秦沛

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京密云 101500)

對深孔大口徑取心鉆探工藝的一些認識
——以WFSD－2號孔0～897.66 m段施工為例

秦沛

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京密云 101500)

深孔大口徑取心鉆探，鉆孔口徑大、地層復雜、鉆孔結(jié)構(gòu)復雜、深孔段效率低，鉆進工藝尚不成熟，鉆探工程難度較大。結(jié)合WFSD－2號孔0～897.66 m段施工情況，介紹了施工中存在的主要問題及采取的主要技術(shù)措施;對各種施工工藝、技術(shù)方法進行了對比分析，提出了建議。

深孔;大口徑;取心鉆探;汶川地震斷裂帶;科學鉆探

0 引言

近年來，隨著科學鉆探、重大工程、能源勘探逐步增多，對深孔大口徑取心鉆探工作需求加大，大口徑深孔取心鉆探工作量越來越多。

由于大口徑深孔取心鉆探的特殊性，使其面臨許多工藝(技術(shù))難題。一是取心直徑大，鉆孔口徑大，因此，鉆進效率低;二是深孔鉆進取心技術(shù)(特別是繩索取心鉆進技術(shù))尚不成熟，影響鉆進效率和取心效果;三是取心難度大，通常，取心鉆進較合適的公稱直徑為76～110 mm，直徑過大，巖心卡取及保護比較困難;四是大口徑深孔取心鉆探多以科學研究鉆探為目的，鉆孔多選擇在地質(zhì)構(gòu)造較復雜的區(qū)域，如斷裂帶、沉積松散層、含有特殊的(液氣)等復雜地層。因此，對鉆探工藝技術(shù)提出了更高的要求，使大口徑深孔取心鉆探施工復雜程度遠遠高于其他鉆探工程。

汶川地震斷裂帶科學鉆探(WFSD)項目主要任務(wù)是在龍門山“北川—映秀”斷裂及龍門山前緣“安縣—灌縣”斷裂附近實施5口科學群鉆，通過鉆探獲取信息，揭示汶川地震斷裂帶的深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出、構(gòu)造屬性;恢復汶川地震過程中的巖石行為、流體行為、能量狀態(tài)與破裂過程以及逆沖斷裂發(fā)震機理;同時監(jiān)測余震，提供深部無干擾條件下余震的直接信息。本文所述內(nèi)容屬我單位承擔的WFSD－2號孔0～897.66 m孔段部分。

1 工程概況

1.1 地理位置、地層

WFSD－2號孔位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)境內(nèi)的一條簡易公路旁河床上，距斷裂帶地表露頭約650 m，距WFSD－1號孔約300 m。海拔高度約1150 m，屬于龍門山中央斷裂帶。

鉆遇地層:0～14 m為第四系沖(坡)洪積漂礫石層;14～599.4 m為震旦系花崗巖、花崗閃長巖，厚585.4 m;599.4～897.66 m為三疊系碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖、石英砂巖、長石砂巖、角礫巖、碎裂巖等。

1.2 技術(shù)要求

鉆孔深度3000 m(后變更為2000 m);鉆孔傾角90°(直孔);終孔直徑150 mm。

取心要求:巖心采取率≥85%，巖心保持原狀;巖心直徑≥85 mm;孔斜率:鉆孔頂角≤15°，最大“狗腿“度2°/30 m;完井要求:底部井段為裸眼，供安放監(jiān)測儀器;其他要求:配合完成WFSD－2號孔測井和科學實驗測試工作。

1.3 工程難點

1.3.1 地層破碎、復雜

上部花崗巖、花崗閃長巖、變質(zhì)火山巖裂隙發(fā)育，裂隙面、小斷層多且斷層傾角大(圖1)，易造斜，易造成巖心堵塞，影響回次長度。下部三疊系巖性以石英砂巖、碳質(zhì)頁巖夾煤線為主，受多次地震活動的影響，地層比較破碎，孔內(nèi)涌水、掉塊卡鉆、超徑、水敏縮徑、泥包鉆頭等情況時有發(fā)生;泥質(zhì)含量高的孔段地層(圖2)易吸水軟化、膨脹造成堵心，影響回次進尺長度，巖心易被沖蝕、易脫落，取心比較困難，鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進參數(shù)選擇較困難;地層掉塊、縮徑引發(fā)孔內(nèi)事故。

