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

唐力君, 王 广, 王 健, 王晓春, 刘舒波, 聂 武

1)中国地质科学院国家地质实验测试中心, 北京 100037;

2)中国地质大学(北京), 北京 100083

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

唐力君1), 王 广1), 王 健1), 王晓春1), 刘舒波2), 聂 武1)

1)中国地质科学院国家地质实验测试中心, 北京 100037;

2)中国地质大学(北京), 北京 100083

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。

科学钻探; 随钻实时流体分析; 主断层; 响应特征

科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。国际大陆科学钻探计划成立以来, 已经在许多领域取得了重要成果(许志琴, 2004; 许志琴等, 2005; 董树文等,2009a; 苏德辰等, 2010)。国内外, 美国、日本和台湾已在地震活动断裂带实施了科学钻探, 取得的经验和研究成果值得借鉴(Nakada et al., 2005; Gourley et al., 2007; Tretner et al., 2008; Faulkner et al., 2010;Wiersberg et al., 2011)。

2008年5月12日14时28分, 青藏高原东缘龙门山地区发生震惊世界的四川汶川地震(许志琴等,2008; Xu et al., 2008), 造成了巨大的人员伤亡和财产损失, 汶川地震引起的次生灾害也极其严重。地震影响的范围涉及10个省(区、市)的417个县(市、区), 受灾面积达 50×104km2(董树文等, 2008,2009b; Xu et al., 2008; 龙锋等, 2011)。为了提高地震灾害的预报预警能力, 需开展新途径的探索研究,其中一个重要的途径就是实施断裂带的科学钻探(许志琴等, 2008; 李海兵等, 2008; Xu et al., 2008;龙锋等, 2011), 特别是在大地震发生后快速进行科学钻探, 有可能获取有关地震愈合和破裂周期、地震摩擦热、流体作用、应力状态等重要基础数据。

“汶川地震断裂带科学钻探”(WFSD)是以汶川大地震为研究对象的科学钻探, 简称汶川科钻(见图1), 将要实施多口钻探, 它的实施得到中外许多科学家支持, 是我国第一次围绕大地震的主题进行的科学钻探, 也是世界上回应大地震最快实施的科学钻探(许志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等,2008)。

图1 汶川地震断裂带科学钻探WFSD-1钻孔位置(据李海兵等, 2009)Fig. 1 WFSD-1 hole’s Location of Wenchuan Fault Scientific Drilling Project(after LI et al., 2009)

为了更好地完成汶川科钻的研究目标, 将进行井口气体、流体地球化学监测(罗立强等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010; 李迎春等, 2008), 探讨断裂带流体地球化学作用过程, 为地震前兆关系与地下流体异常的相关性研究提供依据(曾令森等, 2005a,b; Becken et al., 2008; Wiersberg et al., 2007, 2008,2011; 温静, 2010)。汶川科钻实施的随钻实时流体分析, 将在钻探过程中全程分析钻探泥浆中的 Ar、CH4、CO2、H2、He、N2、O2、Rn 等多种组分。地下流体是地壳中最活跃的物质, 最容易在钻探过程中迁移, 随钻实时流体分析是对钻探过程中携带到地面的地下流体进行分析检测, 可以揭示钻探泥浆气体实时数据与地下流体之间的规律, 探讨地下流体在地壳浅源地震中的作用规律(孙青等, 2005,2006; 李圣强等, 2005, 2006; 魏乐军等, 2008; 温静,2010)。在汶川科钻随钻实时流体分析中, 将具体探讨汶川地震断裂带中随钻流体组分的表现形式及其与余震相关性(温静, 2010), 这将有助于弄清楚地下流体异常与地震前兆关系(Wiersberg et al., 2007;Italiano et al., 2010)。

1 WFSD-1钻孔背景

汶川科钻一号孔(WFSD-1), 已于2008年11月6日开钻, 钻孔位置位于四川省都江堰市虹口乡(位置见图1, 现场图见图2)。WFSD-1号孔钻探主要将穿过龙门山断裂带的映秀—北川断裂, 该断裂又称龙门山中央断裂, 是龙门山断裂带的 3条主要逆冲断裂之一, 处于以彭灌杂岩体和宝兴杂岩体为代表的前寒武纪变质杂岩地层与三叠系含煤系地层之间(许志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李勇等, 2009; 徐杰等, 2010)。

汶川科钻的主要研究内容之一是揭示汶川地震断裂带的深部物质组成、结构、产出和构造属性, 其中包括主要判断汶川地震所发生的主要滑移断裂,因为主断层是大地震发生的“杀手和祸根”, 是深化认识汶川地震所发生的应力环境, 深化认识地下流体在地震的孕育、发生、停止的过程中的作用, 检验和深化理解逆冲兼右行走滑性质地震断裂的发震机理的宝贵记录和实物见证(许志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等, 2008)。

