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岩心钻探孔内事故的预防与处理(之一)

发布时间:2013年12月31日
来源:探矿工程在线

 

岩心钻探孔内事故的预防与处理(之一)

 

王年友

(中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊 065000)

 

钻探工程是一项及其隐蔽的地下工程,存在着大量的模糊性、随机性、复杂性和不确定性,是一个探索性很强的技术,也是一项高风险作业,由于对地层岩石的认识不清或技术因素以及操作者的决策失误,往往会出现许多孔内复杂情况,甚至出现严重的孔内事故,造成钻具的折断、烧钻、卡钻、埋钻、坍塌等恶果。特别是在目前深孔、特深孔越来越多的情况下,大都用绳索取心钻进,发生孔内事故后处理方法较单一,处理过程较复杂,因内有内管总成,外环间隙小,如处理不当,会越处理越复杂。所以,岩心钻探、绳索取心钻进孔内事故要以预防为主,要从钻孔结构设计、钻具的选择、泥浆的质量、操作等方面来考虑、以预防事故的发生。

 

1  岩心钻探孔内事故的分类

在钻孔施工过程中,由于种种人为因素、地质因素的原因,导致发生各种孔内故障而中断正常钻进,通常把这些故障统称为孔内事故。发生的孔内事故是多种多样的,这些事故大多都是人为造成的,因为有许多孔内事故,都可以通过采取一定的技术措施而避免或减少发生。孔内事故大致可分为五大类。

1.1  套管事故

包括套管下滑事故、变形断裂事故等。

1.2  埋钻、卡钻事故

包括坍塌引起的埋钻事故、掉块及提下钻过程中掉入工具或套管下滑并偏移引起的卡钻事故及斜孔、定向孔施工中发生的键槽卡钻、粘附卡钻事故等。

1.3  烧钻事故

由于各种原因引起的钻头冷却不良造成的烧钻事故。

1.4  孔内落物事故

包括跑钻、钻具折断后的脱落、测井过程中的钢丝绳及仪器的脱落、各种工具的掉入事故等。

1.5  孔斜事故等

由于设备安装、开孔、钻具组合及钻进参数等原因造成的孔斜事故。

 

2  岩心钻探孔内事故的预防

岩心钻探孔内事故虽然说是不可避免的,但不管是客观因素或主观因素造成的孔内事故,只要思想重视,严格按操作规程采取有效预防措施,制定事故预案,事故总是可以预防和减少的,有些事故是可以杜绝。如果预防做得好,事故就少一些。特别是绳索取心钻进孔内事故的处理方法,处理过程较复杂,处理方法单一,因内有内管总成,外环间隙小,如处理不当,会越处理越复杂。所以我们要从钻孔设计、到施工方案设计,操作规程方面,孔内复杂情况下的事故应急预案方面重视。

2.1  预防孔内事故的基本原则

1)加强机台生产技术管理,增强工作人员责任心,稳定队伍,认真执行各项规章制度,严格遵守施工设计和操作规程,杜绝违章作业;

2)全面了解钻孔的地层,制定孔内事故防治预案;

3)注意设备、钻具、机具、仪表的检查维护,确保运行正常、工作可靠;

4)在深孔或复杂地层施工中应制定专门的安全技术措施。

2.2  如何预防孔内事故

1)采用高效钻进技术,快速通过不稳定地层;或应用绳索取心、双壁反循环等先进钻进技术进行满眼钻进随钻护壁,减少事故发生。

2)施工现场的泥浆质量的好坏 ,对防止孔内事故至关重要。复杂地层钻进使用优质泥浆可以起到防止孔内坍塌、掉块引起的卡、埋钻事故。相反如果泥浆质量不好会造成事故和事故复杂性。因此 ,在复杂地层钻进一定要求泥浆性能好 ,才能起到防止事故发生 ,否则是造成孔内事故的主要原因。所以现场要储备一定数量的化学处理剂和封堵材料。

