朱旭明，張曉西，翟育峰，趙遠剛，項 洋，喻 西

(1．中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢430074;2．山東省第三地質礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺264004;3．中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734)

1 概述

2008年5月12日的汶川地震(Ms8．0)使龍門山斷裂帶中映秀—北川斷裂和安縣—灌縣斷裂同時破裂，形成了270 km和80 km長的地表破裂帶。為了研究地震發(fā)震機理、斷裂行為、機制及開展地震監(jiān)測和預報，由國土資源部和中國地震局共同組織實施了汶川地震斷裂帶科學鉆探工程項目，國土資源部為項目負責部門。項目的具體實施工作由中國地質調查局汶川地震科學鉆探工程中心承擔。該項目沿具有大同震位移量的不同斷裂帶上盤地方已設置完工了5口井，其中WFSD－1孔和WFSD－2孔布置在映秀—北川斷裂帶南段具有6 m同震垂直位移量的都江堰市虹口鄉(xiāng)八角廟村;WFSD－3P孔和WFSD－3孔布置在安縣—灌縣斷裂帶具有4 m最大同震垂直位移量的綿竹市九龍鎮(zhèn)清泉村。WFSD－4孔位于映秀—北川斷裂帶北段具有強烈走滑作用的平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)，終孔深度為2338.77 m。由于該鉆孔設計為定向斜孔，設計深度為3350 m，難度較大，最終該鉆孔未能穿過汶川地震主滑移帶而提前終孔。為了進一步了解汶川地震主滑移帶情況，取得更為全面完整的鉆探資料，由山東省第三地質礦產(chǎn)勘查院進行施工，在南壩地區(qū)四號孔附近靠近地表破裂帶的位置補充一口穿過汶川地震主滑移帶的淺孔——WFSD－4S孔。

汶川科鉆WFSD－4S孔于2014年9月正式開工，至2015年6月順利終孔，歷時近1年，克服了鉆孔地質條件復雜、孔內巖心采取率低等難題，終孔孔深1204.18 m，終孔孔徑122 mm，取心孔段巖心采取率99.23%，平均回次長度2.95 m，全孔平均機械鉆速0.76 m/h，在1085 m鉆穿主地震斷裂帶。該孔各項技術質量指標完全滿足合同要求，達到了地學研究和工程的目的，被專家組驗收評審為優(yōu)質工程，并將作為地震監(jiān)測及預報孔繼續(xù)使用10年以上，為研究地震發(fā)震機理及開展地震監(jiān)測和預報提供有力的保障。

2 施工概況

2．1 施工設計要求及完成情況

(1)鉆孔深度:1200 m(實際終孔1204.18 m);

(2)鉆孔傾角:90°(終孔頂角為28°);

(3)終孔直徑:122 mm;

(4)取心要求:0～800 m孔段不取巖心，800～1200 m孔段要求全取心，巖心采取率＞85%(自孔深799.94 m至終孔1204.18 m取心，巖心采取率99.23%);

(5)巖心直徑:76 mm;

(6)完井要求:采用篩管套管下至井底完井。套管(篩管)每5 cm鉆2個12 mm的小孔(872.48～1130.07 m孔段下入總長257.59 m的篩管)。

2．2 地層情況

WFSD－4S孔地區(qū)發(fā)育有震旦、寒武、志留和泥盆系變質地層，其中主要鉆遇地層為寒武系地層。震旦系地層為千枚巖、結晶灰?guī)r、變砂巖和硅質白云巖;寒武系地層主要為變砂巖，深灰色，變余砂質結構，塊狀或層狀構造，局部夾有薄層含碳質鈣質板巖，灰一灰白色，變余砂質/泥質結構，塊狀構造，組成物質主要為砂質/泥質，相對完整，部分坍塌掉塊;志留系地層為千枚巖夾變砂巖、灰?guī)r;泥盆系地層為石英砂巖、粉砂巖和泥巖，該地區(qū)褶皺和斷裂發(fā)育。圖1為汶川科鉆WFSD－4S孔鉆探地質設計方案。

2．3 鉆孔結構及套管程序

圖1 WFSD－4S孔鉆探地質設計方案

圖2 WFSD－4S孔實際鉆孔結構和套管程序

2．4 鉆具組合及鉆進參數(shù)

