螺桿鉆側鉆分支繞障技術處理繩索取心鉆孔事故

李光華

(湖南省煤田地質局第一勘探隊，湖南耒陽 421800)

螺桿鉆側鉆分支繞障技術處理繩索取心鉆孔事故

李光華

(湖南省煤田地質局第一勘探隊，湖南耒陽 421800)

繩索取心鉆進施工中常出現卡鉆、埋鉆和鉆具斷裂事故。一些孔內事故處理需要很長時間，尤其是深孔事故發生后投入了大量的財力、人力進行處理，最終還不一定能取得成功。在此情況下，采用側鉆繞障而避開孔內事故鉆具則是一種理想的選擇，可大大縮短事故處理時間，避免鉆孔報廢帶來的損失。重慶北碚龍車勘探區ZK6－2孔運用螺桿定向鉆進側鉆分支繞障方法取得成功，并積累了寶貴的經驗。

螺桿鉆;側鉆;分支繞障;孔內事故;繩索取心鉆進

1 施工鉆孔的基本狀況

1.1 設計深度與地層

該孔設計孔深1100 m，探煤及構造，自上而下主要地層由嘉陵江組、飛仙關組、龍潭組煤系組成。

1.2 主要設備的配置

HXY－6型鉆機，BW－320型水泵，18.5 m四角管式鋼塔，Φ71 mm加厚型繩索取心鉆桿及其它附屬機具。

1.3 泥漿類型及性能

本孔采用的泥漿是不分散低固相泥漿，分支繞障鉆進施工時泥漿的性能指標:漏斗粘度21 s、密度1.04 g/cm3。

1.4 鉆孔及事故情況

鉆孔結構一開下入Φ127 mm井口管6 m，二開Φ77 mm鉆進至914.50 m。孔內事故頭孔深910 m，殘留在孔內的事故鉆具是繩索取心鉆具內、外管及總成長4.50 m。斷脫在煤層“大肚子”孔段，事故頭已被破壞且已倒向孔壁，反反復復多次撈取無效。在此情況下如報廢鉆孔移孔重鉆則造成較大經濟損失，經研究決定采用側鉆分支繞障施工工藝技術，進行本孔孔內事故處理的方案。

2 分支側鉆繞障施工工藝技術

2.1 分支鉆進器具的選用

螺桿定向鉆進器具選用的是河北廊坊奧瑞拓石油設備有限公司生產的Φ65 mm型液動馬達螺桿鉆具，Φ77 mm側向切削能力較好的不取心電鍍造斜鉆頭?？紤]到繩索取心鉆具是“滿眼鉆具”的特性，造斜參數過大會引起造斜后鉆桿折斷，太小則將會造斜不成。

計算分析此次選擇造斜器主要參數1.25°螺桿鉆具，不需要改變鉆孔結構而實現同徑分支。它具有結構簡單、操作方便、鉆桿不回轉、同徑造斜等特點。

2.2 鉆孔分支點的確定

分支點的選擇應從技術、經濟2個方面決定。分支點選擇在孔壁較為完整孔段，巖層相對較軟一點的地層，目的是減少水泥砼與巖層硬度差值，能增大分支成功的可能性。分支點離事故頭近能減少鉆進工作量。綜合分析考慮，認為本次選擇在龍潭組煤系地層、巖石可鉆性在7級左右的泥巖層，且巖層厚度≮7 m，以便于硬質合金鉆頭鉆進3個回次為最佳分支層段，選擇840 m孔深為最佳分支點。設計820～914.5 m為鉆孔封閉孔段。

2.3 第一次側鉆分支未成功及原因分析

螺桿定向鉆具造斜參數1.25°，理論上鉆進4 m新孔中心軸線應偏離老孔中心軸線87 mm(分支點作用力分析如圖1所示)，此次鉆具組合是將3.5 m長螺桿鉆具直接連接在繩索取心鉆桿上，分支鉆進過程中發現進尺較快，不明顯有“掛上”感覺，下入短管鉆進仍跟著原孔走，此次側鉆分支未取得成功。

