汶川地震斷裂帶科學鉆探工程一號孔主斷層的隨鉆流體響應特征

唐力君, 王 廣, 王 健, 王曉春, 劉舒波, 聶 武

1)中國地質科學院國家地質實驗測試中心, 北京 100037;

2)中國地質大學(北京), 北京 100083

汶川地震斷裂帶科學鉆探工程一號孔主斷層的隨鉆流體響應特征

唐力君1), 王 廣1), 王 健1), 王曉春1), 劉舒波2), 聶 武1)

1)中國地質科學院國家地質實驗測試中心, 北京 100037;

2)中國地質大學(北京), 北京 100083

汶川地震斷裂帶科學鉆探工程(WFSD)的主要研究目的是探討龍門山斷裂帶深部斷裂的物質屬性。隨鉆實時流體分析作為井口流體實時監測手段, 首次獲得了龍門山斷裂帶隨鉆流體組分響應特征, 在一號孔(WFSD-1)主斷層上出現隨鉆流體多組分同時異常, 且異常強度大。通過比較 WFSD-1號孔主斷層的鉆探巖心巖性和隨鉆流體組分剖面, 認為隨鉆流體組分的異常區間與主斷層的區間保持一致, 表明流體異常與斷層的響應特征, 主斷層區間的流體異常為多組分的極值異常, 強度與斷層泥厚度成正比。這些鉆探泥漿氣體響應特征將為鉆探工程、取心鉆進提供第一時間支持。

科學鉆探; 隨鉆實時流體分析; 主斷層; 響應特征

科學鉆探是獲取地球深部物質、了解地球內部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。國際大陸科學鉆探計劃成立以來, 已經在許多領域取得了重要成果(許志琴, 2004; 許志琴等, 2005; 董樹文等,2009a; 蘇德辰等, 2010)。國內外, 美國、日本和臺灣已在地震活動斷裂帶實施了科學鉆探, 取得的經驗和研究成果值得借鑒(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時28分, 青藏高原東緣龍門山地區發生震驚世界的四川汶川地震(許志琴等,2008; Xu et al., 2008), 造成了巨大的人員傷亡和財產損失, 汶川地震引起的次生災害也極其嚴重。地震影響的范圍涉及10個省(區、市)的417個縣(市、區), 受災面積達 50×104km2(董樹文等, 2008,2009b; Xu et al., 2008; 龍鋒等, 2011)。為了提高地震災害的預報預警能力, 需開展新途徑的探索研究,其中一個重要的途徑就是實施斷裂帶的科學鉆探(許志琴等, 2008; 李海兵等, 2008; Xu et al., 2008;龍鋒等, 2011), 特別是在大地震發生后快速進行科學鉆探, 有可能獲取有關地震愈合和破裂周期、地震摩擦熱、流體作用、應力狀態等重要基礎數據。

“汶川地震斷裂帶科學鉆探”(WFSD)是以汶川大地震為研究對象的科學鉆探, 簡稱汶川科鉆(見圖1), 將要實施多口鉆探, 它的實施得到中外許多科學家支持, 是我國第一次圍繞大地震的主題進行的科學鉆探, 也是世界上回應大地震最快實施的科學鉆探(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等,2008)。

圖1 汶川地震斷裂帶科學鉆探WFSD-1鉆孔位置(據李海兵等, 2009)Fig. 1 WFSD-1 hole’s Location of Wenchuan Fault Scientific Drilling Project(after LI et al., 2009)

