湘永地1井鉆探施工燒鉆事故處理

申海平，齊文博，左艷霞

(湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì), 湖南湘潭 411100)

中揚(yáng)子地區(qū)古生界頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查湘永地1井位于湖南省湘西土家族苗族自治州永順縣芙蓉鎮(zhèn)孔坪村,孔位由中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心布設(shè)，由湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)承接施工任務(wù)，鉆探目的為獲取寒武系敖溪組和牛蹄塘組巖心，采集測(cè)試樣品，評(píng)價(jià)寒武系黑色頁巖含氣性[1]。

1 施工鉆孔的基本情況

1.1 施工難點(diǎn)

湘永地1井設(shè)計(jì)孔深為1 500m。該井為直井，井斜必須符合鉆孔設(shè)計(jì)要求，保直防斜是本次深孔鉆進(jìn)的最大的技術(shù)難點(diǎn),孔斜越大鉆具回轉(zhuǎn)阻力越大，施工難度增大且易引發(fā)孔內(nèi)事故。

1.2 鉆遇地層

湘永地1井自上而下鉆遇地層為第四系、追屯組、比條組、車夫組、花橋組、敖溪組、清虛洞組、杷榔組(未穿)[1]。

1.3 鉆探設(shè)備配置

1.4 鉆井液類型

采用不分散低固相泥漿，其配方為：1m3清水+6%納土粉+600×10-6聚丙烯酰胺+1%腐植酸鉀KHm+0.15～0.2%CMC 羧甲基纖維素[1]。

2 事故發(fā)生過程及前期處理

2.1 發(fā)生過程

湘永地1井開孔日期為2017年7月11日。鉆孔一開0～10.86m，采用Ф150 mm金剛石取心鉆進(jìn)，下Ф146 mm套管護(hù)壁；二開采用Φ96mm繩索取心鉆進(jìn)。

2017年9月10日3班23:35分左右，鉆至花橋組，井深1 185.77m時(shí)，泥漿泵泵壓突然增加到4.0MPa(正常泵壓2.5～3.0 MPa)，導(dǎo)致泥漿泵三通密封墊被沖開并噴泥漿。事發(fā)突然，鉆探班長馬上停車，采取打撈措施。打撈過程中給進(jìn)油管頂主動(dòng)鉆桿頂不起來，升降機(jī)也拉不動(dòng)孔內(nèi)鉆具，斷定孔底鉆頭被燒。

2.2 原因分析

由于換新鉆頭之前的舊鉆頭在鉆進(jìn)過程中外徑磨損導(dǎo)致孔徑略微變小，新鉆頭不能夠直接下鉆到孔底,需要掃孔至孔底，且時(shí)間較長，導(dǎo)致鉆頭水口變淺，鉆進(jìn)過程中引起泵壓過高，孔底沖洗液量減少，不能夠及時(shí)冷卻鉆頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，大顆粒巖粉返不上，在孔底沉淀，引起燒鉆事故。

2.3 前期處理

2017年9月11日第一班從凌晨一點(diǎn)開始，用200kN的拉力強(qiáng)拉鉆具，用時(shí)約6h，孔內(nèi)鉆具無反應(yīng)；第二班把拉力增加到300kN，進(jìn)行了多次強(qiáng)拉，仍然沒有效果。

采用S73mm鉆桿先打撈S89mm內(nèi)管總成，然后用S75mm鉆頭掃過S96mm鉆頭處，把S96mm鉆具打松再提取。于9月13日第一班下入S73mm鉆桿打撈S89mm內(nèi)管總成，繩索受力，第二班繼續(xù)操作，但是反復(fù)多次打撈都失敗了，未能拉上來。9月15日的第二班再下入S75mm金剛石鉆頭掃S89mm內(nèi)管總成，至19日第二班起鉆，撈上了S89mm內(nèi)管的撈茅頭及開口銷。因下部內(nèi)管總成的單個(gè)零件能轉(zhuǎn)動(dòng)、磨銑困難，從9月17日第三班至9月25日的第一班，采用了掃、撈、錐等方法處理S89mm內(nèi)管總成，都沒有效果。