3)提高工作人员的技术水平和工人的操作水平 ,定期组织技术业务学习 ,开展岗位练兵活动。交流经验 ,取长补短 ,学习掌握安全生产方面的知识 ,杜绝各类事故的发生。实践证明 ,首先从思想上高度重视 ,贯彻以“预防为主”的方针 ,严格执行规程 ,采取有效的预防措施 ,建立健全必要的岗位责任制 ,统一认识 ,统一指挥 ,分工明确 ,事故是可以减少和避免的。

4)采用提钻的普通岩心钻探时,在孔内不太安全的情况下,将其连接在易发生事故的孔段,当发生埋钻、卡钻强力起拔不能解除时,从孔口钻杆内投入钢球封住水路,开泵使心轴下移并回转钻杆,使钻杆在反螺纹处脱开,然后再处理下部钻杆。该接头也可在处理事故时用。

2.3  钻进过程中的孔内事故预防

1)采用优质泥浆并适当加大泥浆的比重,减少因地质因素造成的孔壁坍塌或水敏地层缩径而发生的孔内卡钻事故;

2)采用合理的钻孔级配及制订严格的操作规程,特别是在深孔绳索取心钻进时杜绝提下钻引起的抽吸作用造成孔壁坍塌及跑钻造成人为孔内事故的发生;

3)减少钻具在孔内的停放时间,在停放时坚持开泵循环,绳索取心钻进打捞内管总成时,先冲洗干净孔底再进行打捞,防止埋钻事故发生;

4)采用合理的钻进参数,根据地层情况及钻头唇面面积施加钻压,防止钻压过大发生钻杆折断事故;

5)由于绳索取心钻进提钻次数少,所以每次提钻后特别要检查钻杆螺纹的磨损情况及有无裂纹,防止在孔内发生折断事故;

6)孔内事故是可以预防的,又是不可避免的,开钻前准备一些常用的事故处理工具及特殊事故处理工具的方案储备;

7)复杂地层钻杆折断频繁,虽然采用了加厚绳索心钻杆,但在孔内大肚子孔段,照样折断。如果用普通钻进方法,Φ50或Φ54钻杆的强度远大于绳索取心钻杆,可大大减少钻杆折断的次数。所以在特复杂地层,可以暂时采用普通金刚石钻探,有利于孔壁稳定,提钻时可用拧管机,等过了破碎带后再改用绳索取心钻进;

8)杜绝打懒钻(造成卡簧座倒扣提大钻、卡簧进入内管、烧钻)。

2.4  套管事故的预防

套管事故是目前较多的孔内事故,也是很难处理的事故,在超深井施工中,套管下入数量多,由于钻柱在套管内高速旋转、钻杆接头的敲击而发生套管脱口、断裂事故。如何预防套管事故,是钻孔施工设计必须考虑的问题。

1)发生套管事故的原因,大多都是没有下到基岩上,或孔口没有很好的固定。在钻进过程中冲洗液对套管底部进行冲刷并进入套管与孔壁的环隙,回转的钻杆又对其进行敲击,从而发生套管下滑、套管脱节、套管错位、套管挤夹等事故。

2)选择高钢级的套管。套管一般都用于隔离易坍塌、掉块、大肚子孔段,钻进过程中长时间敲打易发生套管断裂事故,所以,在深孔钻探用套管的材质用常规DZ40钢级就偏低,可以采用较高钢级的材质,左旋大螺距可防松口及增大起拔力,另外深孔一般都使用超径钻头,所以套管也可采用非标规格的超径套管。新的岩心钻探标准就将Φ89mm套管改为Φ91mm。

3)下入孔内的套管,必须认真检查丝扣是否完好,磨损过度、弯曲大、或有其他损伤的套管均不得下入孔内。同时,将下入孔内的套管逐根测量准确,按顺序编号记入原始班报表中,以备起拔套管和处理套管事故时查阅。