2．4．1 鉆具組合

從上至下依次為:

2．4．2 鉆進參數(shù)

鉆進過程中主要通過優(yōu)化和調整鉆進規(guī)程參數(shù)使鉆速達到最優(yōu)，以獲得最佳的鉆進技術經(jīng)濟指標。根據(jù)具體地層情況及所選用的鉆探設備機具，各孔段分別采取了如表1所示的鉆進參數(shù)。的工程中很少使用。而在汶川地震科學鉆探中，由于對巖心原狀性的特殊要求，幾乎全部采用半合管取心。WFSD－4S孔取心鉆進使用的半合管鉆具規(guī)格為122 mm，長度有3 m和4.5 m 2種。盡管在破碎地層易發(fā)生堵心，但也通過采用4.5 m長半合管完成了回次進尺4.6 m的紀錄。

圖3 PVC管盛裝巖心(上)和半合管所取巖心(下)

表1 鉆進規(guī)程參數(shù)

2．5 取心鉆具

汶川地震斷裂帶在龍門山斷裂帶歷史上多次地震作用下，地層強烈破碎，并含有部分極松散無膠結地層和強水敏性斷層泥巖地層。已完工的5口井在鉆進施工中常常遇到鉆孔垮塌、擴徑、縮徑和漏失等諸多問題，取心和鉆進都極為困難，鉆探和測井事故頻發(fā)，處理事故耗費了大量的時間和經(jīng)費。因此，如何在極破碎、松散地層中高效、優(yōu)質地取心鉆進是WFSD鉆孔施工重點需解決的問題。

半合管取心技術是汶川地震科學鉆探為保證取心的原狀性所采用的主要取心方法。通常，半合管取心方法主要應用在鉆取軟的、易被沖蝕的巖礦層，由于受到施工成本和鉆具加工條件的限制，在一般

圖4 KZ122單動雙管取心鉆具

從孔深799.94 m至終孔，半合管提鉆取心所用的鉆具為中國地質科學院勘探技術研究所設計的KZ122型單動雙管取心鉆具(如圖4所示)。該套鉆具采用全泵量開式潤滑軸承的方法，保證了優(yōu)良的單動性能。沖洗液大部分流過軸承腔水道實現(xiàn)對軸承的潤滑，小部分橫向流過心軸上與軸承腔連通的側水眼，清除軸承體內的積污、潤滑滾珠(只要心軸側水眼與軸承腔水道間存在壓差，就有液流橫向通過)。該鉆具應用于整個取心孔段，有力地保證了取心效率及質量。

所用的取心鉆頭為電鍍金剛石鉆頭(見圖5)，由勘探技術研究所設計、福建省南平市延平區(qū)藍橋鉆頭廠加工制作，該鉆頭適用于中硬—堅硬、卵石、砂巖等地層的鉆進，適應性強、效率高、使用壽命長。該類鉆頭共使用137回次，累計進尺404.24 m，取心長度401.12 m，巖心采取率99.23%。共使用該類鉆頭6只，且終孔時有一只胎體較為完好，仍可繼續(xù)使用，平均壽命67.37 m。

2．6 沖洗液

根據(jù)地層復雜情況與鉆孔結構設計，結合汶川科鉆之前各孔沖洗液使用情況，對WFSD－4S孔沖洗液性能提出了如下要求:

圖5 電鍍金剛石鉆頭

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

(2)能適于配制高密度沖洗液以平衡地層應力，防止地應力造成的縮徑和孔壁坍塌;

(3)具有一定的抑制能力，避免泥頁巖、斷層泥等水化膨脹造成孔眼縮徑;

(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，防止孔塌和孔漏的發(fā)生;

(5)具有優(yōu)良的潤滑性能，防止卡鉆和減小管材的磨損。

根據(jù)上述要求，選擇使用以LBM為主添加其他沖洗液處理劑的雙聚沖洗液體系。LBM基漿具有良好的攜粉、潤滑、降失水、防塌功效，可以根據(jù)鉆孔實際情況加入重晶石粉、CMC、聚丙烯酰胺等處理劑來提高沖洗液的性能。對于沖洗液的控制主要體現(xiàn)在2方面:一方面調整其性能，抑制巖石粘土礦物的水化作用;另一方面提高其密度，平衡地層壓力，最大限度地降低地層橫向塑性流動。

