地質巖心鉆探深孔套管脫落事故的處理

陳兵　徐海洋　張峰　馬小平（湖北省地質局第八地質大隊，湖北襄陽　441000）

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地質巖心鉆探深孔套管脫落事故的處理

陳兵徐海洋張峰馬小平
（湖北省地質局第八地質大隊，湖北襄陽441000）

【摘 要】在深孔復雜地層中施工常采用多層套管工藝，由于套管絲扣退刀槽處的厚度很薄，又無探傷工具，在提下套管過程中，極易造成惡性套管事故，處理不當容易造成鉆孔報廢。在發生事故后，根據套管及孔壁情況分析套管損壞的原因及形式，設計不同的施工處理工具及制定相應的事故處理工藝方法，可成功處理套管事故，使鉆孔順利完工，避免鉆孔報廢的重大損失。

【關鍵詞】套管事故套管損壞分析孔壁情況事故處理工具事故處理工藝方法。

1　前言

湖北省保康縣油山勘探區ZK201孔為保康白竹磷礦外圍深部找礦項目，鉆孔孔位海拔1800余米，原設計孔深1200米，后根據地質情況調整為1645米。由于受白竹磷礦開采的影響，周邊地表水十分缺乏，鉆孔隨鉆漏失，600米以上基本上為干孔，頂漏鉆進。供水點離鉆孔直線距離約4000米，高差約800米，設置了3道泵供水，鉆探生活、生產用水均十分困難。

1.1礦區地質情況

鉆孔由寒武系中段覃家廟組開孔，分別穿過寒武系中段泥質白云巖、泥質白云巖夾頁巖，寒武系下段白云巖，震旦系燈影組白云巖和硅質條帶白云巖，陡山沱組炭質頁巖、白云巖及磷灰巖，目的層為白云巖及磷灰巖。礦區由于受長期礦山開采影響，地下穩定水位約610米，上部裂隙發育，漏失嚴重，鉆進過程中孔內隨鉆漏失，鉆孔為干孔，無法測到水位。

1.2事故發生前施工情況

該鉆孔為湖北省地調院下達的省基金項目，設計孔深1200米。2011年兩次均施工至460米左右發生埋鉆事故而移孔。2012重新制訂施工方案，于4月13日開孔，8月23日施工至1068米（中途缺水停待2個月），因地層變化較大，按省基金中心要求，停工等待更改設計方案，2012年9月16日接通知鉆孔加深至1645米，由于地質設計的變更，不得不重新更換設備，由原來的XY-44鉆機改為XY-6B型鉆機，同時配備全套CNH繩索鉆桿，在施工工藝上也作了調整，于2012年10月1日重新開鉆，11月18日擴孔施工至1258米。

2　事故情況

2.1事故發生經過

2010年11月10日，施工至1200.58米時遇一小型斷層，孔內水位由480米陡然降到610米，鉆孔在510米—530米孔段暴露為裸眼，水位下降后，孔壁失出壓力平衡，時常發生坍塌、掉塊，導致此孔段超徑嚴重而折斷鉆桿，且數次處理斷鉆桿后時，錐子超過鉆桿頭部，給下部施工造成了重大孔內事故隱患，被迫提起原下于492米處的Ф89套管，用Ф91口徑導向鉆具擴孔至556米完整的白云巖孔段，準備下入556.5米Ф89套管以隔離、封閉510至530米易坍孔段。原來鉆孔結構見圖1，更改后的鉆孔設計見圖2，最后終孔的鉆孔結構見圖3。

2012年11月24日下套管至442米時，由于上部套管接箍公扣根部斷裂造成套管脫落，上提上部套管發現327.23米處套管折斷、錯開，上部套管劈開插入下部套管2.38米至329.61米，下部剩余孔內套管228.77米，按計算套管底部深度超過原擴孔底部556.5米處8.20米。