4)加大套管下入深度是预防孔内事故最好的方法,在科拉超深井中,245mm的套管下至深度8770米,可避免各种孔内事故的发生。

5)在深孔中,套管如果已下到位,可像石油钻井一样,进行套管底部固井,上部与孔口板固定,不让他有上串下掉的间隙,防止套管搓动或倒扣,终孔后套管底部可用割刀割断。如果还有扩孔的可能,套管以后还可能要往下跟,可以下在较坚固的地层,套管根部要用黄泥等封住,投入粘泥后可用绳索取心钻具双管总成倒实,在卡簧座内焊接一实心棒,能从钻头内径通过,倒实后将内管总成打捞出来,换成新的卡簧座,就可投下去取心钻进了。但实心棒不能伸出钻头过长,以防将内管压弯。如图1所示。

1  套管底部捣实工具

在钻进过程中如果套管有往下跑的迹象,不需将套管拔出扩孔,可用水压扩孔器将套管底部扩大,使套管坐在较坚硬的岩石上。如图2所示。

2  套管扩孔器

套管的起拔可用多级深孔套管打捞矛或倒锥形打捞矛,下入较深孔段起拔,由于套管数量多,用公锥起拔容易滑扣,该打捞矛利用锥面卡住套管内壁,承受的起拔力大,如果起拔不上来可进行倒扣,将捞矛留在孔内,再用别的方法处理。如图3、图4。

3  多级打捞矛

4  倒锥打捞矛

2.5  卡钻事故的预防

2.5.1  坍塌卡钻事故的预防

在深孔钻探施工中,严禁钻具长时间放在孔内,特别是在深孔、特深孔施工中,由于地层水平应力的释放,如在造山运动中引起的地层隆起而造成的构造,随着地质年代变迁,岩石矿物转化时常会产生水平应力,且常常由于此种应力能得到释放集聚于岩石中,一旦钻穿此地层时,应力很快地释放出来;由于构造运动,地层发生局部或区域的断裂、褶皱、滑动和崩塌;由于钻井液滤液的大量侵入,以及钻具组合不合理:如钻铤直径太大,螺旋扶正器过多,钻具与井壁的间隙太小,起下钻时容易产生压力激动等引起的坍塌埋钻、卡钻事故。预防埋钻、卡钻事故,首先要预防孔壁的坍塌。

1)采用高性能泥浆预防孔壁的坍塌。

胶结性差的地层采用适当的钻井液密度、教高的粘度和切力。

对于裂缝不稳定的裂缝发育地层,使用教高的钻井液密度、适当的粘度和切力,并尽量减少滤矢量。

严格控制pH值在8.5-9.5之间,减弱高碱性对地层的强水化作用。

必要时,采用混油的办法降低粘土的吸附力,抑制膨胀。

适当提高钻井液矿化度。降低井壁周围泥页岩的含水量和孔隙压力,增加泥页岩的强度。

使用具有防塌性能的钻井液。根据区块地层坍塌特性不同,合理选择使用不同的防塌钻井液,以满足地层特性的要求,才能保护井壁稳定。防塌钻井液包括:油基钻井液、油包水钻井液、硅酸盐钻井液、钾基钻井液、低滤失高矿化度钻井液、含有各种堵塞剂的钻井液、阳离子和部分水解聚丙烯酰胺钻井液。

2)保持泥浆液柱压力

起钻时连续或定时向孔内灌泥浆,保持液面下降不超过一定数据;测井时,必须定时向孔内灌泥浆。

3)严格控制起下钻速度,减少抽吸和激动压力,一般在裸眼孔段,采用低速起钻,起至套管内可采用正常速度。

4)通过裂缝性地层,严格控制起下钻速度,减少对地层的外力干扰。

2.5.2  缩径卡钻事故的预防

缩径是超深井施工中可能存在的问题。由于在缩径地层泥浆防止地层水化膨胀能力差、返速低不能及时将钻屑带出而造成钻屑在孔壁的大量聚集、泥浆密度偏低不能有效控制地层的塑性蠕变速度等造成缩径卡钻。

