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汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)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(lái)源： 1．成都理工大學(xué) 2．中國(guó)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(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(xiàng)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(guó)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(guò)優(yōu)化鉆進(jìn)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(jìn)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(lèi)號(hào)：P634．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn) ‘
汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目是在汶川大地震
和復(fù)發(fā)微地震的源區(qū)—— 龍門(mén)山“北川一映秀”斷
裂及龍門(mén)山前緣“安縣一灌縣”斷裂旁側(cè)實(shí)施5口
科學(xué)群鉆。龍門(mén)山斷裂帶自公元1169年以來(lái)，共發(fā)
生破壞性地震25次，其中6級(jí)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(wàn)次。在此斷裂帶進(jìn)行科學(xué)鉆探施工的難點(diǎn)在于：
(1)地層破碎、膨脹縮徑，坍塌、掉塊、漏失、涌
水時(shí)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(jìn)斷層泥時(shí)，地應(yīng)力強(qiáng)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(duì)
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(dá)3000多米。
(3)不可預(yù)見(jiàn)因素多。地層狀況不詳，鉆進(jìn)深
度不確定，孔身結(jié)構(gòu)變數(shù)大，鉆進(jìn)參數(shù)難以掌握。
汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探是對(duì)鉆探技術(shù)的極大
挑戰(zhàn)1
2 事故的發(fā)生及類(lèi)型
鉆探施工中孔內(nèi)事故主要分為卡鉆、斷鉆具、落
物、測(cè)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(xiàng)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(cè)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(shí)科學(xué)診斷。
3 事故的預(yù)防措施
對(duì)于地層條件十分復(fù)雜的鉆探工程，要在鉆探
施工過(guò)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(jiàn)性因素很多，任何事故
收稿日期：2012—08—08
基金項(xiàng)目：科技部科技支撐計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)”項(xiàng)目之“科學(xué)鉆探與科學(xué)測(cè)井”課題
作者簡(jiǎn)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(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所高級(jí)工程師，地質(zhì)工程專(zhuān)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(hào)。

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(kuò)孔
為WFSD一2孔四開(kāi)小間隙(5 mm)下套管順
利，采用偏心擴(kuò)孔器(圖3)對(duì)1680～1710 m縮徑段
進(jìn)行局部擴(kuò)孔，最大擴(kuò)孔井徑達(dá)165 mm，通過(guò)測(cè)井
資料，可以看出擴(kuò)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(kuò)孔器
3．2．5 優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)切力7～15 Pa，塑性粘度15～23
mPa·s，動(dòng)塑比0．35～0．60。實(shí)現(xiàn)平衡鉆進(jìn)，同時(shí)
加入適量潤(rùn)滑劑。施工過(guò)程中，由于巖屑的加入，泥
漿密度會(huì)自然增高，應(yīng)加強(qiáng)固控。泥漿密度波動(dòng)范
圍不大于設(shè)計(jì)要求的±0．02 g／cm ，泥餅潤(rùn)滑系數(shù)
應(yīng)控制在0．18內(nèi)。
3．3．2 及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)
根據(jù)工程錄井參數(shù)，及時(shí)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(wèn)隙大小、泵
壓高低、返渣情況及時(shí)調(diào)整泵量。安裝變頻調(diào)速器，
實(shí)現(xiàn)泵量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
3．4 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程
嚴(yán)格遵守《汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探操作規(guī)
程》，嚴(yán)禁強(qiáng)拉及強(qiáng)放。起下鉆要平穩(wěn)，遇卡以下放
為主，嚴(yán)禁強(qiáng)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(yán)禁強(qiáng)壓，遇阻超過(guò)50
kN，禁止強(qiáng)行下鉆；及時(shí)接轉(zhuǎn)盤(pán)(頂驅(qū))循環(huán)鉆井液，
上下劃眼，正常后繼續(xù)起下鉆；擴(kuò)孔或全面鉆進(jìn)40 h
左右應(yīng)進(jìn)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(guò)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(jì)”
的基本原則?！翱茖W(xué)診斷”是關(guān)鍵，事故發(fā)生后，認(rèn)
真研究事故發(fā)生情況、事故性質(zhì)、事故原因，同時(shí)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?？ㄣ@事故發(fā)生后，應(yīng)首先考慮的問(wèn)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(guò)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(lái)，多數(shù)卡鉆事故的處理，遵循以下8個(gè)
處理程序，都是在本處理程序無(wú)法解決的情況下，才
進(jìn)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(dòng)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(qiáng)力起拔；
第五步：爆炸松扣(或人工倒扣)；
第六步：若強(qiáng)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?yàn)閹r心外管扣高較小，強(qiáng)度低；地層膨脹縮