圖1 分支點作用力示意圖

影響分支取得成功的主要因素是水泥的封閉質量和鉆頭的側向壓力。

(1)水泥的封閉質量。水泥砼與巖層硬度差值對分支的影響。封閉質量要求水泥柱應有足夠強度(現場無法測定兩者強度值，但感觀上應達到的強度，基本要求是孔內泥漿水馬力對水泥柱沖蝕不碎，在井底P2壓力作用下不碎開，支撐鉆頭不順著老孔走)。兩者硬度差值大不易分支，因此盡可能地減少水泥砼與巖層硬度差值，有利于側鉆分支。

(2)鉆頭的側向壓力。增大造斜鉆頭分支點鉆進時鉆頭的側向壓力P1有利于分支。此次分支鉆進螺桿鉆具直接連接在繩索索取心鉆桿上，是一個“剛性”連接，由于繩索取心鉆進是“滿眼鉆具”，具有導向的特性，分支鉆進時容易順著老孔走也是一個重要因素。

螺桿定向鉆具鉆進時P值過大后液動馬達不轉動，現場試驗P值300～1000 kg(3～10 kN)為佳。因此在P值不變條件下，將螺桿鉆具直連接一根長4.5 m的Φ50 mm鉆桿，變“剛性”連接為“柔性”連接，有利提高側向壓力P1，減少鉆頭在砼上P2作用力。

P2減少也相對能減少對水泥砼的破壞力、P1增大則有利于側向削取孔壁巖層，有利于分支造斜。

針對上述原因，第二次分支造斜把分支孔段的封閉質量與鉆具組合方案作為側鉆繞障施工前準備工作的重點。

2.4 封孔工藝措施

分支點應具備條件:一是水泥柱應有足夠強度，二是水泥漿要封到設想封閉孔段。為確保填充孔段的封閉質量要求，采取以下封閉步驟及措施:

(1)選用425高標號硅酸鹽水泥，按每包封閉6 m計算用量，考慮鉆孔超徑與灌入過程中損耗適當加大用量，此次用量為700 kg;

(2)將鉆具下到離事故頭1 m處，在保證鉆孔安全的前提下將孔內沖洗干凈，計算并準備好頂替水用量;

(3)配置純水泥漿液，為達到最佳凝固效果盡可能減少水灰比而增大水泥漿稠度，加入2 kg液劑三乙醇胺并攪拌均勻;

(4)安裝井口漏斗，采用人工灌入法從井口鉆桿內將水泥漿灌入孔內，灌入時要保持連續性;

(5)開泵壓送頂替水，視頂替水用量與泵壓變化情況判斷水泥漿液是否壓送到位，確定到位后提出封孔鉆具。

候凝40 h后方可試鉆至分支點孔段，確定砼樣強度驗證封孔效果，符合上述分支點具備的2個條件后則進行下一步側鉆分支繞障鉆進施工。

2.5 分支層段的造斜鉆進

此次鉆孔側鉆分支繞障對鉆孔方位未作嚴格要求，因而未連接定向部分，在地面將螺桿鉆具調試檢查好后下入孔內。下入孔內的鉆具絲扣要擰緊防止漏水，下鉆過程中要平穩，各回次鉆進參數選擇的依據是根據硬質合金鉆進所需參數，壓力不宜過大。第一回次泵量以啟動馬達螺桿鉆具視泵壓穩定進尺均勻正常為標準(分支孔段如圖2所示)。

2.5.1 第一回次鉆進

圖2 分支孔段示意圖

鉆具組合(圖3):螺桿鉆具+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動鉆桿(立軸)(應配足4 m機上余尺)。

圖3 第一回次鉆具組合示意圖

鉆進參數:壓力3～6 kN，泵量80 L/min。

先開動水泵讓螺桿鉆具啟動，視泵壓穩定進尺均勻為正常，鉆進過程中不得隨意提升鉆具，避免在地面人為改變螺桿鉆具方位，本回次要求鉆進4 m。

2.5.2 第二回次鉆進

鉆具組合:Φ77 mm硬質合金鉆頭+Φ73 mm巖心管(1 m)+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動鉆桿(立軸)。

