工程鉆探實(shí)例.

1、汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD-3孔地質(zhì)工程1204班 王少華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(gè)月，攻克了罕見復(fù)雜地層鉆進(jìn)、大直徑取心和高地應(yīng)力下鉆孔護(hù)壁等重重技術(shù)難關(guān)，圓滿完成了施工任務(wù)。驗(yàn)收結(jié)果表明，各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)完全滿足合同要求，達(dá)到了地學(xué)研究和工程的目的。0. 前言一一.概述概述汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探3號(hào)孔（WFSD-3）是汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目的5個(gè)科學(xué)鉆探孔之一，由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)承擔(dān)施工任務(wù)。 WFSD-3孔原設(shè)計(jì)深度1200m，因地學(xué)研究需 要進(jìn)行了加深，實(shí)際終孔孔深1502.30，終孔口徑77mm

2、。（）鉆孔深度：1200m（變更至1500m）； （）鉆孔傾角：90（垂直孔）； （）終孔直徑：150mm（1200m孔深后變更為100、77）；（）取心要求：全孔連續(xù)取心鉆進(jìn)，全孔巖心采 取率85，對地學(xué)研究起關(guān)鍵作用孔段的巖心采 取率85，巖心保持原狀；（）巖心直徑：85mm（1200m孔深后巖心直徑變更為75、50mm）； （）孔斜要求：鉆孔終孔頂角10，最大“狗腿”度2/30m； （）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.施工施工技術(shù)要求與技術(shù)要求與條件條件2.1 施工技術(shù)要求2.2 2.2 施工施工條件條件該孔所鉆進(jìn)的巖層主要為：侏羅系，粉砂巖含礫砂巖，

3、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(qiáng)烈地震，巖層十分破碎，地層應(yīng)力很大，造成鉆孔縮徑，坍塌嚴(yán)重，并伴有涌水，漏失等復(fù)雜情況。（1）鉆孔設(shè)計(jì)在地震斷裂帶上，幾乎全孔的巖層非常破碎，鉆進(jìn)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(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)鉆孔形成后，破壞了巖層內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)，在地應(yīng)力的作用下，巖層發(fā)生膨脹，孔壁失穩(wěn)，斷層發(fā)生蠕動(dòng)，導(dǎo)致鉆孔嚴(yán)重縮徑。 施工中主要關(guān)鍵技術(shù)難題有：（）斷層泥的強(qiáng)粘滯性。斷層泥顆粒很細(xì)，比表面積很大，結(jié)果導(dǎo)致斷層泥滯力強(qiáng)和摩擦阻力大。特別是在高地應(yīng)力條件下，斷層泥更容易粘附在鉆具上，對鉆具

4、形成強(qiáng)烈的粘滯作用，使得鉆具活動(dòng)受阻，造成嚴(yán)重的粘滯卡鉆。 （）地層破碎易造成孔壁超徑和掉塊卡鉆。 （）斷裂帶地層鉆進(jìn)鉆孔遇到漏水、涌水，使鉆孔壓力失去平衡，鉆孔坍塌縮徑嚴(yán)重。 （）在斷裂帶地層采用大直徑取心，且全孔采取不擾動(dòng)巖心，巖心采取率必須達(dá)到85%以上，目前尚無成熟可靠的取心機(jī)具。 （）斷裂帶破碎地層鉆進(jìn)需下多層套管，對鉆孔保直性要求嚴(yán)格。 （）深孔段下套管，小間隙套管固井及長孔段活動(dòng)套管的安放、提拔和安全鉆進(jìn)問題。 3.1 3.1 主要設(shè)備主要設(shè)備 鉆機(jī)：HXY8、XY8B型； 鉆塔：ZT22A型； 泥漿泵：BW320、ZBW600/60、BW300/12B、TBW850/5A 、B

5、W1200A型； 柴油發(fā)電機(jī)：250KW； 固控離心機(jī)：TGLW350692T型； 除泥清潔器：HM100*型； 防噴器：SFZ2321型； 測斜儀：KXP2D型； 旋流振動(dòng)篩、泥漿攪拌機(jī)、鉆孔錄井裝置、動(dòng)力鉗、吊鉗、套管頭、油壓千斤頂?shù)取?.主要施工設(shè)備及機(jī)具3.2主要機(jī)具鉆桿：89、73、60.3、50、73mm反絲鉆桿；鉆鋌：159、121、105mm；鉆具：半合管鉆具（WX150、SDB150、KZ150、SDB122 、KZ122、SDB100、SDB77）、S77繩索取心鉆具； 液動(dòng)潛孔錘等其它工具。 一開：150mm取心鉆進(jìn)至孔深26.01m，用311mm擴(kuò)孔至23.5m，下入2

