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汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-3-P孔钻探施工概况

发布时间:2013年05月16日
来源:《探矿工程(岩土钻掘工程)》,2012年第9期

 

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-3-P

钻探施工概况

 

赵远刚1,樊腊生1,杨明奇2

1.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734;2.四川省地质矿产勘查开发局四0三地质队,四川 峨眉山614200

 

摘要:主要介绍了汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-3-P孔的地层情况、施工过程、钻井液技术、事故的处理与预防技术。在钻探施工中,采取了高密度低失水泥浆体系和反复扫孔、起钻中途回灌泥浆的措施,解决了断层泥缩径、岩层破碎、钻孔坍塌扩径的技术难题,并取得了原状性完好的岩心。

关键词:汶川地震;地震断裂带;科学钻探;钻探施工;先导孔;钻井液;事故处理与预防

 

1  概述

WFSD-3-P孔位于四川省绵竹市九龙镇,是汶川地震断裂带科学钻探项目在龙门山前缘安县—灌县断裂带上实施的第一个钻孔,也是WFSD-3孔的先导孔该孔在钻探施工过程中借鉴了WFSD-1孔施工的经验,优化了井身结构,采用四开完井工艺,绳索取心与提钻取心钻进相结合,优化套管串结构等钻进技术。全孔施工顺利,圆满完成了钻探任务。该孔设计孔深400m全孔连续取心,施工实际用时89.5天(含测井和科学实验),20091212日完井完钻孔深551.54mm,岩心采取95.1%WFSD-3-P孔施工进度曲线见图1

1  WFSD-3-P孔施工进度曲线图

 

2  钻探施工概况

2.1  地层情况

WFSD-3-P地层为三叠纪、侏罗纪的沉积岩层,岩性主要为砂岩、砾砂岩、粉砂岩、碎裂岩、碳质泥岩以及断层泥等,岩层产状大致为308°∠48-58°。破裂带深度约为440.67508.78m(距地表)。钻遇地层的岩性情况:047.26m为第四系松散堆积物,地层破碎,漏失严重;47.26440.67m孔段主要由砂岩、粉砂岩构成,夹杂早期断层角砾岩、碎裂岩和断层泥等,上部地层伴有漏失和涌水;440.67508.78m孔段是本孔主断裂带地层,断层泥厚度达到19.51m,主要由断层泥、碎裂岩组成,该段地层十分破碎,夹杂的断层泥为黑色,具有强缩径、粘接性强和膨胀性强的特点;508.78551.54m孔段主要由灰绿色砂岩、紫红色粉砂岩和构造角砾岩组成,地层较为完整。

2.2  钻探施工过程

该孔采用φ152mm硬质合金钻头开孔,钻进至3.76m,下入φ146mm表层套管固井,分三开完钻,下入2层技术套管,终孔口径φ75mm,裸眼完钻。钻孔结构如图1。具体施工过程如下。

2  WFSD-3-P孔钻孔结构图

2.2.1  一开孔段(3.7620.98m

一开因全孔漏失,采用φ130mm单管钻具、φ132mm硬质合金钻头,钻压8kN、转速250r/min、泵量32~47L/min从孔深3.76m顶漏取心钻进钻至孔深84.79m其中采用硬质合金钻头单管钻具无泵干钻取心16个回次,采用硬质合金钻头单管钻具取心9个回次。采用“清水+钠土+纯碱+803堵漏剂低固相泥浆体系,泥浆日消耗量7.58.5m3,加入803堵漏剂堵涌水,效果不佳。因全孔涌水、地层极为破碎、孔内掉块极为频繁、回次沉砂增多、正常取心钻进困难,下入φ127mm套管至孔深20.98m固井护壁堵水,未能完全堵住涌水。

2.2.2  二开孔段(20.9884.79m

二开取心钻进采用SDB110金刚石取心钻具(图2)取心钻进,钻压8kN、转速250r/min、泵量47L/min,取心钻进67个回次至孔深84.79m平均回次长度0.95m,平均机械钻速0.91m/h,岩心采取率94.8%,下入φ108mm套管至孔深84.79m固井,水泥返至孔口。

