王穩(wěn)石，朱永宜，賈 軍，李前貴

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2.北京探礦工程研究所，北京100083;3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611743）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目取心鉆進(jìn)技術(shù)

王穩(wěn)石1，朱永宜1，賈 軍2，李前貴3

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2.北京探礦工程研究所，北京100083;3.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611743）

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）項(xiàng)目鉆孔的主要目的之一是通過有效的技術(shù)手段，在極其破碎的地層中獲取滿足地學(xué)要求的原狀巖心。通過在WFSD-2、WFSD-3兩個(gè)鉆孔采取隔液取心鉆進(jìn)、尖齒PDC小鉆壓取心鉆進(jìn)、孔底動(dòng)力取心鉆進(jìn)、半合管無損出心等關(guān)鍵技術(shù)，高質(zhì)量地達(dá)到了工程的取心要求，并有效地提高了難鉆進(jìn)、易堵心地層機(jī)械鉆速和回次進(jìn)尺。

汶川地震;地震斷裂帶;科學(xué)鉆探;復(fù)雜地層;破碎地層;取心鉆進(jìn)

1 概述

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目（WFSD）的主要實(shí)施目的之一是連續(xù)獲取巖心，供地學(xué)研究地震斷裂發(fā)震機(jī)理。龍門山斷裂帶歷史上經(jīng)歷了多次地震，地層主要是極其破碎，并含有部分極松散無膠結(jié)地層和強(qiáng)水敏性斷層泥巖地層。因此，如何在極破碎、松散地層中高效、優(yōu)質(zhì)地取心鉆進(jìn)是WFSD鉆探施工的關(guān)鍵技術(shù)。WFSD-2、WFSD-3孔設(shè)計(jì)孔深分別為2000、1200 m，均要求巖心直徑≥85 mm、全孔巖心采取率≥85%。另外，為達(dá)到地震科學(xué)鉆探對巖心的原狀性要求，需全孔采用半合管取心方式。

因孔內(nèi)事故和補(bǔ)取巖心，WFSD-2孔取心過程中經(jīng)歷了一次定向繞障側(cè)鉆、一次套管開窗側(cè)鉆補(bǔ)取心;WFSD-3孔也經(jīng)歷了2次側(cè)鉆。2個(gè)鉆孔實(shí)際終孔孔深分別為2283.56 m和1502.30 m，雖都設(shè)計(jì)以150 mm口徑終孔，但或因套管程序所限，或因孔深增加所帶來的設(shè)備能力限制，在下部孔段更改了取心口徑。WFSD-2孔五開1859.78 m以深和側(cè)鉆補(bǔ)心都采用了122 mm口徑;WFSD-3孔第二次側(cè)鉆1180.88～1202.57 m孔段取心口徑為122 mm，1202.57 ～1404.53 m 為100 mm，1404.53 m以深為77 mm。

針對WFSD工程復(fù)雜地層條件，采用了隔液、半隔液取心鉆具結(jié)構(gòu)，半合管無損出心，轉(zhuǎn)盤+螺桿鉆復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)盤+螺桿鉆+液動(dòng)錘復(fù)合回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)等有效的技術(shù)手段。WFSD-2孔取心進(jìn)尺1905.53 m，獲取原狀巖心1735.96 m，全孔采取率91.1%;WFSD-3孔取心進(jìn)尺1545.82 m，獲取原狀巖心1430.22 m，全孔采取率92.5%。

2 取心鉆具

2.1 單動(dòng)結(jié)構(gòu)

WFSD-2、WFSD-3孔提鉆取心鉆具使用了2種單動(dòng)結(jié)構(gòu):其一是采用雙級密封單動(dòng)的SDB型鉆具結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)已在四川地區(qū)復(fù)雜地層小口徑取心中成功運(yùn)用多年;其二是KZ型鉆具結(jié)構(gòu)，是專為中國大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井而設(shè)計(jì)的。該鉆具在科鉆一井（CCSD-1）中進(jìn)尺4638 m，后又在松科一井（主井）層積巖中進(jìn)尺1630 m，經(jīng)受了堅(jiān)硬地層中螺桿鉆+液動(dòng)錘孔底回轉(zhuǎn)沖擊惡劣工況的考驗(yàn)。KZ型鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:高強(qiáng)度的軸承設(shè)計(jì);全泵量開式強(qiáng)制潤滑;軸承腔內(nèi)部微循環(huán)清垢與可靠的內(nèi)管防松扣措施。

