上鉆探技術人員和管理人員。同時與中國地質(zhì)大學、成都理工大學、中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所、中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所、北京探礦工程研究所等單位橫向聯(lián)合，在技術上作為支撐。在施工操作上，全隊優(yōu)選了技術熟練的機班長，以保證鉆探質(zhì)量和安全作業(yè)。

（2）認真編寫了鉆探施工組織設計，制定了針對性現(xiàn)場管理制度。如項目經(jīng)理制、質(zhì)量管理制、安全生產(chǎn)制、崗位責任制、現(xiàn)場操作規(guī)程、交接班制、泥漿管理制、施工過程日匯報制、待遇分配制及勞動紀律等等。在施工過程中規(guī)范管理，以確保項目的實施。

（3）根據(jù)現(xiàn)場工程需要，實行關鍵節(jié)點上項目經(jīng)理、機長跟班制，班長作業(yè)定時制。如遇孔內(nèi)異常、處理孔內(nèi)事故、下套管、固井等作業(yè)時，實行現(xiàn)場經(jīng)理和機長輪流跟班。班長為了精力充沛操作，實行正副班長工作1 h換班制，這種方法在后期鉆孔施工中起到了重要作用。

（4）實行鉆進小指標考核制與經(jīng)濟效益掛鉤。例如，以小班巖心采取長度計算進尺指標，超過額定指標給予獎勵。出了人為事故給予懲罰，獎罰統(tǒng)一，以提高職工的責任心和積極性。

（5）通過該項目的施工，鍛煉了隊伍，培養(yǎng)了一批專業(yè)技術人才，為鉆探技術的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎。

5.3.3 安全生產(chǎn)方面

WFSD-3孔施工口徑大，鉆機及輔助設備多，鉆桿、鉆鋌和鉆具笨重，不同于小口徑巖心鉆探。同時，又是“5.12”大地震震后不久，余震不斷，施工人員住在山谷處，山洪泥石流時常發(fā)生，給施工安全生產(chǎn)帶來嚴峻的考驗。項目施工過程中，針對該項目施工特點，制定了嚴密的安全生產(chǎn)制度，項目部確定安全負責人，班組設立了安全員，堅持安全生產(chǎn)現(xiàn)場例會，定期檢查維護施工裝備。塔上人員操作實現(xiàn)了視頻化，泵壓表引入鉆機操作臺發(fā)現(xiàn)安全隱患做到及時整改。對特殊的不安因素（如泥石流、有害氣體等）編制了安全預案，并進行現(xiàn)場演練。2次山洪泥石流均未造成大的損失。對鉆孔發(fā)生事故時強力頂拔和反孔內(nèi)事故鉆具等非正常操作狀態(tài)，制定了針對性安全操作規(guī)程。由于施工中堅持抓安全生產(chǎn)不松懈，該項目歷經(jīng)805天的施工及設備安裝、拆卸和長途搬遷運輸，均未發(fā)生一起安全生產(chǎn)責任事故和輕傷以上人身安全事故，保證了該項目安全順利施工。

6 體會與認識

（1）要進行項目風險性、技術性評估。承接較大型的特殊工程，務必進行詳細、系統(tǒng)的調(diào)研，對經(jīng)濟效益、社會效益、風險性、技術性、裝備的可行性進行全面評估是非常重要的，要量力而行，否則會造成被動，承擔很大的風險。

（2）國家重點科學鉆探項目，在管理模式上要進行探討。汶川地震斷裂帶科學鉆探項目，是一項很復雜的綜合性工程。施工技術經(jīng)驗較少，帶探索性，不能以工程全承包的模式實施，一個地勘單位從技術到裝備都是有限的，很難獨自完成項目實施，往往造成施工上困難。應集中全國部分技術專家進行攻關，聘用施工人員，實行統(tǒng)一管理（含技術、裝備、人員和資金協(xié)調(diào)等）的項目實施模式，有利于項目的順利開展。

（3）提倡鉆探設備“大馬拉小車”理念，才能事半功倍。WFSD-3孔屬大直徑、復雜地層取心鉆孔，采用的HXY-8B型鉆機及配套設備，其施工能力明顯不足，尤其鉆孔發(fā)生異常情況，無能力及時處理，造成孔內(nèi)事故復雜化。

（4）復雜地層中試下長套管串風險大，易造成孔內(nèi)重大事故，以后施工過程中應禁止采用試下套管的辦法。

（5）地表泥漿凈化及固控系統(tǒng)必須規(guī)范，要配備適應取心鉆進的固控設備。

（6）復雜地層采用泥漿護壁，護壁周期最長不超過3個月，超期的孔壁易失穩(wěn)，泥皮易坍塌，造成孔內(nèi)事故，應采取其他護壁措施。

7 結(jié)語

汶川地震斷裂帶科學鉆探WFSD-3孔歷經(jīng)2年多的施工，攻克了罕見的復雜地層鉆進、原狀樣取心、高地應力情況下護壁等多項技術難題，圓滿完成了施工任務。經(jīng)驗收，各項質(zhì)量、經(jīng)濟技術指標滿足合同要求，達到了地學研究和工程的目的。

［1］ 王達，張偉.“科鉆一井”鉆探施工技術概覽［J］.中國地質(zhì)，2005，（2）.

［2］ 朱恒銀，蔡正水，王幼鳳，等.2706.68 m試驗孔施工關鍵裝備與技術［A］.第十六屆全國探礦工程（巖土鉆掘工程）技術學術交流年會論文集［C］］.北京:地質(zhì)出版社，2011.

［3］ 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）.

［4］ 李之軍，陳禮儀，賈軍，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探一號孔（WFSD-1）斷層泥孔段泥漿體系的研究與應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）.

［5］ 胡時友，宋軍，張偉，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）項目鉆探和測井課題的組織實施與管理［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（12）.

Construction Technology and Experience of WFSD-3 Hole of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Pro-ject

ZHU Heng-yin1，ZHU Yong-yi2，ZHANG Wen-sheng1，ZHANG Zheng1，YU Shan-ping1，QI Xue-zhong1（1.313 Geological Brigade，Anhui Bureau of Geology and Mineral Resources，Lu’an Anhui 237010，China;2.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China）

The WFSD-3 hole is one of the series of boreholes of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project.During 2 years’construction，many technical challenges，such as drilling in complex strata，large diameter undisturbed core sampling and borehole wall protecting under high geo-stress were overcome.This article especially focused on the construction technology and experience of the WFSD-3 hole and discussed some technical problems.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;WFSD-3 hole;construction technology;experience

P634

A

1672-7428（2012）09-0012-06

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

朱恒銀（1955-），男（漢族），安徽舒城人，安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊副隊長、副總工、教授級高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事特種鉆探施工技術研究與應用工作，安徽省六安市佛子嶺路8號，zhyhome_313@163.com;朱永宜（1954-），男（漢族），安徽人，中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所教授級高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探工程研究工作，河北省廊坊市金光道77號，zyy@wfsd.org。