空氣潛孔錘鉆進典型事故原因分析及處理措施

宋繼偉， 趙華宣， 蘇 寧， 李奇龍

(1.貴州省地質礦產勘查開發(fā)局112地質大隊，貴州 安順 561000； 2.貴州省地質礦產勘查開發(fā)局114地質大隊，貴州 遵義 563000； 3.貴州省地質礦產勘查開發(fā)局，貴州 貴陽 550008)

0 引言

貴州省地質礦產勘查開發(fā)局自2014年開始實施局地質科研項目“貴州省地熱深井鉆探技術攻關”，并以此為基礎2015年申報并獲取貴州省社會發(fā)展科技攻關項目“貴州復雜地層深井鉆探工藝應用研究”，主要研究螺桿鉆進技術、空氣潛孔錘鉆進技術、多工藝轉換接力鉆進技術、鉆井液技術四大核心內容，最終形成了一套適合貴州省地質條件地熱深井鉆探施工并能顯著提高鉆井效率和經濟效益的組合工藝技術體系。

其中“空氣潛孔錘鉆進技術”研究部分，共在8口地熱井不同巖性地層進行了空氣潛孔錘鉆進試驗，井徑216～406 mm，最大試驗深度1507.21 m(帶增壓機)、1029.31 m(不帶增壓機)，總試驗進尺4211.12 m。試驗結果顯示：地熱深井采用空氣潛孔錘鉆進，機械鉆速高，可大幅提高鉆進效率、縮短施工周期、降低鉆井成本。試驗過程中，因地層復雜、設備機具配置不合理、操作技術不當，導致鉆進工藝不適宜等原因，出現(xiàn)排屑效果不佳、井壁泥環(huán)、潛孔錘堵卡不工作、錘頭異常損壞、掉塊卡鉆、垮塌埋鉆等，嚴重影響鉆進效率以及出現(xiàn)井內異常情況。經過分析研究，形成了避免和解決上述難題的技術措施。

1 錘頭斷裂

錘頭斷裂是空氣潛孔錘鉆進中的不正?，F(xiàn)象，試驗中共發(fā)生了5次錘頭異常斷裂事故(見表1)，斷裂率為使用16個錘頭的25%。錘頭斷裂后將無法繼續(xù)鉆進，嚴重影響了鉆進效益，無形中增加了施工成本。

表1 空氣潛孔錘鉆進試驗錘頭斷裂數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.1 原因分析

錘頭斷裂位置多發(fā)生在錘頸處，即錘頭花鍵上端變徑部位，見圖1。經分析引發(fā)錘頭斷裂常見原因為：

圖1 新錘頭與斷裂錘頭對比

(1)錘頭體本身質量不佳、應力集中、耐疲勞性、抗剪強度較低。從表1數(shù)據(jù)分析，5個錘頭鉆進時間都不長、進尺較少、鉆壓也不大，其主要因素是錘頭質量問題。

(2)鉆壓過大導致鉆具彎曲及振動大，或地層軟硬不均導致錘頭工作不平穩(wěn)，錘頭所受扭矩持續(xù)的高頻率變化，在多次交變沖擊力和交變剪切應力的作用下錘頭產生疲勞破壞而斷裂[1-4]。

1.2 預防和處理措施

(1)選用質量好的生產廠家，以減少因錘頭質量而發(fā)生孔內事故。此外，為保證孔內安全必須對錘頭質量嚴格檢查，有條件最好使用探傷儀檢查錘頭是否存在微裂紋和氣孔，嚴防有損傷的錘頭入井。

(2)進入松散、溶蝕裂隙帶、破碎帶及軟硬不均地層，提前調整鉆進參數(shù)。

(3)地層情況不明時，先用小鉆壓鉆進，然后再緩慢加壓，使得鉆進均勻平穩(wěn)，避免用大鉆壓和高轉速鉆進。

(4)鉆遇較軟巖層時，應降低鉆壓，以防硬質合金齒吃入巖層過深，導致錘頭所受扭矩瞬間增大。

(5)盡可能選用帶防脫套的潛孔錘，以防錘頭斷裂時掉入井內。

(6)如若錘頭斷裂落入井底，應及時進行打撈。

2 錘齒折斷

空氣潛孔錘正常鉆進過程中錘頭齒磨損較小，大部分錘頭齒損壞是因異常崩斷，尤其位于錘頭最外緣的齒最易崩斷(如圖2所示)，當出現(xiàn)此種情況時鉆進效率顯著降低甚至無進尺。