2 WFSD-1现场流体实验室

WFSD-1号孔随钻实时流体分析实验室(见图3)距离钻孔约25 m。现场实时分析实验室通常需要与钻探施工技术人员进行充分沟通, 根据钻探平台和实验室距离进行恰当设计和建设, 进行钻探循环泥浆系统改造和钻探泥浆脱气系统安装, 保证钻探泥浆及时脱气和气体的密闭循环, 以尽量避免大气组分的加入, 确保钻探泥浆气体分析的准确性、实时性和稳定性(Luo et al., 2004; 罗立强等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010)。最后, 通过抗压耐热管把钻孔循环出来的钻探泥浆脱气引入到现场实验室进行实时分析。

随钻实时流体分析在WFSD-1号孔的实施过程中, 流体组分的异常出现的频率还是较多的, 这些由地震余震引起, 也有钻探岩心的原因等。在一号孔的主断层井段, 随钻流体组分不管在日均值变化,还是多组分最大、最小值方面都是其相邻井段中的最强烈变化的一段, 甚至可视为一号孔整个井段中变化最强烈井段(唐力君等, 2010; 温静, 2010)。

图2 WFSD-1号孔钻探现场Fig. 2 Drilling site of WFSD-1

3 WFSD-1主断层钻探及随钻流体组分响应

在WFSD-1孔钻探过程中, 共实施了2次侧钻,形成 3个钻探井段, 分别为 WFSD-1、WFSD-1-S1和WFSD-1-S2(张伟等, 2009a, b; 樊腊生等, 2009)。在WFSD-1孔的500～700 m井段中, 进行了多次钻探修改, 包括纠斜, 出现了多次各式各样的钻探事故, 特别是主断层井段中, 出现的钻探事故包括钻具与钻杆的脱节、遗留在钻孔中, 甚至出现了钻杆拉断, 表明了主断层的特殊性。这种情况导致了WFSD-1-S1在该断层中的结束, 而 WFSD-1-S2从583.07 m开始, 进行侧钻绕障之后, 顺利钻进。

同时, 作为钻探工程的重要组成, 目前对复杂的主断层井段, 钻探泥浆体系也需要做出相应改变(张伟等, 2009a, b; 樊腊生等, 2009; 李之军等,2009)。主断层井段的钻探泥浆体系除了要满足科学钻探对泥浆的基本要求之外, 还需要在高应力条件下保持钻孔内原有的压力平衡, 能降低钻杆和钻具与断层泥孔壁的摩擦阻力, 钻探过程中泥浆的失水量低, 以避免断层泥遇水膨胀。经过钻探泥浆体系的大量试验, 反复论证, 形成了具有高密度、低失水、低渗透、具有润滑减阻特点的钻探泥浆体系, 在WFSD-1孔的断层泥井段钻探过程中, 有效克服卡钻、缩径等钻探问题, 顺利完成断层泥井段取心钻进。

3.1 WFSD-1钻孔的主断层

图3 WFSD-1随钻实时流体分析实验室(a)及分析仪器(b)Fig. 3 Laboratory of real-time fluid analysis(a) and analytical instrument(b) of WFSD-1

龙门山断裂带的地下地层破碎, 这让科学钻探施工困难重重。因此, 为确保钻探施工顺利进行, 钻探工程技术人员(张伟等, 2009a, b; 樊腊生等, 2009)对断裂带地层取心钻进方法进行了多次完善改进,通过配制高效的断层泥井段的钻探泥浆体系, 采用半合管取心技术, 成功地解决了断层泥井段的钻探取心问题, 保持了高取心率, 获得原状性好的岩心。汶川科钻一号孔(WFSD-1)在钻探至井深为589 m时,遇到主断层, 主要为长达数米的断层泥。经过岩心样品编录和初步研究, 确定了该断层为汶川地震断裂带主断层。揭示出北川—映秀断裂带规模巨大,地层岩石类型丰富, 特别是断层泥的规模罕见, 这些发现为地震成因机制研究带来实质性的证据。

在 WFSD-1号孔中, 科学钻探提前遇到了断裂带的地下深部主断层, 这完全超出最初的科学设计判断, 因为地学研究人员从地表断层的倾角判断,WFSD-1号孔需要钻进到800 m时才能钻进到主断层, 但是在589 m的井段中就出现主断层。这种情况也再次表明, 地学研究需要突破地表、深入地下,在实际中, 地表与地下深部状况往往有较大差别,也进一步证实科学钻探的必要性和重要性, 不愧为深入地下、探索地球奥秘的“望远镜”。另外, 地学研究人员更多地从主断层深部和浅部井段的比较来判断主断层, 这需要更多的钻探岩心数据和时间,随钻实时流体分析作为实时分析技术, 其实时分析结果也在WFSD-1号孔的主断层中出现第一时间的响应, 主要是随钻流体实时分析的组分浓度出现异常的强度和组分种类急剧增加的特点, 与主断层井段变化趋势极其吻合。

3.2 随钻流体组分在主断层的响应

在 WFSD-1的主断裂上发现巨厚断层岩, 特别是厚度达20余米的断层泥, 世界罕见, 是青藏高原东缘龙门山隆升的最好记录和见证, 同时, 北川—映秀断层泥应该是多次强烈地震的结果, 对其准确研究是深入了解地震的关键。随钻实时流体分析作为最直接的分析方式, 有可能第一时间获得主断层的流体组分信息。

