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汶川地震断裂带科学钻探项目钻探事故预防与处理技术

文档作者：吴金生贾军段玉刚李正前文档来源： 1．成都理工大学 2．中国地质科学院探矿工艺研究所 3．北京探矿工程研究所		点击数：	更新时间： 2022年12月09日
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2012年第39卷第9期 探矿工程(岩土钻掘工程) 49
汶川地震断裂带科学钻探项目
钻探事故预防与处理技术
吴金生 ，贾 军 ，段玉刚 ，李正前
(1．成都理工大学，四川成都610059；2．中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734；3．北京探矿工程研
究所，北京100083)
摘要：汶川地震断裂带科学钻探工程的地层条件十分复杂，岩层破碎，膨胀缩径，不确定因素多，出现多次卡、断、
落等孔内事故，但都科学诊断、成功处理。通过优化钻进方法、钻具结构及泥浆体系等多种事故预防措施，最大限
度地减少事故发生，保证了科学钻探工程的顺利进行。
关键词：汶川地震；地震断裂带；科学钻探；事故预防；事故处理
中图分类号：P634．8 文献标识码：A 文章编号：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 概述及难点 ‘
汶川地震断裂带科学钻探项目是在汶川大地震
和复发微地震的源区—— 龙门山“北川一映秀”断
裂及龙门山前缘“安县一灌县”断裂旁侧实施5口
科学群钻。龙门山断裂带自公元1169年以来，共发
生破坏性地震25次，其中6级以上地震20次。“5．
12”发生震惊世界的Ms8．0大地震后，余震也有几
万次。在此断裂带进行科学钻探施工的难点在于：
(1)地层破碎、膨胀缩径，坍塌、掉块、漏失、涌
水时有发生。汶川地震属于逆冲型地震，地应力释
放慢，特别是钻进断层泥时，地应力强烈释放，膨胀
缩径。
(2)地学研究要求高。取心直径大(取心钻孔
直径150 mm)；采取率要求高，每回次85％ 以上；对
岩心原状性要求极高，须采用半合管取心；钻孔深，
最大钻孔深度达3000多米。
(3)不可预见因素多。地层状况不详，钻进深
度不确定，孔身结构变数大，钻进参数难以掌握。
汶川地震断裂带科学钻探是对钻探技术的极大
挑战1
2 事故的发生及类型
钻探施工中孔内事故主要分为卡钻、断钻具、落
物、测井事故，还有套管事故、固井事故等。截至目
前，汶川地震断裂带科学钻探项目的4口钻孔中共
发生孔内事故21次，其中卡钻6次，断钻具7次，井
下落物2次，测井事故3次，套管断裂3次。
造成孔内复杂与事故的因素有地质因素与工程
因素，要及时科学诊断。
3 事故的预防措施
对于地层条件十分复杂的钻探工程，要在钻探
施工过程中完全避免孔内事故几乎是不可能的事
情。尽管科学钻探不可预见性因素很多，任何事故
收稿日期：2012—08—08
基金项目：科技部科技支撑计划专项“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)”项目之“科学钻探与科学测井”课题
作者简介：吴金生(1970一)，男(汉族)，安徽人，成都理工大学在读博士，中国地质科学院探矿工艺研究所高级工程师，地质工程专业，从事
钻探技术及科学钻探研究工作，四川省成都市郫县成都现代工业港(北区)港华路139号。

2012年第39卷第9期 探矿工程(岩土钻掘工程) 51
3．2．4 在膨胀缩径地层采用偏心扩孔
为WFSD一2孔四开小间隙(5 mm)下套管顺
利，采用偏心扩孔器(图3)对1680～1710 m缩径段
进行局部扩孔，最大扩孔井径达165 mm，通过测井
资料，可以看出扩孔后井径增大，后下0601 m技术
尾管十分顺利并成功固井。
图3 偏心扩孔器
3．2．5 优化钻孔结构设计
优化钻孔结构设计，为事故的处理留有余地，如
事故的套铣处理。
3．3 优化泥浆性能参数
3．3．1 采用低失水、高密度及流变性好的泥浆
在断层泥膨胀缩径孔段，逐渐加大泥浆密度，采
用高密度、低失水及流变性能好的泥浆，其泥浆性能
参数为：密度1．15～1．30 g／em。，漏斗粘度3O～35
S，初切力2～3．5 Pa，终切力8～11 Pa，失水量4．0—
6．5 mL／30 min，泥饼0．2 mm，含砂量0．3％ 一