徑或掉塊卡鉆，上提拉力過(guò)大；鉆具交變應(yīng)力作用，
疲勞破壞。對(duì)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(yán)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(duì)
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(wú)法進(jìn)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(bǔ)
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(cè)井事故處理
(1)穿心打撈(測(cè)繩電纜未斷)；
(2)如果測(cè)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(wú)效，下單管鉆具套撈。
本文重點(diǎn)介紹了卡、斷、落、測(cè)井事故的處理措
施，對(duì)于套管事故、固井事故、井斜、井漏、井噴等發(fā)
生較少，甚至沒(méi)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(diǎn)爆炸松扣
5．1．1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)
WFSD 一2孔0200 mm 牙輪鉆頭擴(kuò)孔至
1330．23 m時(shí)，鉆具跳動(dòng)，進(jìn)尺慢，提鉆，在孔深1250
m處遇阻，強(qiáng)力起拔+震擊器震擊，最大起拔力達(dá)
1100 kN，無(wú)效，鉆具被卡死，開(kāi)泵循環(huán)地層壓漏。經(jīng)
計(jì)算，鉆頭實(shí)際位置為1250．51 m。
5．1．2 事故處理
震擊器+強(qiáng)力起拔無(wú)效后，先進(jìn)行卡點(diǎn)估算
(如下式)，后經(jīng)測(cè)卡儀測(cè)出卡點(diǎn)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(diǎn)估算：
L =kAL／P =4905．6 ×2．0／800=1226．4 m
式中： — — 卡點(diǎn)深度，m； — — 計(jì)算系數(shù)；△ —— 鉆
具的絕對(duì)伸長(zhǎng)量，rfl；P—— 上提拉力，kN。
爆炸松扣施工程序：
(1)測(cè)卡點(diǎn)(或推算卡點(diǎn))；
(2)組裝爆炸桿；
(3)分級(jí)上提井內(nèi)鉆具，分段緊扣，使卡點(diǎn)成為
中和點(diǎn)；
(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(yú)”套銑打撈
5．2．1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)
WFSD一3孔0150 mm取心鉆進(jìn)至1186．77 m
時(shí)，發(fā)生卡鉆，強(qiáng)力起拔，鉆鋌脫扣，孔內(nèi)事故鉆具：
0150 mm電鍍鉆頭+015o mm擴(kuò)孔器+0140 mitt
巖心管+0150 mm扶正器4只+0121 mm鉆鋌4
根，“魚(yú)頂”孔深1142．44 m。如圖4所示。
-—-—·--·—--·---·-一
23．5m I． ． 。
^ ?！?ll I
407．5m I
150n
魚(yú)頂l142．44m
王
／
1186．77m
圖4 “滔魚(yú)”結(jié)構(gòu)不慝
5．2．2 事故處理
采用各種打撈措施處理無(wú)效后，采用擴(kuò)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(dòng)套管；
(2)0150／202 mm擴(kuò)孔鉆進(jìn)至“魚(yú)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(cè)井事故打撈
5．3．1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò) (下轉(zhuǎn)第65頁(yè))
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(jī)土，然后
轉(zhuǎn)化為土壤或膠結(jié)強(qiáng)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(jī)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(jī) 周加固化層。隨后將基本干燥的廢棄泥漿填入坑中
物等對(duì)水體、土壤等生態(tài)環(huán)境的影響和危害。 后進(jìn)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(jìn)行處理。 6 結(jié)語(yǔ)
目前采用的固化技術(shù)主要有以下幾種： 非開(kāi)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(jì)的具體情況進(jìn)行泥漿的設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)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(jìn)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(duì)泥漿進(jìn)行及時(shí)、科學(xué)的處理，避免對(duì)環(huán)境
(2)磷石膏固化技術(shù)。將廢棄泥漿攪拌的同時(shí) 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(xiàn)：
(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(kāi)挖管線(xiàn)施工的安全性[J]．非開(kāi)挖技術(shù)，2002，
天導(dǎo)： 上層清液進(jìn)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(jìn)行混合 [M]．山東東營(yíng)：中國(guó)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(kāi)挖工程學(xué)[M]．北京：人民交通出版社，2008．
固化處理可采用機(jī)械混合和專(zhuān)業(yè)砂漿泵循環(huán)混 [ -江 笑 液潤(rùn)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(kāi)挖技術(shù)，2o03，(2o)．
5．2．6 坑內(nèi)密封法
(上接第52頁(yè))
WFSD一2孔電成像測(cè)井儀器上提時(shí)在離0168
m m 套管底2 ITI處被卡，卡點(diǎn)在1298 m，其中進(jìn)入套
管內(nèi)探管12 m。
5．3．2 事故處理
(1)穿心打撈，測(cè)繩突然斷裂，井內(nèi)尚留39 m
測(cè)繩；
(2)下磁定位，探“魚(yú)頂”，下打撈鉤，把測(cè)繩基
本打撈完；
(3)下卡瓦打撈筒，打撈測(cè)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(gè)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(huì)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(duì)可能出現(xiàn)的事故做好工
具物資的充分準(zhǔn)備；
(3)加強(qiáng)日常管理，認(rèn)真檢查鉆孔鉆具，定期探
傷，定期報(bào)廢；
(4)細(xì)節(jié)決定成敗，事故的發(fā)生往往都是忽略
某個(gè)細(xì)節(jié)；
(5)優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為事故的處理留有余
地；
(6)借鑒石油鉆井經(jīng)驗(yàn)，如全面鉆進(jìn)泥漿技術(shù)、
事故處理技術(shù)等。
參考文獻(xiàn)：
[1] 蔣希文．鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)題(第二版)[M]．北京：石油工業(yè)
出版社，2006．
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