2.2 鉆具技術(shù)規(guī)格

WFSD-2孔和WFSD-3孔取心鉆具技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 WFSD-2、WFSD-3孔取心鉆具技術(shù)規(guī)格

3 工藝措施與技術(shù)效果

3.1 主要問題與難點(diǎn)

2個(gè)孔都幾乎全孔破碎。破碎巖心被擾動(dòng)后，在內(nèi)、外總成結(jié)合部易卡心，在半合管內(nèi)易堵心。

部分孔段為連續(xù)毫無膠結(jié)的松散層，另外全孔有大量承載地震信息的松散夾層，雖然對研究地震機(jī)理都有重要意義，而松散地層取心一直是取心鉆進(jìn)的難點(diǎn)。

因破碎地層上部裸眼段失穩(wěn)形成不規(guī)則井徑，大直徑取心鉆具離心力大，鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)并存，易磨細(xì)巖心。傳統(tǒng)的小行程卡簧設(shè)計(jì)，巖心直徑極易超出卡簧的卡心范圍。2個(gè)鉆孔都存在大量的炭質(zhì)泥頁巖，因塑性巖心受力后變形大，卡簧卡緊力不足以抵抗提鉆時(shí)強(qiáng)大的抽吸作用，巖心會(huì)被整體或部分拉出。

WFSD-2孔三開和五開鉆遇大量堅(jiān)硬、致密的炭質(zhì)泥頁巖、粉砂巖，在孔深1000 m時(shí)，雖頂驅(qū)轉(zhuǎn)速已開到150 r/min，鉆壓加到40～45 kN，機(jī)械鉆速僅0.5 m/h。

3.2.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常規(guī)取心鉆具在WFSD工程極破碎、松散地層中取心鉆進(jìn)，鉆井液通過內(nèi)、外總成結(jié)合部時(shí)會(huì)直接沖刷鉆頭內(nèi)腔的心樣，巖層中承載地震信息的松散夾層會(huì)因沖刷而損失。為適應(yīng)WFSD工程極破碎、松散地層，研制了一種腰形水槽底泄式隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)（如圖1所示），其特點(diǎn)是鉆頭唇面上均布沿圓周方向延展、且上槽口高于鉆頭隔水環(huán)底面的腰形大斷面外開放水槽，使鉆井液改變排泄流向時(shí)產(chǎn)生的沖量大大減小，形成指向鉆頭內(nèi)腔徑向流的動(dòng)力被有效削弱;鉆頭隔水環(huán)與卡簧座隔水環(huán)的配合，及鉆頭內(nèi)巖心與隔水環(huán)的小環(huán)隙配合，形成有效的徑向流屏敝;調(diào)節(jié)鉆頭與卡簧座的軸向間隙，可以控制滲入鉆頭內(nèi)腔的鉆井液量，以適應(yīng)不同地層鉆進(jìn)時(shí)潤滑鉆頭的需要。

圖1 腰形水槽底泄式隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)

3.2.1.2 應(yīng)用效果

WFSD-3孔淺部從194.52 m起，遇到了大段穿插出現(xiàn)的破碎、酥松、膠結(jié)微弱的砂、頁巖，使用普通鉆具與鉆頭鉆進(jìn)50個(gè)回次（117～166回次），至263.67 m共進(jìn)尺69.15 m，平均巖心采取率77.3%，其中194.52～209.17 m孔段采取率僅48.7%。第167回次起換用腰形水槽底泄式隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)，至孔深278.54 m（180回次）總計(jì)鉆進(jìn)11回次，巖心采取率升至88.5%。

