淺析惠水地熱勘查DR1孔卡鉆事故與處理

肖明君，趙 巖，田 勇，白云勃，王 冬

（1.邢臺市深地資源勘探開發技術創新中心，河北 邢臺 054001；2.河北省干熱巖研究中心，河北 邢臺 054001；3.河北省煤田地質局第二地質隊，河北 邢臺 054001）

在惠水地區施工一口地熱勘查孔，施工過程中鉆遇特殊地質構造，在石炭系祥擺組泥頁巖地層中前后發生兩次卡鉆事故，第一次卡鉆事故，使用打撈工具及反絲鉆具將孔內事故鉆具部分反出孔外，剩余鉆鋌無法打撈，隨后下入導斜器至事故鉆鋌頂部進行開窗側鉆。第二次卡鉆事故則多方處理無果，選用爆破切割技術提出鉆桿后進行再次側鉆方案[1-2]。通過事故分析總結經驗，選用泥漿材料調配可抑制泥頁巖高質量泥漿，抑制泥頁巖的縮徑、掉塊、垮塌現象[3]，該次事故對類似地層的施工具有借鑒意義。

1 地質概況與地層特點

1.1 地層情況

據區域及勘查孔鉆遇地層資料，該區地層由新至老依次為：第四系（Q）、白堊系上統惠水組（K2h）、三疊系下統羅樓組（T1l）、二疊系樂平統大隆組（P3d）、二疊系樂平統合山組（P3h）、二疊系陽新統棲霞茅口組（P2q+m）、二疊系陽新統梁山組（P2l）、石炭系上統馬平組（C2P1m）、石炭系中統黃龍組（C2h）、石炭系下統擺佐組（Cb）、石炭系下統上司組（C1s）、石炭系下統舊司組（C1j）、石炭系下統祥擺組（C1x）、石炭系下統湯粑溝組（C1t）、石炭系下統革老河組（C3g）、泥盆系上統高坡場（D3gp）。各地層巖性特征詳見表1。

表1 勘查孔鉆遇地層及巖性特征表

1.2 區域構造

該區內斷裂構造發育，巖上斷層是該孔的目的斷層，具有導水、導熱、熱聯系、控制聯系熱流活動等綜合功能，為地下水向下深部滲流提供了良好的通道，構成良好的儲熱層。區內熱儲類型兼具層狀和帶狀熱儲特征。區內斷裂構造發育（見表1），F1和F3斷裂帶是該孔的目的斷層，是地下水向下深部滲流的良好通道，有良好的熱儲條件。

1.3 地層特點

該勘查孔揭露地層較多，地層巖性多樣、巖性特征不一，在二疊系、石炭系巖性多為灰巖、泥質灰巖，局部巖溶發育、富存水，易井漏、井涌；在石炭系舊司組、祥擺組巖性則多為泥頁巖，有大量鈣、硅質結核，軟硬互層，極不穩定，易發生縮徑、掉塊現象。

2 鉆井工藝與技術難點

2.1 鉆井工藝

該勘查孔第四系為不穩定的雜填土，需下套管固井處理；惠水組、合山組鈣質粘土巖、鈣質砂巖、硅質粘土巖等不穩定地層及F3斷層，需下管護壁；棲霞茅口灰巖，為本孔的第一個熱儲目的層；梁山組—祥擺組的粘土巖、粉砂質粘土巖、泥晶灰巖礫屑灰巖、含泥質泥晶灰巖、頁巖、粘土巖夾薄層粉砂巖及1～4層無煙煤等不穩定地層，需下管護壁；湯粑溝—高坡場組灰巖、生物屑灰巖及白云巖、灰巖及F1-1斷層，為本孔熱儲目的層，整體穩定性較好、斷層帶巖體相對破碎，鉆孔結束后需下管（含水層濾管）護壁；根據地層結構特點及鉆井的要求和目的，采用“三開”鉆井結構設計[4]，結構如下：