3  SDB110双级单动双管钻具组装图

2.2.3  三开孔段(84.79500.64m

三开采用HQ绳索半合管取心钻具从84.79m开始钻进,至孔深184.16m发生卡钻事故,强力起拔、打吊锤无效后,采用φ50mm反丝钻杆+φ89mm反丝公锥上反孔内钻具,反至HQ事故钻具弹卡挡头,换带φ63mm导向φ95mm削铁钻具切削剩余钻具,从20099288:0020091055:40事故处理完毕,恢复正常钻进。从孔深166.88500.64m换用SDB94单动双管半合管钻具取心,于200911139:30结束取心钻进。三开按照设计要求下入φ89mm套管至孔深500m,由于三开井眼与套管环空间隙仅为3mm,且岩心连续破碎,施工技术难度较大,最终套管下入孔深为434.56m200911298:20完成φ89mm套管固井和扫孔作业。

2.2.4  四开孔段(500.64551.54m

采用SDB75mm单动双管半合管钻具从500.64m取心钻进至510.25m10个回次),采用SDB75mm单动双管普通内管钻具从510.25m取心钻进至551.54m19个回次)。裸孔完井。

2.3  孔斜控制技术

WFSD-3-P孔为垂直孔,终孔顶角3.0º、方位角134º。钻孔顶角及“狗腿”度随孔深演变情况如图4

4  WFSD-3-P孔顶角和“狗腿”度随孔深变化曲线

WFSD-3-P孔钻遇地层主要为砂岩、泥岩(含断层泥)、角砾岩、碎裂岩等,地层的自然造斜强度不是很高,在防斜方面主要做好设备安装、开孔、扩孔、换径等方面的工作。

1钻塔、钻机的安装周正、水平、稳固,保证天车、回转器、钻孔中心三点一线。

2)开孔时,主动钻杆不得有偏摆,轴心压力要均匀,随钻孔加深而加长岩心管。

3)提钻取心采用φ50mm外丝钻杆。

5)在钻进条件许可的情况下尽量采用绳索取心钻进技术,实现满眼钻进。

6)取心钻进中钻压较小,平均机械钻速只有0.85m/h,有利于防斜。

7)坚持50100m测斜一次。

2.4  钻井液技术

WFSD-3-P孔钻进中遇到了孔内漏失、涌水、长破碎带裸眼钻进、长孔段缩径等复杂情况,采用无固相冲洗液、低固相泥浆和高密度低失水泥浆体系克服了境内各种复杂情况,顺利按期完成钻探施工任务。

3.7637.6m,φ132、φ110mm单管钻进。使用低固相冲洗液:清水+钠土+纯碱+803堵漏剂。性能:密度1.031.06g/cm3,粘度2429s,失水量1013mL/30min,泥饼厚0.20.6mm  

37.643.87mφ110mm单管取心、单动双管取心。使用低固相冲洗液:清水+钠土+纯碱+803堵漏剂+KHm腐殖酸钾。性能:密度1.041.06g/cm3,粘度2436s,失水量913mL/30min,泥饼厚0.40.6mm

43.8785.22m,φ110mm单动双管普通内管、半合管、HQ绳索半合管取心。使用普通加重冲洗液:清水+钠土+纯碱+KHm腐殖酸钾+重晶石+SH植物胶。性能:密度1.101.14g/cm3,粘度3137s,失水量812mL/30min,泥饼厚0.40.8mm

85.2296.73mHQ绳索半合管取心。使用低固相冲洗液:清水+钠土+纯碱+KHm腐殖酸钾+SH植物胶。性能:密度1.041.08g/cm3,粘度2332s,失水量913mL/30min,泥饼厚0.40.6mm

96.73152.81m HQ绳索半合管取心。使用 无固相冲洗液:水+KHm腐殖酸钾+CMCSH植物胶+火碱+PHPGSP广谱护壁剂。性能:密度1.011.04g/cm3,粘度1925s,失水量1721mL/30min,泥饼厚0.20.5mm

152.81184.16mHQ绳索半合管取心。使用普通加重冲洗液:水+KHm腐殖酸钾+CMCSH植物胶+火碱NaOH+重晶石+钠土+PHPGSP广谱护壁剂。性能:密度1.141.18g/cm3,粘度3337s,失水量911mL/30min,泥饼厚0.30.7mm

184.16500.64mSDB94单动双管半合管提钻取心。使用高密度低失水泥浆:水+钠土+CMCS-1降失水剂+磺化沥青+SMC无铬磺化褐煤+X-1成膜剂+重晶石+解卡剂。性能:密度1.501.53g/cm3,粘度4048s,失水量27mL/30min,泥饼厚0.40.7mm

500.64510.25mSDB75单动双管半合管提钻取心。使用高密度低失水泥浆:水+钠土+CMCS-1降失水剂+磺化沥青+SMC无铬磺化褐煤+X-1成膜剂+重晶石+解卡剂。性能:密度1.511.56g/cm3,粘度4246s,失水量35mL/30min,泥饼厚0.50.6mm