在孔深1 178 m處采用水力割管器割斷鉆具后起鉆，將孔深1 078～1 185.77m段用水泥封孔。

空氣通過過濾器、透氣膜進(jìn)入電解液中，其中過濾器可濾除空氣中的微塵等雜質(zhì)，透氣膜可進(jìn)一步濾除更小的微粒。空氣中的GIS設(shè)備氣體包含了電弧作用下SF6的分解物與水反應(yīng)生成的SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，進(jìn)入電解液后發(fā)生反應(yīng)，通過對(duì)電極、參比電極檢測(cè)反應(yīng)的強(qiáng)度就可以測(cè)得氣體濃度。該傳感器可以對(duì)空氣中的GIS設(shè)備氣體進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)構(gòu)簡單，使用簡單，通過設(shè)置有電化學(xué)傳感元件和紅外氣體傳感元件使其功能更加的全面，效率更高。[4]

3 側(cè)鉆繞障處理

為了不造成鉆孔報(bào)廢，針對(duì)該事故的特征，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)螺桿鉆具造斜原理[2]，項(xiàng)目組決定采取螺桿鉆具定向鉆進(jìn)進(jìn)行造斜，選用5LZ73×7.0-3螺桿鉆具。根據(jù)側(cè)鉆分支點(diǎn)的選定原則，綜合分析考慮，本次選擇在寒武系花橋組下部灰?guī)r地段。由于事故前期處理已將1 078.0～1 185.77m段用水泥封孔，側(cè)鉆分支點(diǎn)選擇在孔深1 078～1 185.77m段，采取“側(cè)鉆繞障”避開孔內(nèi)事故段。

3.1 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1.1 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

5LZ73×7.0-3螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液壓能量轉(zhuǎn)為機(jī)械能的一種容積式井下動(dòng)力鉆具，主要有螺桿馬達(dá)(定子、轉(zhuǎn)子)總成、萬向軸總成、傳動(dòng)軸總成三大部分組成[3]，其鉆具結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)Figure 1 Screw drill configuration

3.1.2 螺桿鉆具工作原理

螺桿鉆具鉆進(jìn)時(shí)，通過鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石，而螺桿外管及鉆桿柱不回轉(zhuǎn)，泥漿泵出的壓力泥漿流經(jīng)旁通閥，流壓使旁通閥關(guān)閉,進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口形成一定壓差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子軸線公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達(dá)到碎巖的目的[4]，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)作業(yè)。

3.2 側(cè)鉆繞障施工

側(cè)鉆分支點(diǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于水泥凝固后的強(qiáng)度與孔壁巖石強(qiáng)度相差大，分支點(diǎn)處鉆進(jìn)時(shí)不易形成新的孔身，操作稍有疏忽, 即會(huì)滑人水泥層中，此次分支點(diǎn)鉆進(jìn)采取了減壓慢速的措施，使鉆頭緩慢鉆進(jìn)孔壁巖層，開始鉆進(jìn)時(shí)孔底鉆頭壓力控制為零，讓鉆頭在孔壁先鑿出一個(gè)小臺(tái)階，30min后再緩慢增加鉆壓，鉆進(jìn)一段時(shí)間待鉆頭完全進(jìn)人孔壁巖層形成新孔，即分支點(diǎn)鉆進(jìn)結(jié)束，進(jìn)行造斜段鉆進(jìn)。

3.2.1 第一回次鉆進(jìn)

2017年10月5日，從1 078m透孔至1 140m，以1 140 m處作為側(cè)鉆分支點(diǎn)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，采用5LZ73×7.0-3螺桿鉆具+Ф95 mm三翼無心鉆頭，偏斜角度為1.5°，泥漿流量控制在120～230L/min，泵壓3.5～4.0MPa，用時(shí)5d，結(jié)果造斜失敗。

3.2.2 第二回次鉆進(jìn)

2017年10月17日研究決定再次采用5LZ73×7.0-3螺桿鉆具+Ф95 mm平底無心鉆頭(圖2)，角度調(diào)整為1.25°，并在馬達(dá)偏斜部位加厚7mm。泥漿流量控制在120～230 L/min，工作壓力2.4 MPa，泵壓3.5～4 MPa，透孔至1 170m，以1 170 m處作為側(cè)鉆分支點(diǎn)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)。操作中觀察：有了穩(wěn)定的泵壓，均勻的進(jìn)尺，隨著造斜進(jìn)尺增加而巖屑增多，至10月22日起鉆，共造斜進(jìn)尺7.62m。

