袁志堅(jiān)

大口徑特殊工程鉆孔如瓦斯排放孔、注漿堵漏送料孔、滅火孔、降溫孔等在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛,這些鉆孔的直徑在 600～1200 mm,鉆孔深度在 400～1000 m不等,入井的表層和技術(shù)套管一般是 ?450～830 mm范圍之間。由于這些鉆孔的直徑比較大,有些鉆孔的深度接近千米,鉆孔垂直度要求高,在鉆進(jìn)和成井過程中,泥漿護(hù)壁、防斜保直、擴(kuò)孔、下管、固井、成井、替空等工序均是施工中的難點(diǎn)。針對(duì)這些施工難點(diǎn),鉆探技術(shù)人員經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和研究,在實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)和成井的各個(gè)工序等重點(diǎn)環(huán)節(jié)取得較大突破,成功完成了大部分大口徑特殊工程鉆孔的施工,取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但是,筆者從有關(guān)媒體和相關(guān)渠道了解到,這幾年,在山西、河北、安徽、東北等地均有大口徑特殊鉆孔套管事故發(fā)生的事例。

眾所周知,大口徑鉆孔施工周期長、施工難度大,再加上套管口徑大,總質(zhì)量大,施工和套管的成本費(fèi)用昂貴,一旦發(fā)生套管事故,修復(fù)和處理事故的難度極大,而且成功率不高,極有可能導(dǎo)致整個(gè)工程的報(bào)廢,事故的損失非常嚴(yán)重。如:山西離石某礦井施工的瓦斯排放井,設(shè)計(jì)深度 410 m,孔徑 1200 mm,入井套管 ?830 mm ×16 mm。施工單位按照設(shè)計(jì)要求下完套管固井后,替空作業(yè)時(shí),在孔深 160 m處發(fā)生套管擠毀事故,后多次采用液壓撐擴(kuò)的方法處理未能奏效,最后導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢,該項(xiàng)目直接生產(chǎn)費(fèi)用達(dá) 260余萬元。因此,進(jìn)一步研究和分析套管事故的原因是非常必要的。只有找準(zhǔn)問題的原因進(jìn)而采取必要的技術(shù)措施才能防患于未然。

1 大口徑特殊工程鉆孔套管事故的類型和成因

在生產(chǎn)實(shí)際過程中,大口徑特殊工程鉆孔的表層護(hù)壁套管一般選用 ?600～820 mm×12 mm的螺旋管,工作技術(shù)套管選用的是 ?450 mm×12 mm～?630 mm×14 mm的無縫鋼管,鋼級(jí)為 20普通鋼。盡管發(fā)生套管事故的原因很多,比如:因工作不慎、操作不當(dāng)造成蹾斷套管;套管頭焊接不好發(fā)生跑管;套管質(zhì)量差,強(qiáng)度不夠,下管時(shí),受自重作用折斷;鉆孔孔斜嚴(yán)重,下管時(shí),套管被別斷等等。但從目前了解的情況來看,大口徑特殊工程鉆孔套管事故最突出的是表層護(hù)壁套管的粘管事故和工作技術(shù)套管的擠毀事故兩大類。

1.1 粘管事故發(fā)生的原因

大口徑特殊工程施工中,當(dāng)?shù)谌?、四系地層較厚時(shí),為了保證下部施工的安全,需要下入護(hù)壁管,粘管事故主要發(fā)生在下護(hù)壁套管過程中,其原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)泥漿質(zhì)量差。大口徑特殊工程鉆孔在第三、四系地層鉆進(jìn)和擴(kuò)孔時(shí),地層中大量的粘土、砂等固相物質(zhì)侵入到泥漿中,使泥漿中的固相含量急劇增加,導(dǎo)致泥漿失水量增大,在孔壁形成較厚的泥皮。為粘管事故的發(fā)生留下了事故隱患。

(2)套管在井內(nèi)停止時(shí)間長。大口徑特殊工程鉆孔套管的連接基本上采用焊接方法,由于套管直徑大,焊縫長度一般在 1.8～2.5 m之間,為保證焊接質(zhì)量,往往需要鋪焊 2次以上,再加上加強(qiáng)筋的焊接,一個(gè)套管頭的焊接需 1.5～2 h,這樣套管在孔內(nèi)靜置時(shí)間較長,這也是發(fā)生粘管事故的又一原因。

(3)粘附力的影響。鉆孔內(nèi)套管柱與鉆孔井壁的粘附力大小與套管柱被粘附的面積成正比。大口徑鉆孔在下護(hù)壁套管時(shí),由于套管柱表面積與井壁的接觸面積較大,這是客觀存在的,所以粘附力的影響也是發(fā)生套管粘管事故的原因。