510.25551.54 mSDB75单动双管普通内管提钻取心。使用高密度低失水泥浆:水+钠土+CMCS-1降失水剂+磺化沥青+SMC无铬磺化褐煤+X-1成膜剂+重晶石+解卡剂。性能:密度1.511.52g/cm3,粘度4245s,失水量35mL/30min,泥饼0.60.6mm

2.5  事故预防与处理

WFSD-3-P孔钻探施工期间共发生14起事故,损失时间560:20h,事故类型主要有:钻杆折断(2起)、钻杆脱扣(2起)、卡钻(1起)。其中卡钻事故为重大事故,HQ绳索取心打捞内管取心(岩心如图5)时,准备上提钻具卸主动钻杆时憋泵、埋钻卡死,整个事故处理时间损失165h

5  WFSD-3-P孔卡钻事故第184回次岩心(孔深181.94184.16m

2.5.1  具体处理过程

1)第184回次钻进至孔深184.16m,准备上提钻具卸主动钻杆时憋泵、卡钻,强力起拔、打吊锤等均无效果,强力拉脱HQ钻杆;

2)用φ89mm反丝公锥+φ50mm反丝钻杆反孔内剩余钻具,反至HQ钻具弹卡挡头,孔内残留钻具变丝接手、钻具外管、扩孔器、钻头共3.87m

3)用带导向φ95mm削铁钻具扫孔至178.83m遇阻(事故头孔深180.29m),提钻;换φ56mm掏心钻具,扫孔至183.56m(进入事故钻具内3.27m)受阻,提钻;换带导向φ95mm钻具磨铣切削孔内残留钻具至182.39m(孔内残留1.77m长的HQ事故钻具)时蹩、跳钻,提钻;换φ56mm掏心钻具扫孔,提钻;下φ89mm公锥锥拿孔内残留的1.77mHQ事故钻具未成功;下φ95mm削铁钻具扫孔、磨铣至孔深184.01m(孔内残留0.15m长的HQ扩孔器及钻头),提钻;

4)换φ95mm金刚石单管钻具取上事故HQ扩孔器及钻头的1/3;继续用φ95mm金刚石单管钻具,反复扫孔、干抓至原孔深,处理成功,提钻。

2.5.2  原因分析

钻进过程中岩性突然改变,地层缩径严重,来不及调整泥浆性能和钻进工艺,最终导致卡钻事故发生。

2.5.3  预防措施

钻遇缩径地层,应及时采用高密度低失水钻井液体系,钻进中反复扫孔和提钻取心中回灌泥浆,采用此工艺技术在后续钻探施工中提高了施工效率,解决了断层泥孔段缩径卡钻的问题。

 

3  结论

1)在WFSD-3-P孔钻探施工中,借鉴了WFSD-1孔钻探施工经验,采取了一系列综合技术措施,解决了地震断裂带钻探施工中存在的断层泥缩径、岩层破碎、钻孔坍塌扩径等技术难题。

2)采用半合管的取心工艺,解决了破碎地层取心质量技术难题,为地学研究提供了原状性良好的岩心。

3)采用高密度低失水泥浆体系,解决了钻孔垮塌、断层泥膨胀缩径的技术难题,为钻孔施工任务的完成提供了重要的保障条件。

 

参考文献:

[1]  许志琴,李海兵,吴忠良.汶川地震和科学钻探[J].地质学报, 200882,(12.

[2]  张伟,贾军,胡时友.汶川地震科学钻探项目的概况和钻探技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36S1:5-8.

[3]  胡时友,宋军,张伟,等.汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)项目钻探和测井课题的组织实施与管理[J].探矿工程(岩土钻掘工程)20093612).

[4]  樊腊生,贾军,吴金生,等.汶川地震断裂带科学钻探一号孔(WFSD-1)钻探施工概况[J].探矿工程(岩土钻掘工程)20093612.

[5]  李之军,陈礼仪,尤建武,等.WFSD-1孔断层泥孔段泥浆体系的研究与应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)20093612.

[6]  王焕.汶川地震断裂带结构特征及其与地震活动性的关系[D].北京:中国地质大学(北京),2011.

 

基金项目:科技部科技支撑计划专项“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)”项目之“科学钻探与科学测井”课题

作者简介:赵远刚(1983-),男(汉族),四川人,中国地质科学院探矿工艺研究所,勘查技术与工程专业,从事钻探工艺及工具研究工作,四川省成都市一环路北二段1号,171613061@qq.com

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