汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探事故預(yù)防與處理技術(shù)

吳金生，賈 軍，段玉剛，李正前

（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)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(xué)鉆探項(xiàng)目鉆探事故預(yù)防與處理技術(shù)

吳金生1，2，賈 軍3，段玉剛2，李正前2

（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)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(xué)鉆探工程的地層條件十分復(fù)雜，巖層破碎，膨脹縮徑，不確定因素多，出現(xiàn)多次卡、斷、落等孔內(nèi)事故，但都科學(xué)診斷、成功處理。通過(guò)優(yōu)化鉆進(jìn)方法、鉆具結(jié)構(gòu)及泥漿體系等多種事故預(yù)防措施，最大限度地減少事故發(fā)生，保證了科學(xué)鉆探工程的順利進(jìn)行。

汶川地震;地震斷裂帶;科學(xué)鉆探;事故預(yù)防;事故處理

1 概述及難點(diǎn)

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目是在汶川大地震和復(fù)發(fā)微地震的源區(qū)——龍門(mén)山“北川-映秀”斷裂及龍門(mén)山前緣“安縣-灌縣”斷裂旁側(cè)實(shí)施5口科學(xué)群鉆。龍門(mén)山斷裂帶自公元1169年以來(lái)，共發(fā)生破壞性地震25次，其中6級(jí)以上地震20次?！?.12”發(fā)生震驚世界的Ms8.0大地震后，余震也有幾萬(wàn)次。在此斷裂帶進(jìn)行科學(xué)鉆探施工的難點(diǎn)在于:

（1）地層破碎、膨脹縮徑，坍塌、掉塊、漏失、涌水時(shí)有發(fā)生。汶川地震屬于逆沖型地震，地應(yīng)力釋放慢，特別是鉆進(jìn)斷層泥時(shí)，地應(yīng)力強(qiáng)烈釋放，膨脹縮徑。

（2）地學(xué)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(duì)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(dá)3000多米。

（3）不可預(yù)見(jiàn)因素多。地層狀況不詳，鉆進(jìn)深度不確定，孔身結(jié)構(gòu)變數(shù)大，鉆進(jìn)參數(shù)難以掌握。

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)!

2 事故的發(fā)生及類(lèi)型

鉆探施工中孔內(nèi)事故主要分為卡鉆、斷鉆具、落物、測(cè)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(xué)鉆探項(xiàng)目的4口鉆孔中共發(fā)生孔內(nèi)事故21次，其中卡鉆6次，斷鉆具7次，井下落物2次，測(cè)井事故3次，套管斷裂3次。

造成孔內(nèi)復(fù)雜與事故的因素有地質(zhì)因素與工程因素，要及時(shí)科學(xué)診斷。

3 事故的預(yù)防措施

對(duì)于地層條件十分復(fù)雜的鉆探工程，要在鉆探施工過(guò)程中完全避免孔內(nèi)事故幾乎是不可能的事情。盡管科學(xué)鉆探不可預(yù)見(jiàn)性因素很多，任何事故的發(fā)生都有一定先兆，應(yīng)采取“預(yù)防為主”的原則，提前做好預(yù)防措施，同時(shí)建立應(yīng)急預(yù)案，對(duì)可能出現(xiàn)的事故做好工具物資的充分準(zhǔn)備。針對(duì)汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程的特點(diǎn)，采取了以下預(yù)防措施。

3.1 加強(qiáng)鉆探施工管理工作

（1）檢查入孔鉆具，定期探傷，定期報(bào)廢。肉眼看得見(jiàn)的入孔鉆具，采用“一看”、“二摸”、“三量測(cè)”，對(duì)鉆具脹扣、絲扣磨損、裂紋等認(rèn)真檢查，不合格的嚴(yán)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(jìn)行探傷;超過(guò)使用壽命的鉆具定期報(bào)廢。

（2）綜合錄井，對(duì)鉆孔異常及時(shí)預(yù)測(cè)。工程錄井參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、泵壓以及鉆進(jìn)速度等，鉆探人員可以通過(guò)工程錄井隨時(shí)掌握起下鉆速度和遇阻情況，還可對(duì)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(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.2 優(yōu)化鉆進(jìn)方法、鉆具結(jié)構(gòu)和施工工藝