圖1 花崗巖較陡的節(jié)理面

圖2 三疊系地層泥質(zhì)含量較高

1.3.2 施工工藝及設(shè)備不成熟

1.3.2.1 Φ150 mm取心鉆進工藝尚不成熟

WFSD－2號孔采用Φ150 mm半合管單動雙管取心方法，非膨脹地層普通雙管鉆頭內(nèi)徑為103 mm/101 mm，繩索取心鉆頭內(nèi)徑為93 mm，在斷層泥、頁巖膨脹地層，為避免半合管脹開，鉆頭內(nèi)徑適當縮小，分別為Φ95和93 mm。

大口徑深孔取心鉆進，以往地質(zhì)鉆探中很少使用，鉆進工藝及鉆具都不成熟，只能邊試驗邊改進。

1.3.2.2 鉆探設(shè)備不成熟

WFSD－2號孔前期使用HXY－8B型鉆機，后期使用KZ3000型鉆機，兩臺鉆機均屬于新研制鉆機，沒有經(jīng)過生產(chǎn)試驗，設(shè)計存在一些不足。

和常規(guī)的小口徑鉆探施工不同，鉆塔、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、固控設(shè)備等在選取購置方面有著很高的要求，施工工藝尚不成熟，設(shè)備選型方面缺乏可借鑒的經(jīng)驗。

1.3.3 其他難點

復雜地層泥漿、擴孔技術(shù)，小間隙固井及活動套管技術(shù)，都是大口徑取心鉆進施工的技術(shù)難點，能否處理好這些問題也是大口徑取心鉆進施工成功與否的關(guān)鍵。

2 施工主要技術(shù)措施

2.1 斷裂帶復雜地層取心

WFSD－2號孔自599.4 m進入三疊系地層后，地層碎裂，造成巖心堵塞，影響回次長度，巖心易脫落，影響巖心采取率。局部地層怕沖蝕并且?guī)r心膨脹，鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進參數(shù)選擇稍有不慎就會影響巖心采取率，巖心膨脹造成堵心，影響回次長度。如何提高巖心采取率，提高回次進尺，就成了鉆進中亟待解決的問題。

本孔施工，采用了Φ150 mm普通雙管鉆具及S150繩索取心鉆具，兩種鉆具結(jié)構(gòu)較復雜，但取心效果好。巖心采取率分別達到92.5%及89.3%。鉆具都采用半合管技術(shù)(抱箍式及嵌入式半合管)，有效防止了巖心被沖蝕、擾動，保證了巖心采取率及取心質(zhì)量。

鉆進參數(shù)選擇，需要根據(jù)地層情況及時進行調(diào)整，泥質(zhì)含量較高的縮徑地層，每回次鉆進前輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔到底以消除縮徑影響，并嚴格控制回次進尺。

2.2 全面鉆進防斜保直

2.2.1 孔斜因素

2.2.1.1 地層造斜

WFSD－2號施工中，47.8～311.39 m孔段采用Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進，地層為花崗巖，通過取心發(fā)現(xiàn)，巖心破碎，巖心中存在較多傾角較陡的節(jié)理面、小斷層，其傾角在70°左右，說明受地殼運動和多次地震的影響，花崗巖地層中的節(jié)理比較發(fā)育，而且小斷層多，當鉆遇傾角比較陡的節(jié)理和斷層時，再加上鉆孔環(huán)壁間隙大，導致鉆頭順節(jié)理面和斷層面滑動，形成“順層溜”。

2.2.1.2 技術(shù)因素

鉆具結(jié)構(gòu)以及鉆進規(guī)程參數(shù)的選擇，對孔斜的控制至關(guān)重要。

以WFSD－2號孔為例，在47.8～234.9 m采用Φ245 mm牙輪鉆頭+Φ203 mm鉆鋌+Φ178 mm鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌+Φ121 mm鉆鋌+Φ89 mm鉆桿塔式鉆具結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)孔斜。其后，在234.9～311.39 m孔段采用Φ245 mm牙輪鉆頭+Φ203 mm鉆鋌+Φ243 mm穩(wěn)定器+Φ178 mm鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌+Φ121 mm鉆鋌+Φ89 mm鉆桿鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，孔斜仍未得到控制，孔深311.39 m時鉆孔頂角達到6.2°。

Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進中采用低壓(25～50 kN)、慢轉(zhuǎn)(27～46 r/min)鉆進，采取了這些措施后孔斜并未得到有效控制，可見大口徑鉆探施工與小口徑鉆探施工有所不同，在孔斜控制方面鉆具結(jié)構(gòu)的選擇更為重要。

