西南天山復(fù)雜地層繩索取心鉆探跑鉆事故處理方法

裴森龍，李 博，侯朝勇，蔡厚安，李 高，葉 雷

（1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京100012；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

0 引言

繩索取心鉆探是小口徑固體礦產(chǎn)勘查過程中的主要技術(shù)手段之一，近年來隨著鉆探技術(shù)和材料工藝的進(jìn)步，在各類地質(zhì)勘探取心鉆探中得以廣泛應(yīng)用［1-4］，大大地提升了施工效率。與此同時，由于主觀或客觀因素，在繩索取心鉆探施工過程中時有各類孔內(nèi)事故發(fā)生。主觀因素主要表現(xiàn)在設(shè)備故障，人為操作不當(dāng)?shù)确矫妫豢陀^因素主要為地層條件復(fù)雜［5-7］。其中人為操作不當(dāng)導(dǎo)致鉆孔事故發(fā)生最為常見，在處理過程中由于處理不當(dāng)經(jīng)常引發(fā)二次孔內(nèi)事故或者多次孔內(nèi)事故，給事故處理帶來更大難度，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失［8-9］。

在隸屬于“西南天山成礦帶霍什布拉克-烏拉根地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查”項目薩爾干礦區(qū)的冬季鉆探施工中，發(fā)生了一次主要由于人為操作不當(dāng)導(dǎo)致的復(fù)雜地層跑鉆事故，經(jīng)過妥善處理最終順利終孔。

1 礦區(qū)概況

薩爾干礦區(qū)主體位于新疆阿克蘇市柯坪縣西部與新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿圖什市東部接壤部位，行政管轄隸屬于新疆阿克蘇市柯坪縣。國道314 及阿克蘇-喀什高速公路、南疆鐵路等從片區(qū)外直線距離20 km 處東西向通過（南部柯坪山南緣），按照通行道路條件工作區(qū)距離柯坪縣、阿克蘇市、巴楚縣距離較近。

勘查區(qū)地形切割強(qiáng)烈，自然條件差異性顯著，生態(tài)環(huán)境惡劣，區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育，基巖裸露，山區(qū)植被不發(fā)育，除少數(shù)咸水泉外無常年地表徑流，水源地極少，鉆探施工用水大都需要靠拉水車供給。風(fēng)化作用以物理風(fēng)化作用為主，沿緩坡地帶有大量風(fēng)化物、殘坡積物［10-12］。

2 工程概況

2.1 地層及構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)出露地層以古生代碎屑沉積巖、碳酸鹽巖建造為主，少量新生代碎屑巖建造。巖性有礫巖，砂巖，砂礫巖，泥巖，白云巖夾少量亮晶砂屑灰?guī)r、硅質(zhì)巖，灰?guī)r等［12］。

礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，褶皺、斷裂均很發(fā)育［13-15］。大規(guī)模的構(gòu)造活動使斷層附近的巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層大量破碎，風(fēng)化較強(qiáng)，給鉆探施工帶來困難，巖心照片見圖1。

圖1 代表性巖心照片F(xiàn)ig.1 Representative cores

2.2 以往施工情況

2016 年冬季及2017 年冬季，本項目在薩爾干片區(qū)共計施工7 個鉆孔，鉆孔深度201.12～412.12 m，鉆孔均為斜孔，傾角 65°～88°。

片區(qū)內(nèi)施工的7 個鉆孔均全孔破碎、嚴(yán)重漏失，施工中經(jīng)常出現(xiàn)掉塊、卡鉆、孔壁坍塌等現(xiàn)象。鉆孔附近無水源地，鉆探施工需要從十幾千米外拉水鉆進(jìn)，同時鉆探施工期為冬季，需要采取措施防止結(jié)冰，各方面來說整體施工難度較大。項目部采用與地層情況相適應(yīng)的工藝并對出現(xiàn)的各種孔內(nèi)事故妥善處理，最終7 個鉆孔均通過終孔驗收且鉆孔質(zhì)量優(yōu)良，無一報廢，最終取得了較好的地質(zhì)效果。

