水敏性地層“粘附卡鉆”事故的分析與處理

代萬慶，趙漢偉

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

0 引言

在水敏性地層鉆探工程施工中經(jīng)常發(fā)生“粘附卡鉆”事故。事故發(fā)生時，鉆具在鉆孔內(nèi)不能上提下落和回轉(zhuǎn)，生產(chǎn)停滯，嚴重時還可能出現(xiàn)鉆具被埋、鉆孔報廢等嚴重后果；處理該類事故較為繁復，勞動強度大，時間較長，耗費時間幾個小時至幾個月不等。該類事故增大了機臺的勞動負擔和經(jīng)濟損失。

前人對此類事故進行了長期的研究，歸納總結(jié)經(jīng)驗，主要解決方式有：強力起撥法、套銑鉆具反桿起撥法、留置鉆孔分叉鉆進法、解卡劑浸泡法等。強力起撥法，是在設(shè)備安全負核范圍內(nèi)，強力起撥鉆具，將鉆具撥出孔外，這種方式在事故剛發(fā)生的短時間內(nèi)或鉆孔較淺的情況下，有一定效果；套銑鉆具反桿起撥法，是用套筒鉆頭將鉆具與孔壁剝離開，用反絲鉆桿將鉆具起出鉆孔，這種方式耗費時間較長，工人勞動強度較大；留置鉆孔分叉鉆進法是從孔內(nèi)被“卡死”而無法取出的鉆具的上方，重新鉆開一個新鉆孔向下施工鉆進，這種方式，舍棄了部分鉆具，重復了部分工作量，是“收拾”殘局的一種補救措施。

解卡劑浸泡法是將解卡劑注入鉆孔內(nèi)，經(jīng)過浸泡，解除孔壁對鉆具的“粘附力”，使得鉆具能被順利提出孔外。常規(guī)解卡劑有清水、不分散低固相泥漿、鹽水、原油、柴油、煤油、油類復配物、鹽酸、土酸、堿水等(馮億年和李亞剛，2012)。用清水、不分散低固相泥漿替換原漿，降低泥漿密度解除鉆具粘附卡鉆事故，這種方式處理效果一般，成功率不高；鹽水、土酸及鹽酸可以分散泥皮(李偉等，2019；馬健等，2020)，但是泥皮沉渣向下沉積，容易進一步造成埋、卡鉆事故(劉文武等，2019)；柴油、煤油可以離散粘土，降低鉆具和孔壁的摩阻系數(shù)，但是其分散泥皮效果較弱，效果不甚理想(程志濤等，2017)。解卡劑浸泡法處理粘附卡鉆事故，成功率較高，但對地層有一定適應(yīng)性。

基于生產(chǎn)中“粘附卡鉆”事故的高發(fā)性及后果的嚴重性，對“粘附卡鉆”的發(fā)生機理和應(yīng)對策略進行研究，科學地進行預防，合理地處理事故，對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益意義重大。

1 “粘附卡鉆”事故原因及特征分析

1.1 “粘附卡鉆”事故發(fā)生機理

1.1.1 “粘附卡鉆”事故產(chǎn)生的原因

正常情況下，孔內(nèi)鉆具的周圍被泥漿所包圍(圖1a)，泥漿液柱在鉆具四周形成的壓強是相等的，P漿1=P漿2=ρgh，鉆具各方向受到的泥漿壓力也相等，F(xiàn)漿1=F漿2；泥漿液柱水平方向作用于鉆具的合力理論上為零。