2.2.2 防斜措施

(1)把好安裝開孔關(guān)，開孔后盡量選取“長、剛、直”的鉆具組合。WFSD－2號孔開孔后的漂礫石層地層松散、軟硬不均，容易導致孔斜。采用了Φ377 mm鋼粒鉆進，鉆具組合為:Φ377 mm鋼粒粗徑鉆具+Φ89 mm鉆桿，這種鉆具組合具有鉆具與孔壁之間間隙小、剛性大、能保直的特點，實踐證明其在WFSD－2號孔的使用達到了有效的防斜效果。

(2)在地層造斜強烈的孔段，宜采用滿眼鉆具組合:一般采用3個以上的穩(wěn)定器和適當?shù)拇謴姐@鋌配合。WFSD－2號孔在Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進階段，由于缺乏本地區(qū)施工經(jīng)驗，沒有及時采用滿眼鉆具組合，使得孔斜未能得到有效控制。

2.3 復雜地層繩索取心工藝的沖洗液

2.3.1 泥漿體系、性能及其調(diào)整

838.66 ～894.17 m孔段三疊系沉積巖采用S150繩索取心鉆進，由于地層以碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖為主，水敏膨脹，應(yīng)力釋放膨脹。為了滿足繩索取心工藝需求，提出2種泥漿方案:(1)甲酸鹽無固相體系;(2)普通低固相加重體系，即對分散體系泥漿以重晶石適當進行加重。

方案一中，甲酸鹽鉆井液中的甲酸鹽可使用甲酸鉀、甲酸鈉或甲酸銫，可單獨使用一種，或2種或3種同時使用。甲酸鹽鉆井液的密度范圍可通過選擇甲酸鹽類型和加重材料，如碳酸鈣、重晶石和赤鐵礦粉加重在1.60～2.30 g/cm3之間調(diào)節(jié)。同時使用增稠劑、降失水劑、潤滑劑和消泡劑以使甲酸鹽鉆井液具有滿意性能。

方案二中，繼續(xù)采用分散鉆井液體系，可配制適應(yīng)于復雜地層的高密度、低失水、低粘度、低滲透泥漿，處理劑以磺化類降失水劑、防塌劑為主，考慮到鉆井液的加重問題，選取懸浮重晶石性能比較好的降失水處理和防滲漏的成膜劑。為了降低摩擦阻力，必須具有較強的潤滑減阻特性，同時為了避免發(fā)生孔內(nèi)卡鉆事故，或發(fā)生卡鉆事故能較好地實現(xiàn)鉆具的解卡，泥漿體系還應(yīng)該有防卡解卡的功能，因此選取具有潤滑和防卡雙重功效的T型潤滑防卡劑。配比:4%～5%鈉土+0.3%～0.5%CMC+1%S－1 +2%～3%SAS+1%SMC+1%X－1+0.5%T型潤滑劑。性能:密度為1.16～1.22 g/cm3;失水量為4.5～6.0 mL/30 min;漏斗粘度為23～28 s;表觀粘度為17.5～20 mPa·s;塑性粘度為12～17 mPa· s;泥皮厚度≤1 mm。

由于甲酸鹽無固相鉆井液成本過高(約20000元/t)，WFSD－2號孔采用分散體系加重鉆井液。在復雜地層基本滿足繩索取心鉆進需求，在維護孔壁穩(wěn)定性的同時，較好地保證了取心鉆進的正常進行，其成本約為甲酸鹽無固相鉆井液的30%左右。

2.3.2 固相控制

復雜地層繩索取心工藝對固相控制的要求較高，WFSD－2號孔采用三級固相控制，即振動篩、離心機以及除泥清潔器。

振動篩具有最先、最快分離泥漿固相的特點，擔負著清除大量鉆屑的任務(wù)，其能夠清除固相顆粒的大小，依賴于網(wǎng)孔的尺寸和形狀，現(xiàn)場準備了80和100目兩種篩網(wǎng)，繩索取心鉆進時，巖粉較細，振動篩的作用甚微;主要用離心機來清除細小的巖屑顆粒，現(xiàn)場使用的TGLW350－692T型離心機，可以分離大于5 μm的固相;除泥器的分離點是43 μm，能夠除出較細的固相顆粒。

上述的三級固控在WFSD－2號孔的使用中，較好地控制了繩索取心階段鉆井液中的有害固相含量，保持了泥漿性能的穩(wěn)定，減少了泥漿材料的浪費，起到了比較好的除砂除泥效果。