0．4％ ，pH值9，动切力7～15 Pa，塑性粘度15～23
mPa·s，动塑比0．35～0．60。实现平衡钻进，同时
加入适量润滑剂。施工过程中，由于岩屑的加入，泥
浆密度会自然增高，应加强固控。泥浆密度波动范
围不大于设计要求的±0．02 g／cm ，泥饼润滑系数
应控制在0．18内。
3．3．2 及时调整钻进参数
根据工程录井参数，及时调整钻压、转速、扭矩
等，根据地层变化、井壁的稳定性、环空问隙大小、泵
压高低、返渣情况及时调整泵量。安装变频调速器，
实现泵量的无级调节。
3．4 严格遵守操作规程
严格遵守《汶川地震断裂带科学钻探操作规
程》，严禁强拉及强放。起下钻要平稳，遇卡以下放
为主，严禁强起硬拔，在钻具悬重的基础上附加力
100 kN；遇阻以上提为主，严禁强压，遇阻超过50
kN，禁止强行下钻；及时接转盘(顶驱)循环钻井液，
上下划眼，正常后继续起下钻；扩孔或全面钻进40 h
左右应进行短程起下钻，以保持井眼规则、畅通；钻
柱在裸眼孔段静停不允许超过3 min。
4 事故的处理
4．1 事故处理基本原则
事故处理应遵循“科学诊断、安全快捷及经济”
的基本原则。“科学诊断”是关键，事故发生后，认
真研究事故发生情况、事故性质、事故原因，同时摸
清事故部位、事故头以及井内情况等，慎重制定事故
处理方案。
4．2 卡钻处理及程序
卡钻事故处理最复杂。汶川地震断裂带科学钻
探地层复杂、不确定因素多，卡钻事故频发，科学判
断事故原因，正确掌握卡钻事故处理原则和程序，提
高事故处理成功率。
(1)明确卡钻事故处理原则，为事故处理创造
条件。卡钻事故发生后，应首先考虑的问题是为顺
利解除事故创造条件。一是维持钻井液循环，保持
井眼畅通；二是要保持钻柱的完整性；三是切忌将钻
杆螺纹扭得过紧。
(2)掌握卡钻事故处理程序，为事故处理提供
技术支撑。不同性质的卡钻事故，处理程序不尽相
同。归纳起来，多数卡钻事故的处理，遵循以下8个
处理程序，都是在本处理程序无法解决的情况下，才
进入下一步：
第一步：保持水眼畅通，恢复钻井液循环；
第二步：活动钻具，上下拉压或扭转，以提拉为
主；
第三步：若为粘附卡钻，注人解卡剂；
第四步：震击器震击+强力起拔；
第五步：爆炸松扣(或人工倒扣)；
第六步：若强拉断，工具打捞(打捞矛、打捞筒
等)；
第七步：套铣反钻具；
第八步：侧钻(或磨铣)。
4．3 断钻具事故处理
钻具断裂主要发生在岩心外管和钻铤丝扣处。
主要是因为岩心外管扣高较小，强度低；地层膨胀缩
径或掉块卡钻，上提拉力过大；钻具交变应力作用，
疲劳破坏。对于钻铤断裂，通常指稳定器下部连接
52 探矿工程(岩土钻掘工程) 2012年第39卷第9期
的钻铤；丝扣磨损严重，胀扣；丝扣加工精度不够等。
断钻具事故常采用公、母锥，打捞筒(矛)及对
扣打捞等。施工中发生的7次卡钻事故3次成功打
捞，还有4次因孔内复杂，打捞无法进行，不得不采
用套铣、磨铣等。
4．4 落物事故处理
落物事故主要发生在WFSD一2孔，1次由于
0273 mm套管鞋上碎裂的铝合金掉块落入孔内，造
成下、上钻遇卡，后接方钻杆，回转循环泥浆解卡。
另一次由于孔口操作人员疏忽大意，不小心将方补
心绳套(约2 m)掉入井内，后用打捞矛，成功打捞出
了绳套。
4．5 测井事故处理
(1)穿心打捞(测绳电缆未断)；
(2)如果测井电缆断裂，则先打捞电缆，再下打
捞筒打捞仪器；
(3)若各种打捞无效，下单管钻具套捞。
本文重点介绍了卡、断、落、测井事故的处理措
施，对于套管事故、固井事故、井斜、井漏、井喷等发
生较少，甚至没有发生，在此不作介绍。
5 典型事故案例分析
5．1 WFSD一2孔卡钻定点爆炸松扣
5．1．1 事故发生经过
WFSD 一2孔0200 mm 牙轮钻头扩孔至
1330．23 m时，钻具跳动，进尺慢，提钻，在孔深1250
m处遇阻，强力起拔+震击器震击，最大起拔力达
1100 kN，无效，钻具被卡死，开泵循环地层压漏。经
计算，钻头实际位置为1250．51 m。
5．1．2 事故处理
震击器+强力起拔无效后，先进行卡点估算
(如下式)，后经测卡仪测出卡点位置也在1230 m
左右，即上稳定器位置，最后成功爆炸松扣。
卡点估算：
L =kAL／P =4905．6 ×2．0／800=1226．4 m
式中： — — 卡点深度，m； — — 计算系数；△ —— 钻
具的绝对伸长量，rfl；P—— 上提拉力，kN。
爆炸松扣施工程序：
(1)测卡点(或推算卡点)；
