WFSD-4孔深部流体分析和多组分地球化学特征

采用场内钻探流体实时分析和场外钻探泥浆分析的方法,获得汶川地震断裂带科学钻探工程4号钻孔(WFSD-4)中深部井段流体多组分分析结果。研究钻孔深部井段的流体剖面地球化学特征,认为来自地下深部流体在钻探过程中会保存在钻探循环泥浆中,随钻流体实时分析可记录明显的组分变化信号。钻孔岩心的岩性变化易引起钻探泥浆气体的变化,特别是钻探泥浆气体中的多组分变化,在钻孔岩性裂隙较为丰富的井段,是钻探泥浆气体组分变化强度较大区间。通过比较钻探泥浆的多组分和岩心岩性的弱相关性,可以推测钻探流体与余震相关性较强的区域和周期,更可能获得钻探流体与余震的相关程度。     

汶川地震断裂带科学钻探工程一号孔主断层的随钻流体响应特征

汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)的主要研究目的是探讨龙门山断裂带深部断裂的物质属性。随钻实时流体分析作为井口流体实时监测手段,首次获得了龙门山断裂带随钻流体组分响应特征,在一号孔(WFSD-1)主断层上出现随钻流体多组分同时异常,且异常强度大。通过比较WFSD-1号孔主断层的钻探岩心岩性和随钻流体组分剖面,认为随钻流体组分的异常区间与主断层的区间保持一致,表明流体异常与断层的响应特征,主断层区间的流体异常为多组分的极值异常,强度与断层泥厚度成正比。这些钻探泥浆气体响应特征将为钻探工程、取心钻进提供第一时间支持。     

WFSD-4S孔流体地球化学特征

本文开展汶川地震断裂带科学钻探现场流体研究,探讨了泥浆添加剂产生的化学反应以及钻孔中岩性变化引起的流体异常特征,并在排除这些影响因素的情况下,讨论地震期间流体的异常。研究表明在WFSD-4S钻进期间发生的两次较大地震前均伴有Rn、Ar、N2和O2等气体异常现象,其中氡的日均值均超出背景值的2.5倍。根据岩心观察得到WFSD-4S钻井地区主断层约在1084 m,而在断层之上931 m处开始出现了大量气体的高值异常,该异常可能是由于地震孕育过程中地下气体的运移通道被打开造成气体向上迁移,使断层气体的响应特征提前发生。     

中国大陆科学钻探主孔流体异常与其附近2次ML3.9级地震的关系

2001年11月30日和12月25日中国大陆科学钻探主孔(CCSD)附近发生了2次ML3．9级地震。从日均值图上看,地震前后中国大陆科学钻探主孔流体测值曲线存在明显的异常现象。通过流体组分的最大相关系数分析知道,除Ar和CO2组分两者相关性较差(最大相关系数平均值为0．632,均方差为0．223)之外,其他组分间的相关性较好,最大相关系数在地震前后均出现明显的异常波动。从日均值和最大相关系数异常来看,大陆科学钻探主孔中的地下流体异常与该区的地震活动可能存在一定关系。     

“汶川断裂带钻探”重大发现

“汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）”项目进展顺利,截至2009年5月10日,一号孔钻进孔深741.5m,为地学研究提供了良好的实物样品,揭示出北川-映秀断裂带规模巨大,断层岩类型丰富,尤其是地震断层泥的规模罕见。据汶川地震科学钻探工程中心负责人介绍,“汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）”项目取得了一系列重大发现：     