10月23日按照正常鉆進(jìn)，重新用Ф96mm繩索取心鉆具，鉆進(jìn)至距造斜點(diǎn)約3.5m處，輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔到孔底，進(jìn)尺1.6 m打撈巖心，巖心完整， 可以斷定造斜成功，續(xù)鉆2.5m后提鉆換鉆桿接頭，10月26日正常鉆進(jìn)。預(yù)示著本次燒鉆事故處理成功。

圖2 Ф95 mm平底無心鉆頭Figure 2 Φ95mm flat bottom full-hole bit

3.3 處理效果

湘永地1井為直井,全孔按要求對(duì)施工進(jìn)行了及時(shí)測(cè)斜。井斜工程設(shè)計(jì)要求：井深在500 m內(nèi)最大井斜不超過2°，井深大于500 m后，井斜不超過5°，井深大于1 000 m后，井斜不超過8°。

在燒鉆事故處理成功后，鉆進(jìn)至孔深1200m處，用測(cè)斜儀測(cè)井斜，頂角為2.78°。表1是造斜繞障成功后，鉆進(jìn)至1683m位置，采用MTC6600型數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)采集的測(cè)井測(cè)斜數(shù)據(jù)(表1)。

表1 造斜繞障后測(cè)斜數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在孔深1200 m處出現(xiàn)最大井斜，而此處為側(cè)鉆造斜繞障處，頂角3.7，完全符合工程設(shè)計(jì)的要求。

3.4 事故處理分析

第一回次造斜采用5LZ73×7.0-3螺桿鉆具+Ф95 mm三翼無心鉆頭，其失敗原因主要是由于三翼無心鉆頭底面是凹凸形狀，在側(cè)鉆分支點(diǎn)鉆進(jìn)時(shí)受力不均勻，容易造成分支點(diǎn)處水泥凝固體被大塊切削，不易形成側(cè)鉆切入點(diǎn)，使得鉆頭沿老孔身鉆進(jìn)，導(dǎo)致造斜失敗。

第二回次采用5LZ73×7.0-3螺桿鉆具+Ф95 mm平底無心鉆頭，偏斜角度調(diào)整為1.25°，并在馬達(dá)偏斜部位加厚7mm，其側(cè)鉆造斜成功并正常鉆進(jìn)的原因主要有三個(gè)方面：一是平底無心鉆頭在接近側(cè)鉆分支點(diǎn)處鉆進(jìn)時(shí)受力均勻，易將分支點(diǎn)處巖壁鑿成小臺(tái)階，且切削碎屑物顆粒較小可以隨泥漿返出，以此臺(tái)階為切入點(diǎn)，能夠按照偏斜角度的方向鉆進(jìn)；二是馬達(dá)偏斜部位加厚，使得螺桿鉆具重心往造斜方向偏移，能夠更好的沿偏斜角度方向鉆進(jìn)；三是偏斜角度為l.25°，使得側(cè)鉆繞障成功后在該處形成的“狗腿彎”較小，在繞障處理后可正常鉆進(jìn)。

4 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)

①處理燒鉆事故時(shí)，通常需要反出孔內(nèi)的全部鉆桿，此次事故處理使用水力割管器割斷鉆具，減少了使用反絲鉆桿起繩索鉆桿的次數(shù)，節(jié)約處理事故的時(shí)間和成本。

②處理本次燒鉆事故，撈內(nèi)管總成、撈矛鉤下面有力的情況較難打撈上來，在處理過程中采取掃鐵鉆頭掃內(nèi)管總成，結(jié)果事與愿違，建議內(nèi)管總成何種情況都不能掃。

③發(fā)現(xiàn)燒鉆事故時(shí)，必須迅速地拉起或頂起鉆具，不能先停車再頂、拉，因?yàn)橥＼嚂r(shí)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量很快將鉆頭胎體和巖心孔壁熔為一體。

④采用螺桿鉆具進(jìn)行造斜不宜采用三翼無心鉆頭，應(yīng)配用穩(wěn)定性較好的平底無心鉆頭滿眼鉆進(jìn)。

⑤采用二層平臺(tái)施工的機(jī)臺(tái)，建議將泥漿泵壓力表管線延長至鉆機(jī)二層操作平臺(tái)司鉆崗位附近，并安裝壓力表，便于司鉆人員隨時(shí)觀察鉆進(jìn)過程中泥漿泵孔內(nèi)壓力表數(shù)據(jù)，處理突發(fā)事故。