劉 江,聶新明,王雷浩,殷 邈,石 遜
(1.河北省地礦局第九地質(zhì)大隊(duì),河北 邢臺(tái) 054000;2.中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院,河北 石家莊 050031)
下套管是鉆探施工中常用的護(hù)孔技術(shù)方法,套管事故也是鉆探施工中多發(fā)的孔內(nèi)事故類型之一。由于地層因素或套管質(zhì)量問題,下管工藝和提下鉆、處理事故及鉆進(jìn)中操作不當(dāng),常使套管本身發(fā)生折斷、脫扣、錯(cuò)動(dòng)、中途墜落等各類事故。常用的處理方法有撈、提、串、震、割、頂、反、磨、劈、偏等。事故處理占用大量的生產(chǎn)時(shí)間,降低生產(chǎn)效率,影響工程質(zhì)量。如果處理方法不當(dāng),會(huì)造成大量的人力物力浪費(fèi),甚至報(bào)廢鉆孔[1]。在河北省沙河市白澗鐵礦勘探ZK27A07鉆孔施工中,下三開套管時(shí)發(fā)生了跑管事故,在處理過程中又造生多個(gè)事故頭疊加。最后通過混凝土澆筑自然繞障的方法,跑管事故得到成功處理,使鉆孔免于報(bào)廢。
河北省沙河市白澗鐵礦勘探探礦權(quán)人為冀中能源股份有限公司,本次勘探總體工作部署是對(duì)勘探區(qū)的首采地段采用以鉆探為主的勘查手段,設(shè)計(jì)以50 m×50 m網(wǎng)度加密鉆孔58個(gè),其中地質(zhì)孔39個(gè)、水文孔兼地質(zhì)孔8個(gè)、水文觀測(cè)兼地質(zhì)孔5個(gè)、水文觀測(cè)孔6個(gè),詳細(xì)查明礦床地質(zhì)特征及礦體的連續(xù)性,為確定礦山生產(chǎn)規(guī)模、開采方式、開拓方案、礦石加工選冶工藝及礦山總體布置等提供地質(zhì)依據(jù)。查明礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件及礦區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)問題,為礦床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)及礦山建設(shè)可行性研究提供依據(jù),為礦山開采、設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。ZK27A07鉆孔位于勘探區(qū)27A線,為主礦體首采地段加密控制孔,目標(biāo)為深部的磁鐵礦體,設(shè)計(jì)孔深877 m,也是為后續(xù)開采防治水工程施工預(yù)留鉆孔。
勘探區(qū)地處太行山東麓中段的山前丘陵地帶,西北地勢(shì)稍高,標(biāo)高293 m,東南低緩,標(biāo)高186 m,地形起伏不大。本區(qū)鉆探揭露地層由老到新為:奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、磁縣組及峰峰組,石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組,二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,第四系。褶皺和斷裂均較發(fā)育。巖漿巖相對(duì)簡(jiǎn)單,巖石類型主要為閃長(zhǎng)巖類,其次為石英閃長(zhǎng)玢巖。
