WFSD-2孔二開孔斜分析及糾斜施工

李海明

（北京市地質(zhì)工程設計研究院，北京密云 101500）

WFSD-2孔二開孔斜分析及糾斜施工

李海明

（北京市地質(zhì)工程設計研究院，北京密云 101500）

汶川地震斷裂帶科學鉆探工程WFSD-2孔鉆探工程技術(shù)質(zhì)量要求高，其中，孔斜及取心率尤為重要。但其上部（≤600 m）花崗巖、花崗閃長巖、變質(zhì)火山巖堅硬致密，局部裂隙發(fā)育，裂隙面、小斷層多且斷層傾角大，易造斜，造成巖心堵塞。鉆孔結(jié)構(gòu)較復雜，采用大口徑牙輪鉆進孔斜難以控制，糾斜鉆進難度大。二開（47.8～638.01 m）施工，從80 ～311.39 m 頂角/方位角由 0.7°/202.9°到 5.8°/222.7°。其后，采用 5LZ120 ×7.0L-5（0.5°、0.75°彎外管）螺桿馬達糾斜。從317.43～456.12 m頂角/方位角由6.0°/228.3°糾正到0.9°/103.7°，取得了理想的效果。就孔斜及糾斜施工進行總結(jié)、分析和歸納。

大口徑;科學鉆探;孔斜;糾斜;汶川地震斷裂帶

1 概況

1.1 地層

汶川地震斷裂帶科學鉆探工程WFSD-2孔至311.39 m開始糾斜施工，到499.03 m結(jié)束，地層條件為:0～14 m為第四系沖（坡）洪積漂礫石層;14～499.03 m為震旦系花崗巖、花崗閃長巖。

二開地層以花崗巖、花崗閃長巖、變質(zhì)火山巖為主，堅硬且裂隙發(fā)育，裂隙面、小斷層多且斷層傾角大，易造斜。

1.2 二開施工的鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層和施工情況，WFSD-2孔鉆孔結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次設計變更。二開施工的鉆孔結(jié)構(gòu)及套管為:

鉆塔基礎施工時，井口位置預先留出埋設井口管的孔洞（預埋直徑600 mm油桶），深度到原狀土層，在鉆塔、鉆機安裝后，在預留的大孔內(nèi)埋設426 mm井口管，深至2.90 m。

1.3 施工工藝

經(jīng)過測斜發(fā)現(xiàn) 100 m處孔斜 1.3°，方位205.5°。在后來100.94～311.39 m孔段施工期間，項目部先后3次對鉆具組合進行了相應調(diào)整，采取單鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，適當增加了鉆鋌數(shù)量，并增加了243 mm穩(wěn)定器。但是孔斜趨勢并未得到有效控制。

1.4 孔斜情況

自孔深100 m處發(fā)現(xiàn)孔斜、方位角較大后，采取了相應的技術(shù)措施，調(diào)整了鉆具組合，三次調(diào)整后發(fā)現(xiàn)并未取得預想控制井斜的效果，本孔孔斜趨勢持續(xù)走高，至310 m處孔斜達5.8°，方位達222.7°，已經(jīng)嚴重影響到成孔質(zhì)量和下一步正常施工，急需糾斜作業(yè)。具體孔斜情況見表1。

2 孔斜原因分析

2.1 地層造斜

地層本身節(jié)理發(fā)育、傾角大，有小斷層。WFSD-2孔施工中，47.8～311.39 m孔段采用245 mm牙輪全面鉆進，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（參見圖1）。另外，該孔段還存在傾角較陡（70°左右）的小斷層，鉆遇傾角比較陡的節(jié)理時，地層的不均勻性和環(huán)壁間隙增大，容易導致鉆頭順節(jié)理面和小斷層面滑動，形成“順層溜”。