鉆進參數:壓力6 kN，轉速100 r/min，泵量80 L/min。

本回次鉆進0.7 m，要求單管鉆進卡牢并取凈巖心。

2.5.3 第三回次鉆進

鉆具組合:Φ77 mm硬質合金鉆頭+Φ73 mm巖心管(1.5 m)+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動鉆桿(立軸)。

鉆進參數:壓力6 kN，轉速100 r/min，泵量80 L/min。

本回次鉆進1.3 m，要求單管鉆進卡牢并取凈巖心。

2.5.4 第四回次鉆進

鉆具組合:Φ77 mm繩索取心內外管總成+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動鉆桿(立軸)。

鉆進參數:壓力7～10 kN，轉速150～300 r/ min，泵量80 L/min。

本回次鉆進2 m。

2.5.5 第五回次鉆進

鉆具組合:Φ77 mm繩索取心內外管總成+繩索取心鉆桿+主動鉆桿(立軸)。

2.5.6 小結

前三回次為造斜回次，連接Φ50 mm鉆桿的目的是改變整個鉆具的“剛”性狀態，使其具有一定的“柔”性。實踐證明在同徑造斜中能起到較好的“助斜”效果;第四、五回次為“拐點”修正回次，逐步加長底部鉆進管及減掉Φ50 mm鉆桿去“柔”性部分保存“剛”性部分，目的是使上下鉆具暢通。分支造斜鉆進后鉆具回轉正常，無明顯的“憋車”及繩索取心鉆桿折斷現象，后續施工無任何影響。

分支取得成功后，從取上巖樣取得的數據分析:螺桿定向鉆具造斜參數1.25°，鉆進4 m新孔中心軸線應偏離老孔中心軸線理論上87 mm，而實際只有近50 mm，未跟著老孔走。與第一次比較說明通過改變鉆具組合結構從而改變鉆頭的受力分布能達到“助斜”分支效果。

3 經驗體會

本次運用螺桿鉆側鉆分支繞障處理孔內事故，積累了如下經驗體會:

(1)分支孔段水泥封填封孔質量的好壞是側鉆分支繞障成功與否的關鍵;

(2)造斜分支層段宜選擇在硬質合金鉆頭能克取的、可鉆性7級左右的巖層，水泥砼與巖層硬度差值趨小較易分支;

(3)在整個分支造斜過程中，每一個回次鉆具組合與精心操作也非常重要;

(4)在孔內較穩定的情況下，盡可能地采用低固相沖洗液或無固相沖洗液，以降低螺桿鉆具液動馬達工作時水泵的泵壓;

(5)Φ77 mm小口徑繩索取心鉆進施工中選用Φ65 mm、造斜參數1.25°螺桿定向鉆具分支，且不需要改變鉆孔結構可實現同徑分支繞障。

4 結語

綜上所述，繩索取心鉆進遇復雜難以處理、無法繼續施工類同上述的孔內事故，為減少孔內事故帶來的損失，不妨運用螺桿定向鉆具進行側鉆分支繞障技術，以避開孔內事故頭。實踐證明這一技術方法是一種理想的選擇。

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Treatment of Accident of Borehole for Wire-line Coring with Obstacle-avoiding Branch by PDM Sidetracking

LI Guang-hua(1st Exploration Team，Coal Geological Bureau in Hunan Province，Leiyang Hunan 421800，China)

Drill rod sticking，burying and breaking are common accidents in wire-line coring drilling.Obstacle-avoiding by sidetracking is an ideal choice，accident treating time can be greatly shortened to save the borehole from being abandoned and reduce the loss brought by accident.The paper introduced a case in Chongqing，PDM directional sidetracking was used for obstacle-avoiding branch with success.

PDM;sidetracking;obstacle-avoiding branch;accident in borehole;wire-line coring drilling

P634.7

A

1672－7428(2011)11－0032－03

2011－05－12;

2011－08－25

李光華(1962－)，男(漢族)，湖南隆回人，湖南省煤田地質局第一勘探隊地質勘查院副院長、總工程師，探礦工程專業，從事鉆探生產、技術、安全、管理工作，湖南省耒陽市五一中路153號，liguanghua140@163.com。