圖1 泥漿液柱壓力作用于鉆具示意圖a—正常情況；b—偏差情況

當鉆具靜置在鉆孔內(nèi)時，由于鉆孔中心線在空間上總會存在些許的傾斜和螺旋情況(陳強等，2017)，而鉆具在重力作用下，趨向于豎直下垂狀態(tài)，鉆孔與鉆孔內(nèi)鉆具的中心線會出現(xiàn)偏差，部分鉆具就緊靠在孔壁上(圖1b)，兩者接觸區(qū)域(圖1b中A⌒B弧段)的泥漿被擠出，充填在鉆具與孔壁之間的泥皮起到封堵作用，隔絕泥漿進入鉆具和孔壁之間的間隙，鉆具與孔壁緊挨區(qū)域沒有泥漿(圖1b的A⌒B段)，該區(qū)域也就沒有泥漿壓強作用，沒有泥漿壓力，P漿1=0；而兩者緊挨區(qū)域相對側(cè)(圖1b的A⌒B弧段對側(cè))鉆具受到的泥漿液柱壓強不變，P漿2=ρgh，鉆具便被泥漿液柱壓強壓向孔壁；在泥皮、孔壁摩擦阻力共同作用下，鉆具“粘附”在固定位置不能位移，發(fā)生“粘附卡鉆”事故。

1.1.2 “粘附卡鉆”力

由圖1可知：鉆具受到的側(cè)向壓強為：

P漿2=ρgh

(1)

式(1)中，ρ為泥漿密度/(kg/m3)；h為鉆具所處的鉆孔深度/m；g為重力加速度，一般取9.81/(m/s2)。

假設(shè)鉆具與孔壁間被泥皮封閉的隔絕面積為A，鉆具與泥皮的摩擦阻力系數(shù)為μ，鉆孔內(nèi)泥漿密度為ρ，則鉆具被P漿2壓向孔壁，產(chǎn)生的“粘附卡鉆”力為：

F粘=F漿2=μAP漿2=μAρgh

(2)

由“粘附卡鉆”阻力公式可知：

(1)泥漿密度大小與“粘附卡鉆”阻力成正比關(guān)系。泥漿密度越大，則孔內(nèi)液柱的壓強越高，鉆具被壓向孔壁側(cè)壁的壓強也越高，“粘附卡鉆”壓力也就越大。

(2)鉆具與孔壁間被泥皮封閉的隔絕面積大小，與“粘附卡鉆”阻力呈線性關(guān)系。隔絕面積越大，則鉆具的“粘附卡鉆”壓力也越大。而隔絕面積受鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具配置、泥漿性能等因素的影響。

(3)泥皮、孔壁與鉆具的摩擦系數(shù)，與“粘附卡鉆”阻力大小成正比關(guān)系。摩擦系數(shù)大，則“粘附卡鉆”阻力也就大。泥皮摩擦系數(shù)與泥皮的構(gòu)成和性能關(guān)系密切。

1.1.3 “粘附卡鉆”事故影響因素

通過上述分析，導致“粘附卡鉆”事故的原因有以下幾點：

(1)鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔的不規(guī)整，是導致“粘附卡鉆”事故的重要原因。不規(guī)整的鉆孔，在空間上呈“狗腿”狀或者螺旋狀，鉆具在重力和鉆壓作用下，鉆具與鉆孔的中心線在空間軌跡上難以完全重合，鉆具一側(cè)被緊壓在孔壁上，誘發(fā)“粘附卡鉆”事故的產(chǎn)生。

(2)鉆具與鉆孔的級配情況。鉆孔與鉆具之間的環(huán)形間隙愈小，鉆具與孔壁間被泥皮封閉的區(qū)域就大，鉆具靜止在孔內(nèi)時被“粘附”的機率也大，被“粘附”的力也大。

(3)孔內(nèi)鉆具靜止時間。鉆具靜置在鉆孔內(nèi)，致使鉆具與孔壁間接觸區(qū)域的泥漿被擠出，這個過程需要一定的發(fā)展時間，短則幾分鐘，長則幾十分鐘、幾小時(劉志國和劉新麗，1997)，也是導致“粘附卡鉆”事故的重要原因。

