ZK5806鉆孔繩索取心鉆具脫落事故處理方法

葛曉華

(1.山東省地礦局鉆探工程技術研究中心,山東煙臺 264004;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東煙臺 264004)

0 引言

與普通鉆進方法相比,繩索取心鉆進工藝具有地質(zhì)效果好、生產(chǎn)效率高、鉆進成本低等優(yōu)點,目前是我國海上深孔、特深孔不提鉆取心鉆進方法中的主流[1-2]。近年來,隨著鉆孔向地球更深處的不斷探索,小口徑金剛石繩索取心鉆進工藝和事故處理方法也越來越成熟[3]。而孔內(nèi)鋼絲繩(落魚)的打撈,仍然是繩索取心鉆進事故中最常遇到的復雜孔內(nèi)事故?？變?nèi)事故的發(fā)生不僅耽誤施工周期,如果處理失敗,還會造成被迫側(cè)鉆或鉆孔報廢的情況[4-5]。

山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院在三山島北部海域?qū)嵤┝薢K5806號鉆孔,在1143.00 m處鉆桿連接螺紋斷裂,導致繩索取心鋼絲繩及鋼絲繩打撈鉤等落入孔內(nèi)的事故。本次研究將處理方法、過程及結(jié)果進行整理分析,為以后相似情況的處理提供借鑒。

1 鉆孔概況及事故分析

1.1 地理、地質(zhì)特征

鉆孔位于山東省萊州三山島北部海域,距離海岸最近4海里。三山島西北為一套強風化淺肉紅色二長花崗巖出露,其余地區(qū)均被第四系覆蓋。鉆孔巖心揭示,第四系自上而下為中粗砂、沙淤泥以及粉質(zhì)黏土,厚度60～80 m;第四系下部為淺肉紅色和灰白色二長花崗巖和片麻狀、細粒黑云角閃英云閃長巖等。巖石可鉆性一般為7～9級,研磨性強。鉆探過程中鉆遇斷裂蝕變破碎帶,該區(qū)域?qū)挾?0～120 m不等。該帶主斷裂面以灰色段層泥為標志,位于蝕變帶的中心部位。離主斷裂面較近的位置發(fā)育蝕變黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖,并向兩側(cè)逐漸減弱。金礦體一般賦存在主斷裂下盤的黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖和黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖化花崗巖中[4,6]。

1.2 鉆孔概況

1.2.1 鉆孔結(jié)構

根據(jù)該區(qū)域海上鉆孔施工特點,鉆孔為四開結(jié)構:一開使用直徑127 mm硬質(zhì)合金鉆頭跟管鉆進(隔水管)至20.00 m;二開使用直徑110 mm單管金剛石鉆頭,提鉆取心,鉆至取出較完整巖心塊65.00 m,下入直徑108 mm套管隔離第四系及上部風化巖;三開使用直徑95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆至640.30 m,隔離破碎地層,下入直徑89 mm套管;四開使用直徑75 mm金剛石繩索取心鉆具鉆至1600.00 m完鉆。

1.2.2 鉆探機具

本次鉆探施工采用主要設備及鉆具包括:中地裝張家口探礦機械有限公司生產(chǎn)的XY-6B鉆機1臺,衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司生產(chǎn)的BW-160/12泥漿泵1臺,無錫探礦機械總廠生產(chǎn)的2000 m取心絞車1臺,120 kW發(fā)電機組1臺,直徑127 mm單管鉆具1套,直徑108 mm單管鉆具2套,XJS95繩索取心鉆具2套,S75繩索取心鉆具2套,直徑127 mm套管24.0 m,直徑127 mm套管24.0 m,直徑108 mm套管70.0 m,直徑75 mm套管645.0 m,S91鉆桿700 m,S71鉆桿1700 m,直徑130 mm硬質(zhì)合金鉆頭1個,直徑110 mm單管金剛石薄壁鉆頭2個,S95雙管金剛石鉆頭10個。