2.4 復雜地層擴(修)孔

大口徑深孔取心鉆探，擴孔是一個重要工序。WFSD－2號擴孔施工主要包含2方面困難:堅硬地層擴孔及局部小級差擴(修)孔。

2.4.1 堅硬地層擴(修)孔

WFSD－2號孔的擴孔段地層以堅硬的花崗巖、花崗閃長巖以及較硬的砂巖、頁巖為主，在此地層條件下，采用Φ252 mm牙輪鉆頭擴孔輔以Φ253 mm金剛石二次擴孔的方法擴孔施工。

本孔二開Φ152 mm牙輪鉆進孔段和Φ150 mm取心鉆進孔段采用Φ252 mm牙輪鉆頭擴孔方法擴孔，牙輪擴孔鉆頭帶有Φ140 mm前導向。對于擴孔鉆具組合的選擇，必須兼顧擴孔鉆壓的選擇，而堅硬地層擴孔需要足夠的鉆壓，因此必須保證鉆鋌的數(shù)量。

由于牙輪擴孔鉆頭磨損嚴重，不能一次性達到擴孔目的，Φ252 mm牙輪擴孔的同時采取Φ253 mm金剛石修孔鉆頭二次修孔。擴、修孔鉆進參數(shù)見表1。

表1 擴(修)孔鉆進參數(shù)

2.4.2 級差較小孔段擴孔

WFSD－2號孔在Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進孔段，擴孔到Φ253 mm口徑，理論單邊擴孔量4 mm，實際更小。這種小級擴孔，必須采用金剛石鉆頭進行，同時對施工操作提出了更高要求。

擴孔鉆頭、擴孔器采用鑲焊工藝，鉆頭前導向Φ241 mm，前導向長170 mm，擴孔部分長160 mm，擴孔器工作外徑253.5 mm，工作長度均為200 mm，穩(wěn)定器外徑250 mm。

擴孔鉆具組合:金剛石擴孔鉆頭+金剛石擴孔器+鉆鋌+金剛石穩(wěn)定器+鉆鋌+鉆桿。

鉆進參數(shù):必須考慮卡鉆等孔內(nèi)事故風險，采用輕壓(5～8 kN)、慢轉(zhuǎn)(27～46 r/min)、小泵量(700 L/min)。在操作過程中，機臺司鉆應(yīng)嚴格執(zhí)行并隨時關(guān)注回轉(zhuǎn)阻力變化。

3 各種取心方法的應(yīng)用比較

3.1 Φ150 mm普通單管取心

一般小口徑普通單管在堅硬、致密、完整地層，巖心不怕沖刷、振動，取出的巖(礦)心較為完整，采心率較高，能較好地保持其原生結(jié)構(gòu)。但對于大口徑取心鉆進而言，即使?jié)M足地層條件，由于卡斷堅硬巖心的難度增大，其卡心效果也不甚理想，取心質(zhì)量時常達不到預期設(shè)想。

WFSD－2號孔取心鉆進中，由于使用條件和取心效果的限制，Φ150 mm普通單管取心鉆具無法在正常取心鉆進中被使用。然而，在孔深至637.56 m發(fā)生斷取心鉆具事故后，我們采用Φ250 mm普通單管取心鉆具對事故鉆具進行了套銑，成功打撈出了事故鉆具。

3.2 Φ150 mm普通雙管取心

WFSD－2號孔取心原計劃在震旦系花崗巖、花崗閃長巖地層及以下較穩(wěn)定的砂巖地層應(yīng)用繩索取心鉆具，因為S127 mm繩索取心鉆桿沒能及時到場，只好采用Φ150 mm普通雙管取心鉆具(以Φ150 mm普通單動雙管半合管鉆具為主)在上述地層施工鉆進，并且基本達到了相應(yīng)的技術(shù)要求。

下層的三疊系碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖、石英砂巖、長石砂巖、角礫巖、碎裂巖等破碎、裂隙發(fā)育的復雜地層(包含泥質(zhì)含量高、水敏性高、易吸水膨脹縮徑的地層)，也采用了Φ150 mm單動普雙半合管鉆具。取得了較好的使用效果，滿足了汶川地震科學鉆探的要求。