(4)泥皮性能。①泥皮厚度影響泥皮封堵鉆具與孔壁間的封堵面積；②泥皮與鉆具間的摩擦阻力系數(shù)，直接影響“粘附卡鉆”力的大小。

三種因素易形成厚泥皮。一是吸附，泥漿中的固體顆粒吸附在孔壁表面，形成泥皮(趙振云，2016)；二是沉積，泥漿在圓柱形鉆孔內(nèi)流動，中部流速較高而近孔壁附近流速緩慢，近孔壁處泥漿的固體顆粒就容易沉積于孔壁，形成泥皮(烏效鳴等，2002)；三是濾失作用，泥漿與滲透性地層接觸后，泥漿中水分都會向地層滲透流失，泥漿中的固體顆粒和泥漿材料等被過濾沉積于孔壁表面，形成泥皮(范正青和邵啟昌，1986)。

(5)地層屬性。易產(chǎn)生虛厚泥皮的地層，較易發(fā)生“粘附卡鉆”事故：①地層巖石疏松、強度低，易濾失水分，形成虛厚的泥皮(鄭思光等，2011)；②具有較高的親水性，表面離子表現(xiàn)出極性，吸附泥漿中的異性電荷粒子，異性電荷粒子在孔壁上累積，累積物在泥漿液柱壓力、鉆具與孔壁的擠壓下失去部分水分，在孔壁上形成一層厚度較大的泥皮(何玉云等，2016)；③巖層本身具備造漿能力，遇水后分化擴散，形成粘稠狀膠狀體，與泥漿沉著物共同形成虛厚的泥皮(肖東順等，2019)。

1.2 “粘附卡鉆”事故因素的特征

由“粘附卡鉆”事故的因素分析，將“粘附卡鉆”影響因素歸納為鉆進設(shè)計、泥漿設(shè)計、施工工藝、客觀原因4個方面。

鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具與鉆孔級配等，是鉆進設(shè)計的結(jié)果，是項目開工前事先做的規(guī)劃；泥皮性能是由其配方?jīng)Q定的；孔內(nèi)鉆具的靜止時間，是施工工藝規(guī)定，施工操作具體實施的；地層屬性是客觀原因，施工時只能盡力克服而無法改變或回避。

當“粘附卡鉆”事故發(fā)生時，“孔內(nèi)鉆具的靜止時間”是誘因，已經(jīng)發(fā)生，無法改變；“鉆孔結(jié)構(gòu)”、“鉆具與鉆孔的級配情況”是施工結(jié)果，無法改變；“泥皮性能”是泥漿工藝設(shè)計后實施產(chǎn)物，是客觀原因，“地層屬性”也是客觀原因。

“泥皮性能”和“地層屬性”這兩個客觀因素可通過改變泥漿的某些性能指標，使其向有利于解決“粘附卡鉆”事故的方向發(fā)展。方式有物理和化學兩種手段，物理手段是用常規(guī)套銑的方式，機械清除被“封堵”鉆具與孔壁間接觸區(qū)域的泥皮，消除“粘附卡鉆”阻力，解決“粘附卡鉆”事故；化學手段是通過化學方法“消融”泥皮，從而達到去除“粘附卡鉆”阻力，解決“粘附卡鉆”事故。

物理手段較為繁瑣、勞動強度較高，化學手段相對省事、高效，所以一般優(yōu)先選擇化學方式?；瘜W方式處理事故，解卡劑的選擇尤為重要。

2 泡堿處理粘附卡鉆機理

泥皮是由大量粘土和少量無機處理劑、高分子有機處理劑共同組成的混合物(余桂紅，2018)。能夠水化分解粘土的處理劑，就能很好地水化分散泥皮，也就可以作為處理“粘附卡鉆”事故的解卡劑。解卡劑效果的優(yōu)劣就是其水化分散粘土性能的優(yōu)劣，選擇解卡劑就是對其水化分散粘土性能優(yōu)劣的選擇。

2.1 用粘土—水界面擴散雙電層理論分析選擇解卡劑

粘土—水界面擴散雙電層理論認為，在堿性溶液中粘土顆粒帶負電荷，陽離子被吸附到粘土顆粒表面，成為相對應(yīng)的負、正電荷濃集層。由于分子濃度差和熱運動的作用，吸附與擴散運動共存，粘土顆粒與水的界面陽離子濃度由高到低分布成擴散雙電層(圖2)(烏效鳴等，2002)。