圖1 裂隙發(fā)育地層取出的巖心

2.2 技術(shù)因素

2.2.1 鉆具配備

鉆具結(jié)構(gòu)的選擇，對孔斜控制至關重要。二開施工初期，現(xiàn)場鉆具配備不夠充分，鉆鋌數(shù)量不足、穩(wěn)定器尚未加工完畢，鉆具組合結(jié)構(gòu)防斜效果差，受以往花崗巖地層不易造斜的傳統(tǒng)觀念影響，在工期要求較為緊迫的情況下，項目部在47.80～234.90 m孔段采用245 mm牙輪鉆頭+鉆鋌 mm+89 mm鉆桿的塔式鉆具結(jié)構(gòu)進行鉆探施工，發(fā)現(xiàn)孔斜后，在234.90～311.39 m孔段采用單鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，孔斜仍未得到控制。

2.2.2 操作規(guī)程

在二開施工的前期，由于對孔斜認識不足，加之現(xiàn)場鉆具配備不夠充分，為了滿足孔底壓力需要，施工中采用了鉆桿加壓，鉆具的中和點處于鉆桿之中，使得鉆桿彎曲嚴重，鉆具上端靠向孔壁，迫使鉆具軸線偏離原孔軸線，不利于防斜。

3 糾斜

3.1 方法選擇

3.1.1 采用打水泥塞回填后側(cè)鉆糾斜

鉆孔回填至100 m左右，再采用大口徑管鉆進行糾斜鉆進。這種方法的優(yōu)點是:能夠徹底對二開孔斜進行糾正，對后續(xù)施工極其有利。其缺點也很明顯:一方面回填工作量較大，采用水泥灌注作業(yè)，對地層產(chǎn)生一定影響，污染了原本的地層環(huán)境，巖心將難以滿足地質(zhì)研究要求，加之水泥塞強度較低，側(cè)鉆施工中鉆具極易向原孔斜段偏移，并且造成孔壁嚴重坍塌情形;另一方面，采用大口徑側(cè)鉆糾斜，難度相當大，鉆進參數(shù)不好把握;另外，二開孔段中存在漏失地層，對大口徑糾斜鉆進極為不利。

3.1.2 自311.39 m開始孔底糾斜

這種方法是在不改變原孔段的基礎上自孔底糾斜，使孔斜逐步回到預定的范圍內(nèi)。相比之下，這種方法的優(yōu)點是:減少了工程量，有利于在較短時間內(nèi)完成糾斜任務，對工期影響較小，并且能夠滿足地學部門的要求。其缺點是:上部局部孔段井斜彎曲率較大，可能會對后續(xù)施工造成一定影響。

通過汶川科學鉆探工程中心組織有關專家研究討論，對這2種方案進行了反復分析比較，最終認為第二種方案更加可行，確定使用第二種方案糾斜。

3.2 實施

3.2.1 方案設計

因鉆孔頂角增大較快，為了控制井斜，擬在311～500 m孔段采用定向鉆進糾斜施工方案。在糾斜過程中要穿插進行2次點取心（取心鉆具規(guī)格150 mm），因此選用152 mm口徑糾斜，鉆具采用152 mm牙輪鉆頭接120 mm彎外管螺桿鉆具定向鉆進糾斜，分3～4段進行，根據(jù)糾斜效果，每段定向鉆進18～28 m，穩(wěn)斜5～10 m。開始先采用0.5°彎外管螺桿馬達糾斜，如果糾斜效果不明顯，改用0.75°彎外管螺桿馬達糾斜，控制鉆孔“狗腿”度在1°/30 m左右，如果造斜率＞1.5°/30 m，糾斜20 m左右穩(wěn)斜一段距離;鉆孔頂角糾到1°以內(nèi)，再開始糾方位角，糾方位的孔段長度在最后30 m，方位角盡可能糾向135°方位。穩(wěn)斜方法采用牙輪穩(wěn)斜鉆具回轉(zhuǎn)鉆進，穩(wěn)斜鉆進還可以結(jié)合點取心采用金剛石取心鉆進。

