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

文檔作者：吳金生賈軍段玉剛李正前文檔來源： 1．成都理工大學(xué) 2．中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所 3．北京探礦工程研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月09日
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2012年第39卷第9期 探礦工程(巖土鉆掘工程) 49
汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目
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)
摘要：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。通過優(yōu)化鉆進方法、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)鉆探工程的順利進行。
關(guān)鍵詞：汶川地震；地震斷裂帶；科學(xué)鉆探；事故預(yù)防；事故處理
中圖分類號：P634．8 文獻標識碼：A 文章編號：1672—7428(2012)09—0049—04
Drilling Accident Prevention in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project and the Treatment Technology／
WU n—sheng ，JIA Jun ，DUAN Yu—gang2，LI Zheng—qian (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)
Abstract：The formation conditions of Wenchuan earthquake fault scientific drilling project are very complicated．Broken
rock formation，lost circulation and borehole shrinkage are encountered frequ ently．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．
Key words：Wenchuan earthquake；earthquake fault；scientific drilling；accident prevention；accident treatment
1 概述及難點 ‘
汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目是在汶川大地震
和復(fù)發(fā)微地震的源區(qū)—— 龍門山“北川一映秀”斷
裂及龍門山前緣“安縣一灌縣”斷裂旁側(cè)實施5口
科學(xué)群鉆。龍門山斷裂帶自公元1169年以來，共發(fā)
生破壞性地震25次，其中6級以上地震20次。“5．
12”發(fā)生震驚世界的Ms8．0大地震后，余震也有幾
萬次。在此斷裂帶進行科學(xué)鉆探施工的難點在于：
(1)地層破碎、膨脹縮徑，坍塌、掉塊、漏失、涌
水時有發(fā)生。汶川地震屬于逆沖型地震，地應(yīng)力釋
放慢，特別是鉆進斷層泥時，地應(yīng)力強烈釋放，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
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3000多米。
(3)不可預(yù)見因素多。地層狀況不詳，鉆進深
度不確定，孔身結(jié)構(gòu)變數(shù)大，鉆進參數(shù)難以掌握。
汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探是對鉆探技術(shù)的極大
挑戰(zhàn)1
2 事故的發(fā)生及類型
鉆探施工中孔內(nèi)事故主要分為卡鉆、斷鉆具、落
物、測井事故，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，要及時科學(xué)診斷。
3 事故的預(yù)防措施
對于地層條件十分復(fù)雜的鉆探工程，要在鉆探
施工過程中完全避免孔內(nèi)事故幾乎是不可能的事
情。盡管科學(xué)鉆探不可預(yù)見性因素很多，任何事故
收稿日期：2012—08—08
基金項目：科技部科技支撐計劃專項“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)”項目之“科學(xué)鉆探與科學(xué)測井”課題
作者簡介：吳金生(1970一)，男(漢族)，安徽人，成都理工大學(xué)在讀博士，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所高級工程師，地質(zhì)工程專業(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。

2012年第39卷第9期 探礦工程(巖土鉆掘工程) 51
3．2．4 在膨脹縮徑地層采用偏心擴孔
為WFSD一2孔四開小間隙(5 mm)下套管順
利，采用偏心擴孔器(圖3)對1680～1710 m縮徑段