其中2017 年冬季施工的SZK002 出現(xiàn)嚴(yán)重的跑鉆事故，經(jīng)項目部妥善處理后最終順利終孔。以下為該鉆孔的施工以及事故處理情況。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)及主要施工工藝

2.3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

SZK002 號鉆孔設(shè)計深度250 m，鉆孔傾角65°，方位角 150°，要求終孔孔徑≮75 mm。該鉆孔實際終孔深度241.55 m，終孔傾角64°，終孔方位角 152°，NQ 孔徑終孔。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)及以往施工經(jīng)驗，SZK002 號鉆孔采用3 級孔徑施工，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Drilling structure

一開：PQ 短鉆具開孔，輕壓慢轉(zhuǎn)，穿透第四系覆蓋層至基本完整基巖后，下入?108 mm 孔口套管并固定，深度0～12 m。

二開：HQ 口徑鉆進(jìn)至見較厚完整硬巖位置，提鉆將HQ 鉆頭更換為HQ 孕鑲金剛石套管靴后下HQ 鉆桿作為套管并固定，深度12～166.80 m（圖3 中虛線位置149.75 m 為事故發(fā)生前原始鉆孔HQ 孔徑深度，166.80 m 為事故處理后鉆孔HQ孔徑深度）。

三開：NQ 口徑鉆進(jìn)至終孔，深度166.80～241.55 m。

2.3.2 施工工藝

鉆探方法為金剛石繩索取心鉆進(jìn)，采用泥漿護(hù)壁。因該片區(qū)前期施工的鉆孔全孔漏失，采取的各種堵漏措施基本無效，在確保鉆孔孔壁穩(wěn)定不坍塌的前提下，同時兼顧施工成本，項目選擇全孔頂漏鉆進(jìn)。

施工中采取以下措施保障鉆進(jìn)順利進(jìn)行：

（1）配置優(yōu)質(zhì)泥漿平衡地層壓力，避免孔內(nèi)掉塊坍塌。由于冬季施工，為防止低溫導(dǎo)致泥漿性能失效，對泥漿采取了保溫措施。

（2）選用中低泵量，形成孔底局部正循環(huán)，達(dá)到冷卻鉆頭、排出孔底巖屑的目的，同時不至于因泵量過大沖塌孔壁。

（3）選用中轉(zhuǎn)速、中低鉆壓的鉆進(jìn)參數(shù)，在起下鉆過程中保持速度穩(wěn)定，防止產(chǎn)生局部抽吸現(xiàn)象擾動孔壁。

（4）采取措施保障生產(chǎn)后勤供應(yīng)，確保施工用水充足，防止因為缺水停鉆而導(dǎo)致孔內(nèi)事故發(fā)生。

2.4 施工設(shè)備

根據(jù)礦區(qū)地層情況及鉆孔設(shè)計要求，SZK002號鉆孔施工所用設(shè)備為YDX-3L 型全液壓履帶式動力頭鉆機(jī)，具有給進(jìn)行程長、可以自主行走等優(yōu)點，適用于金剛石繩索取心鉆進(jìn)。鉆探設(shè)備及施工現(xiàn)場圖見圖3，鉆機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

圖3 施工現(xiàn)場Fig.3 Drilling site

表1 鉆機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main technical parameters of drilling rig

配套了與鉆孔深度和鉆探任務(wù)量相匹配的PQ、HQ、NQ 系列鉆具、鉆桿以及一定量的套管，此外還配備了公錐、母錐等事故處理工具。

3 事故概況及事故原因分析

3.1 事故概況

SZK002 號鉆孔于 2017 年 11 月 15 日早班 PQ孔徑開鉆施工至孔深12 m 處變徑為HQ 口徑施工。HQ 口徑施工至孔深149.75 m 后提鉆，將HQ鉆頭更換為HQ 套管靴，以HQ 鉆桿作為套管下入孔內(nèi)，然后變徑為NQ 口徑繼續(xù)施工。2017 年11月20 日晚班NQ 口徑施工至166.80 m，打撈巖心內(nèi)管時繩索取心鋼絲繩斷裂導(dǎo)致內(nèi)管滑落至孔底。事故發(fā)生后當(dāng)班班長決定提鉆處理，提鉆至孔內(nèi)剩余 61 m（19 根 3 m 長鉆桿，一根 4 m 長鉆具）鉆柱時，孔口夾持器因結(jié)冰夾持力減弱，導(dǎo)致NQ 鉆桿滑落孔底發(fā)生二次事故。

