地質(zhì)巖心鉆探深孔套管脫落事故的處理

陳兵　徐海洋　張峰　馬小平（湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，湖北襄陽(yáng)　441000）

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地質(zhì)巖心鉆探深孔套管脫落事故的處理

陳兵徐海洋張峰馬小平
（湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，湖北襄陽(yáng)441000）

【摘 要】在深孔復(fù)雜地層中施工常采用多層套管工藝，由于套管絲扣退刀槽處的厚度很薄，又無(wú)探傷工具，在提下套管過(guò)程中，極易造成惡性套管事故，處理不當(dāng)容易造成鉆孔報(bào)廢。在發(fā)生事故后，根據(jù)套管及孔壁情況分析套管損壞的原因及形式，設(shè)計(jì)不同的施工處理工具及制定相應(yīng)的事故處理工藝方法，可成功處理套管事故，使鉆孔順利完工，避免鉆孔報(bào)廢的重大損失。

【關(guān)鍵詞】套管事故套管損壞分析孔壁情況事故處理工具事故處理工藝方法。

1　前言

湖北省?？悼h油山勘探區(qū)ZK201孔為保康白竹磷礦外圍深部找礦項(xiàng)目，鉆孔孔位海拔1800余米，原設(shè)計(jì)孔深1200米，后根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整為1645米。由于受白竹磷礦開(kāi)采的影響，周邊地表水十分缺乏，鉆孔隨鉆漏失，600米以上基本上為干孔，頂漏鉆進(jìn)。供水點(diǎn)離鉆孔直線(xiàn)距離約4000米，高差約800米，設(shè)置了3道泵供水，鉆探生活、生產(chǎn)用水均十分困難。

1.1礦區(qū)地質(zhì)情況

鉆孔由寒武系中段覃家廟組開(kāi)孔，分別穿過(guò)寒武系中段泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖夾頁(yè)巖，寒武系下段白云巖，震旦系燈影組白云巖和硅質(zhì)條帶白云巖，陡山沱組炭質(zhì)頁(yè)巖、白云巖及磷灰?guī)r，目的層為白云巖及磷灰?guī)r。礦區(qū)由于受長(zhǎng)期礦山開(kāi)采影響，地下穩(wěn)定水位約610米，上部裂隙發(fā)育，漏失嚴(yán)重，鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)隨鉆漏失，鉆孔為干孔，無(wú)法測(cè)到水位。

1.2事故發(fā)生前施工情況

該鉆孔為湖北省地調(diào)院下達(dá)的省基金項(xiàng)目，設(shè)計(jì)孔深1200米。2011年兩次均施工至460米左右發(fā)生埋鉆事故而移孔。2012重新制訂施工方案，于4月13日開(kāi)孔，8月23日施工至1068米（中途缺水停待2個(gè)月），因地層變化較大，按省基金中心要求，停工等待更改設(shè)計(jì)方案，2012年9月16日接通知鉆孔加深至1645米，由于地質(zhì)設(shè)計(jì)的變更，不得不重新更換設(shè)備，由原來(lái)的XY-44鉆機(jī)改為XY-6B型鉆機(jī)，同時(shí)配備全套CNH繩索鉆桿，在施工工藝上也作了調(diào)整，于2012年10月1日重新開(kāi)鉆，11月18日擴(kuò)孔施工至1258米。

2　事故情況

2.1事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

2010年11月10日，施工至1200.58米時(shí)遇一小型斷層，孔內(nèi)水位由480米陡然降到610米，鉆孔在510米—530米孔段暴露為裸眼，水位下降后，孔壁失出壓力平衡，時(shí)常發(fā)生坍塌、掉塊，導(dǎo)致此孔段超徑嚴(yán)重而折斷鉆桿，且數(shù)次處理斷鉆桿后時(shí)，錐子超過(guò)鉆桿頭部，給下部施工造成了重大孔內(nèi)事故隱患，被迫提起原下于492米處的Ф89套管，用Ф91口徑導(dǎo)向鉆具擴(kuò)孔至556米完整的白云巖孔段，準(zhǔn)備下入556.5米Ф89套管以隔離、封閉510至530米易坍孔段。原來(lái)鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，更改后的鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，最后終孔的鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2012年11月24日下套管至442米時(shí)，由于上部套管接箍公扣根部斷裂造成套管脫落，上提上部套管發(fā)現(xiàn)327.23米處套管折斷、錯(cuò)開(kāi)，上部套管劈開(kāi)插入下部套管2.38米至329.61米，下部剩余孔內(nèi)套管228.77米，按計(jì)算套管底部深度超過(guò)原擴(kuò)孔底部556.5米處8.20米。