ZK27A07鉆孔初步設(shè)計(jì)四級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)。即一開用?150 mm厚壁金剛石取心鉆頭,穿過上部第四系卵石層后進(jìn)入穩(wěn)定基巖10 m,下入?146 mm孔口套管;二開用?110 mm金剛石或復(fù)合片鉆頭,穿過煤系地層進(jìn)入奧陶系峰峰組5~10 m,下入?108 mm地質(zhì)套管;三開用S96 mm繩索取心鉆具,鉆至設(shè)計(jì)磁鐵礦體頂板以上80 m,下入?89 mm地質(zhì)套管;四開用S75 mm繩索取心鉆具至終孔,即穿過礦層接觸帶見巖體(閃長(zhǎng)巖)不少于20 m,遇有孔底異?;驇r石蝕變較強(qiáng)時(shí),應(yīng)適當(dāng)加深[2-3]。
如果二開?110 mm鉆頭不能夠順利穿過煤系地層進(jìn)入奧陶系峰峰組,就用?130 mm鉆頭擴(kuò)孔,加下一級(jí)?127 mm地質(zhì)套管。
本孔為一孔多用勘探孔,即地質(zhì)探礦孔兼做水文地質(zhì)勘探與工程地質(zhì)勘探孔的功能,且統(tǒng)籌勘探與防、治水及開采工程銜接。要求地質(zhì)孔完成探礦任務(wù)后,礦體(標(biāo)高最高)以上80 m處至地表,下? 89 mm×6 mm套管,固管止水后做耐壓試驗(yàn),要求壓力≮12 MPa。
根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)、地層復(fù)雜程度、孔深及鉆孔結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況,結(jié)合單位現(xiàn)有設(shè)備以及在相近地區(qū)鉆探經(jīng)驗(yàn),選用施工設(shè)備見表1。
表1 施工主要設(shè)備配備Table 1 Main drilling equipment
一開采用單管?150 mm厚壁孕鑲金剛石鉆頭,穿過第四系入基巖層10 m達(dá)孔深58.40 m。替漿,提鉆,進(jìn)行地球物理測(cè)井后,下入?146 mm地質(zhì)套管,P.O32.5普通硅酸鹽水泥漿固管。
二開施工鉆遇地層是煤系地層,且為20世紀(jì)70年代煤炭開采后形成的采空區(qū)或冒落帶,易塌孔、卡、埋鉆,護(hù)壁和取心難度大。首先下入?108 mm技術(shù)套管,采用S96 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn),鉆穿煤系地層進(jìn)入奧陶系峰峰組5 m,孔深258.40 m,取心后,起拔出?108 mm技術(shù)套管,用帶有?96 mm導(dǎo)向頭的普通?110 mm金剛石單管鉆具擴(kuò)孔至孔深258.40 m,替漿,沖孔,提鉆,進(jìn)行地球物理測(cè)井后,下入?108 mm套管,P.O32.5普通硅酸鹽水泥漿固管[4-7]。
三開鉆遇地層為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、磁縣組及峰峰組,采用S96 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn),揭露了2個(gè)含承壓水大型溶洞,1號(hào)溶洞孔深274.24~277.54 m、洞高為3.30 m,2號(hào)溶 洞孔深402.00~404.60 m、洞高2.60 m,承壓水靜水位埋深202.12 m。由取出的巖心可以看出,兩溶洞頂?shù)酌婢鶠楦蓛粢?guī)整的方解石結(jié)晶面。按照設(shè)計(jì)要求鉆進(jìn)至最上層礦體以上80 m、孔深538.52 m處停鉆,替漿,沖孔,提鉆,進(jìn)行地球物理測(cè)井,最大孔斜為0.4°,滿足設(shè)計(jì)要求,之后用長(zhǎng)鉆具通孔,開始下入?89 mm×6 mm地質(zhì)套管,當(dāng)套管柱下至距孔底40 m時(shí),突然發(fā)生跑管事故。