关于CCSD主孔4820～4930 m井段气体异常的初步解释

CCSD主孔取心钻进的第153至166回次(对应井深为4820～4930m)施工中,流体地球化学现场实验室监测到非常显著的气体异常。按气体浓度的变化,又可分为两个不同的异常区段,分别位于4820～4860m和4869～4930m井段。两个区段均表现为显著的CO2和H2异常,第一区段的最大值分别为3.6%和12.1%,第二区段的最大值分别为24.8%和18.7%。第二区段除了CO2和H2异常值更高以外,在其后期(井深4906m)还出现了一处比较短暂的He气异常,最高值达到17×10-6,比基础值高出200%。通过对钻井过程的分析及泥浆的离线实验研究认为:微生物对泥浆的分解作用是本次异常的重要原因之一,堵漏剂助长了气体异常的升高和延续;由泥浆分解产生的CO2和H2与来自地下的流体并存是本次异常的显著特点。     

汶川地震断裂带科学钻探项目钻探事故预防与处理技术

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。     

汶川地震断裂带科学钻探一号孔（WFSD-1）小间隙固井工艺的研究与实践

介绍了汶川地震断裂带科学钻探WFSD-1孔在破碎和严重缩径的断层泥地层采用的小间隙固井工艺,以及利用试下套管测定的泥浆循环压力降,结合泥浆泵最高承受压力确定固井工艺参数的方法。     

汶川地震科学钻探项目的概况和钻探技术

介绍了汶川地震断裂带科学钻探项目的概况,包括该项目的立项背景、研究目标、工程内容、组织管理等。此外,着重介绍了该项目钻探施工存在的技术难题以及为解决这些技术问题采取的技术方案,包括钻探设备、取心钻进方法、绳索取心钻杆、取心工具和钻井泥浆等方案。     

中国大陆科学钻探主孔0～2000米的N2、Ar和He流体地球化学

CCSD主孔泥浆中He的含量在0.0006-0.029％之间变化,平均含量是9.7×10-4％,N2的含量在75.5-88.7％之间变化,平均含量是81.10％,Ar的含量在0.126-1.13％之间变化,平均含量是0.94％,N2/Ar比值在71.11-622.22之间变化,平均值为86.72。依据泥浆解吸气体中的N2、Ar、He浓度和N2/Ar比值与井深关系曲线,300m以下的主孔剖面可以分为6个区段:300-469m,469.5-891 m,891.5-1174 m,1203.5-1492 m,1520-1773 m,1773.5-2045 m。300-469m和1520-1773 m区段未见明显的外来流体加入,469.5-891 m、891.5-1174 m、1203.5-1492 m和1773.5-2045 m泥浆流体中可能有地下流体异常存在。根据N2/Ar比值的变化,首次报道了大陆科学钻钻进过程中存在N2、Ar异常。泥浆中N2、Ar和He含量的地球化学特征表明,泥浆的主要成分是富Ar的浅部循环大气降水(大气混染泥浆),大气N2、Ar的带入占泥浆气体的主要部分。从300 m到2045 m的钻进过程中,由于深部地震-构造作用,可能导致多种来源地下流体加入。     

金沙江-红河断裂带温泉气体地球化学特征

金沙江-红河断裂带是青藏高原东南缘地热活动强烈、地震活动水平高、各种矿产丰富的深大断裂带。为了探索该断裂带的温泉气体地球化学时空变化特征,2015年3月～2019年7月,经过5次野外考察,采集了54个温泉逸出气体样品,对其化学组分和氦、氖与碳的同位素变化的测试结果表明:(1)金沙江-红河断裂带内温泉气体氦同位素比值(3He/4He)变化范围是0.04～0.62Ra(Ra=空气3He/4He=1.39×10-6),计算获得的幔源氦最大比例达到7.5%,揭示该断裂带内的地质流体主要来自于壳源,幔源氦有从北向南呈现增加的趋势。以CO2为主要组分的温泉,其δ13CCO2值变化范围是-23.6‰～-1.9‰(vs. PDB)。结合区域地质条件分析,这些CO2主要来自三叠系灰岩,所占比例范围是70.1%～89.7%,而幔源CO2的比例最高可以达到4.2%。(2)金沙江-红河断裂带温泉气体的氢气浓度和氦同位素在三处断裂交汇区都出现高峰值,分别是金沙江断裂与巴塘断裂、中甸断裂与红河断裂、红河断裂与小江断裂和奠边府断裂的交汇处。与区域地震活动性的对比分析结果表明,金沙江-红河断裂带内深部流体上涌相对强烈的区域,深部流体对区域地震活动性具有重要的控制作用。     