（1）地表管（開孔）井段：?406mm 開孔，孔深至19.36m，下?339.7mm石油套管固結；

（2）一開孔段（泵室段）：孔徑?311mm，孔深至1263.18m，下?244.48mm石油套管并水泥固結，以封隔上部水敏巖層及欠穩定地層；

（3）二開孔段：孔徑?216mm，孔深至2347.67m，下?177.8mm石油套管護壁；

（4）三開孔段：孔徑?152mm，孔深至2804.03m，下?127mm石油套管（濾管和實管）護壁。

2.2 技術難點

（1）第一層熱儲層二疊系陽新統棲霞—茅口組灰巖地層巖溶發育可能性較大，可能存在溶洞，發生嚴重涌水或漏失，降壓試驗后處理難度大；

（2）本孔二疊系上統合山組（P3h）地層，由于地層巖性是以硅質巖、燧石灰巖、砂巖和粘土巖互層，軟硬不均勻，易發孔斜；

（3）本孔二疊系陽新統梁山組和石炭系下統詳擺組（C1x）等水敏性地層時，對鉆井液要求較高，易發出現縮徑、垮塌等事故；

（4）斷層帶及裂隙發育的淺變質巖地層松散破碎，可能發生掉塊或垮塌，易發生卡鉆或埋鉆事故。

3 事故過程與事故處理

3.1 事故過程

該勘查孔在施工過程中在同一層位出現兩次卡鉆事故，第一次事故是在鉆遇石炭系舊司組泥頁巖地層時，由于在井深2198m 準備提鉆加鉆具時發生卡鉆事故，當時鉆具自重59t 上提100t 未能提出事故鉆具，后自井深1486m 處倒開鉆具[5]（?88.9mm 鉆桿76-1/2 立根）提至孔外，孔內剩余事故鉆具704m（其中?88.9mm鉆桿31-1/2立根，?158.8mm鉆鋌4-1/2立根）。

第二次事故同樣發生在石炭系祥擺組，自井深2070.91m開始定向鉆進，鉆至2188m提鉆時遇卡，強提鉆具80t 提出遇卡鉆具，調整泥漿，檢修設備后繼續鉆進，繼續定向鉆至井深2194m準備短起劃眼時，鉆具上提1.5m 遇卡（2192.5m 發生卡鉆事故），提至60t 未能解卡，反復串動鉆具無法解卡，最后強提至88t仍無效果。

3.2 事故處理

（1）第一次事故發生后，制定出該井卡鉆事故處理方案：

①下鉆丈量事故鉆具頂部準確位置，判斷在倒開鉆具過程中是否存在倒開多個事故鉆桿頭的現象；

②準備打撈工具，反絲鉆桿、公錐、套銑筒等相關材料發送至施工現場；

③打撈工具到場后，下入反絲鉆具將孔內剩余事故鉆具全部反出孔外，下入?194mm 套銑筒對鉆鋌進行套掃后，再使用反絲鉆具進行打撈；

④經上述方案使用后，仍然無法打撈4-1/2 立根?158.8mm 鉆鋌，后議定下入導斜器至事故鉆鋌頂部進行開窗側鉆。

（2）第二次事故發生后，制定出該井卡鉆事故處理方案：

①通過鉆具拉伸系數計算卡點在鉆頭位置（井深2192.5m），現場使用10%濃度鹽酸溶液對該井段巖屑進行試驗，巖屑遇酸氣泡，反應較為強烈；

②第一次將1.5m332%濃度鹽酸溶液分三次注入井內鉆具卡點位置，同時上提鉆具80t未能解卡；

③使用柴油1.5t+快T 浸泡鉆具卡點，上提88t未果；

④第二次將2m332%濃度鹽酸溶液注入井內鉆具卡點位置，上提88t仍未解卡；

⑤采用爆破切割技術對鉆鋌與鉆桿變徑接手位置井深2134m進行爆破切割，提出鉆鋌以上全部89mm鉆桿，并使用5m3水泥漿自魚頂以上井段進行封固。

3.3 事故總結

（1）事故主要原因。自井深2100～2194m為石炭系祥擺組，巖性以粘土巖、泥頁巖為主，夾有大量鈣、硅質結核，軟硬互層，極不穩定，易發生縮徑、掉塊現象。地層原因是本次卡鉆事故主要原因。

（2）事故次要原因：自鉆至2100m以深地層為石炭系祥擺組泥頁巖軟硬互層，該套地層為水敏地層，當時泥漿性能為比重1.11g/cm3、粘度65s、pH 值10、失水量7mL/30min的泥漿，已無法抑制泥頁巖的縮徑、掉塊、垮塌現象，見圖1，振動篩返出的地層掉塊。