為了更好地完成汶川科鉆的研究目標, 將進行井口氣體、流體地球化學監測(羅立強等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010; 李迎春等, 2008), 探討斷裂帶流體地球化學作用過程, 為地震前兆關系與地下流體異常的相關性研究提供依據(曾令森等, 2005a,b; Becken et al., 2008; Wiersberg et al., 2007, 2008,2011; 溫靜, 2010)。汶川科鉆實施的隨鉆實時流體分析, 將在鉆探過程中全程分析鉆探泥漿中的 Ar、CH4、CO2、H2、He、N2、O2、Rn 等多種組分。地下流體是地殼中最活躍的物質, 最容易在鉆探過程中遷移, 隨鉆實時流體分析是對鉆探過程中攜帶到地面的地下流體進行分析檢測, 可以揭示鉆探泥漿氣體實時數據與地下流體之間的規律, 探討地下流體在地殼淺源地震中的作用規律(孫青等, 2005,2006; 李圣強等, 2005, 2006; 魏樂軍等, 2008; 溫靜,2010)。在汶川科鉆隨鉆實時流體分析中, 將具體探討汶川地震斷裂帶中隨鉆流體組分的表現形式及其與余震相關性(溫靜, 2010), 這將有助于弄清楚地下流體異常與地震前兆關系(Wiersberg et al., 2007;Italiano et al., 2010)。

1 WFSD-1鉆孔背景

汶川科鉆一號孔(WFSD-1), 已于2008年11月6日開鉆, 鉆孔位置位于四川省都江堰市虹口鄉(位置見圖1, 現場圖見圖2)。WFSD-1號孔鉆探主要將穿過龍門山斷裂帶的映秀—北川斷裂, 該斷裂又稱龍門山中央斷裂, 是龍門山斷裂帶的 3條主要逆沖斷裂之一, 處于以彭灌雜巖體和寶興雜巖體為代表的前寒武紀變質雜巖地層與三疊系含煤系地層之間(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李勇等, 2009; 徐杰等, 2010)。

汶川科鉆的主要研究內容之一是揭示汶川地震斷裂帶的深部物質組成、結構、產出和構造屬性, 其中包括主要判斷汶川地震所發生的主要滑移斷裂,因為主斷層是大地震發生的“殺手和禍根”, 是深化認識汶川地震所發生的應力環境, 深化認識地下流體在地震的孕育、發生、停止的過程中的作用, 檢驗和深化理解逆沖兼右行走滑性質地震斷裂的發震機理的寶貴記錄和實物見證(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等, 2008)。

2 WFSD-1現場流體實驗室

WFSD-1號孔隨鉆實時流體分析實驗室(見圖3)距離鉆孔約25 m。現場實時分析實驗室通常需要與鉆探施工技術人員進行充分溝通, 根據鉆探平臺和實驗室距離進行恰當設計和建設, 進行鉆探循環泥漿系統改造和鉆探泥漿脫氣系統安裝, 保證鉆探泥漿及時脫氣和氣體的密閉循環, 以盡量避免大氣組分的加入, 確保鉆探泥漿氣體分析的準確性、實時性和穩定性(Luo et al., 2004; 羅立強等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010)。最后, 通過抗壓耐熱管把鉆孔循環出來的鉆探泥漿脫氣引入到現場實驗室進行實時分析。

隨鉆實時流體分析在WFSD-1號孔的實施過程中, 流體組分的異常出現的頻率還是較多的, 這些由地震余震引起, 也有鉆探巖心的原因等。在一號孔的主斷層井段, 隨鉆流體組分不管在日均值變化,還是多組分最大、最小值方面都是其相鄰井段中的最強烈變化的一段, 甚至可視為一號孔整個井段中變化最強烈井段(唐力君等, 2010; 溫靜, 2010)。

圖2 WFSD-1號孔鉆探現場Fig. 2 Drilling site of WFSD-1

3 WFSD-1主斷層鉆探及隨鉆流體組分響應

在WFSD-1孔鉆探過程中, 共實施了2次側鉆,形成 3個鉆探井段, 分別為 WFSD-1、WFSD-1-S1和WFSD-1-S2(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009)。在WFSD-1孔的500～700 m井段中, 進行了多次鉆探修改, 包括糾斜, 出現了多次各式各樣的鉆探事故, 特別是主斷層井段中, 出現的鉆探事故包括鉆具與鉆桿的脫節、遺留在鉆孔中, 甚至出現了鉆桿拉斷, 表明了主斷層的特殊性。這種情況導致了WFSD-1-S1在該斷層中的結束, 而 WFSD-1-S2從583.07 m開始, 進行側鉆繞障之后, 順利鉆進。

