龙门山地震断裂带地应力分布及其对井壁稳定的影响

第48卷　第2期2012年3月 地质与勘探GEOLOGY AND EXPLORATION

Vol.48　No.2

March ,2012

[收稿日期]2011-09-14;[修订日期]2011-12-08;[责任编辑]郝情情㊂

[基金项目]国家专项 深部探测技术与实验研究”(课题编号:SinoProbe-05-06)㊁科技部科技支撑计划专项 汶川地震断裂带科学钻探

(WFSD)”资助㊂

[第一作者]张培丰(1965年-),男,2008年毕业于中国地质大学(武汉),获博士学位,教授级高工,长期从事科学钻探㊁环境钻探与钻井

工艺研究,E-mail:zhangpf@

龙门山地震断裂带地应力分布及其对井壁稳定的

影响 以WFSD-2井为例

张培丰

(北京探矿工程研究所,北京　100083)

[摘　要]龙门山地震断裂带是我国最为强烈的地震带之一,地层破碎㊁地应力异常,钻孔缩径造成孔内事故频发,井壁稳定问题十分突出㊂本文介绍了汶川地震断裂带科学钻探施工中所发生的孔内事故情况,并通过对地层应力数据的统计分析,得出龙门山地震断裂带最大水平应力和最小水平应力随深度变化的回归曲线,最大水平应力梯度为4.52MPa /100m ,最小水平应力梯度为2.51MPa /100m ㊂以WFSD-2井为例,分析了龙门山地震断裂带地层应力㊁尤其是断层泥应力对井壁稳定的影响;针对膨胀性地层,介绍了一种通过泥浆密度微调现场测定地层坍塌压力和破裂压力的简易方法㊂

[关键词]井壁稳定　地应力　龙门山地震断裂带　断层泥　泥浆密度微调法

[中图分类号]P634.8 [文献标识码]A　[文章编号]0495-5331(2012)02-0379-8

Zhang Pei-feng.In-situ stress distribution and its effects on borehole stability in the Longmenshan earthquake fault zone [J ].Geology and Exploration ,2012,48(2):0379-0386.

龙门山断裂带位于青藏高原东缘㊁四川盆地西

缘,南起四川天全,向北东延伸至陕西勉县一带,自西北往东南分别由汶川-汶茂断裂带(后山断裂)㊁映秀-北川断裂带(中央断裂)㊁灌县-安县断裂带(前山断裂)㊁平武-青川断裂带(龙门山山前隐伏断裂)等多条挤压逆冲断裂和多个推覆体组成,全长约500km,宽40~50km(见图1)(杨晓平等,1999;李勇等,2006;焦青等,2008;李海兵等,2008;李勇等,2008;魏占玉等,2008)㊂2008年5月12日发生震惊世界的汶川大地震(M s 8.0),其主断裂为龙门山中部的中央断裂,长度为275km,沿断裂及两侧(特别是上盘)破裂十分强烈,断裂面较陡,最大垂直位移10m 以上,水平位移达4m (许志琴等,

2008)㊂

汶川大地震发生后,我国快速启动并实施了汶

川地震断裂带科学钻探(WFSD)项目,WFSD 项目计划在汶川大地震的映秀-北川断裂带及灌县-安县断裂带实施科学钻探,对钻取的岩心和流体样品进行多学科观测㊁测试和研究,对大地震和复发微地

震的源区进行直接取样,通过多学科观测和测试,揭示控制断裂作用及地震发生的物理和化学作用,为未来地震的监测㊁预报或预警提供基础数据㊂

1　WFSD 项目实施中的孔内事故

WFSD 科学钻探项目包括5个钻孔,其中

WFSD-1井㊁WFSD-2井和WFSD-4井布于映秀 北川断裂带上,WFSD-3井和WFSD-3P 井(WFSD-3井的先导孔)布于灌县-安县断裂带㊂WFSD-1井和WFSD-2井位于都江堰市虹口乡,WFSD-3井和WFSD-3P 井位于绵竹市九龙镇,WFSD-4井位于北川县唐家山㊂WFSD -1井和WFSD -3P 井已经完钻,WFSD-1井完钻井深1201.15m,WFSD-3P 井完钻井深551.54m,WFSD-2井和WFSD-3井正在施工,WFSD-2井设计井深2000m,WFSD-3井设计井深1500m,WFSD-4井设计井深3000m(未开钻)㊂

WFSD-1井发生重大井内事故3次,其中因地

层缩径卡钻导致钻具断裂2次,井深分别为

590.76m 和625.80m,在处理第二次钻具落鱼时又

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图1　龙门山断裂带

Fig.1　Map showing the Longmenshan earthquake fault zone

1-地震中心;2-WFSD-1井;3-WFSD-2井;4-WFSD-3P 井;5-WFSD 3井;6-WFSD-4井;7-断层

1-epicenter;2-well WFSD-1;3-well WFSD-2;4-well WFSD-3P;5-well WFSD-3;6-well WFSD-4;7-fault 发生卡钻事故,造成事故套事故的复杂局面,最后不得已侧钻,另一次事故同样因地层缩径导致套管卡死(井深267.70m),而无法下到设计深度和正常固井,在后续钻进施工发生套管断裂(樊腊生等,

2009)㊂

WFSD-2井取芯孔径150mm,目前钻进井深

1859.78m,期间共发生重大井内事故4次,其中3

次是因地层缩径卡钻导致钻具断裂㊂第一次事故取芯钻进至井深637.56m 发生上扩孔器断裂事故,岩芯管㊁下扩孔器和钻头落入井底,落鱼长度4.72m㊂这原本是一次较为简单的落鱼事故,但由于地层缩径,将落鱼抱死,打捞时造成钻杆拉断,打捞公锥落入井内,形成事故套事故的局面㊂最终采用扩孔后套洗落鱼的方式,处理事故近524h,被迫将原设计Φ219.07mm 套管下入井深800.00m 提前至

637.82m㊂第二次事故绳索取芯钻进至井深894.17m 时,发生弹卡室与钻具上扩孔器之间脱扣,上扩孔器㊁岩芯管㊁下扩孔器和钻头落入井底,落鱼长度4.00m㊂鉴于上次事故的处理结果,本次事故采用磨灭方式消灭落鱼,处理事故近780h㊂第三次事故发生在扩孔期间,取芯钻进至1369.80m 后,采用Φ200mm 钻头扩孔㊂扩孔期间,多次出现提钻过程中的卡钻问题,随后采取每钻进48h 短提钻1次,即钻进48h 后,提钻倒划眼至Φ219.07mm 套管内㊂扩孔钻进至1330.23m,提钻至1254.83m 遇阻,开泵循环泥浆井口不返浆,造成地层压裂㊁钻具被卡,爆破松扣形成30.48m 落鱼,被迫侧钻绕障㊂

WFSD-3P 井发生了因地层缩径导致套管卡死而无法下到设计深度的事故㊂

WFSD-3井取芯钻进在井深1160m ~1188m

接连发生2次上提钻具遇卡㊁钻铤被拉断㊁多根钻铤和和岩芯管形成落鱼事故,反复处理无效后均被迫侧钻,事故处理时间近8个月㊂

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