鐘 明

（山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島 266404）

玉皇廟地?zé)?號(hào)井已經(jīng)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(guò)程中，Ф89 mm鉆桿體突然折斷。斷鉆具事故頭深度為220 m，孔內(nèi)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(fù)強(qiáng)力提拉事故鉆具無(wú)效果，發(fā)生了壓差卡鉆粘鉆事故。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)巖屑錄井情況，玉皇廟3號(hào)井鉆遇地層從上到下為：第四系、新近系明化鎮(zhèn)組、新近系館陶組、古近系東營(yíng)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(fā)生埋鉆。

（2）新近系明化鎮(zhèn)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(chǔ)層，館陶組熱儲(chǔ)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(fā)生粘鉆卡鉆事故。

（4）古近系東營(yíng)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(shè)計(jì)與套管程序

設(shè)計(jì)單孔深度1450 m；終孔層位：東營(yíng)組；止水：揭露東營(yíng)組熱儲(chǔ)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(yōu)質(zhì)石英砂填充，粒徑2～4 mm，實(shí)際填充高度及填料量以測(cè)井資料為準(zhǔn)；鉆孔直徑：0～1450 m，Ф444.5 mm（鉆探深度可根據(jù)實(shí)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?zé)岷畬佣蜗氯毵?77.8 mm纏絲濾水管；鉆孔偏斜執(zhí)行《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）。具體如圖1。

圖1 玉皇廟3號(hào)井鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3 發(fā)生粘埋鉆具的原因

（1）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

由于第四系、新近系館陶組、古近系東營(yíng)組地層基本為粘土、砂質(zhì)粘土、砂層等松散、滲透性強(qiáng)的地層，泥漿中的自由水在鉆孔內(nèi)液柱壓差作用下進(jìn)入地層，造成地層膨脹，孔壁泥皮增厚，鉆孔縮徑導(dǎo)致埋卡鉆具發(fā)生。

（2）泥漿性能差

泥漿失水量大，泥漿中劣質(zhì)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(rùn)滑性差，不能有效地阻止泥漿中的自由水通過(guò)井壁進(jìn)入地層。泥漿中的自由水進(jìn)入地層，造成井壁厚而疏松的泥皮不斷增厚，當(dāng)不斷增厚的泥皮井壁懸掛不住，就造成俗稱(chēng)的井壁“脫褲子”。

（3）鉆孔孔斜

鉆具在孔內(nèi)靜止時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，沒(méi)有經(jīng)?；顒?dòng)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(cè)，鉆具一開(kāi)始與井壁是點(diǎn)接觸，進(jìn)而是線(xiàn)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(fā)生。

（4）鉆孔泥漿液柱壓力與地層壓力不平衡

鉆孔鉆進(jìn)中鉆遇斷層、破碎帶、溶洞時(shí)，鉆孔突然發(fā)生泥漿漏失，鉆孔內(nèi)液柱突然降低，孔內(nèi)液柱壓力不能平衡地層壓力，導(dǎo)致鉆孔坍塌或縮徑。提升鉆孔中鉆具時(shí)，對(duì)鉆孔不及時(shí)回灌，鉆孔液柱壓力不能平衡地層壓力，導(dǎo)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(dǎo)致鉆孔坍塌或縮徑。

（5）發(fā)生壓差卡鉆的理論計(jì)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(shí)，鉆具被壓在孔壁上，如果拉擰鉆具，則會(huì)產(chǎn)生吸附摩擦力造成摩擦阻力或旋轉(zhuǎn)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(shù)；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(qū)動(dòng)鉆具的作用力小于摩擦阻力或扭矩，即發(fā)生壓差卡鉆。

由此得出其摩擦阻力計(jì)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(shù)；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(diǎn)垂直深度，m。

4 事故處理

4.1 事故處理方案

根據(jù)該孔的地層情況以及該孔鉆孔結(jié)構(gòu)，在處理該孔事故方案上結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不敢貿(mào)然使用反絲鉆具處理孔內(nèi)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(dǎo)致超徑，而有的地層遇水膨脹導(dǎo)致縮徑，因而在地層超徑的孔段難以找到事故鉆具頭，而報(bào)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(dòng)事故鉆具，有時(shí)在松散層的孔段下降套銑管鉆具時(shí)創(chuàng)出岔孔，再找到原孔將十分困難，而報(bào)廢鉆孔。為避免該類(lèi)情況發(fā)生，研制了預(yù)防孔內(nèi)鉆具纏繞的環(huán)刀鉆具[1-3]，決定用環(huán)刀鉆具處理該孔事故。