2.2對事故情況的基本分析

對套管沖擊力的基本分析：

（1）套管的重量：

N=mg=8.93kg/m×442m×9.8=38681.19KN

（2）套管墜落的距離：

h=556.5m-442m=114.5m

（3）按自由落體產生的沖擊力：

F=mgh=38681.19×114.5

= 4428996.26KN.M

m：物體質量

g：重力加速度

h： 墜落的距離

Zk201孔的套管在墜落時，瞬間產生了4428996.26KN.M巨大的沖擊力，將89mm的套管切入77mm的鉆孔內，我們對下部套管可能的損壞情況進行分析。

圖1　原設計

圖2　修改后設計

圖3　終孔結構

圖4　套管在大肚子處彎曲折斷

圖5　上下套管插入

圖6　套管接箍鉆入套管內

2.3套管墜落后在孔內的幾種形態

在干孔中套管脫落近似于自由落體，從上式計算可以看出它所產生的巨大的沖擊力。下墜時套管與孔壁產生的摩擦力要抵消一部分沖擊力，套管是一個細長比較大的彈性體，在墜落時，直徑89mm、厚5.5mm套管底部插入77mm鉆孔出現減速-停止過程，由于慣性作用套管要承受著向下的沖擊力，套管絲扣的連接處將出現破壞，迫使它向徑向的自由空間擴展，在各個不同的薄弱點產生不同的損壞形式，而當徑向空間受到限制時，它就會在軸向上尋求應力的平衡，這都導致了套管的損壞變形，通過分析和其他鉆孔的經驗，一般出現下列幾種情況：

（1）當孔壁比較大時，套管在大肚子處產生膨脹、彎曲、折斷。見圖4。（2）上、下套管頭錯位，上套管將下套管劈開，或者上下套管都劈開，上套管按軸向直接插入下套管。見圖5。（3）上套管接公扣鉆入母扣， 上套管外徑變小，下套管被脹大，使同徑套管變成“雙層”。見圖6。（4）89mm套管鉆入77mm鉆孔內。

2.4對孔內套管損壞情況的基本預計

（1）該孔地層情況除326.8m-329.3m、510m-530m兩個孔段以外基本穩定，其他不穩定孔段均進行過投水泥球加固，加以使用繩索取心滿眼鉆進，鉆孔直徑相對變化不大，也就是說除個別孔段以外，套管不會有太大的變形。事故處理的重點在326.8m-329.3m、510m-530m處，初步判斷兩處套管損壞較嚴重。（2）鉆孔的孔斜不大，減少了處理事故中套管發生徑向錯位的機會。（3）89mm套管仍然具有一定的剛性，不會產生全孔套管過度破壞。（4）在327.23米處套管就已劈開插入下部2.3m，下部套管損壞情況還有待在處理中謹慎對待。（5）所有套管經過墜落沖擊，套管與孔壁已經相對“膨脹擠死”，沒有特大的外力是很難將套管位移，也就是說沒有可以自由活動和位移的事故套管，這也給下一步處理提供了有利條件。

2.5可能產生的次生事故

（1）用77mm的鉆具修復內徑78mm的89mm 的套管，兩邊的間隙僅有0.5mm，稍有不慎就可能發生事故套管與鉆具擠夾事故，導致前功盡棄。（2）處理套管中，肯定會產生一定的鐵屑、鐵塊、鐵粉，這對孔內的安全生產構成一定的威脅，因此必須采用分段處理法，在事故套管內放入柔性塞子，每處理一段采用強力磁鐵清理一段。（3）在套掃套管中，在套管中開天窗后，容易偏離原鉆孔，出現新孔。在充分分析了有利和不利因素后，為了挽回損失，決定進行下部處理，并且研究了處理方案。

3　事故處理

3.1事故處理原則

因為處理事故難度大，成立了以探礦隊長為首的事故處理小組，處理過程中必須遵守從淺入深，逐步穩步推進，不留隱患的事故處理模式。

（1）擠：如上下套管位置錯開不大，用錐型“炮彈”鉆頭反復修復下部套管口，引導鉆具進入下部套管。（2）劈：如套管下部彎曲，則采用平底鉆頭劈開下部套管，視被劈套管情況，采用磨、切、封等方案處理。（3）鉆：如下部套管相互鉆入，則可采用導向切鐵鉆頭強行切入。（4）磨：下部Ф89mm套管鉆入Ф77mm孔內，類似鋼材冷拔造成的套管變形，可用導向鉆頭磨削。