1.2.3 事故情況

鉆至1100.00 m時,現(xiàn)場施工人員發(fā)現(xiàn)班進尺效率略有提高,鉆進泵壓由3.5～4.0 MPa降至2.5～3.5 MPa。經(jīng)初步研判,認為鉆遇地層破碎,裂隙發(fā)育,導致泥漿少量漏失[7]。自1130.00 m開始鉆進扭矩變大,鉆進電流發(fā)生波動,泵壓下降至2.0～3.5 MPa。

針對現(xiàn)場情況,施工人員調(diào)整沖洗液性能,加入部分低黏潤滑劑和隨鉆堵漏劑,泵壓有短暫上升后仍持續(xù)下降,但進尺效率仍然較為穩(wěn)定。鉆至1160.00 m,泵壓上升,孔內(nèi)阻力減小,進尺慢,施工人員取心檢查,上提鉆桿稱重,未發(fā)現(xiàn)鉆具異常。取心過程中鋼絲繩記號到達孔深后,伴有明顯打撈矛到位聲音。取心絞車提取巖心遇阻,下脫卡器解卡后未能成功脫卡,接借主卷揚牽拉,內(nèi)管總成離開孔底,換取心絞車繼續(xù)上提內(nèi)管,在取心絞車卷筒提出600多米取心鋼絲繩時,取心鋼絲繩在破損處斷開,約兩分鐘后,有內(nèi)管落入孔底聲音。

下鋼絲繩打撈鉤撈取,撈取后上提遇阻,鋼絲繩再次斷裂,打撈鉤與部分鋼絲繩落入鉆桿內(nèi),隨后起鉆。起鉆全程,鉆桿內(nèi)未見取心鋼絲繩、打撈鉤等,起鉆后發(fā)現(xiàn)鉆具(鉆桿)斷裂?？變?nèi)落魚包括鉆具內(nèi)外管總成一套、3根3 m鉆桿、打撈矛、600余米取心鋼絲繩、鋼絲繩打撈鉤及打撈鉤上部的取心鋼絲繩120.00 m。

2 事故處理

2.1 打撈鉤

2.1.1 打撈鉤的改造

結(jié)合海上鉆井平臺的局限性和孔內(nèi)事故特點,利用現(xiàn)有設備機具現(xiàn)場加工打撈工具進行事故處理,是縮短事故處理周期最有效的手段[8]。平臺施工人員將打撈鉤(圖1)現(xiàn)場焊接至鉆桿變徑接頭上。

圖1 鋼絲繩打撈鉤Fig.1 Wireline fishing hook

2.1.2 處理過程及結(jié)果分析

下鉆至遇阻,上下提拉并手動旋轉(zhuǎn)鉆桿,打撈落入孔內(nèi)的取心鋼絲繩,起鉆。第一回次起下鉆成功撈取約80.00 m取心鋼絲繩;繼續(xù)下鉆撈取,二、三、四回次分別撈取20.00 m、15.00 m、5.00 m。至第五回次撈取,下鉆遇阻,用管鉗旋轉(zhuǎn)鉆桿,鉆桿不再繼續(xù)下行,起鉆鋼絲繩打撈鉤折斷落入孔內(nèi)。

使用鋼絲繩打撈鉤第一回次下鉆遇阻,脫落在孔內(nèi)鋼絲繩被鉆桿下部的打撈鉤壓住向下擠壓,上提打撈鉤,部分鋼絲繩掛在打撈鉤倒刺上,起鉆后發(fā)現(xiàn)鋼絲繩在起刺薄弱處斷開;第二、三、四回次,同樣拉斷鋼絲繩;第五回次打撈,打撈鉤沒有掛住落魚上部鋼絲繩。經(jīng)過反復起下鉆桿,孔口人力旋轉(zhuǎn)鉆桿后,計算孔深810.30 m,起鉆。起鉆完成后發(fā)現(xiàn)打撈鉤斷孔內(nèi)0.40 m。經(jīng)現(xiàn)場分析,認為是孔內(nèi)鋼絲繩與打撈鉤相互擠壓成團,由于反復起下鉆,破壞了破碎層孔壁穩(wěn)定性,魚頭上部有掉塊、巖屑、鋼絲繩、打撈鉤等合并架橋。