Φ150 mm普通雙管取心鉆具能有效避免沖洗液對巖心的沖刷，避免振動、擺動、摩擦等機械力對巖(礦)心的破壞作用;結(jié)構(gòu)上增設(shè)有防振、防污(沉砂)、防脫等裝置，巖心的采取率、完整度、純潔性等都有較大提高;另外，半合管的使用，最大程度保持了巖心的原狀結(jié)構(gòu)，極大提高了巖心采取率。但與小口徑普雙鉆具相比，由于巖心直徑、接觸面積、巖心質(zhì)量等變得更大，取心鉆具與巖心的受力情況發(fā)生變化，使用Φ150 mm普通雙管取心鉆具鉆進施工中常會出現(xiàn)磨心、堵心等問題，對鉆具的單動性提出了更高的要求;同時，Φ150 mm普通雙管取心鉆具對同心度的要求也更高，因為不同心造成的取心鉆具彎曲容易引起取心鉆進過程中絲扣連接處脫扣，導致孔內(nèi)事故的發(fā)生。

3.3 S150 繩索取心

小口徑繩索取心鉆進已屬于成熟先進的鉆進技術(shù)，得到廣泛使用。但Φ150 mm繩索取心鉆進在我國還屬于空白，國外使用也不多。WFSD－2號孔的使用，填補了我國在大孔徑繩索取心方面的空白。

鑒于838.66 m以深提鉆取心純鉆時間利用率較低，嘗試了S150繩索取心鉆進，并對其進行了完善和改進。

與小口徑不同，S150繩索取心鉆具以及與其配套的Φ142 mm繩索取心鉆鋌、Φ127 mm繩索鉆桿內(nèi)徑較大，鉆井液的離心力更大，導致固相顆粒粘附在鉆具、鉆桿內(nèi)壁而結(jié)垢的問題。因而S150繩索取心鉆進對鉆井液性能的要求較小口徑繩索取心鉆進更高。

鉆頭選型考慮到水路設(shè)計、鉆頭與卡簧座之間的配合、鉆進效率等方面因素，WFSD－2號孔主要選用底噴式PDC鉆頭。目前看來，底噴鉆頭適合鉆遇地層的鉆探施工，但還需加以適當改進。主要是: (1)內(nèi)管打撈不動，繩索取心鉆進29回次，進尺55.51 m，提鉆11次，其中因內(nèi)管打撈失敗而提鉆6次，占55%，這說明鉆具設(shè)計和施工工藝還不夠成熟;(2)內(nèi)管投放不到位，導致磨心、丟心;(3)打撈內(nèi)管考慮鉆井液的抽吸作用，限制繩索取心絞車的上提速度，使得打撈巖心的輔助時間變長(打撈耗時在40～80 min之間)，影響了鉆進效率;(4)外管總成螺紋扣高不夠，抗拉能力差(外管總成的擴孔器、鉆頭、外管、彈卡室、彈卡彈頭的螺紋高度均為1 mm)，施工過程中上擴孔器與彈卡室絲扣連接處在較大提升力下極易脫扣，從而造成孔內(nèi)事故。

鉆進參數(shù)為:鉆壓30～50 kN，轉(zhuǎn)速140～156 r/ min，泵量230～280 L/min，泵壓1.3～2 MPa。

3.4 幾種方法比較

根據(jù)WFSD－2號孔地層條件及地學研究對取心的要求，本孔以Φ150 mm普通單動雙管半合管取心為主和S150繩索取心相結(jié)合的方式鉆進施工。

Φ150 mm普通單管取心鉆進在地層復雜的汶川地震斷裂帶未被采用。

Φ150 mm普通雙管取心鉆進方法雖然勞動強度大、深孔段臺月效率低，但在破碎、極易縮徑的復雜地層中安全可靠，不易發(fā)生孔內(nèi)事故。在易沖蝕地層通過采用底噴或側(cè)噴式鉆頭，形成側(cè)向密封，達到了比S150繩索取心鉆具更好的防巖心沖蝕效果，WFSD－2號孔施工中，這種鉆進方法在堅硬巖層及復雜地層均取得了較好的應(yīng)用效果，并且逐步走向了成熟。

S150繩索取心鉆進方法具有普通單動雙管取心鉆進的特點，而且具有適應(yīng)性強、提高鉆進效率、降低鉆進成本的諸多優(yōu)點。但對鉆桿的材質(zhì)和加工精度要高，使鉆桿的成本昂貴;鉆桿柱與孔壁的間隙小，增加了鉆桿柱的磨損，也使沖洗液循環(huán)阻力增大;繩索取心鉆頭唇面厚，鉆進效果較差，對巖心擾動更大;另外，回轉(zhuǎn)阻力大，動力消耗大，在深孔段影響開高轉(zhuǎn)速。WFSD－2號孔施工中，鉆具及工藝不成熟，影響了S150繩索取心使用效果。