為保持破碎巖心原狀性，除采用半合管無損出心外，隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，最大程度地減小了鉆進(jìn)過程中對破碎巖心的沖刷、擾動(dòng)（圖2），同時(shí)也降低了內(nèi)、外總成結(jié)合部及半合管內(nèi)部堵心的概率。WFSD-2孔自三開起全部采用了隔液、半隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)，回次長度從1.94 m提高至3.2 m。

圖2 采用隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)所獲得的極破碎、松散巖心

3.2.2 卡簧與鉆頭的大公差配合設(shè)計(jì)

大壁厚、長行程、大缺口的卡簧與鉆頭構(gòu)成大公差配合，提高了硬巖的采心直徑范圍和易變形巖層的采心可靠性?？ɑ勺c卡簧外徑不變時(shí)加大卡簧自由內(nèi)徑與鉆頭內(nèi)徑的負(fù)公差;減小卡簧座最小限位直徑;卡簧壁厚增加的同時(shí)，保證有足夠大的卡簧行程，使其在上死點(diǎn)能張開到允許巖心順暢通過;保證卡簧完全收縮不被拉出卡簧座;盡可能大的缺口允許卡簧產(chǎn)生更大的徑向收縮，使之更緊地抱住巖心;大錐角保持卡簧高度不變來增加卡簧壁厚，同時(shí)有利于卡簧徑向的快速收縮等。

WFSD-2孔自孔深770.01 m遇連續(xù)松軟的炭質(zhì)頁巖與泥巖，使用普通的圓水眼底噴PDC鉆頭和一般設(shè)計(jì)的卡簧，多次出現(xiàn)前一回次丟心，后一回次部分撈心。自三開起全部采用了卡簧與鉆頭的大公差配合設(shè)計(jì)，配合隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)，丟心情況大為改善。

3.2.3 尖齒PDC鉆頭在致密泥頁巖中的運(yùn)用

WFSD-2孔三開開鉆即鉆遇堅(jiān)硬、致密的炭質(zhì)泥頁巖、粉砂巖，圓片PDC鉆頭在現(xiàn)場有限的鉆壓條件下難以實(shí)現(xiàn)剪切破碎，金剛石鉆頭靠高速回轉(zhuǎn)磨削碎巖，泥頁巖的較強(qiáng)塑性使其無法取得較好的機(jī)械鉆速，而尖齒PDC鉆頭能在較小的鉆壓及較低轉(zhuǎn)速的參數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

圖3（a）所示為全尖齒PDC鉆頭，在三開致密泥頁巖中取心鉆進(jìn)29回次，累計(jì)進(jìn)尺93.79 m，機(jī)械鉆速0.82 m/h。尖齒PDC塊易磨損，且遇破碎、地層變換等條件時(shí)常出現(xiàn)尖齒崩刃，因此，鉆頭壽命低，三開共使用11只（以鉆頭每重鑲焊一次尖齒PDC塊記1只），平均使用壽命8.53 m。

因全尖齒PDC鉆頭雖能在致密泥頁巖中獲得較高的機(jī)械鉆速，但易崩刃（尤其是外刃），導(dǎo)致每個(gè)鉆頭壽命僅在3～5個(gè)回次，因此，研制出了圖3（b）所示三尖齒PDC鉆頭，為尖齒與圓片齒復(fù)合PDC鉆頭。在較小的鉆壓及較低轉(zhuǎn)速的參數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)的同時(shí)增加鉆頭壽命。該鉆頭三開使用43回次，累計(jì)進(jìn)尺141.99 m，機(jī)械鉆速0.71 m/h。因外保徑采用圓片狀PDC塊，且內(nèi)圈尖齒加強(qiáng)，該鉆頭共使用7只，平均使用壽命由全尖齒PDC鉆頭的8.53 m提高至20.28 m。

圖3 尖齒PDC鉆頭實(shí)物

3.2.4 轉(zhuǎn)盤+螺桿馬達(dá)復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)

