一次性套取全孔1 445.86 m粘埋卡鉆具事故的處理技術

鐘 明

（山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 青島 266404）

玉皇廟地熱3號井已經施工到終孔層位，孔深1 445.86 m，在鉆孔中下鉆具通井順孔過程中，Ф89 mm鉆桿體突然折斷。斷鉆具事故頭深度為220 m，孔內遺留鉆具為Ф444.5 mm鉆頭+Ф177.8 mm鉆 鋌6根+Ф89 mm鉆 桿125根+Ф89 mm斷鉆桿3.2 m，用Ф89 mm正絲母錐找到事故頭后吃牢絲扣，反復強力提拉事故鉆具無效果，發生了壓差卡鉆粘鉆事故。

1 地質概況

根據巖屑錄井情況，玉皇廟3號井鉆遇地層從上到下為：第四系、新近系明化鎮組、新近系館陶組、古近系東營組。地層及其巖性組合特征概述如下：

（1）第四系（Q）

井深0～285.00 m，巖性主要為棕灰色耕殖土、灰黃色含砂粘土及灰黃色砂層組成，厚285.00 m。遇泥漿侵蝕容易造成膨脹縮徑、坍塌、掉塊，鉆孔漏失容易發生埋鉆。

（2）新近系明化鎮組（N2m）

井深285.00～1 080.00 m，上部由灰黃色、棕紅色粘土和灰黃色砂層組成，下部由棕黃色、棕紅色、雜色含砂粘土和棕紅色砂層組成，厚795.00 m。鉆孔施工中易造成鉆孔井壁坍塌、掉塊、縮徑。

（3）新近系館陶組（N2g）

井深1 080.00～1 382.00 m，上部由棕紅色、灰綠色、棕黃色含砂粘土和砂層組成，下部由棕黃色、灰綠色、棕紅色粘土及砂層、砂礫巖組成，含少量石膏，下部含少量黑色燧石及暗色礦物，厚302.00 m。館陶組為商河縣的主要熱儲層，館陶組熱儲在商河縣分布廣泛，約占商河縣總面積的98.6%。易坍塌、掉塊、縮徑發生粘鉆卡鉆事故。

（4）古近系東營組（E3）井深1 382.00～1 450.00 m，巖性主要為灰綠、棕紅色泥巖，厚度為68.00 m（未穿）。

2 鉆孔設計與套管程序

設計單孔深度1450 m；終孔層位：東營組；止水：揭露東營組熱儲層5～20 m；止水方法采用粘土球止水，粒徑2～4 cm；粘土球厚30～50 m，填充粘土球量6 m3；濾水管段采用優質石英砂填充，粒徑2～4 mm，實際填充高度及填料量以測井資料為準；鉆孔直徑：0～1450 m，Ф444.5 mm（鉆探深度可根據實際鉆遇地層埋藏深度變化）；成井管材：泵段下入Ф273 mm石油套管，非泵段下入Ф177.8 mm石油套管，地熱含水層段下入Ф177.8 mm纏絲濾水管；鉆孔偏斜執行《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615-2010）。具體如圖1。

圖1 玉皇廟3號井鉆孔結構示意圖

3 發生粘埋鉆具的原因

（1）地質構造復雜

由于第四系、新近系館陶組、古近系東營組地層基本為粘土、砂質粘土、砂層等松散、滲透性強的地層，泥漿中的自由水在鉆孔內液柱壓差作用下進入地層，造成地層膨脹，孔壁泥皮增厚，鉆孔縮徑導致埋卡鉆具發生。

（2）泥漿性能差

泥漿失水量大，泥漿中劣質固相含量高（7.6%）、密度大（1.36 g/cm3）、粘度高（27 s），在孔壁形成的泥皮厚而疏松潤滑性差，不能有效地阻止泥漿中的自由水通過井壁進入地層。泥漿中的自由水進入地層，造成井壁厚而疏松的泥皮不斷增厚，當不斷增厚的泥皮井壁懸掛不住，就造成俗稱的井壁“脫褲子”。