2.2 自制抓筒

2.2.1 抓筒的制作

平臺現(xiàn)場自制抓筒[5](圖2),將S75鉆具外管底部用角磨機切割出分布均勻的尖齒,齒溝深大于40 mm。

圖2 自制抓筒Fig.2 Grasping tube

2.2.2 處理過程及結(jié)果分析

調(diào)整泥漿性能,下鉆護壁沖孔,經(jīng)過近4個小時的沖洗液循環(huán),停泵后孔口沉積物中可見大顆粒巖屑沉淀[9]。將加工好的抓筒接到鉆桿底部勻速下鉆至809.00 m接機上鉆桿,開泵循環(huán),打撈筒下放到809.80 m有阻力,立軸頂起10 cm,半離合慢鉆抓筒下至810.20 m有輕度憋車,立軸加壓20 kN,打撈筒下行到810.90 m后不再繼續(xù)下行。起鉆,取出的抓筒底部尖齒閉合,成功抓取第五回次斷在孔內(nèi)打撈鉤0.40 m。第七回次繼續(xù)下抓筒,至810.80 m 時回轉(zhuǎn)有阻力,輕壓抓筒,泥漿泵輕微起泵壓后泵壓消失,起鉆檢查,抓筒尖齒閉合,內(nèi)見1塊直徑約2 cm孔壁掉塊和一團用于纏繞螺紋的生料帶。

鑒于第五回次發(fā)生了打撈鉤斷入孔內(nèi)的二次事故,孔內(nèi)事故復雜程度提升,與打撈近半年無效,后已成功下造斜楔并成功繞轉(zhuǎn)的臨孔事故的發(fā)生、發(fā)展接近。項目部給出建議方案,機組可模仿臨孔,盡快封孔下造斜楔繞鉆。經(jīng)機組會討論后,認為該鉆孔可確保無燒鉆的惡性事故,維持保守打撈方案,更能節(jié)省事故處理和后續(xù)鉆進時間。現(xiàn)場繼續(xù)打撈,下入抓筒成功取出第五回次斷入孔內(nèi)打撈鉤并第七回次再次抓筒下鉆。起鉆后抓筒內(nèi)見少許掉塊,可以看出目前孔壁比較穩(wěn)定,通過抓筒給壓情況,可知落入孔內(nèi)的另外一個打撈鉤已經(jīng)擠在810.80～ 811.60 m之間,可能已經(jīng)變形且打撈鉤上部沒有可滿足打撈鉤打撈長度的鋼絲繩。由于抓筒尖齒遇阻易閉合,不再適合繼續(xù)抓取。

2.3 自制打撈筒

2.3.1 打撈筒的制作

根據(jù)落魚特點,機組現(xiàn)場自制打撈筒[8,10](圖3)。將抓筒尖齒切掉,鉆具底部,用角磨機割出落魚導入槽,在剩余底面鑲嵌八角合金塊3組,距離鉆具底面0.20 m、0.30 m、0.40 m處分別切割倒刺砸入鉆具內(nèi),鉆具外部用鐵皮電焊補滿,防止沖洗液從倒刺處漏出。