下套管時(shí)套管吊裝工具為提引器和套管專用“蘑菇”頭,套管專用“蘑菇”頭是由現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備下入孔內(nèi)的套管上隨機(jī)切下一段帶有公接頭的套管與一個(gè)單卡槽?65 mm鉆桿鎖接頭焊接而成;套管夾持工具使用的是?89 mm繩索取心重力夾持器。為加強(qiáng)套管的連接強(qiáng)度,入孔時(shí)每?jī)筛坠苓B接絲扣上緊后,沿接縫周圈全部進(jìn)行點(diǎn)焊。當(dāng)套管柱下端距孔底約40 m時(shí)(已連接套管柱總長(zhǎng)498.52 m),最頂端套管已連接、點(diǎn)焊完成,在夾持器松開的剎那間,套管柱與套管“蘑菇”頭脫扣,套管柱瞬時(shí)進(jìn)入孔內(nèi),發(fā)生了跑管事故。
分析發(fā)生跑管事故的原因,主要有主客觀2個(gè)方面:
(1)客觀上,本孔需要下入的套管柱過長(zhǎng)(538.77 m)、過重(約6.6 t),單根套管一端加工母螺紋扣一端加工公螺紋扣,每?jī)筛坠荛g公母螺紋扣直接相連,未使用套管接箍;套管是甲方提供,不是同一批次,套管連接螺紋加工不規(guī)范,而且不是出自同車間。
(2)主觀方面,沒有采取浮力塞或分段下管的措施;加工下管用的“蘑菇”頭是隨機(jī)從套管上切下的,下管前只對(duì)每一單根套管進(jìn)行了質(zhì)量檢查,沒有考慮到不同批次的套管絲扣公差有一定差別;思想麻痹,認(rèn)為多個(gè)已終孔鉆孔都是用的同樣方法下管,從未出現(xiàn)問題。
發(fā)生跑管事故后,首先下鉆具對(duì)事故套管頭探摸[8],發(fā)現(xiàn)事故上頭埋深為45.40 m,而按下入孔內(nèi)的套管數(shù)量計(jì)算上口埋深應(yīng)為40.00 m,相差5.40 m,這意味著在事故套管強(qiáng)大沖擊力作用下再加上鉆孔揭露有2個(gè)大型溶洞,孔內(nèi)套管發(fā)生了嚴(yán)重變形,致使事故套管柱相對(duì)縮短了5.40 m。
用?89 mm正絲公錐對(duì)事故套管進(jìn)行套絲打撈[9]。通過打撈發(fā)現(xiàn),跑管事故套管在強(qiáng)大沖擊力、孔壁的碰撞及接觸孔底后巨大的反彈力等多種力的共同作用下,套管柱在1號(hào)溶洞上部被斷成了長(zhǎng)度不一的4個(gè)自由節(jié),均從套管接頭處斷開,套管斷口接頭破壞程度從上到下逐漸變小,同一處套管斷開接頭公接頭比母接頭受損變形嚴(yán)重(見圖1),各自由節(jié)長(zhǎng)度由上到下逐漸加長(zhǎng)。
圖1 打撈上來的事故套管接頭受損圖片F(xiàn)ig.1 Damaged casing joint fished out
第一次打撈出47.20 m,第二次打撈出70.82 m,第三次打撈出95.68 m,第四次打撈時(shí),孔內(nèi)事故套管連接完好,公錐套扣硬性反出14.44 m。第五次打撈時(shí),孔內(nèi)事故套管上頭位于1號(hào)溶洞頂面以上0.70 m處,下公錐套扣強(qiáng)行反開,卷揚(yáng)提升有力,用鉆機(jī)強(qiáng)拉硬頂,上移2.70 m后,無法上、下提拉及回轉(zhuǎn),鉆具被拉死。隨后,使用起拔能力75 t(750 kN)的油壓千斤頂,油壓表顯示20 MPa時(shí),將公錐與事故套管頂脫開,提鉆后,分析由于溶洞內(nèi)事故套管變形嚴(yán)重已形成“麻花”狀空間S彎[10]。接著采用專用水力液壓割刀(下孔前進(jìn)行泵量、刀頭伸出量、斷管所需時(shí)間測(cè)試)將事故套管進(jìn)行分段短截,水力割刀下深至不能自由下降(入事故套管2.80 m)后上提0.10 m位置,開泥漿泵進(jìn)行切割,套管切斷后,提鉆,再次下公錐進(jìn)行打撈,公錐帶上扣后,向上提升有力,回轉(zhuǎn)向下發(fā)生掉鉆,掉鉆探孔3 m,為防止公錐進(jìn)溶洞被卡,未敢探到底,斷開套管的下半部分再次發(fā)生向下跑管,這時(shí)提鉆撈取出被割斷已變成S形套管2.70 m(見圖2),根據(jù)取出的套管數(shù)與下管前統(tǒng)計(jì)的套管數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì),被切割的套管單根長(zhǎng)度為4.92 m,也就是該根套管有2.22 m跑留在孔內(nèi)。