6、73mm套管至孔深23.50并固井； 二開：150mm取心鉆進(jìn)至孔深450.07m，用256mm擴(kuò)孔至407.5m，下入219mm套管并固井； 三開：150mm取心鉆進(jìn)至孔深1186.77m，用200mm擴(kuò)孔至816.26m，下入168mm套管至孔深815.29m并固井；4.鉆探工藝技術(shù)4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)與套管程序 四開：122mm取心鉆進(jìn)至孔深1202.57m，用152mm擴(kuò)孔至1186.87m，下入127mm套管至1180.66m并固井； 五開：100mm取心鉆進(jìn)至孔深1404.53m，下入89mm尾管至1404.53m并固井； 六開：77mm取心鉆進(jìn)至孔深1502.3m，下入73mm篩管到

7、底，換漿洗井。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 WFSD-3孔實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序鉆孔在不同孔段分別采用150、122、100mm金剛石、復(fù)合片和硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，取心采用半合管鉆具，77mm口徑采用金剛石繩索取心鉆具提鉆取心鉆進(jìn)。4.2 鉆進(jìn)方法與取心技術(shù)擴(kuò)孔：一開、二開、三開用帶導(dǎo)向牙輪鉆頭或帶導(dǎo)向復(fù)合片鉆頭加159mm鉆鋌加壓鉆進(jìn)；四開用152mm帶導(dǎo)向硬質(zhì)合金鉆頭加121mm鉆鋌擴(kuò)孔、劃眼鉆進(jìn)；五開、六開用原鉆具掃孔。部分取心、擴(kuò)孔鉆頭如圖2、圖3所示（由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所和北京探礦工程研究所提供）。圖2 部分取心鉆進(jìn)用鉆頭 圖3 擴(kuò)孔用鉆頭取心鉆進(jìn)鉆具組合從下至上分別為： 150m

8、m取心鉆頭半合管鉆具121mm鉆鋌73mm鉆桿； 122mm取心鉆頭半合管鉆具105mm鉆鋌73mm鉆桿； 100mm取心鉆頭半合管鉆具60.3mm鉆桿； 77mm取心鉆頭繩索取心鉆具50mm鉆桿。 擴(kuò)孔鉆具組合： 150/311mm牙輪擴(kuò)孔鉆頭（150/350mm硬質(zhì)合金擴(kuò)孔鉆頭）159mm鉆鋌73mmAPI鉆桿； 150/256mm牙輪擴(kuò)孔鉆頭159mm鉆鋌73mmAPI鉆桿； 4.3 鉆具組合150/202mm牙輪擴(kuò)孔鉆頭或150/202mm復(fù)合片擴(kuò)孔鉆頭V200mm扶正器159mm鉆鋌200mm73mmAPI鉆桿； 110/152mm硬質(zhì)合金擴(kuò)孔鉆頭121mm鉆鋌150mm穩(wěn)定器105

9、mm鉆鋌150mm穩(wěn)定器73mm鉆桿。4.4 泥漿護(hù)壁與堵漏技術(shù)4.4.1對泥漿的要求 WFSD-3孔所鉆遇地層異常復(fù)雜遇水膨脹、縮徑、坍塌掉塊、漏失等地層皆有，鉆進(jìn)、取心及擴(kuò)孔作業(yè)泥漿護(hù)壁是技術(shù)關(guān)鍵。針對地層特點(diǎn)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： （）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； （）能具有足夠的懸浮力，適于配制高密度泥漿以平衡地層應(yīng)力，防止高地應(yīng)力造成的縮徑和孔壁坍塌；（）具有良好的保護(hù)巖心作用，以滿足地層特殊取心質(zhì)量要求； （）具有優(yōu)良的流變性能，能很好地?cái)y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(dòng)”和對孔壁的沖刷

10、，防止孔塌和孔漏的發(fā)生； （）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； （）具有優(yōu)良的潤滑性能，減小管材機(jī)具的磨損、滿足大口徑鉆探鉆機(jī)施工能力。4.4.2不同地層泥漿處理的方法 （）松散破碎地層（圖四）：針對該地層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(qiáng)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(shí)還具有良好的增粘作用和較強(qiáng)的潤滑性，能起到保護(hù)巖心、減小鉆具磨損、降低泥漿循環(huán)流動(dòng)阻力，取得了良好的效果。其泥漿性能為：密度1.06 1.16g/cm，粘度 2751，失水量 714m

11、L/30min，泥皮厚度0.4 0.5mm，含砂量0.7%。 （）縮徑地層（圖五）：縮徑地層主要為泥巖及斷層泥等，具有較強(qiáng)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(qiáng)地應(yīng)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、型潤滑劑為主。泥漿性能為：密度1.551.57g/cm，粘度4060，失水量46mL/30min，泥餅厚度0.30.5mm，含砂量 0.9%。 （）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隨鉆堵漏為主，泥漿密度控制在1.39g/cm，粘度604.5 鉆孔事故與側(cè)鉆技術(shù)WFSD-3孔由于地層