中国大陆科学钻探现场分析与地下流体异常识别

对中国大陆科学钻探深孔中泥浆进行脱气,采用质谱仪、气相色谱仪和测氡仪在线测定He、CO2、CH4、H2、N2、O2、Ar、C2H6、C3H8、n-C4H10、H2S、CO、Rn等多种气体。在排除钻井过程、钻具磨损、泥浆性能、仪器波动、气路设计等对气体分析的严重干扰后,可以发现气体异常与岩心和地层裂隙、破裂面及构造破碎带等具有相关性。同时采用高效液相色谱分析泥浆清液,也发现了来源于地下的流体。     

汶川地震和科学钻探

2008年5月12日,在我国四川省发生了震撼世界的汶川特大地震,给人民的生命财产造成了巨大的损失。在汶川特大地震发生及其余震尚在继续的特殊时期,快速实施汶川地震断裂带的科学钻探（WFSD）,是认识地震发生的机制、继续对余震进行有效监控以及提高地震监视和预警的能力的极佳机遇。2008年11月6日,汶川地震断裂带科学钻探工程开工典礼在四川省都江堰市虹口乡举行,标志着地震机制的研究跨上了新的台阶。通过对科学钻孔的直接取样,多学科观测和测试,揭示地震断裂带的深部组分、结构和构造属性,重塑地震断裂带的物理和化学过程,为提高未来地震的监测、预报或预警能力提供重要信息。     

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

[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、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。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/100 m,最小水平应力梯度为2. 51 MPa/100 m。以WFSD-2 井为例,分析了龙门山地震断裂带地层应力、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。     

苏鲁超高压变质岩区深部流体He-Ar的系统关系：中国大陆科学钻探工程在线流体监测的解析

中国大陆科学钻探工程在线监测从泥浆中分离出的气体地球化学组成揭示了一段重要的气体异常,从2004年12月24日夜里开始到12月29日晚上结束。从12月10日到24日晚上11点30分的气体的Ar、He和N2基本上沿着趋势A分布,而12月26日早上7点半到29日晚上7点半的数据沿趋势C分布。相对于趋势A,趋势C中的气体含有相对升高的Ar,Ar/He和Ar/N2的平均值分别为3653和0.0142,明显高于空气的比值1800和0.0119。趋势A中的气体的Ar/He和Ar/N2比值分别围绕1851和0.0118变化,其中的Ar/He比值稍微高于空气的比值,但Ar/N2比值近似于空气比值,表明背景地下流体含非常低的Ar,而He和N2主要是大气组分。在趋势A和趋势C之间的数据(时间段B)具有和空气接近的Ar/N2比值,但平均Ar/He比值为3265,明显高于空气比值,反映了该段气体具有相对亏损的He。苏鲁-大别山地区的热年代学研究已经表明云母和角闪石的Ar/Ar的冷却年龄大大地高于磷灰石或锆石的He的冷却年龄,说明Ar在超高压变质地体折返早期就已封闭,而He一直保持开放状态,直到超高压变质岩接近地表。这种Ar和He对温度变化的不同反应,导致大部分的He在超高压岩石折返过程中脱气并释放到空气中,Ar则相对圈闭在固体岩石或封闭的断裂带中。在He-Ar的系统关系上,表现为来自于超高压岩石或断裂带中的流体具有富集Ar、亏损He及升高的Ar/He比值。气体组分从趋势A向趋势C的骤然跳跃,反映了地下流体组分的强烈变化,即具有相对富集Ar的深部流体的贡献大大增强。     