該沖洗液體系配方為:1 m3水+30 kg LBM粉+10 kg改性瀝青+20 kg碳酸鈣+10 kg降失水劑+10 kg防塌減阻劑+3 kg包被劑。

其主要性能參數(shù)指標是:漏斗粘度44～56 s，密度1.07 ～1.19 g/cm3，失水量4 ～6 mL/30 min，含砂量0.01% ～0.04%。

LBM沖洗液體系具有造壁性好、抑制性好、對地層適應性強等優(yōu)點，充分保障了項目的順利進展。

2．7 鉆孔事故處理

2．7．1 斷鉆桿事故

處理斷鉆桿事故共計2次。第一次為2014年9月29日至9月30日，鉆至182.6 m處時，鉆桿折斷，采用114 mm鉆桿+114 mm公錐處理3次完畢，耗時2 d;第二次為2014年10月2日，鉆至206 m處時發(fā)生鉆桿折斷，采用114 mm鉆桿+114 mm公錐處理1次完畢，耗時8 h。

2．7．2 鉆桿脫扣事故

2014年10月16日，鉆至478.9 m處，發(fā)生鉆桿脫扣事故，鉆具與最下一節(jié)鉆桿掉落井底，系絲扣嚴重磨損，無法用公錐。采用114 mm鉆桿+114 mm母箍成功撈起脫扣鉆桿，恢復正常鉆進，此次脫扣事故處理耗時14 h。

鉆桿在孔內承受拉伸、壓縮、彎曲、扭切等復雜應力，易產(chǎn)生疲勞破壞;地層中所存在的酸性氣體和溶解鹽類對鉆桿進行腐蝕破壞，這些都促進了諸如斷鉆桿事故、鉆桿脫扣等事故的發(fā)生。此外，井徑規(guī)則性、螺紋密封脂、鉆具組合及鉆井工藝等因素交互作用的結果易導致鉆桿事故的發(fā)生。因此，為防止該類事故的發(fā)生，在保證鉆桿材料強度的前提下，做好鉆桿的維護與管理工作，在提下鉆桿時要注意檢查鉆桿腐蝕情況及接頭處螺紋磨損情況，根據(jù)具體情況分析確定主要影響因素并采取相應措施。

2．7．3 卡鉆事故

2014年10月20日，鉆至517.16 m處，發(fā)生卡鉆事故。鉆具提拉不動，也無法轉動。利用反絲鉆具，在12 m處89 mm鉆桿斷。這是由于60 mm鉆桿變89 mm接手處未焊接，其接頭處強度不夠，導致鉆桿斷落孔內，用錐子將89 mm鉆桿起出，換成114 mm鉆桿。強力起拔鉆具仍提拉不動，向孔底灌柴油，浸泡30 min后，嘗試提拉與轉動鉆具，間隔1 h提拉一次，無效果?？椎撞裼腿可戏岛笕詿o效果。決定采用解卡劑，先對返漿性能進行測試，失水量8 mL/30 min，泥皮薄，且該處地層為炭質板巖，粘附卡鉆的可能性不大，分析是板巖掉塊造成的卡鉆。在等待解卡劑到位的同時孔內繼續(xù)沖孔，反復回轉上拉。