圖2 錘齒崩斷

2.1 原因分析

造成錘頭柱齒異常崩斷的主要原因大致分為地層、鉆進技術參數(shù)和操作方法3個方面。

(1)地層因素。松軟、松散、溶蝕裂隙發(fā)育、斷層破碎帶、軟硬不均，鉆頭井底工作不平穩(wěn)，憋跳較嚴重，局部柱齒瞬間受剪切力過大及受力不均衡而易造成崩齒[5-6]。

(2)鉆進技術參數(shù)。造成柱齒崩斷的鉆進技術參數(shù)是鉆壓和轉速。鉆壓的主要作用是保證錘頭齒與井底巖石緊密接觸，在裂隙及軟硬不均巖層鉆進時，由于硬質合金齒吃入巖層不同，回轉阻力增大，鉆進速度不均勻，硬質合金齒所受扭矩和剪切力間歇性增大而造成斷齒、崩齒[7-8]。

(3)操作不當。下鉆過猛、蹾鉆崩斷硬質合金齒；加壓過猛、送鉆不均勻、遇裂隙時未能及時減少鉆壓、降低轉速，使錘頭工作不平穩(wěn)造成崩齒。

2.2 技術措施

(1)提前調整鉆進技術參數(shù)。當鉆遇松散、溶蝕裂隙帶、破碎帶及其它不利地層時，要作好預測，提前調整好鉆進技術參數(shù)。

(2)小鉆壓試。地層情況不明時，先用小鉆壓鉆進，而后再逐漸加壓，不允許使用大鉆壓和高轉速鉆進，以免出現(xiàn)孔內異常。

(3)小鉆壓、低轉速。遇松散、裂隙帶較多的層位，應及時提鉆和調整鉆壓、轉速；檢查錘頭是否斷齒，若發(fā)現(xiàn)有斷齒及時撈取，防止造成更嚴重的硬質合金齒崩斷。

(4)均勻給壓。嚴格按照潛孔錘鉆進操作規(guī)程，給壓過程應緩慢，鉆進應均勻平穩(wěn)。

(5)選擇適宜錘頭。鉆進破碎裂隙帶以及巖性多變巖層，宜選用平底型錘頭鉆進，有利于錘頭工作更加平穩(wěn)，合金齒受力均衡。

3 潛孔錘堵塞

潛孔錘堵塞是指潛孔錘使用過程中異物進入，導致潛孔錘不能正常工作，這是潛孔錘鉆進過程中常見故障。輕微堵塞會出現(xiàn)通風不暢、工作不正常、鉆進效率降低，嚴重堵塞時送不進風、使得風壓升高和潛孔錘不工作。一般分為落物堵塞和井底竄屑堵塞[9-10]。

3.1 落物堵塞潛孔錘原因及解決措施

3.1.1 原因分析

落物堵塞是由于入井鉆具及地面管路不清潔、內壁有附著物，尤其新鉆桿內壁的鐵銹、微小雜物，在壓縮空氣作用下脫落至潛孔錘上端堵塞風道，致送風不暢或不過風。例如貴安CK1井開始采用空氣潛孔錘鉆進時，就是選用了一批原地熱井存放的?89 mm鉆桿，雖然加桿時進行了簡單敲擊處理后才下鉆，但鉆進過程中在壓縮空氣的高速沖刷、鉆柱震動作用下，鉆桿內壁未清除的鐵銹屑(巖屑)脫落聚集在潛孔錘逆止閥上端，堵塞通道使空壓機氣壓異常升高，潛孔錘無法工作，如圖3所示。

圖3 落物堵塞潛孔錘示意圖

3.1.2 解決措施

(1)首先對地面空氣管路清理，尤其對閘閥及管路彎頭難以清洗處盡可能拆開清理。一定要確保無異物。

(2)在下鉆前對孔內鉆具內壁進行徹底清洗，使鉆具內壁保證干凈入井。

3.2 巖粉倒吸堵塞潛孔錘原因及解決措施

3.2.1 原因分析

倒吸堵塞潛孔錘一般發(fā)生在井內余屑較多、特別呈“稠糊狀”條件時，由于操作不當、下鉆時插入“稠糊狀”，當潛孔錘逆止閥密封不好、循環(huán)通道內外壓差大，井底巖粉從潛孔錘配合間隙倒吸而為，如圖4所示。