同時, 作為鉆探工程的重要組成, 目前對復雜的主斷層井段, 鉆探泥漿體系也需要做出相應改變(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009; 李之軍等,2009)。主斷層井段的鉆探泥漿體系除了要滿足科學鉆探對泥漿的基本要求之外, 還需要在高應力條件下保持鉆孔內原有的壓力平衡, 能降低鉆桿和鉆具與斷層泥孔壁的摩擦阻力, 鉆探過程中泥漿的失水量低, 以避免斷層泥遇水膨脹。經過鉆探泥漿體系的大量試驗, 反復論證, 形成了具有高密度、低失水、低滲透、具有潤滑減阻特點的鉆探泥漿體系, 在WFSD-1孔的斷層泥井段鉆探過程中, 有效克服卡鉆、縮徑等鉆探問題, 順利完成斷層泥井段取心鉆進。

3.1 WFSD-1鉆孔的主斷層

圖3 WFSD-1隨鉆實時流體分析實驗室(a)及分析儀器(b)Fig. 3 Laboratory of real-time fluid analysis(a) and analytical instrument(b) of WFSD-1

龍門山斷裂帶的地下地層破碎, 這讓科學鉆探施工困難重重。因此, 為確保鉆探施工順利進行, 鉆探工程技術人員(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009)對斷裂帶地層取心鉆進方法進行了多次完善改進,通過配制高效的斷層泥井段的鉆探泥漿體系, 采用半合管取心技術, 成功地解決了斷層泥井段的鉆探取心問題, 保持了高取心率, 獲得原狀性好的巖心。汶川科鉆一號孔(WFSD-1)在鉆探至井深為589 m時,遇到主斷層, 主要為長達數米的斷層泥。經過巖心樣品編錄和初步研究, 確定了該斷層為汶川地震斷裂帶主斷層。揭示出北川—映秀斷裂帶規模巨大,地層巖石類型豐富, 特別是斷層泥的規模罕見, 這些發現為地震成因機制研究帶來實質性的證據。

在 WFSD-1號孔中, 科學鉆探提前遇到了斷裂帶的地下深部主斷層, 這完全超出最初的科學設計判斷, 因為地學研究人員從地表斷層的傾角判斷,WFSD-1號孔需要鉆進到800 m時才能鉆進到主斷層, 但是在589 m的井段中就出現主斷層。這種情況也再次表明, 地學研究需要突破地表、深入地下,在實際中, 地表與地下深部狀況往往有較大差別,也進一步證實科學鉆探的必要性和重要性, 不愧為深入地下、探索地球奧秘的“望遠鏡”。另外, 地學研究人員更多地從主斷層深部和淺部井段的比較來判斷主斷層, 這需要更多的鉆探巖心數據和時間,隨鉆實時流體分析作為實時分析技術, 其實時分析結果也在WFSD-1號孔的主斷層中出現第一時間的響應, 主要是隨鉆流體實時分析的組分濃度出現異常的強度和組分種類急劇增加的特點, 與主斷層井段變化趨勢極其吻合。

3.2 隨鉆流體組分在主斷層的響應

在 WFSD-1的主斷裂上發現巨厚斷層巖, 特別是厚度達20余米的斷層泥, 世界罕見, 是青藏高原東緣龍門山隆升的最好記錄和見證, 同時, 北川—映秀斷層泥應該是多次強烈地震的結果, 對其準確研究是深入了解地震的關鍵。隨鉆實時流體分析作為最直接的分析方式, 有可能第一時間獲得主斷層的流體組分信息。