WFSD-2孔四開1465 m穿過極松散無膠結(jié)地層后，繼續(xù)采用轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）單回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，存在以下問題:（1）隨著孔口回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)效率的降低，機(jī)械鉆速將隨孔深增加逐步降低;（2）上部裸眼段含50 m的200 mm大直徑孔眼及100 m極松散不穩(wěn)定地層，對維持孔壁穩(wěn)定提出了更大的挑戰(zhàn)。

為減小鉆柱對孔壁的擾動(dòng)、提高鉆進(jìn)效率，鉆井工程部決定從406回次（孔深1500.99 m）起啟用120 mm螺桿馬達(dá)，采用復(fù)合回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)金剛石鉆頭鉆進(jìn)。配備660 L/min泵量，螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)速可達(dá)180 r/min，同時(shí)轉(zhuǎn)盤開到20 r/min以消除孔壁摩擦阻力。在更小鉆壓的條件下，機(jī)械鉆速即從0.65 m/h提升至1.35 m/h，407回次更是達(dá)到1.85 m/h，從表2所示四開單回轉(zhuǎn)和復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)對比看出，轉(zhuǎn)盤+螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)機(jī)械鉆速、巖心采取率和回次長度都高于轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）單回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。五開及側(cè)鉆補(bǔ)心都選用95 mm螺桿馬達(dá)繼續(xù)采用孔底動(dòng)力復(fù)合驅(qū)動(dòng)，其中五開部分孔段還采用了螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘孔底聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)方式。WFSD-2孔共使用轉(zhuǎn)盤+螺桿馬達(dá)（120、95、89 mm螺桿馬達(dá)）復(fù)合回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)243個(gè)回次（不含螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘復(fù)合回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)），累計(jì)進(jìn)尺734.22 m。

表2 WFSD-2孔四開（1360.26～1859.78 m）單回轉(zhuǎn)與復(fù)合回轉(zhuǎn)技術(shù)指標(biāo)對比

3.2.5 螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)

WFSD-2孔2110 m進(jìn)入以炭質(zhì)粉砂巖、泥頁巖為主的沉積巖地層，該地層特點(diǎn)是堅(jiān)硬、致密，純回轉(zhuǎn)的螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)金剛石鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速呈逐漸下降趨勢，加大鉆壓亦無明顯的改善。解決此問題僅有2個(gè)途徑:一是提高鉆頭轉(zhuǎn)速（通過增加排量的方法），但泵壓將大幅度增加;二是使用螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘的回轉(zhuǎn)沖擊孔底聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。

第610回次（孔深2136.67 m）下入YZX98型液動(dòng)錘，在同等鉆進(jìn)參數(shù)條件下，當(dāng)即將鉆速從約0.60 m/h提高至1 m/h。不僅在更堅(jiān)硬、致密地層的地層條件下取得了更高的機(jī)械鉆速和回次進(jìn)尺，而且少見鉆井工程部擔(dān)心的提鉆遇阻現(xiàn)象，故得出液動(dòng)錘適應(yīng)WFSD-2孔復(fù)雜地層的結(jié)論。WFSD-2孔五開僅1套液動(dòng)錘下井，鉆進(jìn)28個(gè)回次，共計(jì)進(jìn)尺119.50 m，機(jī)械鉆速0.77 m/h，平均回次長度高達(dá)4.27 m。從表3可以看出，使用螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)，不僅提高了機(jī)械鉆速和巖心采取率，還大幅度提高了回次長度。

表3 WFSD-2孔五開（1859.78～2283.56 m）三種驅(qū)動(dòng)方式效果對比

3.2.6 半合管無損出心技術(shù)