12、破碎嚴(yán)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1186.77m處，第二次事故孔深位于938.50m處，第三次事故孔深位于1175.4m處。3次事故主要處理方法是：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677.16m，采用先掃孔后取心鉆進(jìn)至788m，出現(xiàn)新孔，自然側(cè)鉆成功，恢復(fù)正常鉆進(jìn)；第一次鉆鋌脫扣事故處理是采取先大直徑擴(kuò)孔至事故頭位置，進(jìn)行逐根套銑鉆鋌及鉆具，再逐根反出事故鉆具；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

13、孔深1097.76m用油井水泥封孔至895.82m，再采用液動(dòng)螺桿鉆造斜鉆具進(jìn)行側(cè)鉆至1096m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。WFSD-3-S1為第一次側(cè)鉆鉆孔軌跡；WFSD-3-S2為第二次側(cè)鉆鉆孔軌跡）造成上述次較大事故主要原因有以下幾個(gè)方面：（5）鉆孔裸眼鉆進(jìn)周期太長，鉆孔超徑嚴(yán)重，掃孔時(shí)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(dǎo)致埋鉆。（4）鉆孔事故位置基本都在斷層泥和煤線地層，地應(yīng)力較大，造成鉆孔嚴(yán)重縮徑； （1）為了保證巖心采取率，提鉆頻繁，個(gè)別鉆鋌絲扣磨損嚴(yán)重；5.1 鉆孔質(zhì)量指標(biāo) （1）巖心采取率：WFSD-3孔進(jìn)尺1502.30

14、m，全孔平均巖心采取率92.5%，巖心采取質(zhì)量均為不擾動(dòng)原狀樣，完全滿足地學(xué)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2/30m，完全符合汶川地質(zhì)斷裂帶科學(xué)鉆探鉆孔質(zhì)量指標(biāo)要求。（3）固井：全孔共下層套管（層尾管，其中1層為篩管），5層套管進(jìn)行了固井，固井質(zhì)量完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 5.5.質(zhì)量質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與成果、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與成果WFSD-3孔施工周期805天，總?cè)⌒倪M(jìn)尺1545.82m（含2次側(cè)鉆后新孔銜接取心進(jìn)尺），全孔平均巖心采取率92.5%，平均機(jī)械鉆速0.74m/h，平均回次長度1.99m，鉆月效率57.3m，純鉆時(shí)間利用

15、率為10.5% 。 5.2 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo) WFSD-3孔作業(yè)時(shí)間分析如圖7示。（1）半合管取心技術(shù)的研究與應(yīng)用。WFSD-3孔在罕見的復(fù)雜地層情況下，使鉆孔超過設(shè)計(jì)孔深延伸至1502.30m，下入6層護(hù)壁套管(273、219、168、127、89、73mm），采用不同口徑的半合管取心技術(shù)，保證了全孔不擾動(dòng)巖心原狀性，巖心平均采取率達(dá)到92.5%，為地學(xué)研究提供了高質(zhì)量的實(shí)物樣品。5.3 鉆探方面成果（2）高分子聚合物泥漿護(hù)壁及平衡地壓鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。 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(shí)現(xiàn)平衡地壓鉆進(jìn)

16、，解決了孔壁穩(wěn)定性和巖心的原狀性問題。（3）鉆孔活動(dòng)套管下入與提拔技術(shù)。由于WFSD-3孔鉆孔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，上部孔段的護(hù)壁套管口徑較大，為了安全鉆進(jìn)，必須下入活動(dòng)套管?；顒?dòng)套管下入后的穩(wěn)定性和安全起拔是十分關(guān)鍵的，WFSD-3孔施工設(shè)計(jì)采用了活動(dòng)套管彈塑性扶正器及外套管與活動(dòng)套管上下部連接密封和防回扣裝置，有效解決了活動(dòng)套管折斷和內(nèi)外套管間隙被沉渣卡死、難以提拔等技術(shù)難題。 （4）小直徑尾管下入與固定技術(shù)。由于WFSD-3孔根據(jù)地學(xué)部要求，達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后需要延伸至1500m，所以鉆孔結(jié)構(gòu)就要相應(yīng)改變，分別下入2層尾管（89mm尾管1160.491402.53m和73mm尾管1397.951502.30m），施工中設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yàn)。6.6.體會(huì)體會(huì)與認(rèn)識(shí)與認(rèn)識(shí)（1）要進(jìn)行項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)性、技術(shù)性評估。（2）國家重點(diǎn)科學(xué)鉆探項(xiàng)目，在管理模式