塔里木盆地顺北5号断裂带志留系碎屑岩地层漏失机理

塔里木盆地顺北油气田5号断裂带志留系碎屑岩层段钻井液漏失严重。顺北5号断裂带SHB5-7井岩芯资料、岩芯样品10余块、20口漏失井的钻井、测井、FMI成像测井、地震资料（1 562 km²）及岩石力学参数研究表明志留系碎屑岩地层的构造活动强度、裂缝和岩性控制了碎屑岩地层漏失。志留系塔塔埃尔塔格组和柯坪塔格组漏失特征差异较大,漏失层分布呈现“纵向分层、平面分段”的特点,塔塔埃尔塔格组上段漏失频次（57次）高于下段（31次）,柯坪塔格组上段（11次）、下段（15次）漏失频次高于中段（9次）,5号断裂带中段和南段漏失频率高。漏失点岩性多为（粉）砂质泥岩（测井解释泥质含量介于55%～80%）,漏失点孔隙度普遍较低（孔隙度介于1%～5%）,漏失点处多发育低角度裂缝,漏失点距断层面水平距离普遍小于150 m。根据漏失点处岩性、孔隙度、渗透率、漏失速率和距断层距离将漏失类型分为孔隙型、孔隙+裂缝型和裂缝型,其中裂缝型（诱导缝、天然裂缝）漏失最为普遍。顺北5号断裂带志留系碎屑岩段地层漏失机理为断层及其伴生裂缝系统在井筒—地层压力差的作用下开启,钻井液经裂缝渗入地层造成井漏。研究成...     

西藏鸭湖地区天然气水合物调查井钻探施工技术

西藏羌塘盆地是公认的天然气水合物有利找矿区,钻探取心是鉴别天然气水合物最直接、最准确的手段。为满足天然气水合物钻探需求,制定了大直径取心、低温泥浆护心的技术方案。试制了跟管取心钻具和大直径绳索取心钻具;逐步完善低温泥浆配方;研制出新型高效泥浆冷却装置。在鸭湖地区天然气水合物调查井施工中,克服地层复杂、环境恶劣等难题,完成钻探取样施工,终孔深度700.70 m,岩心采取率满足地质要求。查明了地层岩性、冻土厚度、气源、岩石物性特征等,不仅为天然气水合物资源评价也为其他油气资源调查提供了地质资料、技术支撑和人才储备。     

离心泵在水文水井钻探中的应用

一、输浆性能离心泵已被许多使用者成功地应用于浅孔水文水井钻探施工。由于这种泵具有良好的输送泥浆的性能,石油钻井中的泥浆处理系统也已普遍采用离心泵。离心泵在水文水井钻探和石油钻井中应用的主要区别在于:在水文水井钻探作业时,离心泵作为钻探冲洗液的主循环泵,要求高压小泵量;而在石油钻井作业时,离心泵只作为泥浆处理系统中的泥浆输送泵,要求低压大泵量。要想把离心泵成功地应用于水文水井钻     

如何选用水文水井钻探泥浆

前言目前,在水文水井钻探施工中,人们已逐渐体会到了使用泥浆的优越性。各单位都在推广泥浆钻进方法。然而,一些单位在使用泥浆时存在一定肓目性。本文想结合水井水文钻探的特点,浅谈泥浆的作用、分类和选用依据。其目的在于进一步用好泥浆,提高我们的水文水井钻探技术。     

地震断层摩擦残余热异常测量方法探讨———以WFSD- 1钻孔温度测量为例

以汶川地震断裂带科学钻探工程WFSD-1钻孔高精度相对温度梯度测量确定汶川地震断层为例,探讨了地震断裂带断层摩擦残余热温度测量方法。利用WFSD-1钻孔相对温度梯度温度测量取得的科学数据进行分析,发现在400~500 m、580~610 m及620~750 m三个测量段内存在温度正异常。结合地质资料综合分析,判定400~500 m、620~750 m段温度异常可能由地层热导率差异引起,并非断层摩擦残余热异常,判定位于不透水断层泥中温度异常深度580~610 m范围为断层主滑移带位置。