3.2 事故原因分析

結(jié)合施工情況及現(xiàn)場打撈出的鋼絲繩，分析本次事故發(fā)生的原因如下：

（1）破碎地層鉆進(jìn)需要頻繁撈取巖心，斜孔施工時取心鋼絲繩磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，施工人員粗心大意，沒有仔細(xì)檢查并及時更換破損的鋼絲繩導(dǎo)致內(nèi)管脫落事故的發(fā)生。

（2）事故發(fā)生后沒有吸取教訓(xùn)，處理之前沒有全面檢查設(shè)備狀況，未能發(fā)現(xiàn)夾持器結(jié)冰，導(dǎo)致在提鉆處理內(nèi)管脫落事故時NQ 鉆桿滑落，引發(fā)二次事故。

（3）鉆孔全孔漏失，施工時采取頂漏鉆進(jìn)，事故發(fā)生時孔底無水位，因此鉆桿滑落至孔底的沖擊力較大，造成了嚴(yán)重的跑鉆、墩鉆事故。

3.3 解決方案

為順利處理井故，技術(shù)人員對事故情況進(jìn)行詳細(xì)分析，判斷事故發(fā)生后孔內(nèi)情況大致為：取心鋼絲繩及事故頭位于HQ 套管內(nèi)部，事故頭位置位于約105.8 m 孔深處；孔底NQ 鉆具可能已發(fā)生膨脹，膨脹程度未知。

首先設(shè)法打撈孔內(nèi)鋼絲繩，清除孔內(nèi)障礙物，然后根據(jù)事故鉆具在孔內(nèi)可能存在兩種形態(tài)，采取不同的處理方法：

若NQ 鉆具未膨脹或輕微膨脹（圖4a），則打撈出鋼絲繩后直接下入公錐打撈事故鉆桿即可；若NQ 鉆具嚴(yán)重膨脹發(fā)生卡鉆現(xiàn)象（圖4b），則需擴(kuò)孔處理后再下入公錐進(jìn)行打撈。

圖4 事故鉆具在孔內(nèi)的形態(tài)示意Fig.4 Position of the accident drilling tool in the hole

4 事故處理經(jīng)過

4.1 打撈孔內(nèi)鋼絲繩

首先采用現(xiàn)場自制打撈鉤打撈孔內(nèi)鋼絲繩，掃除孔內(nèi)障礙物，打通鉆井液通道，為下一步處理做好準(zhǔn)備。因不清楚鋼絲繩的具體位置，多次不同深度下入打撈鉤上下竄動打撈無果，因此決定直接打撈鉆桿。

4.2 打撈鉆桿

HQ 套管下入至149.75 m 孔深處，事故發(fā)生時孔深166.8 m，滑落孔內(nèi)的NQ 鉆桿有61 m 長，事故頭位于約105.80 m 孔深處，因此跑鉆鉆桿頭處于套管內(nèi)，這為事故處理降低了不少難度。下入NQ 公錐后錐上孔內(nèi)鉆桿事故頭后，稱重發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)大鉤負(fù)荷極大，無法提鉆。判斷因鉆孔為干孔，跑鉆發(fā)生時孔內(nèi)無緩沖力，孔底鉆桿已發(fā)生蹾脹，因此打撈鉆桿失敗。

4.3 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

因孔底鉆具發(fā)生膨脹卡鉆打撈無效，決定對鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔處理。原鉆孔HQ 口徑施工至149.75 m 孔深處，所需擴(kuò)孔深度較?。◤?49.75 m至166.80 m，僅17.05 m），因此直接利用HQ 孕鑲金剛石套管靴作為薄壁擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。該鉆孔為65°斜孔，為防止擴(kuò)孔發(fā)生偏斜，將NQ 鉆桿全部留在孔內(nèi)起導(dǎo)正作用，HQ 鉆桿下接套管靴套在NQ 鉆桿外擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