進行局部擴孔，最大擴孔井徑達165 mm，通過測井
資料，可以看出擴孔后井徑增大，后下0601 m技術(shù)
尾管十分順利并成功固井。
圖3 偏心擴孔器
3．2．5 優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計
優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，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／em。，漏斗粘度3O～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％ 一
0．4％ ，pH值9，動切力7～15 Pa，塑性粘度15～23
mPa·s，動塑比0．35～0．60。實現(xiàn)平衡鉆進，同時
加入適量潤滑劑。施工過程中，由于巖屑的加入，泥
漿密度會自然增高，應(yīng)加強固控。泥漿密度波動范
圍不大于設(shè)計要求的±0．02 g／cm ，泥餅潤滑系數(shù)
應(yīng)控制在0．18內(nèi)。
3．3．2 及時調(diào)整鉆進參數(shù)
根據(jù)工程錄井參數(shù)，及時調(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)空問隙大小、泵
壓高低、返渣情況及時調(diào)整泵量。安裝變頻調(diào)速器，
實現(xiàn)泵量的無級調(diào)節(jié)。
3．4 嚴格遵守操作規(guī)程
嚴格遵守《汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探操作規(guī)
程》，嚴禁強拉及強放。起下鉆要平穩(wěn)，遇卡以下放
為主，嚴禁強起硬拔，在鉆具懸重的基礎(chǔ)上附加力
100 kN；遇阻以上提為主，嚴禁強壓，遇阻超過50
kN，禁止強行下鉆；及時接轉(zhuǎn)盤(頂驅(qū))循環(huán)鉆井液，
上下劃眼，正常后繼續(xù)起下鉆；擴孔或全面鉆進40 h
左右應(yīng)進行短程起下鉆，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”
的基本原則?！翱茖W(xué)診斷”是關(guān)鍵，事故發(fā)生后，認
真研究事故發(fā)生情況、事故性質(zhì)、事故原因，同時摸
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。卡鉆事故發(fā)生后，應(yīng)首先考慮的問題是為順
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，多數(shù)卡鉆事故的處理，遵循以下8個
處理程序，都是在本處理程序無法解決的情況下，才
進入下一步：
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，注人解卡劑；
第四步：震擊器震擊+強力起拔；
第五步：爆炸松扣(或人工倒扣)；
第六步：若強拉斷，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。
主要是因為巖心外管扣高較小，強度低；地層膨脹縮
徑或掉塊卡鉆，上提拉力過大；鉆具交變應(yīng)力作用，
疲勞破壞。對于鉆鋌斷裂，通常指穩(wěn)定器下部連接
52 探礦工程(巖土鉆掘工程) 2012年第39卷第9期
的鉆鋌；絲扣磨損嚴重，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
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，打撈無法進行，不得不采
用套銑、磨銑等。
4．4 落物事故處理
落物事故主要發(fā)生在WFSD一2孔，1次由于
0273 mm套管鞋上碎裂的鋁合金掉塊落入孔內(nèi)，造
成下、上鉆遇卡，后接方鉆桿，回轉(zhuǎn)循環(huán)泥漿解卡。
另一次由于孔口操作人員疏忽大意，不小心將方補
心繩套(約2 m)掉入井內(nèi)，后用打撈矛，成功打撈出
了繩套。
4．5 測井事故處理
(1)穿心打撈(測繩電纜未斷)；
(2)如果測井電纜斷裂，則先打撈電纜，再下打
撈筒打撈儀器；
(3)若各種打撈無效，下單管鉆具套撈。
本文重點介紹了卡、斷、落、測井事故的處理措
施，對于套管事故、固井事故、井斜、井漏、井噴等發(fā)
生較少，甚至沒有發(fā)生，在此不作介紹。
5 典型事故案例分析
5．1 WFSD一2孔卡鉆定點爆炸松扣
5．1．1 事故發(fā)生經(jīng)過
WFSD 一2孔0200 mm 牙輪鉆頭擴孔至
1330．23 m時，鉆具跳動，進尺慢，提鉆，在孔深1250
m處遇阻，強力起拔+震擊器震擊，最大起拔力達
1100 kN，無效，鉆具被卡死，開泵循環(huán)地層壓漏。經(jīng)
計算，鉆頭實際位置為1250．51 m。
5．1．2 事故處理
震擊器+強力起拔無效后，先進行卡點估算
(如下式)，后經(jīng)測卡儀測出卡點位置也在1230 m
左右，即上穩(wěn)定器位置，最后成功爆炸松扣。
卡點估算：
L =kAL／P =4905．6 ×2．0／800=1226．4 m
式中： — — 卡點深度，m； — — 計算系數(shù)；△ —— 鉆
具的絕對伸長量，rfl；P—— 上提拉力，kN。
爆炸松扣施工程序：
(1)測卡點(或推算卡點)；
(2)組裝爆炸桿；
(3)分級上提井內(nèi)鉆具，分段緊扣，使卡點成為
中和點；
(4)連接電纜并確定松扣位置；