2.2對(duì)事故情況的基本分析

對(duì)套管沖擊力的基本分析：

（1）套管的重量：

N=mg=8.93kg/m×442m×9.8=38681.19KN

（2）套管墜落的距離：

h=556.5m-442m=114.5m

（3）按自由落體產(chǎn)生的沖擊力：

F=mgh=38681.19×114.5

= 4428996.26KN.M

m：物體質(zhì)量

g：重力加速度

h： 墜落的距離

Zk201孔的套管在墜落時(shí)，瞬間產(chǎn)生了4428996.26KN.M巨大的沖擊力，將89mm的套管切入77mm的鉆孔內(nèi)，我們對(duì)下部套管可能的損壞情況進(jìn)行分析。

圖1　原設(shè)計(jì)

圖2　修改后設(shè)計(jì)

圖3　終孔結(jié)構(gòu)

圖4　套管在大肚子處彎曲折斷

圖5　上下套管插入

圖6　套管接箍鉆入套管內(nèi)

2.3套管墜落后在孔內(nèi)的幾種形態(tài)

在干孔中套管脫落近似于自由落體，從上式計(jì)算可以看出它所產(chǎn)生的巨大的沖擊力。下墜時(shí)套管與孔壁產(chǎn)生的摩擦力要抵消一部分沖擊力，套管是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)比較大的彈性體，在墜落時(shí)，直徑89mm、厚5.5mm套管底部插入77mm鉆孔出現(xiàn)減速-停止過(guò)程，由于慣性作用套管要承受著向下的沖擊力，套管絲扣的連接處將出現(xiàn)破壞，迫使它向徑向的自由空間擴(kuò)展，在各個(gè)不同的薄弱點(diǎn)產(chǎn)生不同的損壞形式，而當(dāng)徑向空間受到限制時(shí)，它就會(huì)在軸向上尋求應(yīng)力的平衡，這都導(dǎo)致了套管的損壞變形，通過(guò)分析和其他鉆孔的經(jīng)驗(yàn)，一般出現(xiàn)下列幾種情況：

（1）當(dāng)孔壁比較大時(shí)，套管在大肚子處產(chǎn)生膨脹、彎曲、折斷。見(jiàn)圖4。（2）上、下套管頭錯(cuò)位，上套管將下套管劈開(kāi)，或者上下套管都劈開(kāi)，上套管按軸向直接插入下套管。見(jiàn)圖5。（3）上套管接公扣鉆入母扣， 上套管外徑變小，下套管被脹大，使同徑套管變成“雙層”。見(jiàn)圖6。（4）89mm套管鉆入77mm鉆孔內(nèi)。

2.4對(duì)孔內(nèi)套管損壞情況的基本預(yù)計(jì)

（1）該孔地層情況除326.8m-329.3m、510m-530m兩個(gè)孔段以外基本穩(wěn)定，其他不穩(wěn)定孔段均進(jìn)行過(guò)投水泥球加固，加以使用繩索取心滿(mǎn)眼鉆進(jìn)，鉆孔直徑相對(duì)變化不大，也就是說(shuō)除個(gè)別孔段以外，套管不會(huì)有太大的變形。事故處理的重點(diǎn)在326.8m-329.3m、510m-530m處，初步判斷兩處套管損壞較嚴(yán)重。（2）鉆孔的孔斜不大，減少了處理事故中套管發(fā)生徑向錯(cuò)位的機(jī)會(huì)。（3）89mm套管仍然具有一定的剛性，不會(huì)產(chǎn)生全孔套管過(guò)度破壞。（4）在327.23米處套管就已劈開(kāi)插入下部2.3m，下部套管損壞情況還有待在處理中謹(jǐn)慎對(duì)待。（5）所有套管經(jīng)過(guò)墜落沖擊，套管與孔壁已經(jīng)相對(duì)“膨脹擠死”，沒(méi)有特大的外力是很難將套管位移，也就是說(shuō)沒(méi)有可以自由活動(dòng)和位移的事故套管，這也給下一步處理提供了有利條件。