在 WFSD-1號孔的主斷層上, 隨鉆流體出現大量異常, 主要表現在多組分同時異常、異常持續井段長, 并且異常強度大(見圖 4), 其中, H2、He、CH4、Rn出現明顯的高值正異常, N2、Ar出現低值正異常,而O2、CO2為明顯的低值負異常。隨鉆流體組分的異常區間與主斷層的區間一致(見圖5), 均從586 m開始, 且隨著斷層泥的厚度而對應變化, 淺部斷層泥較厚, 隨鉆流體組分異常持續時間較長、異常強度較大, 深部斷層泥較薄, 相應的, 隨鉆流體組分異常持續時間較短、異常強度較小, 而在深、淺部斷層泥之間, 所有隨鉆流體組分都歸于正常情況,二者呈現一致的變化規律。在 WFSD-1-S1井段中,H2、He、CH4、Rn均為最高值異常, CO2為最低值異常, 也進一步證實了異常強度大, 并且隨鉆流體的各種組分中, 不論是正異常, 還是負異常, 均隨著井深表現為“正常值—高值異常—正常值—低值異常—正常值”的響應規律。

圖4 WFSD-1鉆探泥漿氣體中甲烷CH4在主斷層上的剖面Fig. 4 Profile of drilling mud gas CH4 of main fracture zone of WFSD-1

從隨鉆流體組分的變化規律可判斷出汶川地震斷裂帶的主斷層位置: 第一, 在整個鉆探井段中,只有主斷層所在的井段引起的隨鉆流體組分異常最明顯, 異常強度最大。第二, 鉆探泥漿氣體的異常起止井段與主斷層的起止位置完全吻合, 其變化規律一致。第三, 鉆探泥漿氣體的異常表現為多組分異常, 多為正異常, 且為最高或最低值的極值異常。

4 結論

本文報道了龍門山斷裂帶中映秀—北川斷裂的主斷層的隨鉆流體組分響應特征, 獲得龍門山斷裂帶科學鉆探的主斷層流體組分信息。該主斷層引起的流體組分響應, 包括多組分同時異常, 且大部分組分的異常強度明顯, 且為極值異常。

圖5 WFSD-1鉆探巖心巖性柱狀圖(500—700 m)(據李海兵等, 2009)Fig. 5 Lithology of drilling core WFSD-1(500–700 m)(after LI et al., 2009)

斷裂帶科學鉆探的主要目標之一是發現主斷層位置、厚度等, 從某種意義上說, 隨鉆流體實時分析有可能成為第一時間從地面上發現主斷層的技術手段, 主斷層引起的隨鉆流體組分異常表現為鉆探泥漿氣體組分異常的加大, 這異常包括其出現的頻率和強度。

隨鉆實時流體組分對主斷層的響應特征, 將有可能作為第一時間發現主斷層的技術手段, 為科學鉆探工程、取心鉆進提供重要的實時數據支持, 以克服由于斷層泥的特殊性而經常出現的鉆探事故、取心率不理想等困難, 提高工程效率, 進一步獲得更大的科學研究效果。

致謝:非常感謝中國地質科學院國家地質實驗測試中心羅立強研究員、孫青研究員、詹秀春研究員對隨鉆實時流體分析工作的大力支持和可行性建議;感謝中國地質科學院國家地質實驗測試中心汶川地震斷裂帶科學鉆探工程(WFSD)野外工作人員的工作和幫助; 感謝汶川地震斷裂帶科學鉆探工程(WFSD)地學部現場實驗室和工程部在野外工作的幫助和提供的建設性意見; 感謝國家科技專項——汶川地震斷裂帶科學鉆探工程(WFSD)的課題 0008和課題0003第四專題的經費支持。

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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

本文由國家科技專項“汶川地震斷裂帶科學鉆探工程”課題0008和課題0003第四專題聯合資助。

2012-06-11; 改回日期: 2012-07-16。責任編輯: 張改俠。

唐力君, 男, 1976年生。副研究員。主要從事現場流體地球化學分析。通訊地址: 100037, 北京市西城區百萬莊大街26號。電話: 010-68999559。E-mail: tanglijun@cags.ac.cn。