（3）鉆孔孔斜

鉆具在孔內靜止時間過長，沒有經常活動鉆具，再加之孔斜，鉆具在重力的作用下保持垂直而緊靠孔壁的一側，鉆具一開始與井壁是點接觸，進而是線接觸，隨后是面接觸，最后在泥漿液柱壓力作用下形成壓差卡鉆，造成粘鉆事故的發生。

（4）鉆孔泥漿液柱壓力與地層壓力不平衡

鉆孔鉆進中鉆遇斷層、破碎帶、溶洞時，鉆孔突然發生泥漿漏失，鉆孔內液柱突然降低，孔內液柱壓力不能平衡地層壓力，導致鉆孔坍塌或縮徑。提升鉆孔中鉆具時，對鉆孔不及時回灌，鉆孔液柱壓力不能平衡地層壓力，導致鉆孔坍塌或縮徑。鉆孔中泥漿密度低，造成鉆孔液柱壓力不能平衡地層壓力，導致鉆孔坍塌或縮徑。

（5）發生壓差卡鉆的理論計算

鉆具與孔壁的接觸面積為A，壓差為ΔP，則作用在鉆具上的總擠壓力為AΔP。此時，鉆具被壓在孔壁上，如果拉擰鉆具，則會產生吸附摩擦力造成摩擦阻力或旋轉反扭矩。摩擦阻力F=μΔP（式中：μ為鉆具與孔壁泥皮間摩擦系數；ΔP為地層壓差，MPa），扭矩M=FR（式中：M為扭矩，Nm；R為鉆具半徑，m）。如驅動鉆具的作用力小于摩擦阻力或扭矩，即發生壓差卡鉆。

由此得出其摩擦阻力計算公式：

F=μA（ρ·H-Pd）

式中：F為摩擦阻力或粘滯力，N；μ為泥皮摩擦系數；Pd為地層壓力，MPa；A為鉆具與孔壁的接觸面積，cm2；ρ為泥漿密度，g/cm3；H為卡點垂直深度，m。

4 事故處理

4.1 事故處理方案

根據該孔的地層情況以及該孔鉆孔結構，在處理該孔事故方案上結合以往的經驗教訓，不敢貿然使用反絲鉆具處理孔內事故鉆具，一是孔徑大（Ф444.5 mm），難以找到事故頭；二是該孔幾乎全孔都是松散地層，由于巨厚松散層有的地層遇水剝落導致超徑，而有的地層遇水膨脹導致縮徑，因而在地層超徑的孔段難以找到事故鉆具頭，而報廢鉆孔。在地層縮徑的孔段，地層縮徑將鉆具抱牢，如不套銑事故鉆具，難以用反絲反動事故鉆具，有時在松散層的孔段下降套銑管鉆具時創出岔孔，再找到原孔將十分困難，而報廢鉆孔。為避免該類情況發生，研制了預防孔內鉆具纏繞的環刀鉆具[1-3]，決定用環刀鉆具處理該孔事故。

4.2 導向式環形切刀的設計與制作

采用Ф89 mm鉆桿長度5～6 m，在其下端割45°馬蹄茬，在距其馬蹄茬1.5 m處Ф89 mm鉆桿外焊接Ф244.5 mm套銑短管（壁厚δ=9.19～20.24 mm，管長1.2 m，兩端45°對稱馬蹄茬，其長邊對外焊接在Ф89 mm鉆桿上）。Ф89 mm鉆桿其下端割馬蹄茬，是為了防止鉆孔坍塌竄動鉆具時憋泵；Ф244.5 mm套銑管兩端對稱割馬蹄茬是為了防止孔內事故鉆具接頭升降鉆具時掛碰套銑管。其導向環狀切刀設計如圖2。

