汶川地震断裂带科学钻探项目尾管固井技术的应用

樊腊生，张 伟，李前贵，李旭东，赵远刚

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734;2.中国地质调查局，北京100037;3.江苏省地矿局第六地质大队，江苏连云港 222023）

汶川地震断裂带科学钻探项目尾管固井技术的应用

樊腊生1，张 伟2，李前贵1，李旭东3，赵远刚1

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734;2.中国地质调查局，北京100037;3.江苏省地矿局第六地质大队，江苏连云港 222023）

介绍了汶川地震断裂带科学钻探项目钻探施工过程中尾管固井技术的应用情况。针对该项目钻探施工的复杂地层条件，研发了适合于破碎地层和小套管间隙的无接箍尾管固井技术，关键技术包括尾管管柱设计、尾管下入及钻柱分离技术和施工工艺、适合于破碎地层和小套管间隙条件的尾管固井浆液设计和施工工艺。采用研发成功的尾管固井技术，在该项目的二号孔和三号孔中共进行了4次下尾管作业，均获得了成功。

汶川地震;地震断裂带;科学钻探;尾管;倒扣接头;固井

0 前言

汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）项目有5个钻孔，目前已完成一号孔（WFSD-1）、二号孔（WFSD-2）、三号孔的先导孔（WFSD-3P）和三号孔（WFSD-3）的钻探施工任务。WFSD-1、WFSD-3P孔采用小口径地质勘探取心钻进的方法和工艺，逐级取心逐级下套管固井;WFSD-2、WFSD-3孔主要采用150 mm口径取心钻进，在需要下套管时扩孔钻进后下入套管固井（上部273、219 mm套管内下入168 mm活动套管）、然后继续以150 mm口径取心钻进。

由于龙门山断裂带历史上发生过许多次地震，地层破碎的严重程度罕见，4个钻孔从开钻到完钻基本上全部在破碎地层中钻进，钻进施工条件十分恶劣，钻孔垮塌、扩径、缩径和漏失等诸多困难同时存在，除了给取心和钻进带来了很大困难之外，还导致钻探事故频发。针对这种极端恶劣的施工环境和复杂的地质条件，不得不采取多下套管的施工方法。孔深1201.15 m的WFSD-1孔（设计孔深1200 m）下入 5 层套管（168、146、127、108、89 mm）;孔深551.54 m的WFSD-3P孔（设计孔深400 m）下入4层套管（146、127、108、89 mm）;孔深2283.56 m 的WFSD-2孔（设计孔深2000 m）下入5层套管（273.0、219.1、168.3 和139.7 mm 尾管、108 mm尾管）;孔深1502.30 m的WFSD-3孔（设计孔深1200 m）下入 6 层套管（273、219、168、127 mm 和89 mm尾管、73 mm尾管）。

WFSD-2孔设计时采用3层套管程序，实际施工时因孔内情况复杂、钻进施工困难提前下入各层套管，钻进施工到后期需下入139.7 mm尾管满足下部的122 mm取心钻进要求，完井时下入108 mm尾管（筛管）满足长期监测要求。WFSD-3孔设计时采用3层套管程序，实际施工时因孔内事故、钻进施工困难下入4层套管，钻进施工到后期需下入89 mm尾管满足下部的77 mm取心钻进要求，完井时下入73 mm尾管（筛管）满足长期监测要求。

1 WFSD-2孔小间隙无接箍139.7 mm尾管固井技术

二号孔（WFSD-2）是布置在汶川“5.12”地震主震断裂映秀-北川断裂带上的主孔，位于四川省都江堰市虹口乡，设计孔深2000 m，实际终孔孔深2283.56 m。WFSD-2孔的实际钻头顺序:377 mm×47.80 m—253 mm×638.01 m—200 mm ×1349.50 m—150 mm ×1859.78 m—122 mm ×2283.56 m;实际套管顺序:273.0 mm×47.80 m—219.1 mm ×637.60 m—168.3 mm ×1296.60 m—139.7 mm×（1258.13～1859.78 m）—108.0 mm×（1836.73～1973.67 m）。从孔深499.03 m开始连续取心，孔深1859.78 m以浅采用150 mm口径取心钻进（岩心直径93～101 mm），需要下套管时扩孔钻进到需要的尺寸;下部采用122 mm口径取心钻进（岩心直径74～76 mm）。