圖1 振動篩返出的坍塌掉塊

未及時針對地層巖性變化調整泥漿參數，是本次卡鉆事故次要原因之一。

4 泥漿處理與消泡試驗

4.1 泥漿問題

（1）事故段祥擺組泥頁巖地層泥漿問題。石炭系祥擺組泥頁巖軟硬互層，該套地層為水敏地層，當時泥漿性能為比重1.11g/cm3、粘度65s、pH 值10、失水量7mL/30min的泥漿，已無法抑制泥頁巖的縮徑、掉塊、垮塌現象，現場未及時針對地層巖性變化調整泥漿參數。

（2）該孔2500m 以深泥漿污染問題。為了防止井內掉塊、縮徑卡鉆，現場采用碳酸鈣增加比重維持在1.38g/cm3以上，失水控制在5mL/30min 以內，但是在鉆至2502m時，泥漿受到地層釋放的不明污染源污染，失水突然增大至19mL/30min，泥皮虛厚，泥漿流動性變差，并含有氣泡；由于井內產生氣泡包裹在泥漿中嚴重影響泵壓，造成泵壓降低致使螺桿鉆具不能達到有效轉速，影響進尺。泥漿受污染前性能參數見表2。

表2 泥漿受污染前性能參數表

4.2 泥漿試驗

（1）降失水實驗。將調試好的生石灰溶液、磺化褐煤溶液、水解聚丙烯腈銨鹽溶液，按加入濃度、用量不同來針對改變泥漿流變性、氣泡、濾失量[6]。通過多次實驗證明，添加磺化褐煤溶液可以有效降低濾失量、粘度，流動性變好些。后期低粘聚陰離子纖維素、纖維素鈉鹽材料到場后，不斷補充磺化褐煤溶液、低粘聚陰離子纖維素溶液、纖維素鈉鹽溶液控制泥漿失水、粘度、流變性。

（2）消泡實驗。首先排除鈣污染后，現場泥漿技術員分析認為地層中含有碳酸鹽，對泥漿進行破壞污染，造成失水、粘度增大，并產生氣泡影響泵壓，不能正常鉆進。在現場使用生石灰進行多次試驗后效果不明顯。

現場使用消泡劑進行多次試驗只有DC-130 效果明顯，但是考慮后期維護使用成本過高，最終使用廢機油進行消泡處理。

（3）起泡原因分析。

①現場處理劑水解聚丙烯銨鹽、磺化褐煤、磺化酚醛樹脂等加入量過多井內容易產生起泡；

②加重材料碳酸鈣質量存在問題時，里面含有碳酸根離子對泥漿進行污染；

③井內鉆遇地層含有二氧化碳污染源，始終滲透到泥漿中造成污染；

④機械氣泡，由于泥漿粘度高泥漿經過振動篩、除砂器前后起泡明顯增多。并且現場經過一個立桿泵、三匹泵、砂泵上抽泥漿，致使空氣中攪拌氣體進入泥漿中；

⑤每次加入磺化褐煤溶液都可以降低失水，循環幾周以后失水再次增大，證明井下新鉆遇地層中在反復污染泥漿。

4.3 泥漿維護

（1）事故段祥擺組泥頁巖地層泥漿維護措施。現場使用白土、碳酸鈣、高粘纖維素、水解聚丙烯銨鹽、纖維素鈉鹽、磺甲基酚醛樹脂、純堿、潤滑劑等泥漿材料調配可抑制泥頁巖高質量泥漿。

同時在泥漿中循環添加加重材料超細碳酸鈣用來增加比重進而抑制泥頁巖的縮徑、掉塊、垮塌現象，加重前后泥漿性能見表3。

表3 加重前后泥漿性能參數表

（2）2500m 以深泥漿污染處理措施。由于綜合考慮消泡劑后期使用量大、價格高，最終現場采用7桶共計1260kg 廢機油進行消泡，后續配合低粘聚陰離子纖維素、羧甲基纖維素鈉鹽、磺化褐煤、火堿等處理劑維護泥漿性能。

5 結論

石炭系上司組合祥泥頁巖水敏地層，地層深度較深，地層壓力大等因素造成掉塊縮徑卡鉆。孔壁的穩定性是鉆井的重要因素。該井在施工過程中未能及時觀測泥漿性能，泥漿被污染失效是誘發事故的主要原因。發現泥漿被污染未能及時應對，仍然快速鉆進是次要原因。

為此，應加強上鉆前的技術交底培訓，讓主要技術人員對準該工程施工節點、難點有所了解，并加強崗位培訓，發生特殊情況應及時上報，并主持開展專項研討，將事故加以預防是可以實現的。