圖2 粘土—水界面擴散雙電層示意圖

擴散層的厚薄是粘土水化效果的重要體現(xiàn)，滑動面處與水溶液粒子濃度均勻處的電動電位(ζ)越高，擴散層中陽離子越多，擴散層越厚。

我國的膨潤土粘土大多為鈣膨潤土(胡國安等，1983)，用火堿液對膨潤土進行處理，可將粘土中Ca2+置換為Na+，Na+為一價陽離子，促使粘土顆粒的ζ電位升高，增大粘土顆粒周圍的擴散層和水化膜，增強粘土水化分散程度。

所以，火堿液對粘土顆粒水化分散有很好的促進作用。泥皮是粘土的聚合物，NaOH對粘土的作用同樣也作用于泥皮，火堿溶液促進泥皮進一步水化分散(劉東柱，2011)，使其瓦解消融于泥漿體系中。同時，火堿液也促使泥漿中粘土顆粒進一步水化分散，改善泥漿性能，使泥漿體系更為穩(wěn)定、密度降低、失水量減小等，緩解“粘附卡鉆”事故形成的趨勢。

2.2 火堿溶液在泥漿中的作用

查閱文獻及實踐經(jīng)驗總結(jié)，火堿溶液在泥漿中的作用有：

(1)提供大量的Na+離子，交換粘土顆粒表面原來吸附的高價陽離子(如Ca2+、Mg2+等)，增強粘土的水化能力(潘廣燦和張金來，2011)。

(2)電離出大量的Na+和OH-離子，提高泥漿的pH值(王朝壘等，2011)。

(3)使難溶的有機酸變?yōu)橐兹艿柠}，如泥漿處理劑單寧酸、腐殖酸等，在水中的溶解度很小，不易被粘土吸附，用火堿中和后生成單寧酸鈉或腐植酸鈉等(陳偉武，2013)，變得極易溶于水而分散于泥漿中。

(4)使聚丙烯酰胺、聚丙烯腈等高分子化合物變成水溶性的處理劑(林金福等，2009)。

2.3 解卡劑的選定

通過粘土—水界面擴散雙電層理論和火堿液在泥漿中的作用性能等因素分析，用火堿液作為解卡劑，既能加速泥皮中粘土顆粒水化分散，又能升高泥漿的pH值，促進泥皮中高分子泥漿處理劑溶解分散，消融鉆具與孔壁間的虛厚泥皮，減少鉆具與孔壁間被泥皮封閉的隔絕面積，使循環(huán)液浸入鉆具與孔壁間的間隙，消除“粘附卡鉆”力，解除“粘附卡鉆”事故。

綜合分析，處理水敏性地層“粘附卡鉆”事故，火堿液是較為理想的解卡劑。

3 工程應(yīng)用

3.1 “粘附卡鉆”事故情況

3.1.1 工程簡介

2019年河南省通許凸起許昌—鄢陵巖溶熱儲地熱資源調(diào)查項目，實施鉆探地熱勘查井，為地熱資源調(diào)查評價提供依據(jù)。

施工設(shè)備選用GZ-2600型鉆機，T-27 m人字型鉆塔，TBW850/5A型泥漿泵；配備鉆具為：φ215.9 mm 三牙輪鉆頭+φ159 mm鉆鋌+φ89 mm鉆桿。

地熱勘查井于2020年4月30日開鉆，10月4日終孔，終孔孔深2203.98 m。鉆孔揭示地層巖性情況見表1。

表1 鉆孔地層巖性統(tǒng)計表

3.1.2 事故現(xiàn)場情況

在孔深2169 m處，由于檢修水泵，鉆具懸吊于鉆孔內(nèi)5個小時，隨即鉆具出現(xiàn)既不能上提、下落，也不能回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動的情況，“粘附卡鉆”事故發(fā)生(湯鳳林等，1997)。