在 WFSD-1号孔的主断层上, 随钻流体出现大量异常, 主要表现在多组分同时异常、异常持续井段长, 并且异常强度大(见图 4), 其中, H2、He、CH4、Rn出现明显的高值正异常, N2、Ar出现低值正异常,而O2、CO2为明显的低值负异常。随钻流体组分的异常区间与主断层的区间一致(见图5), 均从586 m开始, 且随着断层泥的厚度而对应变化, 浅部断层泥较厚, 随钻流体组分异常持续时间较长、异常强度较大, 深部断层泥较薄, 相应的, 随钻流体组分异常持续时间较短、异常强度较小, 而在深、浅部断层泥之间, 所有随钻流体组分都归于正常情况,二者呈现一致的变化规律。在 WFSD-1-S1井段中,H2、He、CH4、Rn均为最高值异常, CO2为最低值异常, 也进一步证实了异常强度大, 并且随钻流体的各种组分中, 不论是正异常, 还是负异常, 均随着井深表现为“正常值—高值异常—正常值—低值异常—正常值”的响应规律。

图4 WFSD-1钻探泥浆气体中甲烷CH4在主断层上的剖面Fig. 4 Profile of drilling mud gas CH4 of main fracture zone of WFSD-1

从随钻流体组分的变化规律可判断出汶川地震断裂带的主断层位置: 第一, 在整个钻探井段中,只有主断层所在的井段引起的随钻流体组分异常最明显, 异常强度最大。第二, 钻探泥浆气体的异常起止井段与主断层的起止位置完全吻合, 其变化规律一致。第三, 钻探泥浆气体的异常表现为多组分异常, 多为正异常, 且为最高或最低值的极值异常。

4 结论

本文报道了龙门山断裂带中映秀—北川断裂的主断层的随钻流体组分响应特征, 获得龙门山断裂带科学钻探的主断层流体组分信息。该主断层引起的流体组分响应, 包括多组分同时异常, 且大部分组分的异常强度明显, 且为极值异常。

图5 WFSD-1钻探岩心岩性柱状图(500—700 m)(据李海兵等, 2009)Fig. 5 Lithology of drilling core WFSD-1(500–700 m)(after LI et al., 2009)

断裂带科学钻探的主要目标之一是发现主断层位置、厚度等, 从某种意义上说, 随钻流体实时分析有可能成为第一时间从地面上发现主断层的技术手段, 主断层引起的随钻流体组分异常表现为钻探泥浆气体组分异常的加大, 这异常包括其出现的频率和强度。

随钻实时流体组分对主断层的响应特征, 将有可能作为第一时间发现主断层的技术手段, 为科学钻探工程、取心钻进提供重要的实时数据支持, 以克服由于断层泥的特殊性而经常出现的钻探事故、取心率不理想等困难, 提高工程效率, 进一步获得更大的科学研究效果。

致谢:非常感谢中国地质科学院国家地质实验测试中心罗立强研究员、孙青研究员、詹秀春研究员对随钻实时流体分析工作的大力支持和可行性建议;感谢中国地质科学院国家地质实验测试中心汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)野外工作人员的工作和帮助; 感谢汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)地学部现场实验室和工程部在野外工作的帮助和提供的建设性意见; 感谢国家科技专项——汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)的课题 0008和课题0003第四专题的经费支持。

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Responding Features of Fluids during Drilling of the Main Fracture Zone in WFSD-1 Hole

TANG Li-jun1), WANG Guang1), WANG Jian1), WANG Xiao-chun1), LIU Shu-bo2), NIE Wu1)
1)National Research Center for Geoanalysis, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037;2)China University of Geosciences(Beijing), Beijing100083

The main goal of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project (WFSD) is to investigate the material property of deep fracture of Longmenshan fault zone. As the real-time monitoring means of fluids during drilling, the responding features of fluid components were obtained by the real-time fluid analysis for the first time,in which the anomalies of multi-components of fluids simultaneously appeared and the intensity of the anomaly was great. Through the lithologic comparison between the drilling core of the main fracture in WFSD-1 hole and the drilling profile of fluid components, the authors found that the range of fluid anomaly and that of the main fracture zone in drilling core are almost the same, and the anomaly intensity of the fluid positively varies with the thickness of fault gouge of the drilling hole. In addition, the multi-components of the fluid are extreme anomaly(maximum or minimum), showing the same responding result as the fault gouge in the main fracture zone. These responding features of drilling mud gas would be very helpful for the whole drilling project and the timely collection of drilling core.

book=96,ebook=160

scientific drilling; real-time fluid analysis; main fracture zone; responding feature

P542.3; P315.9; P315.2

A

10.3975/cagsb.2013.01.09

本文由国家科技专项“汶川地震断裂带科学钻探工程”课题0008和课题0003第四专题联合资助。

2012-06-11; 改回日期: 2012-07-16。责任编辑: 张改侠。

唐力君, 男, 1976年生。副研究员。主要从事现场流体地球化学分析。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。电话: 010-68999559。E-mail: tanglijun@cags.ac.cn。