圖2 被割斷取出的套管Fig.2 Casing milled and fished out
由于二次跑管,不知跑下被割斷的2.22 m套管與下部套管柱是否相連,使孔內(nèi)情況更加復(fù)雜:若相連就會(huì)通過1號(hào)溶洞進(jìn)入原孔;若與下部套管柱已經(jīng)被反開,會(huì)出現(xiàn)3種可能情況,第一種情況是通過1號(hào)溶洞掉入原孔內(nèi),第二種情況是橫躺在1號(hào)溶洞內(nèi),第三種就是下頭進(jìn)入原孔內(nèi)斜插在1號(hào)溶洞中。于是采用?89 mm繩索取心鉆桿與連接2.20 m長(zhǎng)、?50 mm鉆桿的?89 mm正絲公錐探底打撈,在孔深277.30 m處探到事故上頭,人工磨轉(zhuǎn)鉆具,公錐于事故上頭錯(cuò)位掉落0.20 m,再此提升打撈公錐,重新探到事故上頭,人工磨轉(zhuǎn)鉆具,公錐仍從事故上頭錯(cuò)位掉落0.20 m,重復(fù)同樣動(dòng)作多次后,合車給壓回轉(zhuǎn)進(jìn)尺0.48 m,提鉆,見打撈鉆具有明顯的方解石印記(見圖3),判斷事故套管上部與1號(hào)溶洞底板已形成“喇叭”口,事故套管上口可能偏離了鉆孔中心,決定用帶有長(zhǎng)0.53 m導(dǎo)正頭的?89 mm正絲公錐(見圖4)再次探底打撈,探底后合車回轉(zhuǎn),提鉆后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)正頭掉入孔內(nèi);而后采用?89 mm繩索取心鉆桿通過一個(gè)變徑接頭連接?89 mm正絲公錐探底打撈,結(jié)果變徑接頭和?89 mm公錐一同斷入孔內(nèi)。
圖3 鉆具帶有方解石印記Fig.3 Drilling tool marked with calcite
圖4 帶有導(dǎo)正頭的?89 mm正絲公錐Fig.4?89mm direct thread male cone with the guide head
鑒于孔內(nèi)溶洞及多種事故鉆具的復(fù)雜性,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了井下電視探察,由于井下電視分辨率較低,未能看清孔底情況,只看到溶洞內(nèi)的水非常清澈(見圖5),通過電視影像可以斷定溶洞內(nèi)水流速比較大。
圖5 溶洞內(nèi)電視影像Fig.5 TV image in the Karst cave
對(duì)下一步如何處理研討出3個(gè)方案:一是偏斜;二是挪孔;三是混凝土澆筑繞障。偏斜方案,如果從?108 mm套管以下造斜距離1號(hào)溶洞太近,如果從?108 mm套管內(nèi)開“天窗”造斜,二開地層是煤系地層采空區(qū)和冒落帶,技術(shù)難度較大;挪孔方案,已施工的一開二開鉆孔施工難度大,挪孔重新施工成本巨大;混凝土澆筑繞障方案,用混凝土將多個(gè)活動(dòng)的事故頭澆筑固定,進(jìn)行劈割,因再垂直的鉆孔通過溶洞后也不太可能100%重眼,據(jù)此可實(shí)現(xiàn)自然繞障,報(bào)廢1號(hào)溶洞底板以下孔段,經(jīng)濟(jì)損失小,理論上可行,也方便操作。
通過對(duì)孔內(nèi)各種因素分析,一致認(rèn)為對(duì)孔內(nèi)事故鉆具采用混凝土澆筑固定,下正常?89 mm繩索取心鉆具對(duì)事故鉆具進(jìn)行切削,以實(shí)現(xiàn)自然繞障[11-12]。