3.2事故處理注意事項

（1）所有下入孔內的套管、鉆桿、鉆具、鉆頭必須絲扣良好，機械性能牢靠，以免發生次生事故。（2）不經事故處理小組同意不得私自變更方案，不得自行其事。（3）機臺必須準確及時向事故處理小組匯報孔內事故情況。（4）事故處理小組到工地現場調查分析處理孔內事故。（5）孔內發現異常，應及時商討下步的事故處理方案。

3.3事故處理的過程

3.3.1330米以上孔段處理

因為在327.23m以下，有2.3m套管被嚴重破壞，在327.23m以上下入89mm套管，必須與330m的下部套管對接，而且兩節套管必須在同一軸線上，才能保證77mm鉆具在此處暢通無阻，這是處理下部事故套管的關鍵一步。

（1）326.8m-329.3m孔段為泥質白云巖，原巖呈可塑狀，孔壁在鉆孔時已產生超徑，該孔段漏失嚴重。（2）因327.23m以上套管已提出，鉆孔為干孔，長時間孔壁裸露，可能會造成掉塊、坍塌等事故隱患。因此327.mm米以上孔段需下入Ф89mm套管護壁，以免發生埋鉆等次生事故。（3）在330米下入柔性塞子架橋，投入水泥球【3米距離共投入水泥7包，350公斤】，待凝24小時后灌入15米水泥漿，將套管插入水泥漿內固定，以支撐上部327米以上Ф89mm套管。（4）固定好Ф 89mm套管以后，從Ф89mm套管中下入導向性能良好Ф77mm重索繩索取心鉆具掏孔至329米，鉆進中必須輕壓、慢轉，以防鉆孔偏斜。（5）至329米后換Ф77mm變Ф56mm導向鉆具，鉆進至330米下部套管中，找到下部套管口。（6）換用Ф77mm鉆具：上部接一根Ф50正絲鉆桿，下部帶Ф77mm 錐型鉆頭，擴孔至下部Ф89套管中。（7）用Ф 77mm錐型鉆頭，來回修復327米—330米孔段孔壁，直至繩索鉆具能順利穿過上部Ф89套管進入下部套管中。

3.3.2中部89mm套管內處理

（1）穿過330米頭部后用Ф77鉆具探孔，每一個頭部遇阻時，先“照像”，分析下部事故頭部類型，按制定的處理方案處理。（2）在處理一個節點以后，一般情況下使用錐型鉆頭繼續下探，因為它不會破壞下部套管頭，很多情況都是在接頭處遇阻，這是因為接頭在沖擊力的作用下，鉆入下部套管內而使內徑變小，只需用錐型鉆頭稍微修復即可通過。

3.3.3510m-530m孔段處理

510m-530m孔段地層較破碎，預計套管破損嚴重。

（1）先采用用Ф77mm錐型鉆頭慢掃，遇憋車時降低壓力，反復修復套管壁。（2）Ф77mm錐型鉆頭無法進尺，換用切鐵鉆頭，切除破損套管，再換用錐型鉆頭修復套管壁。（3）嚴格分段，及時清除孔內鐵屑、鐵塊、鐵粉。

3.4556.5米以下孔段

該孔段僅可穿過56mm鉆具，采用前部帶56mm 導向的77mm金剛石鉆具，高轉速、低壓力鉆進，至564.2米處時，鉆具鉆穿套管，進入完整孔段。

4　結語

此次事故套管在干孔中脫落巨大的沖擊力，造成89mm套管鉆入77mm鉆孔內7.7米，442米套管縮短0.5米。由于我們對套管事故進行了深入分析，所有出現的異常情況都在我們的掌控之中，都有措施辦法應對。在處理330m下部套管中，每班細心操作，技術人員跟班，及時掌握孔內情況，未發生一次次生事故，僅用了30個工作日，就恢復了生產，挽回了即將報廢的鉆孔，順利地在1699.79m終孔。

在全漏失鉆孔中，因套管脫落事故造成80%鉆孔報廢，損失巨大。通過ZK201孔套管事故的處理，為以后類似鉆孔事故的處理摸索了經驗。

參考文獻：

［1］練章華.地應力與套管損壞機理［M］.北京:石油工業出版社，2009.

［2］劉躍進.巖心鉆探設備的現狀與發展［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007，34（1）:39-43.

［3］張偉.關于我國地質巖心鉆機發展方向的分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（8）:1-5.