(2)组装爆炸杆；
(3)分级上提井内钻具，分段紧扣，使卡点成为
中和点；
(4)连接电缆并确定松扣位置；
(5)施加反扭矩；
(6)引爆。
5．2 WFSD一3孔卡钻“落鱼”套铣打捞
5．2．1 事故发生经过
WFSD一3孔0150 mm取心钻进至1186．77 m
时，发生卡钻，强力起拔，钻铤脱扣，孔内事故钻具：
0150 mm电镀钻头+015o mm扩孔器+0140 mitt
岩心管+0150 mm扶正器4只+0121 mm钻铤4
根，“鱼顶”孔深1142．44 m。如图4所示。
-—-—·--·—--·---·-一
23．5m I． ． 。
^ 。‘， ll I
407．5m I
150n
鱼顶l142．44m
王
／
1186．77m
图4 “滔鱼”结构不慝
5．2．2 事故处理
采用各种打捞措施处理无效后，采用扩孑L和套
铣的方法处理完事故，回收全部钻具。
施工程序：
(1)回收0168 mm活动套管；
(2)0150／202 mm扩孔钻进至“鱼顶”；
(3)套铣和反钻具：采用0200 mill套铣钻头
(图5)+0178 mm套铣筒套铣钻铤，套铣一根，用反
丝钻杆反出一根，反完钻铤后，用同样的方法套铣打
捞出取心钻具和钻头。
图5 套铣钻头
5．3 WFSD一2孔电成像测井事故打捞
5．3．1 事故发生经过 (下转第65页)
2012年第39卷第9期 探矿工程(岩土钻掘工程) 65
固化法主要是在废弃泥浆中加入固化剂，使其 此方法即是在坑底和坑壁铺一层有机土，然后
转化为土壤或胶结强度很大的固体，固化法比较可 铺一层塑料垫层，再铺一层有机土；或者在坑底和四
靠，能够有效地消除废弃泥浆中的金属离子和有机 周加固化层。随后将基本干燥的废弃泥浆填入坑中
物等对水体、土壤等生态环境的影响和危害。 后进行覆盖密封。
固化处理主要是利用水硬材料结合废弃泥浆中
的水形成网状结构，将废弃物固定后再进行处理。 6 结语
目前采用的固化技术主要有以下几种： 非开挖施工人员应根据施工中地层以及工程设
(1)水泥、水玻璃固化技术。首先将工业硫酸 计的具体情况进行泥浆的设计，在满足工程施工技
铝加入废弃泥浆中，完全溶解后加入水玻璃，搅拌均 术需求的前提下降低成本，施工结束后应进行地表
匀后快速地将水泥加入，固化2～7天后即可。 的恢复并对泥浆进行及时、科学的处理，避免对环境
(2)磷石膏固化技术。将废弃泥浆搅拌的同时 的污染。
向泥浆内不断加入磷石膏，静置7天后地貌即可恢
复。 参考文献：
(3)水泥窑粉固化技术。将废弃泥浆沉淀1—2 [1]何宜章．沦非开挖管线施工的安全性[J]．非开挖技术，2002，
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土加入均匀混合后，可固化成大块埋入地下。 [3]马保 非开挖工程学[M]．北京：人民交通出版社，2008．
固化处理可采用机械混合和专业砂浆泵循环混 [ -江 笑 液润滑剂的现状及发展方向[ ]·石油钻探技术，
合。 [5]张宏 HD D Nm~ 与发展[J]． 非开挖技术，2o03，(2o)．
5．2．6 坑内密封法
(上接第52页)
WFSD一2孔电成像测井仪器上提时在离0168
m m 套管底2 ITI处被卡，卡点在1298 m，其中进入套
管内探管12 m。
5．3．2 事故处理
(1)穿心打捞，测绳突然断裂，井内尚留39 m
测绳；
(2)下磁定位，探“鱼顶”，下打捞钩，把测绳基
本打捞完；
(3)下卡瓦打捞筒，打捞测井仪器，成功打捞。
6 结论与建议
汶川地震断裂带科学钻探工程已完成4个钻孔
的施工，因地层破碎复杂、膨胀缩径，遇到很多突发
事故，但都成功解决。后采用多种综合预防措施后，
事故发生率大大减少。
主要体会和建议如下：
(1)采取预防为主，任何事故的发生都有先兆，
提前做好预防措施；
(2)建立应急预案，对可能出现的事故做好工
具物资的充分准备；
(3)加强日常管理，认真检查钻孔钻具，定期探
伤，定期报废；
(4)细节决定成败，事故的发生往往都是忽略
某个细节；
(5)优化钻孔结构设计，为事故的处理留有余
地；
(6)借鉴石油钻井经验，如全面钻进泥浆技术、
事故处理技术等。
参考文献：
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出版社，2006．
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