2.5可能產(chǎn)生的次生事故

（1）用77mm的鉆具修復(fù)內(nèi)徑78mm的89mm 的套管，兩邊的間隙僅有0.5mm，稍有不慎就可能發(fā)生事故套管與鉆具擠夾事故，導(dǎo)致前功盡棄。（2）處理套管中，肯定會(huì)產(chǎn)生一定的鐵屑、鐵塊、鐵粉，這對(duì)孔內(nèi)的安全生產(chǎn)構(gòu)成一定的威脅，因此必須采用分段處理法，在事故套管內(nèi)放入柔性塞子，每處理一段采用強(qiáng)力磁鐵清理一段。（3）在套掃套管中，在套管中開(kāi)天窗后，容易偏離原鉆孔，出現(xiàn)新孔。在充分分析了有利和不利因素后，為了挽回?fù)p失，決定進(jìn)行下部處理，并且研究了處理方案。

3　事故處理

3.1事故處理原則

因?yàn)樘幚硎鹿孰y度大，成立了以探礦隊(duì)長(zhǎng)為首的事故處理小組，處理過(guò)程中必須遵守從淺入深，逐步穩(wěn)步推進(jìn)，不留隱患的事故處理模式。

（1）擠：如上下套管位置錯(cuò)開(kāi)不大，用錐型“炮彈”鉆頭反復(fù)修復(fù)下部套管口，引導(dǎo)鉆具進(jìn)入下部套管。（2）劈：如套管下部彎曲，則采用平底鉆頭劈開(kāi)下部套管，視被劈套管情況，采用磨、切、封等方案處理。（3）鉆：如下部套管相互鉆入，則可采用導(dǎo)向切鐵鉆頭強(qiáng)行切入。（4）磨：下部Ф89mm套管鉆入Ф77mm孔內(nèi)，類(lèi)似鋼材冷拔造成的套管變形，可用導(dǎo)向鉆頭磨削。

3.2事故處理注意事項(xiàng)

（1）所有下入孔內(nèi)的套管、鉆桿、鉆具、鉆頭必須絲扣良好，機(jī)械性能牢靠，以免發(fā)生次生事故。（2）不經(jīng)事故處理小組同意不得私自變更方案，不得自行其事。（3）機(jī)臺(tái)必須準(zhǔn)確及時(shí)向事故處理小組匯報(bào)孔內(nèi)事故情況。（4）事故處理小組到工地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析處理孔內(nèi)事故。（5）孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)商討下步的事故處理方案。

3.3事故處理的過(guò)程

3.3.1330米以上孔段處理

因?yàn)樵?27.23m以下，有2.3m套管被嚴(yán)重破壞，在327.23m以上下入89mm套管，必須與330m的下部套管對(duì)接，而且兩節(jié)套管必須在同一軸線(xiàn)上，才能保證77mm鉆具在此處暢通無(wú)阻，這是處理下部事故套管的關(guān)鍵一步。