最初用石子粒徑2~3 cm的C25商品混凝土6 m3通過二開?108 mm套管直接向孔內(nèi)灌注,由于鉆孔內(nèi)存在承壓水,混凝土與鉆孔間形成了“液壓油缸效應(yīng)”,僅注入不到1 m3混凝土,全部滯留在?108 mm套管內(nèi),沒有進(jìn)入到1號(hào)溶洞內(nèi),澆筑失敗。
候凝48 h后將?108 mm套管內(nèi)混凝土透掉,重新澆筑混凝土。吸取了上次的教訓(xùn),這次以?89 mm繩索取心鉆桿做導(dǎo)管,采用石子粒徑0.5~1.0 cm的C25人工攪拌混凝土(塌落度0.5 m),分3次澆筑,每次澆筑混凝土2 m3,間隔24 h。第一次將? 89 mm繩索取心鉆桿下至事故頭上方0.5 m處,通過?89 mm繩索取心鉆桿灌注至1號(hào)溶洞底板之上,第二次將?89 mm繩索取心鉆桿下至事故頭上方0.8 m處,第三次將?89 mm繩索取心鉆桿下至事故頭上方1.0 m處,第三次澆筑完成候凝7天后,下入S96 mm繩索取心鉆具,對(duì)事故鉆具進(jìn)行切削,鉆壓控制在5 kN之內(nèi),轉(zhuǎn)速41 r/min,泥漿泵量72 L/min。鉆進(jìn)取心結(jié)果(見圖6):第一次進(jìn)尺0.5 m,取出的是橫切的?89 mm公錐;第二次進(jìn)尺0.8 m,取出的是破損的?89 mm套管口和公錐殘片;第三次進(jìn)尺2 m,用水力割刀切斷后掉落在孔內(nèi)的?89 mm事故套管被劈切,取出楔形套管壁2.22 m和由薄變厚斷面為扇形面巖心0.6 m;第四次進(jìn)尺3 m,孔內(nèi)未打撈過的?89 mm事故套管被劈切,取出楔形套管壁2.4 m,巖心斷面由扇形漸變成完整柱狀巖心,繞障成功。
圖6 混凝土澆筑繞障過程中取出的事故鉆具及巖心圖片F(xiàn)ig.6 Lost drilling tools and cores taken out in the process of concrete casting and by-pass drilling
繞障成功后繼續(xù)鉆進(jìn)至原孔深538.52 m,最大孔斜1.2°,滿足設(shè)計(jì)要求,重新下入?89 mm套管。吸取上次失敗的教訓(xùn),采用分段下管的技術(shù)方法,把要下入的套管柱538.77 m(出地面0.25 m)分成上下2段,下段套管柱長(zhǎng)291 m,保證下入后與二開?108 mm套管搭接長(zhǎng)度≮10 m,上段套管柱長(zhǎng)247.77 m。上下段相連的2根套管絲扣要求在下管前進(jìn)行試扣,保證絲扣吻合,并將套管母扣加工出外“喇叭”口,以保證在孔內(nèi)易于對(duì)接。為保證套管安全,下管前對(duì)每根套管批次、質(zhì)量進(jìn)行核驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整個(gè)套管柱每一根套管長(zhǎng)度及入孔位置進(jìn)行了精準(zhǔn)計(jì)算和調(diào)整,確保在兩個(gè)溶洞內(nèi)沒有套管絲扣接頭,做到套管接頭必須出溶洞頂面和底面不小于0.80 m。成功下入?89 mm套管,整個(gè)事故處理歷時(shí)24天。
下管結(jié)束后進(jìn)行固管,本孔揭露2個(gè)大型含承壓水溶洞,采用上下兩端即“穿鞋戴帽”法進(jìn)行固管[13-14],分兩步:第一步用正循環(huán)平衡法對(duì)2號(hào)溶洞底板以下孔段即孔深404.60~538.52 m進(jìn)行固封;第二步用灌入法對(duì)?89 mm和?108 mm套管重疊段環(huán)狀空間即孔深258.40 m以上孔段進(jìn)行封固;其余孔段不做固管處理(見圖7)。
圖7 三開固井示意Fig.7 Cementation for the third section drilling