1.1 封固段（1296.60～1859.78 m）基本情况

（1）地层情况:1296.60～1680.00 m为花岗岩、闪长岩、凝灰岩;1680.00～1710.00 m为沉积岩（断层角砾岩、碳质泥岩、缩径膨胀）;1710.00～1859.78 m为花岗闪长岩、凝灰岩。

（3）孔斜:顶角在1°～3°之间，1853 m 处顶角为3°、方位角为 312°。

（5）温度:1853 m处约48℃。

（6）取心钻进钻井液性能:密度1.32 g/cm3，动切力10 Pa，塑性粘度30 mPa·s。

1.2 技术难点

（2）本次作业是非常规小间隙尾管固井，理论环空间隙仅约5.15 mm，下尾管摩阻大，且尾管难居中，有发生粘附卡套管的风险;注替水泥浆施工压力高，施工时间长，对水泥浆性能要求高;地层破碎，孔壁受外界扰动易坍塌、掉块。

（3）封固段的上部井径较大（1296.60～1349.50 m孔段是三开200 mm钻进孔段），下部孔段存在缩径现象，特别是1680.00～1710.00 m沉积岩孔段缩径膨胀明显。

（5）无成熟可靠的技术经验可供参考。

1.3 无接箍尾管固井工具的研制

图1 139.7 mm无接箍尾管螺纹

螺纹的密封形式为75°台肩密封及4 mm手拧紧密距的螺纹过盈啮合产生的接触压力，螺纹上扣的紧扣扭矩5000 N·m。

根据螺纹连接危险截面及管体的最低极限强度计算的螺纹抗拉强度见表1（拉伸效率0.45），螺纹的抗拉强度计算公式为:

式中:Pj——螺纹的抗拉强度，N;Acr——螺纹连接危险截面的面积，mm3;Up——管体的最低极限强度，MPa，P110 管体 Up=861.85 MPa。

表1 139.7 mm无接箍尾管螺纹抗拉强度计算结果

表1 139.7 mm无接箍尾管螺纹抗拉强度计算结果

项目 螺纹抗拉强度/kN根部 根部1扣 根部2扣母螺纹1322.4 1286.2 1250.0公螺纹1349.3 1313.4 1277.5

1.3.2 倒扣接头、尾管头

图2 倒扣接头

尾管头（图3）上部反扣和倒扣接头连接、有2级喇叭口（倒角、锥度螺纹），下部和尾管连接，尾管头外径149 mm起扶正在上层168.3 mm套管内的作用，外表面开有水槽满足循环和固井的需要。

图3 139.7 mm尾管头

1.3.3 浮箍、浮鞋

无接箍尾管用的浮箍（图4）、浮鞋（图5）受内、外径的限制，采用铸造铝加工内部零件（阀座、阀芯等），密封处采用O形密封圈，阀座采用上顶（尾管公扣端面顶）下挡（浮箍、浮鞋本体的内台阶）的结构形式。

1.4 无接箍尾管固井施工设计1.4.1 下尾管及固井前准备1.4.1.1 钻孔准备

图4 139.7 mm浮箍

图5 139.7 mm浮鞋

（1）要求钻孔畅通，孔壁稳定，无沉砂，无严重缩径和扩径;

（4）最后一次通孔调整泥浆性能，并充分循环泥浆（QZ3NB-350泵），加润滑剂400 L，泥浆性能要求:密度≮1.30 g/cm3，粘度30 s左右。

1.4.1.2 工具、设备等准备

（1）清理废浆池、放置水箱;

（2）套管串的试连接、丈量编号、通径、清扣;

（3）备好前置液、后置液、替浆（量）准备。

1.4.2 下尾管及循环措施

（1）套管及倒扣接头、尾管头、浮箍、浮鞋等下入前丈量、编号，认真核对，按顺序统一排列、编号，下89 mm钻杆时，长度及数据要准确;

（2）套管内丝扣必须清理干净;

（3）做好孔口的清理工作，准备好下套管工具（提升短节、卡瓦、安全卡瓦）;

（4）套管吊上钻台时，严防碰撞;