圖2 導向環狀切刀設計示意圖（mm）

4.3 事故處理過程

使用環形刀套取孔內鉆具時，為了降低井壁泥皮粘滯系數，降低泥漿的失水量及密度，增加井壁泥皮潤滑性，為控制泥漿的固相含量以及井壁泥皮厚度，使用水解度30%聚丙烯酰胺化學除砂結合泥漿循環系統采用長槽大池自然重力沉降除砂，并采用除砂器與離心機機械除砂，嚴格控制泥漿中固相含量，使其在井壁形成薄而致密的泥皮，減少泥漿中的自由水進入井壁，避免鉆孔坍塌、掉塊、縮徑，確保處理鉆孔事故每個環節順利進行。其配比如下：淡水+膨潤土（5%～10%）+Na2CO3（0.3%～0.5%）+PAM（0.01%～0.02%）+Na-NPAN（0.3%～0.5%）+Na-CMC（0.1%～0.3%）+護 壁 劑（0.5%～1%）+潤滑劑（0.3%）。泥漿性能參數見表1。

表1 泥漿性能參數

鉆孔內下入打撈工具，找到孔內事故頭，用打撈工具將事故鉆具吃扣牢固，聯接鉆具到孔口，再將導向性環形切刀套入聯結到孔口的事故鉆具，如圖3所示。下入孔內環形切刀套銑鉆具，每根鉆具絲扣要聯牢固，并用吊鉗反復背緊絲扣，防止鉆具串動過程中鉆具絲扣脫扣造成事故。導向性環形切刀上聯結鉆具下入孔內后，遇阻時合上主動鉆桿，開泵循環泥漿沖孔，并上下串動鉆具，使事故鉆具從井壁剝離出來，反復進行鉆桿加尺，開泵循環泥漿沖孔，上下串動鉆具直至套清事故鉆具至孔底。在任何情況下，鉆具都不能靜止放在孔內，防止鉆具長時間靜止形成壓差卡鉆。要不停開泵循環泥漿上下沖串鉆具，直至孔內沒有阻力，繼續加尺，不準轉動鉆具，以防孔內兩套鉆具纏繞。串動鉆具前要對提升系統進行全面檢查，串動過程中也要經常對提升系統進行全面檢查，特別是鋼絲繩靜止固定端更要進行認真檢查，防止鋼絲繩老化鋼絲斷頭多而折斷鋼絲繩造成事故。串動鉆具時，要將拉力表用繩索捆綁牢固，防止鉆具串動時鋼絲繩一緊一松，拉力表彈射傷人，串動鉆具時無關人員要撤到安全區域。提升鉆具將環狀切刀提出孔內，提升鉆具時，注意鉆孔回灌注孔，保持地層壓力與鉆孔液注壓力平衡，然后再提出孔內遺留事故鉆具。至此，鉆孔事故處理完畢。

圖3 導向環狀切刀操作示意圖（mm）

5 結論與建議

在大口徑鉆孔施工中，如果孔徑允許采用導向環形切刀，對壓差卡鉆粘鉆、漏水埋鉆、溝槽卡鉆、掉塊卡鉆等可以采用環形切刀一次性處理各類卡鉆事故。2017年采用此種方法成功地處理了通遼鈾業高林屯錢家店采區27-31C8鉆孔漏水埋鉆事故。該孔地層自上而下，0～300 m為第四系表土、松散砂層、砂礫層，300～450 m為風化基巖、侏羅系紅層及火成巖（火成巖下是鈾礦層）。該孔周圍其他單位施工了兩個鉆孔，因嚴重漏水埋鉆，找不到事故頭，鉆具均未處理上來導致鉆孔報廢。27-31C8鉆孔施工孔徑Ф331 mm一徑到終孔，鉆進到孔深430 m時，發生嚴重漏水，隨即提鉆，并隨時回灌鉆孔，鉆具提起30 m時，鉆具被鉆孔坍塌物埋住，經打吊錘處理無效。接受該孔周圍上兩孔事故教訓，采用Ф50 mm鉆桿外焊Ф193.7 mm導向環狀切刀，一次性將400 m事故鉆具（其中Ф89 mm鉆桿362 m，Ф165 mm鉆鋌38 m）處理完畢。

目前處理壓差卡鉆的方法，先是采用浸泡解卡法處理，如果采用此法無效，就只能采用反絲鉆具處理，有時在生產地層中鉆孔超徑難以找到事故頭給處理鉆孔卡鉆事故造成較大困難，采用導向環形切刀法處理各類卡鉆事故極為有效。