圖3 自制打撈筒Fig.3 Salvage barrel

2.3.2 處理過程及結(jié)果分析

接鉆桿下鉆,至孔深811.00 m循環(huán)沖洗液,輕壓慢掃至812.00 m起鉆壓,憋車,起鉆檢查,孔內(nèi)鋼絲繩打撈鉤和小段取心鋼絲繩取出。

第八回次,下打撈筒套取鋼絲繩打撈鉤成功,但打撈筒下部硬質(zhì)合金在套取作業(yè)時,對聚團的取心鋼絲繩有切割作用,致使打撈鉤上掛著多塊斷、短取心鋼絲繩,沒有較長取心鋼絲繩取出。繼續(xù)套掃,易造成斷落的取心鋼絲繩在打撈筒的擠壓下,在孔內(nèi)下落抱團建橋?，F(xiàn)場下鉆循環(huán)沖洗液,維護孔壁穩(wěn)定。

2.4 加強打撈鉤

2.4.1 加強打撈鉤的制作

吸取打撈鉤斷落事故教訓,根據(jù)原打撈鉤形狀,制作了整體打撈鉤(圖4)。打撈鉤的改進主要包括:在確保滿足鋼絲繩打撈空間要求的同時,增加打撈鉤體的直徑,提高打撈鉤強度;開槽并焊接強度大的倒鉤刺,用于鉤取鋼絲繩;在鉆桿接頭處預留出水口,保持沖洗液循環(huán)暢通,降低起下鉆過程對孔壁的破壞。

圖4 加強打撈鉤Fig.4 Strengthening the salvage hook

2.4.2 處理過程及結(jié)果分析

加工完成接鉆桿下鉆,第九、十、十一、十二回次起下鉆分別撈出20.50 m、70.00 m、3.00 m、90.00 m取心鋼絲繩,在下放加強打撈鉤到達孔深1040.00 m位置,打撈兩次,沒帶出取心鋼絲繩。

打撈鉤下鉆在1040.00 m遇阻,起鉆檢查打撈鉤倒刺有變形,未見有鋼絲繩取出,分析孔內(nèi)鋼絲繩有抱團擠壓,架橋可能,加強打撈鉤體較粗,不能刺入鋼絲團或架橋內(nèi),導致打撈失敗。

2.5 金剛石單管鉆具

至第十二回次為止,距離孔內(nèi)鉆桿魚頭約103.00 m,經(jīng)研究下入改造的金剛石單管鉆具(圖5)。在鉆具內(nèi)焊牢若干根長2 cm的主卷揚鋼絲繩,散開鋼絲,套取、打撈、消滅架橋鋼絲繩。

圖5 金剛石單管鉆頭鉆具Fig.5 Diamond single pipe drilling bit and tool

下鉆后,配置低固相泥漿[11],增加沖洗液黏度,提高沖洗液切力,便于攜帶鉆頭切屑的架橋鋼絲繩鐵屑、孔壁掉塊、巖屑。輕壓慢掃,控制進尺速度,防止架橋掃除后,孔內(nèi)鋼絲繩被擠壓彎曲聚團。鉆掃0.50 m后,進尺變快,松開鉆機卡頭,可下放鉆具,起鉆,鉆具內(nèi)取出鋼絲繩球和部分碎鋼絲繩。

2.6 繼續(xù)下鉆加強打撈鉤

第十六回次,下入加強打撈鉤,為防止鋼絲繩壓團,在孔深1036.00～1044.00 m開始上下起落打撈鉤,同時孔口自由鉗旋轉(zhuǎn)。沒有鋼絲繩被掛住的感覺,后加3.00m單根繼續(xù)上下竄動至孔深1047.00 m。起鉆后,打撈鉤上有碎毛刺狀鋼絲團和26.00 m取心鋼絲繩。繼續(xù)下鉆,十七、十八、十九回次均按照循環(huán)沖洗液2小時后再打撈鋼絲繩,分別取出43.00 m、16.00 m、9.00 m取心鋼絲繩,至第二十回次下鉆至孔深1143.00 m,有觸碰魚頭鉆具的手感,上下起落打撈鉤打撈,起鉆,見打撈鉤上部有少量鋼絲團狀斷頭。預計鋼絲繩已經(jīng)打撈完成。