（5）入孔套管要均匀涂抹套管丝扣油;

（6）对扣时用自由钳上扣，确认入扣后再用液压大钳上扣;

（7）卡瓦要坐牢，安全卡瓦要上紧;

（8）套管上扣扭矩按5000 N·m计。

（1）浮鞋、浮箍及前3根套管，上部尾管头及前2根套管要焊接，焊时沿周边进行3段焊，每段5 cm;

（2）要控制尾管下放速度，每根在40 s左右，特别在1685～1705 m漏层时，89 mm钻杆1立根应控制在2～3 min;

（3）每下5根尾管（钻杆5柱）灌满泥浆;

（5）人工灌浆时，要不停地活动尾管柱，上下活动范围不少于3 m，循环或注替（水）泥浆时先用小排量顶通，再逐渐增加至230 L/min排量循环;

1.4.2.3 循环措施

主要目的是破坏泥浆凝胶结构，降低开泵泵压。（1）下尾管到168 mm套管鞋时循环泥浆，时间≮30 min;

（2）下至1750 m循环泥浆;

（3）循环泥浆排量先用低挡顶通，然后根据泵压情况适当增大排量，循环时根据情况适当活动套管，活动范围3 m以上;

（4）尾管下到位后，先上下活动钻具3～5次后再开泵循环，严格监测泥浆池液面和返浆情况，循环2周。

1.4.3 水泥浆体系、用量及混拌程序

1.4.3.1 水泥浆体系

水泥浆配方为:夹江G级水泥+微硅+降失水剂+减阻剂+缓凝剂+消泡剂，设计密度1.70 g/cm3。

1.4.3.2 水泥浆用量（表 2）

表2 139.7 mm无接箍尾管固井水泥浆量

表2 139.7 mm无接箍尾管固井水泥浆量

注:水泥浆总量5.46 m3。

附加124.0 1809 1859 50 0.60 0.60 1.0类 别 井径/mm 钻杆或者套管外径/mm顶深/m底深/m段长/m体积/m3考虑附加量后体积/m3 153.6 88.9 1239 1259 20 0.25 0.25 1.0套管重合段环空体积 153.6 139.7 1259 1296.4 37.4 0.12 0.12 1.0裸眼段环空体积 169.6 139.7 1296.4 1859 562.6 4.08 4.49 1.1 50 m尾管水泥塞体积系数返出尾管顶部20 m体积

1.4.3.3 混拌程序

（1）第一次3 m3水泥浆配制加量及混拌程序:在配浆池中先加清水2.0 m3，再依次加入消泡剂3 kg（0.1%）、缓凝剂 9 kg（0.3%）、减阻剂 50 kg（1.67%）、降滤失剂125 kg（4.17%）、微硅150 kg（5%），边加入边搅拌均匀（BW280/30型泵自循环），最后加入夹江G级油井水泥3 t，边加入边搅拌，搅拌均匀，取样测量密度，密度变化小于0.03 g/cm3时结束搅拌，将搅拌好的水泥浆（约3.1 m3）泵入水箱备用。

（2）重复上述步骤再配制3 m3水泥浆（配浆池）。

1.4.4 注替（水）泥浆

（1）下完尾管时用BW280/30型泵循环，循环正常后，倒BW280/12型泵再循环。用BW280/30型泵配制水泥浆，先在配浆池配3 m3，用BW280/30型泵打入水箱，再配3 m3。

配水泥浆流程:加足清水—加消泡剂—加缓凝剂—加降滤失剂—加微硅—加夹江G级水泥。

（2）配完水泥浆后，BW280/30型泵注前置液（约1～1.5 m3），先用小排量顶通，再逐渐提高至230 L/min排量。

（3）注完前置液即注水泥浆，先用小排量顶通，再逐渐提高至230 L/min排量，注水泥浆正常后，将水箱中水泥浆放进配浆池。

（4）注完水泥浆，立即倒换进浆管闸阀，用BW280/30型泵顶替水泥浆，先用小排量顶通，再逐渐至230 L/min排量。

（5）替完浆尽快返出钻杆，退倒扣接头时，上提至中和点，转动圈数不大于6圈，无倒车，可试提钻具，悬重下降为钻杆重力，即证明已倒扣成功，立即起出1立根，开泵循环，并不停地上下活动或转动钻具，将多余的水泥浆替出井口，然后起钻候凝。