3.2.2 解決措施

(1)下鉆前仔細檢查潛孔錘逆止閥、更換已損壞零件。

(2)認真檢查活塞和內(外)缸、活塞和配氣閥的間隙及密封性能是否完好、更換已損壞零件。

(3)嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，避免因操作不當致巖粉倒吸堵塞。

(4)采用合理的鉆具組合，可在鉆具150～200 m處加接浮閥接頭，以克服循環(huán)通道壓差作用下產生的巖粉倒吸。

圖4 巖粉倒吸堵塞潛孔錘

(5)在送風不暢時，立即上下大幅度活動鉆具，無效后應立即起鉆檢查。

4 潛孔錘阻卡

使用過程中出現(xiàn)潛孔錘阻卡多為較大粒徑異物進入卡在零部件上，使得零部件運動遇阻而不能正常工作。若輕微阻卡會增大零部件磨損、影響潛孔錘正常工作和降低鉆進效率，嚴重阻卡會導致零部件不運動、風壓異常升高和潛孔錘不工作。同樣從性質上分為落物阻卡和井底竄屑阻卡[11]。

4.1 落物阻卡潛孔錘原因及解決措施

4.1.1 原因分析

落物阻卡也是因入井鉆具及地面管路不清潔、內壁有較大的粒徑附著物(水泥固結時水泥塊、巖屑等)、鉆桿內落入其它大粒徑雜物至潛孔錘上端卡在逆止閥部位，致逆止閥不能快速復位。例如貴安CK1井鉆進時曾發(fā)生過2次水泥塊阻卡：主要原因是入井的?89 mm鉆桿在地熱井水泥固井后未及時清理干凈所為。如圖5所示。

4.1.2 解決措施

潛孔錘阻卡多因落物和巖屑倒吸引起，一旦發(fā)生解卡可能性很小，就需要立即起鉆拆卸潛孔錘進行清理修復工作。

(1)認真檢查、清洗入井鉆具，確保鉆具內壁無雜物。

(2)定期檢查潛孔錘逆止閥密封性和彈簧復位性能，對易損部件及時更換。

(3)仔細檢查潛孔錘各部件(磨損情況、配合間隙、有無變形、毛刺等)。

圖5 水泥塊卡潛孔錘

(4)采用專門注油器，保證潛孔錘工作時正常潤滑。

(5)每次加接鉆桿前必須充分排渣。

(6)對用于水泥固井的鉆桿要嚴格清洗并進行標識，盡量不用此類鉆桿，若要使用時采用嚴格的清洗檢查措施，以保證施工順利進行。

4.2 巖屑倒吸阻卡潛孔錘原因及解決措施

4.2.1 原因分析

巖屑倒吸阻卡潛孔錘是鉆具內外壓力不平衡，在內外壓力差的作用下井底未徹底排凈的巖屑進入潛孔錘內，將活塞、錘頭花鍵卡死或排氣通道堵塞，見圖6、圖7所示。尤其是井內涌水時，鉆具內外形成較大的壓力差，巖屑很容易倒吸將潛孔錘卡死。當活塞及錘頭阻卡后，活塞的沖擊能量明顯降低甚至不能正常工作，鉆進效率也明顯降低甚至不進尺，而且氣壓也出現(xiàn)異常升高。

圖6 巖屑倒吸阻卡潛孔錘示意

圖7 錘頭花鍵卡塞

4.2.2 解決措施

(1)下鉆前仔細檢查潛孔錘逆止閥，更換已損壞零件。

(2)認真檢查活塞和內(外)缸、活塞和配氣閥的間隙及密封性能是否完好，更換已損壞零件。

(3)嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，防止因操作不當致巖屑倒吸堵塞。

(4)采用合理的鉆具組合，同樣借用在鉆具150～200 m處加接浮閥接頭的方法，解決巖屑倒吸。

(5)勤排屑，減少井底余屑。

5 泥環(huán)包裹

泥環(huán)包裹是巖粉(屑)粘附于鉆具表面或井壁上形成泥環(huán)并包裹鉆具。泥環(huán)形成后，環(huán)狀空間變小，巖屑排除不暢繼續(xù)聚集泥環(huán)處形成泥包，嚴重時完全堵塞井眼，造成粘埋鉆事故。泥環(huán)多形成于鉆具外徑變化的地方，如錘頭上部、潛孔錘與鉆鋌連接處、鉆鋌與鉆桿連接處、鉆桿接頭處，這些地方空氣上返流速變化，極易形成泥環(huán)。井內有泥環(huán)形成主要表現(xiàn)是：上返的巖屑明顯減少且濕潤，氣壓升高，鉆速下降，上提有明顯阻力[12-13]，有條件時加注泡沫劑。