3.2.1 優(yōu)化鉆進(jìn)方法

采用螺桿馬達(dá)+轉(zhuǎn)盤(pán)+液動(dòng)錘復(fù)合鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)孔底低鉆壓高轉(zhuǎn)速高效鉆進(jìn)。對(duì)于深孔大直徑破碎地層，轉(zhuǎn)速降低，可減少鉆具對(duì)孔壁擾動(dòng)，有利于孔壁穩(wěn)定和降低卡鉆事故發(fā)生的可能性。此外，這種驅(qū)動(dòng)方式還有利于降低孔斜和“狗腿”度。

3.2.2 改進(jìn)鉆具結(jié)構(gòu)

將取心鉆具外管螺紋扣高由1.0 mm增加到2.0 mm，絲扣強(qiáng)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(kuò)孔器，減少薄弱環(huán)節(jié)，鉆具的連接強(qiáng)度大大提高（參見(jiàn)圖1）。

3.2.3 短回次鉆進(jìn)和劃眼

圖1 鉆具改進(jìn)對(duì)比圖

鉆進(jìn)膨脹縮徑地層時(shí)，如WFSD-2孔在1680～1710 m時(shí)，縮短回次進(jìn)尺，若遇異常，立即提鉆檢查;下鉆時(shí)，提前逐單根劃眼，直到孔內(nèi)順暢后才開(kāi)始鉆進(jìn)。從圖2可以看出，下鉆提前劃眼，劃眼時(shí)出現(xiàn)突然憋泵，通過(guò)反復(fù)開(kāi)泵，強(qiáng)力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，拉轉(zhuǎn)結(jié)合，最大拉力達(dá)750 kN（鉆具質(zhì)量38 t），才恢復(fù)正常。

圖2 劃眼錄井圖

3.2.4 在膨脹縮徑地層采用偏心擴(kuò)孔

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

圖3 偏心擴(kuò)孔器

3.2.5 優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為事故的處理留有余地，如事故的套銑處理。

3.3 優(yōu)化泥漿性能參數(shù)

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(shù)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(dòng)切力7～15 Pa，塑性粘度15～23 mPa·s，動(dòng)塑比0.35～0.60。實(shí)現(xiàn)平衡鉆進(jìn)，同時(shí)加入適量潤(rùn)滑劑。施工過(guò)程中，由于巖屑的加入，泥漿密度會(huì)自然增高，應(yīng)加強(qiáng)固控。泥漿密度波動(dòng)范圍不大于設(shè)計(jì)要求的±0.02 g/cm3，泥餅潤(rùn)滑系數(shù)應(yīng)控制在0.18內(nèi)。

3.3.2 及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)工程錄井參數(shù)，及時(shí)調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等，根據(jù)地層變化、井壁的穩(wěn)定性、環(huán)空間隙大小、泵壓高低、返渣情況及時(shí)調(diào)整泵量。安裝變頻調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)泵量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

3.4 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程

嚴(yán)格遵守《汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探操作規(guī)程》，嚴(yán)禁強(qiáng)拉及強(qiáng)放。起下鉆要平穩(wěn)，遇卡以下放為主，嚴(yán)禁強(qiáng)起硬拔，在鉆具懸重的基礎(chǔ)上附加力100 kN;遇阻以上提為主，嚴(yán)禁強(qiáng)壓，遇阻超過(guò)50 kN，禁止強(qiáng)行下鉆;及時(shí)接轉(zhuǎn)盤(pán)（頂驅(qū)）循環(huán)鉆井液，上下劃眼，正常后繼續(xù)起下鉆;擴(kuò)孔或全面鉆進(jìn)40 h左右應(yīng)進(jìn)行短程起下鉆，以保持井眼規(guī)則、暢通;鉆柱在裸眼孔段靜停不允許超過(guò)3 min。

4 事故的處理

4.1 事故處理基本原則

事故處理應(yīng)遵循“科學(xué)診斷、安全快捷及經(jīng)濟(jì)”的基本原則。“科學(xué)診斷”是關(guān)鍵，事故發(fā)生后，認(rèn)真研究事故發(fā)生情況、事故性質(zhì)、事故原因，同時(shí)摸清事故部位、事故頭以及井內(nèi)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(fù)雜。汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探地層復(fù)雜、不確定因素多，卡鉆事故頻發(fā)，科學(xué)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(chuàng)造條件?？ㄣ@事故發(fā)生后，應(yīng)首先考慮的問(wèn)題是為順利解除事故創(chuàng)造條件。一是維持鉆井液循環(huán)，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(guò)緊。