3.2.2 糾斜施工

糾斜鉆進是與中國地質(zhì)大學地大科技公司合作施工的，使用彎螺桿鉆具和有纜隨鉆測斜糾斜技術(shù)，通過控制鉆壓、螺桿彎度、工具面，定向與復合鉆進來對井斜進行控制（圖2），糾斜孔段為311.3～499.03 m，糾斜前鉆孔頂角為6.2°，方位220°左右，采用152 mm牙輪定向鉆進與152 mm牙輪穩(wěn)斜鉆進交替進行控制鉆孔的彎曲度，糾斜要求是到500 m孔深頂角糾回到1°以內(nèi)，方位盡可能糾到136°，“狗腿”度盡可能不超過2°/30 m。由于在硬巖層中定向鉆進可參考的工程實例不多，對采用多大度數(shù)的彎外管螺桿馬達進行糾斜能控制“狗腿”度在2°/30 m以內(nèi)還沒有成熟的經(jīng)驗，所以選用了0.5°和0.75°兩種彎外管螺桿馬達（圖3）。

圖2 隨鉆測斜系統(tǒng)

圖3 5LZ120×7.0L-5（0.5°、0.75°彎外管）螺桿馬達

3.2.2.1 311.39 ～344.17 m 孔段的糾斜施工

3.2.2.2 344.17 ～473.26 m 孔段的糾斜施工

由于0.5°的彎外管螺桿馬達糾斜效果不好，改為0.75°的彎外管螺桿馬達糾斜，鉆進到350.85 m進行測斜，孔深348 m頂角為5.9°，方位237.7°，從測斜結(jié)果來看，采用0.75°的彎外管螺桿馬達糾斜有效。之后繼續(xù)采用0.75°的彎外管螺桿馬達糾斜，為了控制鉆孔的彎曲度，采取糾斜鉆進與穩(wěn)斜鉆進交替施工，其中穩(wěn)斜孔段為364.81～365.11、368.09～370.11、400.40 ～409.87、456.12 ～467.28 m。穩(wěn)斜鉆進采用152 mm牙輪穩(wěn)斜鉆具:152 mm牙輪鉆頭+穩(wěn)定器+鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+89 mm鉆桿。糾斜鉆進到473.26 m進行測斜，孔深470 mm 頂角為0.3°，方位88.2°。

3.2.2.3 473.26 ～491.15 m 孔段的穩(wěn)斜施工

采用0.75°的彎外管螺桿馬達進行復合鉆進穩(wěn)斜，鉆具組合為:152 mm牙輪鉆頭+螺桿馬達+89 mm鉆桿，穩(wěn)斜到491.15 m，頂角又增加到0.9°，方位又回到 220°左右。

3.3 分析

3.3.1 頂角和方位角之間的關系

通過定向糾斜施工我們發(fā)現(xiàn)，在糾鉆孔頂角的時候，方位角會隨著頂角的變小逐步變化，有利于糾斜施工（表2）。

表2 344.17～491.15 m孔段糾斜效果統(tǒng)計

3.3.2 0.5°、0.75°兩種彎外管螺桿馬達的使用效果

糾斜初期采用0.5°彎外管螺桿馬達糾斜，孔斜不但未受到控制，反而還在繼續(xù)增大，因此改用0.75°彎外管螺桿馬達，從測斜結(jié)果來看，采用0.75°的彎外管螺桿馬達糾斜有效。

3.3.3 糾斜鉆進中各鉆進方法效率比較

糾斜段鉆進參數(shù)與鉆進效率見表3。表3數(shù)據(jù)顯示，復合鉆進的鉆進效率比較高。

表3 糾斜孔段鉆進參數(shù)與鉆進效率統(tǒng)計

3.4 效果

采用彎外管螺桿馬達糾斜鉆進結(jié)合穩(wěn)斜鉆進相交替的方式進行糾斜施工，使得鉆孔頂角由糾斜前最大6.2°降至糾斜后最小0.2°，后又增至0.9°;方位由糾斜前220°左右降至最小82.2°，后又增至220°左右。最大“狗腿”度4.39°/30 m，位于糾斜段孔深450 m處，其余井段“狗腿”度均基本控制在3°/30 m以內(nèi)。事實證明，糾斜施工保證了下一階段取心鉆進的正常進行，達到了預想的效果。鉆孔糾斜軌跡如圖4所示。