5.1 原因分析

井內泥環(huán)形成有地層因素和工藝因素。地層因素：微涌水及潮濕地層，地層微小涌水在井壁形成液膜和使巖粉潮濕，井壁液膜與巖粉相互粘結成巖屑團，巖屑團不能完全被空氣帶出井筒時在井壁、錘頭處粘附聚集形成泥環(huán)，而且泥團粘附聚集成泥環(huán)現(xiàn)象尤為嚴重。如圖8所示。

圖8 井內泥環(huán)形成示意圖

工藝因素主要為設備配置、鉆具組合、鉆進工藝及操作因素。

(1)設備配置不足，供風量偏小、上返風速達不到排砂要求，巖屑不能及時排出而堆積粘附形成泥環(huán)。

(2)鉆具選擇及組合不合理，使用的鉆鋌、鉆桿外徑小，環(huán)狀空間大，相同風量下上返風速降低而影響排砂；鉆柱上加扶正器會對排砂造成一定的阻擋，導致在扶正器位置更易形成泥環(huán)。

(3)鉆進工藝不當：如干空氣鉆進遇潮濕、小涌水地層，未及時更換鉆進工藝，致井內泥環(huán)形成。

(4)操作不當：當鉆遇軟弱層、裂隙破碎帶時，鉆速加快，而風量又不足時，短時間內井內堆積大量巖粉形成泥環(huán)。提鉆加桿前未能充分排砂，孔壁、鉆具上仍有殘留巖粉未排凈，在后續(xù)鉆進過程中持續(xù)粘附堆積形成泥環(huán)。

5.2 解決措施

鉆進過程中井內出現(xiàn)泥環(huán)，應及時分析判斷泥環(huán)形成的原因，并采取有效的技術措施。

(1)更換鉆進工藝。鉆遇地層潮濕、少量滲水，灰?guī)r、白云巖等巖層采用霧化鉆進(注水稀釋)。霧化液(泡沫液)有發(fā)泡、吸附、潤濕反轉等作用，起到將遇水粘結成的鉆屑團和粘附井壁的鉆屑分離，防止液滴聚集，使循環(huán)系統(tǒng)氣液固分布均勻，有效阻止鉆屑堆積現(xiàn)象再發(fā)生，增強空氣流的舉屑、攜水能力等效果。霧化液注入量應根據(jù)地層涌水量，以確保井壁和鉆屑完全潤濕、環(huán)空內流體呈霧狀穩(wěn)態(tài)流即可；水敏性的泥頁巖地層，采取間斷泡沫液稀釋泥環(huán)、排砂，或泡沫鉆進(并在泡沫液中添加抑制性、固壁防塌性能處理劑)。如圖9所示。

圖9 霧化解井壁泥環(huán)示意

(2)勤排屑。每鉆進0.5～1 m，鉆具提離井底進行排渣，以利于鉆效的提高，避免孔內事故的發(fā)生。

(3)增加空壓機。增加供風量、提高上返風速，增強排砂效果。

(4)合理配置鉆具。選用合理的鉆鋌、鉆桿，減小環(huán)狀空間、提高上返風速，使用斜坡鉆桿，盡量避免在鉆柱上加扶正器。

(5)短程起鉆劃井壁。防止井壁泥環(huán)形成及增厚，每200～300 m短程起鉆劃井壁清除井壁泥環(huán)。

6 卡、埋鉆

卡鉆、埋鉆事故是井壁掉塊、垮塌卡埋潛孔錘，致其失去活動空間的現(xiàn)象。鉆具被卡、被埋表現(xiàn)是：返砂量、返氣量減少甚至失返，氣壓升高，鉆具回轉阻力增大，上提有阻力或無法上下活動?？ā⒙胥@事故發(fā)生后，處理難度較大，將延長鉆井周期、增大機具的損壞和材料消耗、增加鉆進成本。因此，應提前預測，采取合理技術措施，避免此類事故的發(fā)生。

6.1 原因分析

潛孔錘卡、埋事故發(fā)生的原因有地層方面和工藝技術方面[14-15]。地層因素：地質構造、溶蝕、節(jié)理產生的裂隙及斷層發(fā)育致巖體松散、膠結力弱，以及涌水致部分巖層吸水膨脹、崩解，井壁掉塊、垮塌卡埋潛孔錘。工藝技術方面：鉆進中高頻震擊破壞巖體整體結構、高速氣流沖刷(剝離)破壞巖壁結構、循環(huán)介質無平衡護壁功能及涌水浸泡降低泥頁巖結構力致掉塊卡錘頭、垮塌埋潛孔錘，如圖10所示。