1.5 无接箍尾管固井施工过程

（1）通孔;

（3）混拌水泥浆6m3（混拌水泥浆时用BW280/12泵循环泥浆，保持尾管串的畅通）;

（4）连接管汇，注前置液（清水）1 m3;

（5）注水泥浆6 m3，注水泥浆过程中，孔口返出泥浆量正常;

（6）注后置液（清水）1 m3;

（7）采用等体积顶替法，用BW280/30型泵注入钻井液10.51 m3顶替水泥浆（表3）;

表3 139.7 mm无接箍尾管实际固井施工数据

表3 139.7 mm无接箍尾管实际固井施工数据

注水泥、顶替泵 BW280/30型泵 注水泥压力5 MPa注入前置液量 1 m3 注入水泥浆量 6 m3水泥浆密度/（g·cm-3最大1.69，最小1.64，平均1.66单点:1.65、1.64、1.65、1.69、1.67、1.68、1.68、1.69、1.68、1.68、1.68、1.64注后置液量 1.0 m3 替钻井液量 10.51 m3替钻井液时间 40 min 替压4 MPa使用材料:G级水泥6 t，微硅300 kg及添加剂降滤失剂（LT-2）250 kg、减阻剂（SXY-2）120 kg、缓凝剂（KH-1）18 kg、消泡剂6 kg

（8）替浆结束后开始倒扣施工，程序如下:将尾管坐放到位;上提管柱，使倒扣部位成中和点;正转管柱6圈（倒扣）;再上提钻具，若悬重下降至倒扣接头上部钻具重力，证明倒扣成功;立即起出1立根，开泵循环，并不停地上下活动或转动钻具，将多余的水泥浆替出井口;起钻侯凝。

2 WFSD-2孔108 mm尾管（筛管）完井技术

WFSD-2孔完成孔深2283.56 m钻探施工后，需对上部孔段1368～1466 m进行补心作业。针对侧钻开窗的斜向器的回收技术的担心及尾管的加工时间长的考虑，决定先补心后下筛管（108 mm套管上每50 mm钻2个12 mm的眼）完井。

WFSD-2孔完成上部1362.87～1468.38 m侧钻补心施工后（开窗点孔深1356m，139.7 mm尾管内），顺利回收出斜向器。用117.5 mm牙轮钻头通井至2234.15 m发生埋钻事故，反复处理（最大拉力900 kN）无效后，在孔深1973.67 m爆炸松扣（测卡位置1973.67 m左右）倒开扣。孔内残留“落鱼”260.45 m，“鱼顶”位置1973.67 m。

2.1 尾管（筛管）准备

2.1.1 尾管（筛管）及附件

尾管（筛管）串（图6）主要由倒扣接头、尾管头、筛管、中接头、尾管引鞋等组成。

图6 108 mm尾管（筛管）串

（2）尾管引鞋采用球形形状，坐孔底（内径85 mm）;

图7 114.3 mm衬管（飞管）串

（2）衬管引鞋采用内喇叭口结构，内径98 mm、外径122 mm（保证投入的钢粒不掉入下部的套管内）;

2.2 完井施工过程

（3）上提至中和点，转盘正转，成功倒开扣，提钻;

3 WFSD-3孔89 mm尾管固井技术

三号孔（WFSD-3）是布置在安县-灌县断裂带上的主孔，位于四川省绵竹市九龙镇，设计孔深1200 m，实际孔深1502.30 m。WFSD-3孔的实际钻头顺序:311 mm×23.50 m—256 mm×407.50 m—200 mm×816.26 m—152 mm×1186.87 m—122 mm ×1202.57 m—100 mm ×1404.53 m—77 mm ×1502.30 m;实际套管顺序:273 mm ×23.50 m—219 mm × 407.50 m—168 mm ×815.29 m—127 mm ×1180.66 m—89 mm ×（1160.49～1404.53 m）—73 mm ×（1397.95～1502.30 m）。全孔连续取心，孔深1186.77 m以上采用150 mm口径取心钻进（岩心直径93～101 mm），需要下套管时扩孔钻进到需要的尺寸;下部采用122、100、77 mm口径取心钻进。