（1）326.8m-329.3m孔段為泥質(zhì)白云巖，原巖呈可塑狀，孔壁在鉆孔時(shí)已產(chǎn)生超徑，該孔段漏失嚴(yán)重。（2）因327.23m以上套管已提出，鉆孔為干孔，長(zhǎng)時(shí)間孔壁裸露，可能會(huì)造成掉塊、坍塌等事故隱患。因此327.mm米以上孔段需下入Ф89mm套管護(hù)壁，以免發(fā)生埋鉆等次生事故。（3）在330米下入柔性塞子架橋，投入水泥球【3米距離共投入水泥7包，350公斤】，待凝24小時(shí)后灌入15米水泥漿，將套管插入水泥漿內(nèi)固定，以支撐上部327米以上Ф89mm套管。（4）固定好Ф 89mm套管以后，從Ф89mm套管中下入導(dǎo)向性能良好Ф77mm重索繩索取心鉆具掏孔至329米，鉆進(jìn)中必須輕壓、慢轉(zhuǎn)，以防鉆孔偏斜。（5）至329米后換Ф77mm變Ф56mm導(dǎo)向鉆具，鉆進(jìn)至330米下部套管中，找到下部套管口。（6）換用Ф77mm鉆具：上部接一根Ф50正絲鉆桿，下部帶Ф77mm 錐型鉆頭，擴(kuò)孔至下部Ф89套管中。（7）用Ф 77mm錐型鉆頭，來(lái)回修復(fù)327米—330米孔段孔壁，直至繩索鉆具能順利穿過(guò)上部Ф89套管進(jìn)入下部套管中。

3.3.2中部89mm套管內(nèi)處理

（1）穿過(guò)330米頭部后用Ф77鉆具探孔，每一個(gè)頭部遇阻時(shí)，先“照像”，分析下部事故頭部類(lèi)型，按制定的處理方案處理。（2）在處理一個(gè)節(jié)點(diǎn)以后，一般情況下使用錐型鉆頭繼續(xù)下探，因?yàn)樗粫?huì)破壞下部套管頭，很多情況都是在接頭處遇阻，這是因?yàn)榻宇^在沖擊力的作用下，鉆入下部套管內(nèi)而使內(nèi)徑變小，只需用錐型鉆頭稍微修復(fù)即可通過(guò)。

3.3.3510m-530m孔段處理

510m-530m孔段地層較破碎，預(yù)計(jì)套管破損嚴(yán)重。

（1）先采用用Ф77mm錐型鉆頭慢掃，遇憋車(chē)時(shí)降低壓力，反復(fù)修復(fù)套管壁。（2）Ф77mm錐型鉆頭無(wú)法進(jìn)尺，換用切鐵鉆頭，切除破損套管，再換用錐型鉆頭修復(fù)套管壁。（3）嚴(yán)格分段，及時(shí)清除孔內(nèi)鐵屑、鐵塊、鐵粉。

3.4556.5米以下孔段

該孔段僅可穿過(guò)56mm鉆具，采用前部帶56mm 導(dǎo)向的77mm金剛石鉆具，高轉(zhuǎn)速、低壓力鉆進(jìn)，至564.2米處時(shí)，鉆具鉆穿套管，進(jìn)入完整孔段。

4　結(jié)語(yǔ)

此次事故套管在干孔中脫落巨大的沖擊力，造成89mm套管鉆入77mm鉆孔內(nèi)7.7米，442米套管縮短0.5米。由于我們對(duì)套管事故進(jìn)行了深入分析，所有出現(xiàn)的異常情況都在我們的掌控之中，都有措施辦法應(yīng)對(duì)。在處理330m下部套管中，每班細(xì)心操作，技術(shù)人員跟班，及時(shí)掌握孔內(nèi)情況，未發(fā)生一次次生事故，僅用了30個(gè)工作日，就恢復(fù)了生產(chǎn)，挽回了即將報(bào)廢的鉆孔，順利地在1699.79m終孔。

在全漏失鉆孔中，因套管脫落事故造成80%鉆孔報(bào)廢，損失巨大。通過(guò)ZK201孔套管事故的處理，為以后類(lèi)似鉆孔事故的處理摸索了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］練章華.地應(yīng)力與套管損壞機(jī)理［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2009.

［2］劉躍進(jìn).巖心鉆探設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007，34（1）:39-43.

［3］張偉.關(guān)于我國(guó)地質(zhì)巖心鉆機(jī)發(fā)展方向的分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（8）:1-5.