砂巖型地浸鉆孔粘卡吸附問題研究

徐騰

（湖南中核勘探有限責任公司，湖南 長沙410000）

在砂巖型礦山地浸工藝鉆孔施工中，隨著施工鉆孔深度的逐年提高，鉆孔涉及的地層愈發復雜。通常情況下，在裸孔鉆進過程中，存在井斜彎曲及因鉆壓不均勻原因導致的井眼不絕對垂直且井眼圓度較差的情況。因此，鉆具特別是尺寸較大的鉆鋌段在處于高滲透性的砂巖地層位置并長久不動時，由于壓差作用，護壁泥餅不斷變厚，致使井壁與鉆具之間間隙逐漸減少，甚至會較為快速的出現鉆具與井壁之間貼附的現象。在此情況下，貼壁部位的鉆具不再受原有的液柱壓力平衡作用，而對側則在液柱橫向壓力作用下將鉆具推向泥壁，加之貼壁后原有鉆井液潤滑作用的降低，致使使鉆具和泥壁之間的摩擦力急劇變大，且摩擦力及鉆具與泥壁的封閉接觸面積隨著靜止時間的延長不斷變大。

鉆具在井眼中長期處于鉆井液的浸泡中，而鉆具和井壁上厚的假泥壁上分別帶有正負電荷，因此會由于靜電相互作用發生吸附作用。當鉆具靜止時，鉆具重力分解的水平作用力導致鉆具向下方的井壁靠近，同時，在井眼軌跡彎曲度較大的部位，更易導致鉆具與泥壁之間的距離快速縮小到鉆具和泥壁之間的作用力能互相作用的范圍，進而在作用力下出現吸附，使鉆具在提下過程阻力增加。

因此，在鉆探過程中鉆具粘卡事故時有發生，且事故處理難度較大，導致單次事故造成的經濟損失也大大增加。通過深度解析粘吸卡鉆事故的成因，同時探究此類事故的處理及預防方法，可有效提高事故處理成功率，同時降低孔內事故發生率及孔內事故造成的經濟損失，對砂巖型地浸工藝鉆孔施工的發展具有重要意義。

1 粘吸卡鉆的原因

1.1 地質地層因素

砂巖型鈾礦處在第四、第三系中的砂巖層中，成礦地上覆地層主要為黏土、砂礫巖、砂巖、泥巖等。其中黏土、砂礫巖中的膠結物多為水敏性，吸水后巖石的力學性質和穩定性變差，易出現膨脹、破碎、脫落、掉塊等現象，從而導致松井段的井徑不規則變大，形成大肚子，而鉆井液中在上返過程在該處流速降低，其中攜帶的巖屑出現大量沉積形成泥餅造成粘吸卡鉆（見圖1）。

1.2 施工因素

圖1 砂巖地層泥餅吸附卡鉆示意圖

施工人員素質不一，在施工過程中操作碳源不嚴格按照操作規程操作：如操作剎把不平穩造成井眼圓潤度差；鉆進過程，鉆井液參數未進行適時調節，造成鉆井液的潤滑性和濾失性不好，鉆孔穿過水敏性地層時，由于鉆井液失水率高，巖層吸收水分膨脹向孔內膨脹，形成縮徑；泥漿泵的排量跟不上，鉆井液返速過低，攜渣能力低，造成破碎的巖屑不能及時排出，在孔底反復破碎致使鉆井液中的含沙量高，其形成的護壁層磨擦系數也會增大，鉆具提下時阻力增加；人員處理事故能力不足，事故處理時間較長，及在事故處理時未見鉆具提放在安全位置；事故處理工具不到位，出現事故苗頭或出現事故后不能及時有效的進行處理（見圖2）。

2 粘吸卡鉆的特征

2.1 粘吸卡鉆都是在靜止狀態發生的，從靜止到可能發生粘卡吸附的時間，這和鉆孔結構、鉆孔質量、鉆具的組合及鉆井液性能都有極大的關系。從幾分鐘到幾十分鐘皆有可能，但全過程都是一個靜止的過程。

2.2 粘吸卡鉆卡點的位置一般在鉆鋌段或松散薄弱地層、縮徑地層與鉆具所接觸的位置。

2.3 粘吸卡鉆前和發生后，鉆井液均循環正常，進出平衡、泵壓正常。

2.4 卡鉆后提拉鉆具會由于卡點上移而使鉆具的伸長活動距離逐漸變小。

2.5 粘吸卡鉆后，若鉆具活動不及時、不正確或強卡繃緊時間過長，卡點易出現上移并成帶成片的現象，致使粘卡情形加劇。

圖2 鉆具貼壁粘鉆吸附卡鉆示意圖

3 粘吸卡鉆事故的處理方法

3.1 強力提拉活動鉆具解卡

發生粘吸卡鉆事故后，要及時處理，爭取在最佳處理時期內完成處理工作。

3.1.1 在安全和設備允許拉力、扭矩的前提下，上下提放活動鉆具，情況允許時通過強力轉動鉆具來解除卡鉆。

3.1.2 在活動鉆具時要設法接入泥漿循環系統并循環鉆井液，以求迅速解卡。在處理間歇或放棄通過強力提拉解卡時把卡點以上鉆具重量的1/2 甚至全部重量壓在鉆具上，這樣鉆具在井眼內呈現出彎曲狀態下，鉆具與井眼處于多點接觸狀態。若拉扯狀態下將鉆具繃直會使鉆具與井壁呈線面接觸狀態，造成卡點上移成片發生粘吸卡鉆使事故愈發嚴重。