1.2 套管擠毀事故發(fā)生的原因

套管柱在孔內(nèi)的受力比較復(fù)雜,大致可歸納為3類基本載荷:內(nèi)壓力、外擠壓力、軸向力。大口徑特殊鉆孔設(shè)計(jì)深度一般在 1000 m以內(nèi),施工鉆遇的地層中不存在高壓流 (氣)體,因此,地層巖石側(cè)壓力對(duì)套管擠毀的影響很小,這些因素可以不考慮。從目前發(fā)生套管擠毀事故的分析,主要有以下幾方面的原因。

(1)套管本身質(zhì)量問題。無論是鉆孔漏水引起的護(hù)壁管擠毀事故還是工作套管受復(fù)雜應(yīng)力引起的擠毀事故,與套管本身質(zhì)量有著密切關(guān)系,目前大口徑鉆孔普遍使用的套管是螺旋管和熱拔管,這類套管由于工藝原因,成型后套管的壁厚不均勻、垂直度不太好,理論彈性抗擠強(qiáng)度與實(shí)際抗擠強(qiáng)度有差距。所以,在強(qiáng)度上與其它高標(biāo)號(hào)的無縫鋼管或 API石油套管的彈性抗擠強(qiáng)度相差很大。這是大口徑特殊鉆孔套管擠毀事故先天不足的原因之一。

(2)套管內(nèi)外形成較大壓力差。主要情況有:下入護(hù)壁管固井后,在基巖段施工中鉆孔突然發(fā)生漏水形成較大壓力差;大口徑特殊工程鉆孔固井過程中由于套管內(nèi)外液體密度差造成壓力差;成井后進(jìn)行替空作業(yè),采用空氣氣舉法或提桶法時(shí),液面下降速度太快或提桶提升速度較高形成壓力差。

由于套管內(nèi)的水位迅速下降,套管內(nèi)外液柱形成的壓力差大于套管側(cè)向抗壓強(qiáng)度時(shí),再加上固井質(zhì)量不合格,引起了套管擠毀事故的發(fā)生。

(3)下管過程中套管柱三軸應(yīng)力的影響。套管柱軸向力主要由自重產(chǎn)生,同時(shí)還有井內(nèi)泥漿浮力的作用,以及一些在特定情況下產(chǎn)生的附向應(yīng)力。特別是大口徑特殊工程鉆孔套管總質(zhì)量比較大,下管時(shí)通常采用浮力法下管,套管柱在井內(nèi)的受力狀況更加復(fù)雜。從目前調(diào)研了解到的情況分析,在下管過程中發(fā)生套管擠毀事故,往往是套管入井較深時(shí)受到大鉤的提升力、泥漿的浮力作用后,再遇到鉆孔彎曲或孔壁不規(guī)則,又有新產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力施加到套管表面引起套管彈性變形,當(dāng)綜合應(yīng)力大于套管的抗壓強(qiáng)度極限時(shí),套管就發(fā)生塑性變形被擠毀。

從上述事故成因不難看出,除了套管本身材質(zhì)是客觀存在的問題外,其他因素基本上與泥漿、下管方法、井身質(zhì)量、固井質(zhì)量有關(guān)。因此,只要針對(duì)套管擠毀事故發(fā)生的成因進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),在施工中采取相應(yīng)的技術(shù)措施,嚴(yán)把施工中每一道工序,就能有效地預(yù)防事故的發(fā)生。

2 預(yù)防套管事故的措施

大口徑套管擠毀事故一旦發(fā)生,其處理難度非常大,損失也是慘重的。因此,做好事故預(yù)防,避免事故的發(fā)生是解決大口徑特殊工程施工的根本。

2.1 套管柱設(shè)計(jì)

大口徑特殊鉆孔套管由于直徑大 (?600 mm以上),在 API系列中沒有可選的規(guī)格,套管的連接采用焊接工藝。另外套管主要下在煤系地層上部,不受硫化氫等其它物質(zhì)的腐蝕,因此不需要腐蝕評(píng)價(jià)?；谏鲜鲆蛩?在套管鋼種和型號(hào)的選擇上,本著經(jīng)濟(jì)、安全原則宜選擇含碳量較低、焊接性能很好的套管。即表層套管選用 20鋼雙螺旋鋼管,工作技術(shù)套管選用屈服強(qiáng)度較大的 Q345B無縫鋼管。根據(jù)套管彈性擠毀強(qiáng)度公式可知,套管的徑厚比是非常重要的參數(shù)。

式中:PCO——套管彈性擠毀強(qiáng)度;DC——套管外徑;δ——套管壁厚。

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)要求,當(dāng)套管外徑確定后,要從設(shè)備的最大提升能量、套管的下深、浮力塞位置、套管空管段最大的允許長度等綜合因素分析計(jì)算來確定套管柱各受力段的壁厚。套管彈性擠毀強(qiáng)度是在單軸狀態(tài)下套管的最大抗擠強(qiáng)度,實(shí)際上套管在孔內(nèi)的受力非常復(fù)雜,它的實(shí)際抗擠強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于彈性擠毀強(qiáng)度的理論值,所以在確定套管壁厚時(shí)必須考慮一定的安全系數(shù) (1.15～1.20)。