4 施工工藝分析

4.1 鉆探設(shè)備

WFSD－2號孔主要設(shè)備(包括:鉆機、鉆塔、專門設(shè)計的鉆機底座和泥漿循環(huán)固控系統(tǒng))由甲方提供。施工中所需的其它設(shè)備、鉆具、工具和材料，均由施工方配備。

鉆機選擇:838.66 m之前采用HXY－8B型巖心鉆機，之后更換為KZ3000型全液壓動力頭鉆機。HXY－8B型巖心鉆機沿用了傳統(tǒng)立軸式巖心鉆機風格，符合操作人員習慣，但實際應(yīng)用中，HXY－8B型鉆機出現(xiàn)了提升能力不足、離合器打滑等問題。KZ3000型全液壓動力頭鉆機采用數(shù)字化操作模式，使得鉆進參數(shù)控制方面更加量化、更加直觀，采用全液壓控制，性能可靠穩(wěn)定，由于是新樣機，存在卷揚機平衡閥工作不穩(wěn)定，造成在某個速度段內(nèi)卷揚機下鉆或提升抖動問題。

鉆塔選擇:WFSD－2號孔采用K31－135/4.0井架及底座。在鉆井平臺布局方面，前場設(shè)備布置密集，空間局促，而后場布置稀疏，給施工帶來了一定不便。為了方便S150繩索取心鉆具的使用，后期對鉆塔二層平臺進行了改造，增加了繩索鉆桿平臺。

鉆井液循環(huán)設(shè)備:WFSD－2號孔選用TBW1200/7B型、BW320/80型、BW280/30型泥漿泵。泥漿泵的選擇滿足了大口徑牙輪全面鉆進施工以及大口徑取心鉆進施工工藝的要求。

三級固控設(shè)備:HS240－3P型振動篩、TGLW350－692T型離心機、HM－100×4－C型除泥器。三級固控設(shè)備亦是達到了清除鉆井液內(nèi)有害固相的目的。

動力配置:HXY－8B型巖心鉆機以400GF型發(fā)電機驅(qū)動，KZ3000型全液壓動力頭鉆機則以配套的KZ3000液壓動力站驅(qū)動，固控設(shè)備配有額定電壓380 V、額定電流160 A的電控柜1臺。

4.2 提升、擰卸、事故處理等工具

與小口徑不同，大口徑取心鉆探施工需要專門的提升、擰卸、事故處理等工具。WFSD－2號孔施工中，選用的提升工具包括5、3?和2in鉆桿，Φ168.3、219.1、273.1 mm套管專用吊卡，以及不同型號的安全卡瓦。特別是ZQ162－50型鉆桿動力鉗、B型吊鉗、各種規(guī)格的自由鉗和管鉗，鉆桿動力鉗的使用，大幅度減輕了勞動強度，縮短了起下鉆時間，提高了鉆進效率。事故處理工具除常用的公錐、母錐、磨鞋、撈杯等，還包括了石油鉆井的卡瓦打撈矛、上擊器、水力內(nèi)割刀、反循環(huán)強磁打撈器等。

4.3 取心鉆具

WFSD－2號孔施工使用了3種普通雙管(普通內(nèi)管和半合管)取心鉆具的新產(chǎn)品，經(jīng)實際使用，鉆具的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點見表2。

表2 WFSD－2號孔普通雙管取心鉆具比較

在沉積巖地層為了保證原狀巖心，主要使用SDB150半合管鉆具鉆進。

如前所述，WFSD－2號孔使用的S150繩索取心鉆具，其設(shè)計上仍需改進。

4.4 沖洗液

WFSD－2號孔地層復雜，為保證鉆孔順利施工，泥漿護壁是關(guān)鍵。開鉆前，針對WFSD－1號孔泥漿使用情況，汶川地震斷裂帶科學鉆探工程中心組織專家多次研討，初步確定了WFSD－2號孔的泥漿方案。施工中經(jīng)過大量試驗，針對地層情況、施工工藝要求確定具體的泥漿配方及性能，鉆進中根據(jù)孔內(nèi)情況適時調(diào)整泥漿性能，保證了孔壁穩(wěn)定和孔內(nèi)巖屑的攜帶正常。