1)提高钻井液密度,选择适应地层的钻井液,预防缩径卡钻;

2)通过制定合理的钻机措施来减少缩径卡钻的影响;

3)改变钻具结构后或更换新钻头后下钻遇阻时划眼。

2.5.3  粘吸卡钻的预防

在正常情况下,尽管孔壁有泥皮,但只要钻柱与孔壁接触面积小,停止回转时间短,钻柱与孔壁间所受压力相等,对泥饼没有压力,钻柱就不会粘吸在泥饼上发生卡钻事故,实际上钻孔不可能是笔直的或规则的,总有一部分钻柱与孔壁接触而对泥饼有一定的压力,如停止钻柱活动,钻柱靠近孔壁的一边不受钻井液的压力,而另一面受着钻井液很大的压力,造成粘吸卡钻,所以也叫压差卡钻。

1)使用中性钻井液或阳离子钻井液并加入润滑剂;

2)降低钻井液密度,实现近平衡压力钻进;

3)减少大直径钻铤,增加加重钻杆减少钻柱与孔壁的接触面积,并加入随钻震击器;

4)提高钻孔质量,减少井斜度。

2.5.4  键槽卡钻的预防

键槽卡钻一般发生在提钻过程中,由于钻孔狗腿度大,钻进时长期受到上部受拉力钻杆旋转时不断向弯曲的孔壁突出面的拍击,加上提下钻时的摩擦,在钻孔的上孔壁就形成一道纵向的槽子,提钻时钻杆接头或粗径钻具就会卡在槽子下部,形成键槽卡钻。键槽卡钻只会发生在起钻过程,因为在下钻时,钻头、粗径钻具及钻杆接头进不了键槽,只有在起钻时,钻柱在自重分力的作用下,靠向键槽一边,在键槽中运行,当直径较大的钻头、接头进入键槽时,便发生遇阻遇卡情况。

1)采用垂直钻井系统,控制井斜及方位的变化;

2)使用键槽破坏器划眼,扩大键槽的通道。

2.6  跑钻事故的预防

跑钻事故是提下钻过程中发生的最严重的人为事故,轻者钻头顿坏,重者钻杆折断成多节插在孔内。所以要求孔口夹持要可靠、要控制提下钻速度、防止主卷扬钢丝绳拉断。

2.7  烧钻事故的预防

烧钻事故也是在浅孔、深孔都可能发生的事故,预防措施与浅孔相同。

2.8  孔内落物事故的预防

钻探施工中钻具断落、测井电缆断落、仪器掉落、不规则的工具及设备零件掉落等是浅孔、深孔较为常见的事故,由于处理不当造成侧钻而浪费大量工作量。

1)做好钻具的日常维护与管理,确保合格的钻具下入井内,严防断落;

2)采用孔底动力钻具,由于钻杆不承受扭矩,只承受提下钻时的拉力,是防止钻杆折断最有效的工艺方法;

3)套管隔离大肚子孔段,可有效防止钻杆折断事故的发生;配备高科技的多功能钻井参数仪,及时掌握孔内状况。

2.9  测井换浆工作

钻孔终孔后的测斜,为了保证测斜仪的安全,一般都在钻杆内进行,除了测影响钻孔质量的方位与顶角外,还有自然电位、电阻率、放射性等内容较多,大约用3~4h,钻具长时间在孔内是非常不安全的,孔内泥浆杂质及岩粉容易沉淀发生埋钻事故,煤系地层缩径容易将钻杆抱死而发生孔内事故,所以一定要将孔内泥浆彻底换成优质泥浆。

如果要裸眼测斜,为了保证测斜仪的安全,也可在钻杆内进行,可以用内管总成连接一可通过钻头内经的变径接头,然后与测斜仪连接,用打捞器下入到钻头外裸眼内进行测斜。仪器与钻具一起悬挂在座环上,测斜完后再一起打捞出来。这种方法既简单又安全可靠。如图5。

5  测斜接头

(未完待续)

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