圖4 鉆孔糾斜軌跡圖

4 結(jié)論

（1）大口徑基巖鉆進要注意孔斜預防。在堅硬、裂隙發(fā)育地層進行大口徑鉆進，要格外關注地層造斜，及時預防。WFSD-2孔施工中，二開鉆進所遇地層為花崗巖，地層中節(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，容易造成“順層溜”。

（2）大口徑基巖鉆進防斜鉆具以“滿眼”鉆具為主。大口徑防斜鉆具的選擇上，要以“長、剛、直”的滿眼鉆具為好，不宜采用塔式鉆具及單鐘擺鉆具。滿眼鉆具一般采用3個以上的穩(wěn)定器，再加適當?shù)拇謴姐@鋌配合。WFSD-2孔在245 mm牙輪全面鉆進階段，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。

（3）大口徑基巖地層糾斜最好在孔底實施。對于大口徑基巖地層糾斜施工而言，孔底糾斜較回填后側(cè)鉆糾斜有更明顯的優(yōu)勢:工程量較小，對工期影響小，能夠滿足地學部門對于巖心的要求。

（4）大口徑孔底糾斜采用螺桿鉆具較理想。彎外管螺桿馬達定向糾斜是連續(xù)作用的，能同時改變鉆孔的頂角和方位角的定向鉆進，中靶精度高;由于鉆桿不轉(zhuǎn)動，改善了鉆桿工作狀態(tài)，孔內(nèi)事故少，可以進行隨鉆測量定向鉆探;而且該技術(shù)適用地層廣泛，鉆具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，很好的符合了本孔的糾斜要求。

［1］ 李世忠.鉆探工藝學（上冊）［M］.北京:地質(zhì)出版社，1992.

［2］ 劉廣志.金剛石鉆探手冊［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

［3］ 吳光琳.定向鉆進工藝原理［M］.四川成都:成都科技出版社，1991.

［4］ 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）:5-8.

［5］ 張純峰，孫貴生.螺桿鉆進技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，（12）:15-16.

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導和專家在WFSD-2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!

Analysis on the Second Opening of WFSD-2 Hole and Deviation Correction Construction

LI Hai-ming（Beijing Geological Engineering Design Institute，Miyun Beijing 101500，China）

WFSD-2 hole of scientific drilling engineering of Wenchuan earthquake fault zone has high quality requirement，and the hole deviation and coring rate are especially important.But the granite，granodionite and metavolcanic rocks in upper part（≤600m）are hard and compact with fracture development，many fracture surfaces and small faults;the big fault dip made deviation easily occur with core blockage.Because of complicated bore hole structure，the deviation was difficult to control by large diameter roller bit drilling.The satisfied effect was

by second opening（47.8～638.01m）construction:in 80 ～311.39m section，top angle/azimuth angle from 0.7°/202.9°to 5.8°/222.7°;then 5LZ120 ×7.0L-5 screw motor was used in 317.43～456.12m section，top angle/azimuth angle were corrected from 6.0°/228.3°to 0.9 °/103.7°.The paper summed up and analyzed the construction of deviation correction.

large diameter;scientific drilling;hole deviation;deviation correction;Wenchuan earthquake fault zone

P637.4

A

1672-7428（2012）01-0021-04

2011-10-31

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

李海明（1984-），男（漢族），寧夏彭陽人，北京市地質(zhì)工程設計研究院工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事工程施工工作，北京市密云縣園林東路1號，lihaiming19840918@163.com。