(1)對(duì)2號(hào)溶洞底板以下孔段固管,先將一只空水泥袋摶成團(tuán)從孔口放進(jìn)?89 mm套管內(nèi),以減輕水泥漿下沉?xí)r被孔內(nèi)承壓水稀釋,而后封閉孔口泵入預(yù)制好的水灰比0.46(密度≮1.8 g/cm3)P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。為保證固管質(zhì)量,泵入水泥漿量取2號(hào)溶洞底板以下孔段鉆孔理論容積,最后泵入清水平衡管內(nèi)外壓力,替漿水量必須提前計(jì)算確定,替漿水量過少管內(nèi)預(yù)留水泥柱就會(huì)過高,增加后續(xù)掃塞工作量,超量管外水泥漿可能被壓空,導(dǎo)致固管失敗,套管內(nèi)預(yù)留水泥柱高度1.0~2.0 m為宜。平衡法固管應(yīng)滿足:
式中:ρ水泥——水泥漿密度,t/m3;ρ水——水的密度,t/m3;H1——留水泥柱高度,m;H2——套管內(nèi)加注水柱的高度,m;H3——2號(hào)溶洞底板至孔底的垂距,m;H4——套管外靜水位至2號(hào)溶洞底板的垂距,m。
(2)對(duì)?89 mm和?108 mm套管重疊段環(huán)狀空間隙進(jìn)行固封。由于?89 mm和?108 mm套管環(huán)狀間隙僅有5 mm,變徑臺(tái)階可作為天然的水泥漿封隔器。將環(huán)狀間隙從孔口用鋼板焊封,上面邊做一個(gè)注漿孔和一個(gè)排氣孔。通過注漿孔泵入預(yù)制好的水灰比0.46(密度≮1.8 g/cm3)P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿,直至水泥漿從排氣孔溢出為止。
固管完成后,候凝72 h,下鉆掃水泥塞至孔底,做耐壓試驗(yàn),孔口壓力12.5 MPa,穩(wěn)壓2 h,滿足設(shè)計(jì)要求,三開結(jié)束。
四開采用S76 mm繩索取心鉆具,裸眼鉆進(jìn)至見閃長(zhǎng)巖20 m終孔,孔深867.66 m處,替漿,沖孔,提鉆,進(jìn)行地球物理測(cè)井后,將水灰比0.46(密度≮1.8 g/cm3)P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿用?71 mm繩索取心鉆桿送入孔底,自下而上進(jìn)行封孔[15],每35~40 m提鉆1次,且要求?71 mm繩索取心鉆桿下口水泥面埋深≥3 m,封孔至礦體頂板以上5~8 m孔深612 m處,提鉆,候凝72 h,下鉆探水泥面,取出完整水泥心,驗(yàn)收合格,四開結(jié)束,終孔。
(1)在大型溶洞或采空區(qū)內(nèi)若發(fā)生鉆具多頭疊加事故,采用混凝土澆筑,實(shí)施切割自然繞障是一種切實(shí)可行的辦法。
(2)含有承壓水的鉆孔,采用平衡法固管,必須要考慮承壓水的壓力和替漿水量。
(3)在含有多溶洞鉆孔進(jìn)行固管,通過“穿鞋戴帽”的方法,只能做到對(duì)最下面溶洞以下和最上面溶洞以上井段固管,其它更好的固管方法有待探索。
(1)有溶洞的鉆孔,如果溶洞高度大于單根套管長(zhǎng)度,應(yīng)下入雙層套管;溶洞高度小于單根套管的長(zhǎng)度,應(yīng)避免套管的連接絲扣部位處在溶洞中間,以防止套管在溶洞內(nèi)折斷。
(2)所有下入孔內(nèi)的套管,必須要認(rèn)真核驗(yàn)套管的批次,檢查每根套管質(zhì)量,同時(shí),將下入孔內(nèi)的套管逐根丈量準(zhǔn)確,按順序編號(hào)記入原始班報(bào)表中,以備起拔套管和處理套管事故時(shí)查閱。
(3)在遇套管柱超長(zhǎng)或超重時(shí),建議把整個(gè)套管柱分段下入,在孔內(nèi)進(jìn)行連接;或采用加裝浮力塞的方法下套管。