4.2 導(dǎo)向式環(huán)形切刀的設(shè)計(jì)與制作

采用Ф89 mm鉆桿長(zhǎng)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(zhǎng)1.2 m，兩端45°對(duì)稱(chēng)馬蹄茬，其長(zhǎng)邊對(duì)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(dòng)鉆具時(shí)憋泵；Ф244.5 mm套銑管兩端對(duì)稱(chēng)割馬蹄茬是為了防止孔內(nèi)事故鉆具接頭升降鉆具時(shí)掛碰套銑管。其導(dǎo)向環(huán)狀切刀設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 導(dǎo)向環(huán)狀切刀設(shè)計(jì)示意圖（mm）

4.3 事故處理過(guò)程

使用環(huán)形刀套取孔內(nèi)鉆具時(shí)，為了降低井壁泥皮粘滯系數(shù)，降低泥漿的失水量及密度，增加井壁泥皮潤(rùn)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(xué)除砂結(jié)合泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用長(zhǎng)槽大池自然重力沉降除砂，并采用除砂器與離心機(jī)機(jī)械除砂，嚴(yán)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(jìn)入井壁，避免鉆孔坍塌、掉塊、縮徑，確保處理鉆孔事故每個(gè)環(huán)節(jié)順利進(jìn)行。其配比如下：淡水+膨潤(rùn)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(hù) 壁 劑（0.5%～1%）+潤(rùn)滑劑（0.3%）。泥漿性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泥漿性能參數(shù)

鉆孔內(nèi)下入打撈工具，找到孔內(nèi)事故頭，用打撈工具將事故鉆具吃扣牢固，聯(lián)接鉆具到孔口，再將導(dǎo)向性環(huán)形切刀套入聯(lián)結(jié)到孔口的事故鉆具，如圖3所示。下入孔內(nèi)環(huán)形切刀套銑鉆具，每根鉆具絲扣要聯(lián)牢固，并用吊鉗反復(fù)背緊絲扣，防止鉆具串動(dòng)過(guò)程中鉆具絲扣脫扣造成事故。導(dǎo)向性環(huán)形切刀上聯(lián)結(jié)鉆具下入孔內(nèi)后，遇阻時(shí)合上主動(dòng)鉆桿，開(kāi)泵循環(huán)泥漿沖孔，并上下串動(dòng)鉆具，使事故鉆具從井壁剝離出來(lái)，反復(fù)進(jìn)行鉆桿加尺，開(kāi)泵循環(huán)泥漿沖孔，上下串動(dòng)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(nèi)，防止鉆具長(zhǎng)時(shí)間靜止形成壓差卡鉆。要不停開(kāi)泵循環(huán)泥漿上下沖串鉆具，直至孔內(nèi)沒(méi)有阻力，繼續(xù)加尺，不準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，以防孔內(nèi)兩套鉆具纏繞。串動(dòng)鉆具前要對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，串動(dòng)過(guò)程中也要經(jīng)常對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，特別是鋼絲繩靜止固定端更要進(jìn)行認(rèn)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(dòng)鉆具時(shí)，要將拉力表用繩索捆綁牢固，防止鉆具串動(dòng)時(shí)鋼絲繩一緊一松，拉力表彈射傷人，串動(dòng)鉆具時(shí)無(wú)關(guān)人員要撤到安全區(qū)域。提升鉆具將環(huán)狀切刀提出孔內(nèi)，提升鉆具時(shí)，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(nèi)遺留事故鉆具。至此，鉆孔事故處理完畢。

圖3 導(dǎo)向環(huán)狀切刀操作示意圖（mm）

5 結(jié)論與建議

在大口徑鉆孔施工中，如果孔徑允許采用導(dǎo)向環(huán)形切刀，對(duì)壓差卡鉆粘鉆、漏水埋鉆、溝槽卡鉆、掉塊卡鉆等可以采用環(huán)形切刀一次性處理各類(lèi)卡鉆事故。2017年采用此種方法成功地處理了通遼鈾業(yè)高林屯錢(qián)家店采區(qū)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(fēng)化基巖、侏羅系紅層及火成巖（火成巖下是鈾礦層）。該孔周?chē)渌麊挝皇┕ち藘蓚€(gè)鉆孔，因嚴(yán)重漏水埋鉆，找不到事故頭，鉆具均未處理上來(lái)導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。27-31C8鉆孔施工孔徑Ф331 mm一徑到終孔，鉆進(jìn)到孔深430 m時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重漏水，隨即提鉆，并隨時(shí)回灌鉆孔，鉆具提起30 m時(shí)，鉆具被鉆孔坍塌物埋住，經(jīng)打吊錘處理無(wú)效。接受該孔周?chē)蟽煽资鹿式逃?xùn)，采用Ф50 mm鉆桿外焊Ф193.7 mm導(dǎo)向環(huán)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(wú)效，就只能采用反絲鉆具處理，有時(shí)在生產(chǎn)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(dǎo)向環(huán)形切刀法處理各類(lèi)卡鉆事故極為有效。