一開采用鋼粒鉆進，采用普通的淡水鈉基分散體系泥漿，泥漿材料也比較簡單，主要是普通膨潤土+碳酸鈉，在表層泥漿漏失時采用粘土球堵漏。

二開Φ245 mm牙輪鉆頭全面鉆進時采用聚合物泥漿體系，由于聚合物堵振動篩網(wǎng)不能正常除砂，后來逐漸轉(zhuǎn)化成分散泥漿體系，花崗巖地層泥漿處理劑以提粘、防塌劑為主，進入沉積巖地層處理劑以降失水、防滲漏為主，擴孔鉆進時在原漿基礎(chǔ)上增加粘土或加入HV－CMC、PAC141等提粘降失水劑，提高泥漿切力。

三開取心鉆進，地層為三疊系沉積巖，以碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖為主，地層水敏膨脹，應(yīng)力釋放膨脹，采用分散體系泥漿，分散體系泥漿可以容納較多的固相，可以配制出高密度、低失水、低粘度、低滲透泥漿，處理劑以磺化類降失水劑、防塌劑為主，考慮向加重泥漿轉(zhuǎn)化問題，還加入懸浮重晶石性能比較好的降失水處理和防滲漏的成膜劑。

4.5 擴孔及套管護壁

4.5.1 擴孔鉆進技術(shù)

WFSD－2號孔施工中，取心鉆進后，擴孔下管固井，然后繼續(xù)取心鉆進，是經(jīng)常使用的施工方法。根據(jù)擴孔量的大小，可選用金剛石擴孔或牙輪擴孔方法，本孔在二開Φ245 mm全面鉆進孔段采用Φ253 mm金剛石擴孔，在糾斜和取心鉆進孔段采用了Φ252 mm牙輪鉆頭擴孔。

4.5.2 套管護壁技術(shù)

4.5.2.1 小間隙固井技術(shù)

WFSD－2號孔，一開固井，深度47.8 m，井徑Φ377 mm，下入Φ273 mm×7.09 mm石油套管，強度J55，采用鉆桿內(nèi)插法固井。二開固井，深度638.01 m，是為了隔離上部花崗巖與三疊系地層接觸面坍塌掉塊超徑的復雜地層，井徑Φ253 mm，下入Φ21 9mm×7.72 mm石油套管，強度N80Q，采用偏梯形螺紋連接。采用單級固井工藝固井，用高壓泵(蘭石1000，額定壓力30 MPa，最大流量1000 L/min)固井，水泥漿配方:G級75°油井水泥，水灰比0.45～0.5，水泥漿密度1.86 g/cm3左右，設(shè)計水泥漿15 m3，干水泥用量19 t。

下管、固井必須注意:(1)通孔用Φ253 mm金剛石擴孔鉆具;(2)探孔用長51.05 m、Φ219 mm套管串;(3)下套管(扶正)、居中;(4)注漿管匯連接牢固、流暢;(5)頂通(用沖洗液循環(huán));(6)注前置液(6 m3);(7)注漿(15 m3);(8)注后置液(2 m3); (9)替漿，大泵量注入鉆井液(16 m3);(10)小泵量補注鉆井液(2.28 m3)泵壓到8 MPa;(11)泄壓，檢查是否倒流;(12)拆管匯候凝。另外，整個施工過程中，要密切注意泵壓變化;注水泥作業(yè)必須連續(xù)施工(水泥漿密度符合設(shè)計要求并有專人測量和記錄水泥漿密度);優(yōu)化地面施工工藝(采用Φ219 mm套管作注漿通道)，嚴格控制水泥漿密度和替漿量。

4.5.2.2 活動套管技術(shù)

WFSD－2號孔在二開和三開取心鉆進時均下入了活動套管，主要用來解決取心鉆進時上面鉆孔直徑大帶來的一系列問題，活動套管為Φ168 mm× 7.32 mm，強度N80Q。二開取心鉆進在0～311.84 m裸眼段下入活動套管，孔徑Φ253 mm，活動套管下端的套管鞋坐落在花崗巖層上;三開在0～637.6 m的Φ219 mm套管內(nèi)下入活動套管，活動套管下端坐落在Φ219 mm套管鞋上。活動套管在孔內(nèi)的固定均采用上掛、下座、中間扶正的固定方式。