配好解卡劑后往孔內灌注，計算好替漿水后到預定位置停待數(shù)小時后上頂，強拉未能解卡。繼續(xù)沖孔，處理孔內廢漿。采用反絲鉆桿進行反鉆桿工作，鉆桿從主動鉆桿和114 mm鉆桿變絲公扣處反開，卸下后換機上鉆桿，上114 mm反絲公錐。由于鉆桿靠邊，錐子前端較粗無法順利進入鉆桿，提鉆加工導向后繼續(xù)下鉆，吃上鉆桿后上頂錐子脫扣，提出錐子，發(fā)現(xiàn)其磨損嚴重，換錐子后同樣加工了導向繼續(xù)下鉆。由于錐子的剛度偏低，極易磨損，故加工石油錐子與喇叭口導向。在反鉆桿期間，發(fā)生了吸附卡鉆事故。將柴油倒入孔內，計算好替漿水后浸泡了約40 min，連頂帶拉都不見效果。柴油反出后采用洗衣粉水替漿?？變确党鱿匆路鬯蟛扇〈蟊昧繘_孔，同時鉆機不停地上頂起拔。多次嘗試后解卡。提鉆后套管全部提出，吸附卡鉆事故處理結束。由于洗衣粉水破壞了泥皮，導致泥皮中的巖粉、大顆粒都掉落到孔底，洗衣粉水的攜粉能力有限，不能很好地將大顆粒巖屑攜帶出鉆孔。為了能將孔底大顆粒巖屑排除，采用低固相LBM，降低原來沖洗液中LBM含量，再加入纖維素提粘來提高洗衣粉水的攜粉能力。由于沖洗液性能太差造成孔壁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象(由于洗衣粉水沖洗起來以后會生泡沫，從而密度降低，不能很好地懸浮加入的LBM粉，造成沖洗液分層，起不到很好的護壁效果)，為了安全起見開始排漿換漿，提上來后取粉管裝滿巖粉?？紤]到上返流速的限制，加0.3%的抗鹽共聚物及包被劑提高沖洗液粘度。至2014年12月2日晚上7點左右鉆具帶鉆頭順利提出。卸開鉆具后還帶上來了掉在孔內的打撈錨卡瓦。下入165 mm金剛石全面鉆頭，若孔底存在未完全消滅的扶正器碎片的話可以直接消滅，并且可在進尺效率變低的時候提鉆換復合片鉆頭。至此，卡鉆事故處理完畢，共耗時43 d。

鉆進過程中，由于各種原因造成的鉆具陷在井內不能自由活動的現(xiàn)象，稱為卡鉆。主要有吸附卡鉆、沉砂卡鉆、井塌卡鉆、鍵槽卡鉆、縮徑卡鉆、落物卡鉆、砂橋卡鉆、泥包卡鉆及鉆具脫落下頓卡鉆等。地層構造情況、沖洗液性能不良、操作不當?shù)榷伎赡茉斐煽ㄣ@，必須針對具體情況進行分析，以便有效地解卡。

吸附卡鉆的發(fā)生多是由于孔壁形成較厚的泥皮以及地層孔隙壓力和沖洗液液柱壓力之間存在壓差。吸附卡鉆事故雖是各類卡鉆事故中最好處理的，處理方法大致為強力活動、震擊解卡以及浸泡解卡。但是如果處理不當，往往會引發(fā)別的事故而加劇事故復雜程度，在處理每個步驟時都必須謹慎。使用解卡劑處理吸附卡鉆事故時要盡量地采用大泵量不間斷沖洗，在解卡劑未全部替出孔口前，絕不能停泵。另外，使用解卡劑解卡浸泡時間一定要充分，隨地層特性及沖洗液性能而異，少則十幾分鐘，多則幾十個小時，在浸泡的同時要不斷嘗試上頂、起拔解卡。

3 結語

(1)在WFSD－4S孔鉆探施工中，借鑒了WFSD－4孔鉆探施工的寶貴經(jīng)驗，采取了一系列技術措施，解決了地震斷裂帶鉆探施工中存在的巖層破碎鉆進困難、巖心采取率低等技術難題。

(2)采用半合管的取心工藝，解決了破碎地層取心質量技術難題，為地學研究提供了原狀性良好的巖心。

(3)采用以LBM為基漿的雙聚沖洗液體系，該體系具有造壁性好、抑制性好、對地層適應性強等優(yōu)點，保障了項目的順利進展。

(4)對于鉆進事故要以預防為主，在準確判斷事故類別后，要果斷采取相應措施。

［1］ 張偉，賈軍，胡時友，等．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目鉆探施工進展綜述［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9):1 －5．

［2］ 張偉，樊臘生，吳金生．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目中取心鉆進方法應用的演變［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(7);61 －64，68．

［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):5 －8．

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

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

［6］ 賈軍，李旭東，樊臘生，等．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD－2孔鉆探施工技術［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9);6 －11．

［7］ 趙遠剛，樊臘生，楊明奇．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD－3－P孔鉆探施工概況［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9):18 －21．

［8］ 朱恒銀，朱永宜，張文生，等．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD－3孔施工技術與體會［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9):12 －17．

［9］ 莊生明，吳金生，張偉，等．汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD－4孔取心鉆進技術［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，41(9):126 －129．