事故發(fā)生時，鉆具結(jié)構(gòu)為：φ215.9 mm三牙輪鉆頭+φ159 mm鉆鋌(每根長9.4 m左右，共10根)+φ89 mm鉆桿/φ159 mm變徑接頭(長5.4 m)+φ89 mm鉆桿+立軸；井孔為φ625 mm→φ445 mm→φ311 mm→φ245 mm→φ215 mm孔身結(jié)構(gòu)，上部 120 m 下入φ605 mm×7 mm螺旋鋼管做孔口管。井孔孔身結(jié)構(gòu)詳見圖3。

圖3 地熱勘查井井身結(jié)構(gòu)圖

3.2 常規(guī)方式處理“粘附卡鉆”事故的現(xiàn)場嘗試

3.2.1 “粘附卡鉆”事故的綜合研判

由表1可知，井孔地層是水敏性地層，屬浸潤型、可自己造漿、易形成虛厚泥皮的地層(胡繼良和陶士先，2011)。

鉆頭和鉆鋌下部30 m處的巖層為石灰?guī)r和細粒砂巖夾泥巖；鉆鋌上部64 m處在泥巖、細砂巖巖層，局部是粉砂巖。前期測量顯示，鉆孔孔徑規(guī)整，孔斜較小，基本屬于豎直狀，沒有明顯“狗腿”孔段，2000 m孔深處孔斜僅為0.9°，所以，上部φ89 mm鉆桿被“粘附卡鉆”的可能性不大，下部φ159 mm鉆鋌由于與鉆孔間隙較小，更易發(fā)生“粘附卡鉆”。

綜合研判，“粘附卡鉆”區(qū)域為φ159 mm鉆鋌孔段。解決該類地層“粘附卡鉆”事故，消除鉆孔的虛厚泥皮，是理想的途徑。

3.2.2 常規(guī)處理方式的嘗試

事故發(fā)生后，在強力提拔法失敗后，配制不分散低固相泥漿作為解卡劑，用大泵量沖孔方式，處理“粘附”泥皮事故。

現(xiàn)場將泥漿調(diào)制為不分散低固相泥漿。不分散低固相泥漿的配比：一立方泥漿中，山東高陽膨潤土加入35 kg；純堿加入5 kg；加入0.3%中粘Na-CMC(取代度為0.8～0.85、聚合度為200～600)；加入100 ppm的PHP(分子量300萬～500萬、水解度30%左右)。泥漿性能為：比重1.04；粘度19 s；失水量8 ml/30 min；泥皮厚度0.55 mm；pH值為8.2。

用不分散低固相泥漿以850 L/min大泵量沖孔，沖孔6 h后，無明顯效果，以失敗告終。

3.3 火堿處理方式的應(yīng)用

常規(guī)方式嘗試失敗后，決定用火堿液為解卡劑“消融”泥皮，處理“粘附卡鉆”事故。

解卡劑用量為：鉆鋌孔段的環(huán)狀體積(0.2162-0.1592)×3.14÷4×94=1.577 m3。

為保證解卡劑能完全充分浸泡鉆具，鉆鋌上部50 m孔段的環(huán)狀空間也將泥漿置換為火堿解卡劑。鉆鋌上部50 m孔段環(huán)狀空間體積為(0.2162-0.0892)×3.14÷4×50=1.520 m3。

解卡劑浸泡液的總體積為：1.577+1.520=3.097 m3。

考慮鉆孔擴徑因素，取充盈系數(shù)1.3，最終制作火堿解卡劑量為：3.097×1.3=4.03 m3。

替漿體積的計算：φ159 mm鉆鋌內(nèi)徑為 58 mm，總長為94 m，內(nèi)腔容量=0.0582×3.14÷4×94=0.25 m3。

φ89 mm鉆桿：內(nèi)徑為70.2 mm，總長為 2075 m，內(nèi)腔容量=0.07022×3.14÷4×2075=8.03 m3。133 mm×133 mm方鉆桿：內(nèi)徑為82 mm，長度為16 m，內(nèi)腔容量=0.0822×3.14÷4×16=0.08 m3。φ89 mm高壓管：內(nèi)徑為60 mm，長度為 16 m，內(nèi)腔容量=0.062×3.14÷4×16=0.05 m3。φ127 mm高壓輸漿管：內(nèi)徑為108 mm，總長度為 50 m，內(nèi)腔容量=0.1082×3.14÷4×50=0.46 m3。