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

第一步:保持水眼暢通，恢復(fù)鉆井液循環(huán);

第二步:活動(dòng)鉆具，上下拉壓或扭轉(zhuǎn)，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(qiáng)力起拔;

第五步:爆炸松扣（或人工倒扣）;

第六步:若強(qiáng)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(cè)鉆（或磨銑）。

4.3 斷鉆具事故處理

鉆具斷裂主要發(fā)生在巖心外管和鉆鋌絲扣處。主要是因?yàn)閹r心外管扣高較小，強(qiáng)度低;地層膨脹縮徑或掉塊卡鉆，上提拉力過(guò)大;鉆具交變應(yīng)力作用，疲勞破壞。對(duì)于鉆鋌斷裂，通常指穩(wěn)定器下部連接的鉆鋌;絲扣磨損嚴(yán)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(duì)扣打撈等。施工中發(fā)生的7次卡鉆事故3次成功打撈，還有4次因孔內(nèi)復(fù)雜，打撈無(wú)法進(jìn)行，不得不采用套銑、磨銑等。

4.4 落物事故處理

4.5 測(cè)井事故處理

（1）穿心打撈（測(cè)繩電纜未斷）;

（2）如果測(cè)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(wú)效，下單管鉆具套撈。

本文重點(diǎn)介紹了卡、斷、落、測(cè)井事故的處理措施，對(duì)于套管事故、固井事故、井斜、井漏、井噴等發(fā)生較少，甚至沒(méi)有發(fā)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(diǎn)爆炸松扣

5.1.1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

5.1.2 事故處理

震擊器+強(qiáng)力起拔無(wú)效后，先進(jìn)行卡點(diǎn)估算（如下式），后經(jīng)測(cè)卡儀測(cè)出卡點(diǎn)位置也在1230 m左右，即上穩(wěn)定器位置，最后成功爆炸松扣。

卡點(diǎn)估算:

式中:L——卡點(diǎn)深度，m;k——計(jì)算系數(shù);ΔL——鉆具的絕對(duì)伸長(zhǎng)量，m;P——上提拉力，kN。

爆炸松扣施工程序:

（1）測(cè)卡點(diǎn)（或推算卡點(diǎn)）;

（2）組裝爆炸桿;

（3）分級(jí)上提井內(nèi)鉆具，分段緊扣，使卡點(diǎn)成為中和點(diǎn);

（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(yú)”套銑打撈

5.2.1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

圖4 “落魚(yú)”結(jié)構(gòu)示意

5.2.2 事故處理

采用各種打撈措施處理無(wú)效后，采用擴(kuò)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(cè)井事故打撈

5.3.1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

（1）穿心打撈，測(cè)繩突然斷裂，井內(nèi)尚留39 m測(cè)繩;

（2）下磁定位，探“魚(yú)頂”，下打撈鉤，把測(cè)繩基本打撈完;

（3）下卡瓦打撈筒，打撈測(cè)井儀器，成功打撈。

6 結(jié)論與建議

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程已完成4個(gè)鉆孔的施工，因地層破碎復(fù)雜、膨脹縮徑，遇到很多突發(fā)事故，但都成功解決。后采用多種綜合預(yù)防措施后，事故發(fā)生率大大減少。

主要體會(huì)和建議如下:

（1）采取預(yù)防為主，任何事故的發(fā)生都有先兆，提前做好預(yù)防措施;

（2）建立應(yīng)急預(yù)案，對(duì)可能出現(xiàn)的事故做好工具物資的充分準(zhǔn)備;

（3）加強(qiáng)日常管理，認(rèn)真檢查鉆孔鉆具，定期探傷，定期報(bào)廢;

（4）細(xì)節(jié)決定成敗，事故的發(fā)生往往都是忽略某個(gè)細(xì)節(jié);

（5）優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為事故的處理留有余地;

（6）借鑒石油鉆井經(jīng)驗(yàn)，如全面鉆進(jìn)泥漿技術(shù)、事故處理技術(shù)等。

［1］ 蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)題（第二版）［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006.

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

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

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

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

吳金生（1970-），男（漢族），安徽人，成都理工大學(xué)在讀博士，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所高級(jí)工程師，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，從事鉆探技術(shù)及科學(xué)鉆探研究工作，四川省成都市郫縣成都現(xiàn)代工業(yè)港（北區(qū)）港華路139號(hào)。