2.7 公錐

使用直徑75 mm公錐接鉆桿,下鉆。至1142 m開泵循環(huán)沖洗液,加大泵量沖孔,吃錐,可轉(zhuǎn)車,阻力小,泵壓升至4 MPa;起鉆,有鉆具脫落感,泵壓消失。取出公錐,發(fā)現(xiàn)錐體有磨痕。

通過對公錐表面磨痕分析,一是疑似落魚上部有取心鋼絲繩,公錐無法錐牢鉆具;二是鉆具內(nèi)有孔壁掉塊、碎鋼絲繩、沖洗液中的固相物沉積的可能;三是落魚鉆具鉆桿接頭劈裂。排除鉆具裂紋后沖洗液假循環(huán),燒鉆,孔底阻力大的可能。

2.8 擴孔鉆具

使用75～56 mm擴孔鉆具[12]鉆頭磨除鉆桿接頭可能損壞部分,并清理鉆桿內(nèi)雜物,給公錐創(chuàng)造可吃錐條件。更換直徑56 mm前鉆頭和直徑75 mm后鉆頭。

下鉆,距離魚頭0.50 m開泵循環(huán)掃孔,接觸魚頭,輕壓慢鉆,磨削鉆具0.06 m后,起鉆。

2.9 公錐打撈

下入新直徑75 mm公錐,吃錐前開大泵量沖孔,慢鉆至落魚頭,輕壓吃錐[13-14]。吃錐后孔內(nèi)有輕度憋車,泵壓高,立軸可回轉(zhuǎn),加壓20 kN,錐牢鉆具后起鉆,全部落魚打撈完畢。鉆桿內(nèi)可見灌滿沉積的巖屑及掉塊[15]。取出鉆具整體完好。

3 事故及處理經(jīng)驗教訓

(1)絕大多數(shù)的孔內(nèi)事故都有其發(fā)生發(fā)展的過程,要指定專人在現(xiàn)場及時收集、精準記錄及時填寫原始班報表信息,做到真實、齊全、準確、整潔。機長及技術人員應及時匯總分析鉆探技術參數(shù),結(jié)合鉆孔地質(zhì)結(jié)構,科學掌控現(xiàn)場鉆孔施工情況,便于預防孔內(nèi)事故的發(fā)生。

(2)海上鉆探施工要求操作人員做到膽大心細,發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)異常時,及時匯報,起鉆檢查。

(3)處理孔內(nèi)事故時,做到先保持鉆孔孔壁安全,再處理孔內(nèi)事故,不要盲目處理。

(4)事故處理方案制定要集思廣益,認真聽取機組成員特別是事故發(fā)生時在場班組人員意見建議。要善于分析事故進展及處理情況,根據(jù)本鉆孔特點,選取、改進事故處理所使用的工具,滿足本鉆孔事故處理需求,避免出現(xiàn)二次事故。

4 結(jié)語

孔內(nèi)事故一般由多種因素引發(fā),同一種類型的事故,不會有完全相同的事故發(fā)生過程,也不會有完全相同的處理方案?？變?nèi)事故的成功處理,離不開全體機組人員高度的自信心、責任心和勇于創(chuàng)新,敢于發(fā)明創(chuàng)造的精神。

本次事故是發(fā)生在山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院自主研發(fā)的第三代海上鉆井平臺上,雖然距離海岸較近,但受海上鉆井平臺有限空間、施工區(qū)海況、海上交通等因素限制,增加了事故的處理難度。在原有的打撈鉤及公錐基礎上,根據(jù)以往經(jīng)驗結(jié)合本次事故對現(xiàn)有打撈鉤、自制抓筒、自制打撈筒、擴孔鉆具進行了改進,成功地解決了本次鉆探事故,為后續(xù)海上鉆探、深孔、特深孔施工積累了經(jīng)驗。