3.1 尾管及附件准备

尾管串主要由倒扣接头、尾管头、套管、中接头、浮鞋等组成。

图8 浮鞋

3.2 下尾管及固井施工

图9 倒扣接头和尾管头

（3）人工搅拌水泥浆（42.5普通硅酸盐水泥1.8 t、水灰比 0.5、密度 1.82 g/cm3）;

（4）注前置液（清水）0.5 m3;

（5）注水泥浆1.5 m3;

（6）注后置液（清水）0.2 m3;

（7）采用等体积顶替法，用BW300/12型泵注入钻井液1.95 m3顶替水泥浆;

（8）替浆结束，将尾管坐放到位，上提至中和点，立轴正转，成功倒开扣，起钻候凝。

4 WFSD-2孔73 mm尾管（筛管）完井技术

4.1 尾管（筛管）准备

尾管（筛管）串主要由倒扣接头、尾管头、套管、筛管、中接头、尾管引鞋等组成。

（2）尾管引鞋采用中接头去一头公扣加工成（内径63 mm）;

4.2 完井施工过程

（3）上提至中和点，立轴正转，倒扣未成功;停待5 h后，立轴正转，成功倒开扣，提钻;

5 结语

（1）尾管固井可减少固井作业的套管和水泥等材料的用量，可明显节省固井施工时间和成本。

（2）针对 WFSD-2孔四开孔段（1349.50～1859.78 m）钻探施工的复杂地层条件，研发了适合于破碎地层和小套管间隙的139.7 mm无接箍尾管管柱和施工工艺。采用自行设计、加工的倒扣接头、尾管头、无接箍套管、浮箍、浮鞋等工具，运用通井（扫孔）—下尾管—开泵循环（分段）—注前置液—注水泥浆—注后置液—替浆—倒扣丢手—循环—提钻的下尾管固井工艺，一次圆满完成了小间隙（5.15 mm）无接箍139.7 mm尾管固井作业，保证了后续122 mm口径的取心钻进，满足了地学研究对岩心直径的要求。

（4）WFSD项目4次下尾管作业（2次固井、2次不需要固井）、1次下飞管作业均获得了成功，但自制小直径尾管倒扣接头的反扣螺纹有待进一步优化，特别是尾管柱质量轻、需要固井时须慎重设计反扣螺纹，保证成功倒扣丢手。

［1］ 王照明.自制尾管固井工具解决边远地区固井［J］.钻采工艺，1994，17（3）.

［2］ 张晓延，赵让乾，等.简易尾管固井技术在地热井中的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2004，31（12）.

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［4］ 王达，张伟，等.中国大陆科学钻探工程科钻一井钻探工程技术［M］.北京:科学出版社，2007.

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［6］ 史交齐，高连新，等.论无接箍式套管的性能、评价及应用［J］.石油钻采工艺，1998，20（5）.

Application of Liner Cementation Technology in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project

FAN Lasheng1，ZHANG Wei2，LI Qian-gui1，LI Xu-dong2，ZHAO Yuan-gang1（1.The Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734，China;2.China Geological Survey，Beijing 100037，China;3.No.6 Geological Brigade，Jiangsu Geology＆ Mineral Exploration Bureau，Lianyungang Jiangsu 222023，China）

This article introduces the liner cementation technology and its application in Wenchuan earthquake scientific drilling project.According to the conditions of complex formation in this drilling project，liner cementation technology which is suitable for broken formation and small annulus between borehole and casing string，has been developed.The key points of this technology include liner string design and installation and cementing slurry design and construction.This technology has been successfully used in 4 liner cementation operations.

Wenchuan earthquake;earthquake fault;scientific drilling;liner;buckle connector;cementation

P634;TE256+.4

A

1672-7428（2012）09-0032-07

2012-08-08

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

樊腊生（1964-），男（汉族），江苏金坛人，中国地质科学院探矿工艺研究所教授级高级工程师，中国地质调查局汶川地震科学钻探工程中心钻井工程部副主任，探矿工程专业，从事科学钻探工作，四川省成都市郫县成都现代工业港（北区）港华路139号。