泥漿泵活塞缸：0.15 m3、φ200 mm泥漿泵進水管內(nèi)徑為160 mm，總長度為8 m，內(nèi)徑容積=0.162×3.14÷4×8=0.16 m3。泥漿循環(huán)回路需要替漿總體積為：0.25+8.03+0.08+0.05+0.46+0.15+0.16=9.18 m3。

為防止替漿過多替換解卡劑而減少解卡劑浸泡區(qū)域，影響解卡效果，替漿的用量取0.97的系數(shù)。替漿量最終采用8.9 m3。

3.4 事故處理過程

解卡劑的制備：首先將700 kg水注入1.2 m3的攪拌箱內(nèi)，然后緩慢加入火堿200 kg，待火堿基本溶化后，再徐徐加水，至火堿溶液體積為1 m3，充分攪拌至火堿完全溶解為止。

替漿的準備：采用前期配制的不分散低固相泥漿。

火堿解卡劑、替漿注入過程：(1)用不分散低固相泥漿充分循環(huán)，然后將4.03 m3火堿解卡劑用水泵打入鉆桿——鉆孔循環(huán)回路；(2)隨后將8.9 m3的不分散低固相泥漿打入鉆桿——鉆孔循環(huán)回路中；(3)關(guān)死泥漿回路閥門，封閉沖洗液循環(huán)回路，使火堿液解卡劑浸泡鉆頭——鉆鋌孔段。

解卡劑、替漿用小泵量注入，使解卡劑和替漿以層流流型和液柱狀態(tài)進入鉆具、孔壁的間隙，替換出原漿，防止因注入過快而以小股竄流形態(tài)在鉆具與孔壁間隙的形成間槽，局部替換原漿。

替漿打完，靜置18 h后交替緩慢上提、回轉(zhuǎn)鉆具，克服鉆具輕微卡頓后，順利將鉆具上提100 m，解除了“粘附卡鉆”力。用不分散低固相泥漿大泵量循環(huán)沖孔40 min后，繼續(xù)正常鉆進?！罢掣娇ㄣ@”事故處理成功。

4 結(jié)論及建議

(1)“粘附卡鉆”與鉆孔結(jié)構(gòu)、泥漿性能、鉆具在孔內(nèi)靜置時間、地層巖性密切相關(guān)。

(2)密度小、失水量低、泥皮薄、泥皮摩阻系數(shù)小的泥漿，可減少“粘附卡鉆”事故的發(fā)生。

(3)水敏性地層等易浸潤地層、砂巖地層等易濾失地層，屬于易發(fā)生“粘附卡鉆”事故的地層；鉆鋌在這類地層孔段，靜置時間不能過長；若鉆具靜置孔內(nèi)時間較長時，應(yīng)將鉆鋌懸吊于非浸潤型、低濾失型、鉆孔頂角較小的地層孔段；施工中應(yīng)時常不間斷地上下竄動鉆具進行“劃眼”，以降低“粘附卡鉆”事故的發(fā)生機率。

(4)處理“粘附卡鉆”事故的方式有：強力起撥法、套銑鉆具反桿起撥法、留置鉆孔分叉鉆進法、解卡劑浸泡法等。

解卡劑浸泡法是一種省力省事、經(jīng)濟高效的方法。常規(guī)解卡劑有清水、不分散低固相泥漿、鹽水、原油、柴油、煤油、油類復配物、鹽酸、土酸、堿水等。清水、不分散低固相泥漿適用于除滲漏性地層以外的所有地層，可作為事故前期的嘗試手段；鹽水、土酸及鹽酸在各類地層的淺孔孔段，可以采用；柴油、煤油處理硬巖鉆孔“粘附卡鉆”事故，情況良好。

高濃度火堿液解卡劑，適宜處理水敏性地層“粘附卡鉆”事故，工序簡單，成功率較高，效果較好。