圖10 潛孔錘卡埋示意

6.2 技術措施

(1)勤觀察。加強排屑口異常情況觀察，鉆屑變大、出屑減少、不返屑及扭矩變化較大時，調整鉆進參數(shù)或停止鉆進，判明情況后再恢復正常鉆進。

(2)勤活動鉆具。因故不能鉆進時，勤活動鉆具，活動范圍3～5 m，如遇特殊情況必須靜止或停止循環(huán)時間較長時，應將鉆具提到安全井段。

(3)及時停鉆處理。鉆進過程中，若氣壓突然上升或下降，應立即停止鉆進，上下活動鉆具，循環(huán)觀察排屑口巖屑返出情況，正常后方可繼續(xù)鉆進。

(4)竄動解阻。上提鉆遇阻卡，應反復上下活動鉆具，直到暢通無阻后方可起鉆。如果不能做到暢通無阻，則下鉆時應在遇阻井段進行劃眼。

(5)注泡沫劑強排屑解阻。起鉆過程中遇阻，應上下竄動鉆具且不可強提，如因大顆粒巖屑或掉塊卡阻，加注泡沫劑強排屑并保持鉆具活動，將掉塊活動至井底碾碎排出。

(6)短起鉆探井壁。每鉆進200～300 m起鉆探井壁，如井壁欠穩(wěn)定、掉塊多，解阻難度大，解阻后及時轉換鉆進工藝護壁鉆進。

(7)泡沫鉆進。地層涌水并存在水敏性地層，采用泡沫鉆進，并在泡沫液中添加抑制性、固壁、防塌性能處理劑。

(8)換工藝護壁鉆進。松散、膠結力弱地層、斷層破碎帶、裂隙帶，井內掉塊垮塌嚴重，此時錘頭上部堆積有大巖塊，應及時起鉆更換鉆進工藝。

(9)注泥漿護壁。井壁不穩(wěn)垮塌致埋鉆，竄動、提拉無效后，及時向井內注泥漿護壁(護未垮井段)，以免造成更嚴重的井塌。

(10)套銑解卡。井壁垮塌嚴重致卡埋鉆事故后，采用套銑解卡。

7 井眼彎曲

井眼彎曲即鉆進過程井眼軌跡未按預計角度行走而發(fā)生異常變化，尤其在溶蝕裂隙帶、巖層產狀陡、軟弱互層地層、軟弱結構層，錘頭在鉆壓作用下沿軟弱面走斜，井眼軌跡發(fā)生偏移[15]，如圖11所示。井斜彎曲過大，將引發(fā)鉆具摩擦井壁、加劇井壁的不穩(wěn)定、加快鉆具磨損和后期下管困難等不良情況。

圖11井眼沿軟弱面走斜示意圖12扶正器導正

7.1 井眼彎曲的原因

(1)溶蝕裂隙帶、軟弱結構層，巖層軟硬不均、巖石可鉆性不一，鉆進中錘頭沿可鉆性低的方向進尺快、井眼軌跡向軟弱面走斜。

(2)鉆具組合不合理，粗徑鉆具與井徑級差大、粗徑鉆具(鉆鋌)剛度不足支撐鉆進走斜的側向力，井眼軌跡向軟弱面走斜。

(3)操作不當，遇軟弱結構面層鉆進參數(shù)調整不及時或未調整，井眼軌跡向軟弱面走斜。

7.2 解決措施

(1)及時調整鉆進參數(shù)。鉆遇溶蝕裂隙帶、軟弱結構層、巖層軟硬不均地層，及時上提鉆具減少鉆壓、降低轉速(轉速可調的鉆機)。

(2)調整鉆具組合。使用較大尺寸的粗徑鉆具(鉆鋌)減小鉆具與井徑的級差、提高鉆鋌剛性或使用扶正器導正。

(3)扶正器的扶正翼片方向應與鉆具方向一致，以減少排屑和上返氣流的阻力。

8 結語

空氣潛孔錘鉆進主要以高頻沖擊破碎方式為主，往往能達到常規(guī)鉆進方式10倍以上的鉆進速度，但應用時受操作工藝、地層復雜等因素影響容易產生各類事故，影響鉆進效率?？諝鉂摽族N鉆進常見事故主要包括錘頭斷裂、合金齒崩斷、堵塞、阻卡、泥環(huán)包裹、卡埋鉆、井眼彎曲等，本文針對以上典型事故形成的系統(tǒng)技術措施，可操作性強，具有推廣價值。

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