傳統(tǒng)出心方式無法做到破碎巖心的無損出管，將薄壁巖心管做成半合管形式，出心時(shí)卸開卡簧座、內(nèi)管接頭及卡箍，破碎巖心即可被原狀取出。在機(jī)械鉆速一定的情況下，回次進(jìn)尺長度決定鉆進(jìn)效率，WFSD-2、WFSD-3孔施工初期半合管長度為3 m，WFSD-2孔于241回次孔深973.91 m處，首次使用4 m長半合管鉆進(jìn)獲得成功，自此回次進(jìn)尺常規(guī)性地提高到4 m以上;WFSD-3孔于517回次孔深927.98 m處，首次運(yùn)用4 m長半合管鉆進(jìn)，回次進(jìn)尺當(dāng)即提高到3.6 m以上。WFSD-2孔于268回次孔深1068.73 m試用2根3 m半合管對接組合成6.2 m管，實(shí)現(xiàn)回次進(jìn)尺6.11 m，之后又成功加工出6 m長半合管，在WFSD-2孔四開后期試用，雖因地層和工藝因素僅有2個(gè)回次實(shí)現(xiàn)滿管，但多次回次進(jìn)尺超過4.5 m。

表4是2個(gè)鉆孔在使用3 m半合管及啟用4 m和更長半合管后回次長度對比。

表4 不同長度半合管使用效果對比

4 鉆頭的應(yīng)用

因WFSD工程地層以硬、脆、碎為主，兼有松散、軟地層，鉆進(jìn)以金剛石鉆頭為主，部分使用PDC鉆頭和合金鉆頭，鉆頭的結(jié)構(gòu)以隔液、半隔液結(jié)構(gòu)為主。

表5為2個(gè)鉆孔各類型取心鉆頭技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)論

（1）隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)解決了破碎、松散地層巖心采取率低的難題;

表5WFSD-2、WFSD-3孔取心鉆頭技術(shù)指標(biāo)

（2）尖齒PDC小鉆壓取心鉆進(jìn)技術(shù)在大口徑堅(jiān)硬、致密泥頁巖、粉砂巖地層中，能較大的提高機(jī)械鉆速;

（3）WFSD-2孔轉(zhuǎn)盤+螺桿馬達(dá)復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘復(fù)合回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)的成功運(yùn)用，不僅在深孔大口徑取心鉆進(jìn)中獲得了比轉(zhuǎn)盤單回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)高的鉆進(jìn)效率，還能維護(hù)破碎地層的孔壁穩(wěn)定;

（4）半合管無損出心技術(shù)是在松散、破碎地層中保持巖心原狀性的有效技術(shù)手段。

［1］ 張偉，賈軍，等.汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的概況和鉆探技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（S1）.

［2］ 王穩(wěn)石，朱永宜.科學(xué)鉆探復(fù)雜地層取心鉆進(jìn)技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（S1）.

［3］ 朱永宜，王穩(wěn)石.松科一井（主井）取心鉆進(jìn)工藝［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（9）.

［4］ 朱永宜.KZ型單動(dòng)雙管取心鉆具的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（3）.

Coring Drilling Technology in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

WANG Wen-shi1，ZHU Yongyi1，JIA Jun2，LI Qian-gui3（1.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;2.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China;3.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China）

Wenchuan earthquake＇s Fracture Scientific Drilling（WFSD）was carrying out in the serious broken formation，one of the purposes is obtaining original cores to meet the geosciences requirements.Technologies of isolated fluid coring drilling，polycrystalline diamond compact（PDC）with sharp teeth and low drilling weight coring drilling，bottom hole power coring drilling and split barrel undamaged coring were applied in WFSD-2 and WFSD-3.The results indicated that the rate of drilling speed and roundtrip footage were improved in the serious broken formation.What＇s even more important was that the high-quality original cores had been obtained by these improved drilling technologies.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;complex formation;broken formation;coring drilling

P634

A

1672-7428（2012）09-0028-04

2012-08-08

科技部科技支撐計(jì)劃專項(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)測井”課題

王穩(wěn)石（1982-），男（漢族），湖南益陽人，中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所工程師，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事鉆探工程研究工作，河北省廊坊市金光道77號，wangwenshi05@163.com;朱永宜（1954-），男（漢族），安徽安慶人，中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所教授級高級工程師，鉆探工程專業(yè)，從事鉆探工程研究工作，河北省廊坊市金光道77號，zyy@ccsd.cn。