3.2 解卡劑解卡

在采用上述方法無效時，可以采用解卡劑來解除卡鉆。解卡劑解卡的原理主要對粘附鉆具的泥壁進行滲泡，降低消除吸附力。

3.2.1 卡點測算

在解卡劑注入之前，首先要弄清楚粘卡點的深度，卡點的位置是根據鉆桿在受力時的伸長量來計算的。計算公式為:

式中:L-自有鉆具的長度，單位m;E-鉆桿鋼材的彈性模量，2.06×105MPa;AP-自由鉆具的橫截面積，單位cm2；△L-自由鉆具在F 力作用下的伸長量，單位cm;F-自由鉆具所受的超過其自重的拉力，單位KN。

3.2.2 解卡劑注入量計算

在初步算得卡點位置后（目前項目施工鉆桿多為Φ89mm鉆桿，鉆鋌為Φ159mm 鉆鋌，直徑相差較為懸殊，鉆桿段不易發生粘卡事故，發生粘卡鉆的位置多在鉆鋌位置，進行解卡劑解卡時多采用解卡劑浸泡鉆鋌段的方法進行），根據計算，確定解卡劑用量，注入卡鉆段浸泡解卡，解卡劑用量計算公式如下:

式中:Q——解卡劑用量，單位m3;

Q1——粘卡段環空容量，單位m3;

Q2——粘卡段鉆具內容量，單位m3;

Q3——預留替漿量，單位m3;

K——擴徑系數，一般為1.2-1.25;

H1——環空泡解卡劑高度，單位m;

H2——鉆具內液柱高度，單位m;

D1——鉆頭直徑，單位m;

D2——鉆鋌或鉆桿外徑，單位m;

D3——鉆鋌或鉆桿內徑，單位m。

解卡劑注入后，每15min 替入少量鉆井液，使解卡劑上返，以強化解卡劑的滲透浸泡作用。在解卡劑浸泡6h 時，即可提拉活動鉆具，反復拉放實現解卡。

3.2.3 施工準備和注意事項

3.2.3.1 制定解卡劑解卡預案。

3.2.3.2 檢查、安裝設備和管線。

3.2.3.3 留足鉆井液，及時補給井內鉆井液回落和壓替解卡劑。

3.2.3.4 施工前根據員組織人員并進行安全技術交底。

3.3 套洗、套銑解卡

由于套洗及套銑作業的工作量較大進度較慢，主要用于底部鉆具埋鉆的情況，一般粘附卡鉆不建議進行。

套洗解卡主要適用于砂埋解卡，即在卡點上部脫手，下套洗筒將環形空間砂子沖出解卡。

套銑解卡主要適用于小落物卡在大臺階上、水泥卡或工具卡，即在卡點上部脫手，下套銑筒將環形空間卡點銑掉解卡。水泥卡采用套一根、倒一根的辦法，將被卡管柱起出。

4 粘吸卡鉆事故的預防

4.1 鉆進施工過程控制孔斜，避免因孔斜造成的井眼軌跡彎曲導致鉆具在彎曲段發生貼壁現象，上下壁壓力失衡出現壓差。

4.2 勤短起鉆具，特別是在鉆進速度較快的地層段，短起鉆具有助于優化井眼軌跡，減少井壁吸附巖屑的能力，保證井眼圓潤清潔。

4.3 根據地層調整泥漿參數，針對水敏性地層段，調節降低泥漿的失慮性，避免泥漿對地層的侵入和失水導致地層吸水膨脹縮小井眼尺寸，致使鉆具貼壁粘吸。

4.4 調整泥漿參數及泵壓，增加鉆井液的攜渣返渣能力，降低鉆井液含沙量，提高鉆孔清潔能力，改善泥壁質量，提高鉆井液及泥壁的潤滑性。

4.5 優化鉆具結構、合理控制孔底壓力，減小鉆具對井壁的側向作用力和接觸面積等。

4.6 設備維修時需將鉆具提至大孔徑段，并錯開塑性和膠結性差的地層段。

5 結論與建議

通過對粘卡吸附現象的成因分析，針對性加強砂巖型地浸鉆孔施工中孔斜控制和泥漿參數的調整，可有效避免粘卡吸附情形的出現和因此造成的事故。面對出現的粘卡吸附造成的事故，在處理事故時應根據粘卡成因、時間、粘卡程度等綜合分析，快速采取有效的處理方法，可提高粘卡吸附造成的孔內事故的處理成功率。