通過WFSD－2號孔施工，對活動套管的使用有幾點值得注意:(1)套管間環(huán)空要使用無固相、高懸浮能力的液體，以防止固相沉積;(2)提鉆時要控制速度，以防抽吸作用在活動套管鞋處引起壓力波動，使套管間環(huán)空與井眼內(nèi)流體相互流動;(3)起鉆要及時灌漿，防止出現(xiàn)井漏(環(huán)空液面下降時)，使套管間環(huán)空液體流入井內(nèi);(4)使用高潤滑性的鉆井液體系，根據(jù)井底巖石的抗壓強度和井溫的變化合理地調(diào)整活動套管在井底的支撐重量，以防止活動套管的下滑，防止套管磨損后可能發(fā)生的斷套管事故;(5)在每使用一段時間后起出活動套管，檢查后調(diào)換活動套管排序或轉(zhuǎn)動套管位置，有效防止活動套管脫扣。

5 結(jié)語

(1)隨著科學技術(shù)發(fā)展需求，大口徑深孔取心鉆探工藝應(yīng)用前景越來越廣，但本項技術(shù)仍欠成熟，需要不斷研究完善。WFSD－2號孔基本上形成了一套較成熟的取心鉆進工藝，并且在施工應(yīng)用中對定做的S150繩索取心鉆具進行了逐步改進，填補了技術(shù)空白，但仍需要繼續(xù)深入研究、試驗和不斷總結(jié)完善。

(2)深孔的鉆孔結(jié)構(gòu)和地層復雜，取心→擴孔→下管、固井→(下活動套管)→取心鉆進……是必須程序。小級差擴(修)孔不可避免，必須選擇合理的擴孔鉆具和操作規(guī)程。WFSD－2號孔在二開采用Φ245 mm牙輪鉆頭/Φ253 mm金剛石鉆頭擴孔。在糾斜和取心段采用Φ152/Φ252、Φ150/Φ252 mm牙輪鉆頭擴孔并及時利用Φ253 mm金剛石鉆頭修孔。采用輕壓、慢轉(zhuǎn)和控制給進速度操作規(guī)程，保證擴孔順利。

(3)套管護壁也是大口徑取心鉆探施工重要工序，WFSD－2號孔在使用小間隙套管的同時，靈活使用活動套管技術(shù)，數(shù)次下入Φ168 mm活動套管，解決取心鉆進時上面鉆孔直徑大帶來的一系列問題，保障施工安全的同時提高了取心鉆進效率。

(4)深孔段復雜地層，沖洗液既要護壁又要平衡地層壓力，密度必須足夠大。而繩索取心工藝要求固相含量盡量降低，甲酸鹽沖洗液最理想，但成本過高。對分散沖洗液體系進行處理，使其滿足施工要求。WFSD－2號孔在三疊系復雜地層中，采用分散型鉆井液體系，具有高密度、低失水、低粘度、低滲透等特性，在遇水膨脹縮徑地層適當加重，基本上滿足了復雜地層大口徑取心鉆進的需求。

［1］劉廣志.金剛石鉆探手冊［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

［2］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).

［3］張偉，賈軍，胡時友.汶川地震科學鉆探項目的概況和鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

［4］樊臘生，王達.科鉆一井鉆探施工技術(shù)路線和鉆探施工概述［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7).

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［6］曾祥熹，陳志超.鉆孔護壁堵漏原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1986.

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［8］賈軍，樊臘生，胡時友，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探一號孔(WFSD－1)小間隙固井工藝的研究與實踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(12).

致謝:中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所、汶川地震科學鉆探工程中心鉆井工程部的領(lǐng)導和專家在WFSD－2號孔(0～897.66 m段)施工過程中給予了全面指導、支持和幫助，特別是對施工中技術(shù)難題的解決，提出了寶貴的意見和建議;在本文的編寫、修改中，給予了悉心指導，提出了寶貴的意見。在此對他們表示衷心的感謝!

Some Knowledge of Coring Drilling Technology in Large Diameter Deep Hole

QIN Pei(Beijing Geological Engineer-ing Design Institute，Miyun Beijing 101500，China)

Drilling is difficult for coring in large diameter deep hole because of large diameter，complex formation and borehole structure with immature drilling technology.According to the construction of the section of 0～897.66m of hole WFSD－2，the paper introduced the main problems and technical measures in construction.Comparative analysis was made on different construction technologies and technical methods，and some suggestions were put forward to the similar project.

deep hole;large diameter;coring drilling technology;Wenchuan seismic fracture zone;scientific drilling

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0007－07

2011－10－31;

2011－11－09

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”課題資助

秦沛(1963－)，男(漢族)，甘肅鎮(zhèn)原人，北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院總工程師、高級工程師，探礦工程專業(yè)，碩士，從事工程施工技術(shù)管理工作，北京市密云縣園林東路1號，101qinpei@163.com。