擴(kuò)孔時輕壓慢轉(zhuǎn)，加大泵量，確?？變?nèi)巖屑排凈，防止將孔內(nèi)的NQ 鉆桿掩埋。同時在鉆桿外涂抹黃油，一方面起到潤滑鉆桿保護(hù)孔壁的作用，另一方面減小鉆桿和孔壁的摩阻力，方便終孔后起拔套管。

4.4 提鉆

兩個班后擴(kuò)孔至事故發(fā)生時的孔底位置，固定HQ 套管后提NQ 鉆桿。提鉆后發(fā)現(xiàn)下部多處鉆桿接頭處發(fā)生蹾粗變形，緊連鉆具的一根鉆桿由于事故發(fā)生時沖擊力過大已大部分穿插到鉆具內(nèi)，金剛石鉆頭發(fā)生嚴(yán)重變形，工作面已在事故及擴(kuò)孔過程中脫落，僅剩胎體。下部幾根鉆桿絲扣已無法打開，無法使用蘑菇頭提鉆，現(xiàn)場將鉆桿切割打孔后穿入鋼絲繩完成了最后的提鉆工作。圖5 為事故處理現(xiàn)場圖片。

圖5 事故處理現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.5 Some photos of drilling accident handling

至此完成了事故的處理工作，清理機(jī)臺現(xiàn)場，對鉆機(jī)進(jìn)行檢修后恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

5 經(jīng)驗體會

繩索取心鉆探孔內(nèi)事故發(fā)生的原因大致可分為主觀因素和客觀因素2 類?；仡橲ZK002 號鉆孔事故發(fā)生的經(jīng)過，主觀因素是事故發(fā)生的主要原因，而在事故發(fā)生后未及時檢查設(shè)備狀況，導(dǎo)致二次孔內(nèi)事故的發(fā)生，加大了事故的處理難度。分析此次跑鉆事故，總結(jié)出以下幾點經(jīng)驗體會：

（1）鉆探過程中全孔頂漏鉆進(jìn)違反鉆探規(guī)程，是造成此次事故發(fā)生的主要原因之一，在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中應(yīng)采取有效的堵漏措施確保鉆井液正常循環(huán)，防止出現(xiàn)干孔現(xiàn)象。

（2）繩索取心鉆探孔內(nèi)事故的發(fā)生要以預(yù)防為主，應(yīng)加強(qiáng)對機(jī)班長等機(jī)臺一線生產(chǎn)人員專業(yè)知識、責(zé)任心、職業(yè)素養(yǎng)等方面的培訓(xùn)，增強(qiáng)事故防范意識；此外，應(yīng)定期對儀器設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)的檢修和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時維修更換，在復(fù)雜地層及冬季施工時更應(yīng)加強(qiáng)檢修頻率，避免因設(shè)備原因?qū)е驴變?nèi)事故的發(fā)生。

（3）小口徑金剛石繩索取心鉆探中，取心鋼絲繩斷裂是常見的孔內(nèi)事故之一，選用優(yōu)質(zhì)耐磨鋼絲繩，經(jīng)常性地對鋼絲繩進(jìn)行檢查、保養(yǎng)，發(fā)生斷絲現(xiàn)象要及時更換，切忌“帶病”工作。

（4）孔內(nèi)事故發(fā)生后，應(yīng)及時詳細(xì)準(zhǔn)確地記錄事故深度以及事故發(fā)生經(jīng)過，耐心分析研判后再采取有效措施，避免因慌張魯莽處理，引發(fā)二次孔內(nèi)事故，增加處理難度，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

（5）一般跑鉆事故可采用鉆桿或絲錐打撈方式處理；產(chǎn)生孔底鉆具膨脹卡鉆的嚴(yán)重跑鉆事故可先擴(kuò)孔后再打撈處理，擴(kuò)孔過程中要做好導(dǎo)正措施，排凈孔內(nèi)碎屑，防止發(fā)生埋鉆事故。