(5)施加反扭矩；
(6)引爆。
5．2 WFSD一3孔卡鉆“落魚”套銑打撈
5．2．1 事故發(fā)生經(jīng)過
WFSD一3孔0150 mm取心鉆進至1186．77 m
時，發(fā)生卡鉆，強力起拔，鉆鋌脫扣，孔內(nèi)事故鉆具：
0150 mm電鍍鉆頭+015o mm擴孔器+0140 mitt
巖心管+0150 mm扶正器4只+0121 mm鉆鋌4
根，“魚頂”孔深1142．44 m。如圖4所示。
-—-—·--·—--·---·-一
23．5m I． ． 。
^ ?！?ll I
407．5m I
150n
魚頂l142．44m
王
／
1186．77m
圖4 “滔魚”結(jié)構(gòu)不慝
5．2．2 事故處理
采用各種打撈措施處理無效后，采用擴孑L和套
銑的方法處理完事故，回收全部鉆具。
施工程序：
(1)回收0168 mm活動套管；
(2)0150／202 mm擴孔鉆進至“魚頂”；
(3)套銑和反鉆具：采用0200 mill套銑鉆頭
(圖5)+0178 mm套銑筒套銑鉆鋌，套銑一根，用反
絲鉆桿反出一根，反完鉆鋌后，用同樣的方法套銑打
撈出取心鉆具和鉆頭。
圖5 套銑鉆頭
5．3 WFSD一2孔電成像測井事故打撈
5．3．1 事故發(fā)生經(jīng)過 (下轉(zhuǎn)第65頁)
2012年第39卷第9期 探礦工程(巖土鉆掘工程) 65
固化法主要是在廢棄泥漿中加入固化劑，使其 此方法即是在坑底和坑壁鋪一層有機土，然后
轉(zhuǎn)化為土壤或膠結(jié)強度很大的固體，固化法比較可 鋪一層塑料墊層，再鋪一層有機土；或者在坑底和四
靠，能夠有效地消除廢棄泥漿中的金屬離子和有機 周加固化層。隨后將基本干燥的廢棄泥漿填入坑中
物等對水體、土壤等生態(tài)環(huán)境的影響和危害。 后進行覆蓋密封。
固化處理主要是利用水硬材料結(jié)合廢棄泥漿中
的水形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將廢棄物固定后再進行處理。 6 結(jié)語
目前采用的固化技術(shù)主要有以下幾種： 非開挖施工人員應(yīng)根據(jù)施工中地層以及工程設(shè)
(1)水泥、水玻璃固化技術(shù)。首先將工業(yè)硫酸 計的具體情況進行泥漿的設(shè)計，在滿足工程施工技
鋁加入廢棄泥漿中，完全溶解后加入水玻璃，攪拌均 術(shù)需求的前提下降低成本，施工結(jié)束后應(yīng)進行地表
勻后快速地將水泥加入，固化2～7天后即可。 的恢復(fù)并對泥漿進行及時、科學(xué)的處理，避免對環(huán)境
(2)磷石膏固化技術(shù)。將廢棄泥漿攪拌的同時 的污染。
向泥漿內(nèi)不斷加入磷石膏，靜置7天后地貌即可恢
復(fù)。 參考文獻：
(3)水泥窯粉固化技術(shù)。將廢棄泥漿沉淀1—2 [1]何宜章．淪非開挖管線施工的安全性[J]．非開挖技術(shù)，2002，
天導(dǎo)： 上層清液進行處理排放后， 比例將固化劑 毫鉆井液工藝學(xué)混合物與廢棄泥漿進行混合 [M]．山東東營：中國石油大學(xué)出版社，
， 然后將挖坑留下的泥 2【J()】．
土加入均勻混合后，可固化成大塊埋入地下。 [3]馬保 非開挖工程學(xué)[M]．北京：人民交通出版社，2008．
固化處理可采用機械混合和專業(yè)砂漿泵循環(huán)混 [ -江 笑 液潤滑劑的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[ ]·石油鉆探技術(shù)，
合。 [5]張宏 HD D Nm~ 與發(fā)展[J]． 非開挖技術(shù)，2o03，(2o)．
5．2．6 坑內(nèi)密封法
(上接第52頁)
WFSD一2孔電成像測井儀器上提時在離0168
m m 套管底2 ITI處被卡，卡點在1298 m，其中進入套
管內(nèi)探管12 m。
5．3．2 事故處理
(1)穿心打撈，測繩突然斷裂，井內(nèi)尚留39 m
測繩；
(2)下磁定位，探“魚頂”，下打撈鉤，把測繩基
本打撈完；
(3)下卡瓦打撈筒，打撈測井儀器，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，對可能出現(xiàn)的事故做好工
具物資的充分準備；
(3)加強日常管理，認真檢查鉆孔鉆具，定期探
傷，定期報廢；
(4)細節(jié)決定成敗，事故的發(fā)生往往都是忽略
某個細節(jié)；
(5)優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，為事故的處理留有余
地；
(6)借鑒石油鉆井經(jīng)驗，如全面鉆進泥漿技術(shù)、
事故處理技術(shù)等。
參考文獻：
[1] 蔣希文．鉆井事故與復(fù)雜問題(第二版)[M]．北京：石油工業(yè)
出版社，2006．
[2] 張偉，賈軍，胡時友．汶川地震科學(xué)鉆探項目的概況與鉆探技
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，等．鉆探工作中常見孔內(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l井鉆井事故預(yù)防與處理
[J]．石油鉆探技術(shù)，2007，(11)．
[5] 徐進，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)．

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