2.2 泥漿技術(shù)措施

從大口徑特殊鉆孔套管事故的類型不難看出,粘管事故和固井質(zhì)量都與泥漿性能有著直接關(guān)系,所以在整個(gè)鉆井過程中一定要控制泥漿的性能指標(biāo),避免泥皮過厚和失水量過大。特別是第三、四系地層較厚時(shí),必須安裝使用泥漿固控系統(tǒng),利用機(jī)械、循環(huán)槽、沉淀池等多種方法來最大限度降低泥漿的固相含量。在下套管前,在泥漿中逐漸加入淀粉處理劑,使泥漿失水量控制在 10 mL/30 min以內(nèi),粘度 23～25 s,密度 1.05～1.12 kg/L,pH值 9～11。只要能夠保證泥漿的性能,孔壁形成的泥皮薄而致密,在下管過程中,就可以避免因焊接套管頭造成套管在孔內(nèi)停留時(shí)間長而發(fā)生粘管。

2.3 保證鉆孔井身質(zhì)量

嚴(yán)格控制鉆孔的“狗腿”度。大口徑特殊工程鉆孔井位一般選在礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi),鉆孔中心落點(diǎn)一般控制在十幾個(gè)平方的靶區(qū)內(nèi),對(duì)鉆孔的孔斜要求很高。在鉆井施工中要按照施工措施嚴(yán)格控制鉆孔的彎曲度,一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔斜度超限后,要慎重采取糾斜方法,建議使用“鐘擺鉆具”或“柔性鉆具”組合逐步糾斜,使鉆孔軌跡平滑過渡,切不可貿(mào)然動(dòng)用螺桿鉆具快速糾斜,最大限度控制鉆孔的“狗腿”度,保證孔壁規(guī)則。下管前必須采用同徑套管進(jìn)行通孔,順孔時(shí)首先使用單根套管進(jìn)行順孔,然后逐步增加長度,當(dāng)順孔管的長度達(dá)到 40 m以上,連接接頭超過 3個(gè)以上,順孔管上下通暢,確認(rèn)孔壁規(guī)則后才能進(jìn)行下管作業(yè)。

2.4 浮力塞位置確定和下管要求

大口徑特殊工程入井套管的總質(zhì)量比較大,往往超過鉆機(jī)的最大提升能量,目前常采用的下管方法是提吊加浮力法,如何確定浮力塞的下入深度,既能最大限度地確保下管時(shí)所需的有益浮力,又能保證套管的抗擠強(qiáng)度最大就顯得尤為關(guān)鍵。研究表明,入井套管在孔內(nèi)三軸應(yīng)力作用下,提拉使套管的抗擠強(qiáng)度降低,而使抗內(nèi)壓增大;壓縮使套管抗擠強(qiáng)度增加,而使抗內(nèi)壓強(qiáng)度減小等。所以,浮力塞下深的具體位置應(yīng)按照三軸應(yīng)力公式,結(jié)合工程的實(shí)際情況進(jìn)行具體的計(jì)算來確定。另外沖擊載荷產(chǎn)生的附加軸向力是引起套管擠毀不容忽視的因素,在下管過程中一定要嚴(yán)格控制套管的下放速度,特別在下管遇阻時(shí)要輕提輕放,盡量減少?zèng)_擊載荷力。

2.5 保證固井質(zhì)量

鉆孔漏水引發(fā)的護(hù)壁套管擠毀事故和替空作業(yè)引發(fā)的工作套管擠毀事故都與固井質(zhì)量不合格有著最直接關(guān)系。因此,在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮鉆進(jìn)、下管的經(jīng)濟(jì)合理性,同時(shí)還要考慮保證固井質(zhì)量所需的環(huán)空間隙,一般要求表層護(hù)壁管與鉆孔的環(huán)空間隙≮100 mm,基巖段工作套管與鉆孔的環(huán)空間隙≮80 mm。大口徑特殊工程鉆孔固井時(shí),由于鉆孔孔徑大,注漿時(shí)易發(fā)生串槽現(xiàn)象。所以,除了在關(guān)鍵部位增設(shè)扶正器外,在固井前必須使用好隔離液,從而提高水泥漿的頂替效率,清除井壁上附著的泥餅,使水泥能與套管和地層有效地膠結(jié),得到良好的水泥環(huán),提高套管整體的抗擠強(qiáng)度。

3 結(jié)語

大口徑特殊工程鉆孔是近幾年鉆探施工服務(wù)煤礦企業(yè)的新領(lǐng)域,是鉆探延伸業(yè)新的拓展,由于筆者收集到的大口徑套管擠毀事故案例資料不全,再加上本人理論水平有限,對(duì)事故原因的分析和提出的相應(yīng)技術(shù)措施有不當(dāng)之處敬請(qǐng)批評(píng)指正。

[1] 編寫組.鉆井監(jiān)督 (上冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版,2003.

[2] 趙金洲,張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國石化出版社,2004.