某地热探采结合井施工中埋钻事故的处理实践

邢向渠，孟 江，赵普辉，岳松江，王艳霞

（1．河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南 郑州450053；2．新疆第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐市830091）

1 前言

某地热探采结合井是工作区地热勘查的首眼钻探孔，之前该区域仍属于地热开发空白区，没有可供参考的地质资料作为地质依据。施工之前仅做了物探、地震测量，根据物探、地震方法取得的资料初步制定了该地热探采结合孔的设计深度为1500m。适逢梅雨季节，经过近7个月的施工，钻进到了预定深度，然后即进行洗井、抽水试验。抽水结果表明1500m以内的热储不大理想，未达到设计目的。之后业主组织有关业内专家商定对该钻孔进行加深，以探明勘查区的地热地质特点及热储情况，并做抽水试验以取得相应的水文、地热地质参数。如果水量、水温达到预定要求，可作为开采孔正常使用；如达不到预期要求，可作为该区一个重要的水文观测孔，以观测该区水文地质特征。

2 工程概况

2．1 上部孔段情况

2．1．1 钻孔设计

为了探明工作区深部地热的分布、埋藏情况，为该区的深部地热资源开发奠定基础。以此为目的进行了地热探采结合孔的设计。

钻孔结构：0～稳定基岩，Ф444．5mm；稳定基岩～300m，Ф311．1mm，300～800m，Ф245mm，800～1500m，Ф215．9mm。

井管结构为：0～稳定基岩，Ф377mm（钢级H40）；0～300m，Ф244．5mm（钢级 J55）；300～1500m，Ф177．8mm（钢级J55），其中0～300m段下入套管后采用水泥固井，下部孔段下入套管后，Ф244．5mm与Ф177．8mm重合部分采用水泥封闭环隙或用皮兜、膨胀橡胶联合止水。

2．1．2 采用的施工机械及配套设备

该地热探采结合孔使用张家口探矿机械厂生产的 SPS－2000 型 水 源 钻 机 配 备 BW1200／7、兰 石3NB－800型泥浆泵及配套设备施工。当钻进到450m时，为加快施工进度，我们引进孔底动力钻具5LZ172直螺杆加接三牙轮钻头进行复合钻进，平均钻速为1．3～1．6m／h，大大提高了钻进效率，为顺利完成钻探任务创造了条件。

2．1．3 实际孔身结构

终 孔 结 构：0～30．4m，Ф444．5mm；30．4～580．0m，Ф245mm；580～1510m，Ф215．9 mm。

井管结构为：0～30．4m，Ф377mm（钢级 H40），下入套管后采用水泥固井；下部孔段为裸眼。

之后置换钻孔内的泥浆、进行抽水试验，经过半个月的间断性抽水发现出水量和出口水温均未达到当初设计要求，经过业主会同有关专家协商，要求加深孔深，以期取得较为理想的效果。

经过试抽、抽水试验，初步得出出水量为2．8t／h，动水位在117m，出口水温37℃，水量偏小，且水温与钻孔深度不相匹配，出水部位多数应为上部层段，800m以下水量极为有限。

2．2 加深前项目进展情况

2．2．1 加深设计

由前段时间的施工作业，初步确定了该区上部（1500m）以内的地层富水情况。经过项目专家组的商议，决定对该地热勘查孔加深，以获得该区详实的区域地质资料、并揭穿有关取水目的层，再行终孔，洗井抽水、抽水试验，以便获得理想的效果。在此基础上，专家组决定：以该孔现有条件为基础进行加深，加深最大深度为2500m，钻进到纯花岗岩地层（下古生界）50m为终孔原则，钻孔直径为Ф152mm，适当加密取心次数，每60m取心一次；每0．5m记录一个钻时；每两米捞取岩样一个。

2．2．2 施工机械与配套设施

根据加深孔施工要求，深度设计为2500m，原来投入的钻探设备已经满足不了施工需要，为顺利完成该项勘探任务，我们对原来的设备进行了更换：采用GZ－3000型钻机配备Q3NB－500型泥浆泵及配套设施进行施工。

2．2．3 加深项目埋钻前进展情况

第二套设备进入现场后加深之前，为增大抽水时出水量，先采用5%浓度的焦磷酸钠对主要含水层进行浸泡，然后采用自制的活塞进行活塞洗井，之后再下入扬程250m，出水量为20t／h的深井潜水泵洗井、试抽、抽水试验，因出水量有限，后来换用10t／h，扬程220m的不锈钢深井泵进行抽水。为确保抽水试验能够顺利持续进行，在出水口段水表的近水端加工了一个“三通”，将一定量的水回流入孔，以期取得相应的水文地质参数。

但在用活塞洗井时，因活塞是采用中间夹帆布的1cm厚橡胶垫加工而成，在刷孔、洗井时有许多橡胶垫从活塞上脱落掉入孔内；在抽水时为准确测量水位，在下泵时随泵管下入一根1英寸粗的PVC管，以便从管内下入测绳，起泵时因不注意有一段PVC管掉进钻孔内。以上两孔底滞留物在重新开钻前必须清除干净，然后才能正常钻进。否则会增加施工中的难度，使钻孔内的不稳定因素无法排除。

3 钻遇地质概况

根据所钻地层所取的岩心、岩屑，结合该区区域地质特征，并征询有关专家关于地层划分的意见，将该探采结合井钻穿地层分为：第四系、下第三系始新统布心组、古新统莘庄组、上白垩统大塱山组。揭露的地层及水文地质情况简述如下：

（1）第四系第一阶地沉积以冲积为主的海陆混合沉积（Qalm4）

埋深0～25．00m，岩性为淤泥、砂层、粘性土等。

（2）下第三系始新统布心组（Eb）

埋深25．00～780m，岩性为粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等互层，以粉砂质泥岩为主，底部见细砾岩。其中泥岩由浅至深以深灰色、深灰夹暗红、暗红为主。钻进的局部孔段岩石裂隙稍发育。

（3）下第三系古新统莘庄组（E x）

埋深780～950m，岩性为粉砂质泥岩、粉砂岩，以暗红色粉砂质泥岩为主，主要为泥质、钙质、铁质胶结，粉细粒结构，薄层状构造，层理发育。

埋深950～1080m，岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩，以粉砂岩为主，底部见砂砾岩。暗红色为主，990m以下夹少量灰白色、深灰色，粉砂岩以泥质、钙质、铁质胶结为主，粉粒结构为主，中厚层状构造，裂隙一般不发育，该层逐渐见含砾，砾径一般较小，为0．2～1．0cm不等，底部砂砾岩砾径一般1～3cm不等，砾成分以硅质物、钙质物为主，局部为花岗岩。

（4）上白垩统大塱山组（Kdl）

埋深1080～1245．00m，岩性为粉砂岩、中砂岩、砂砾岩，以粉砂岩为主。

埋深1245～1510m，岩性为砂砾岩、中砂岩，以棕红色砂砾岩为主，夹灰白色、深灰色。以钙质、铁质胶结为主，砂砾质结构，中厚层状构造，含砾径一般0．1～0．6cm不等，砾呈次圆状为主，砾成分主要为钙质物，底部为花岗岩。

4 埋钻事故的发生及处理

4．1 首次埋钻事故的发生与处理

4．1．1 调整泥浆性能

抽水试验之后的孔内只有清水或类似清水液体，而孔底滞留物还需顺利清除，为确保安全将滞留物清除干净，必须重新调制、调整泥浆性能。在调制泥浆时按顺序加入纯碱、火碱、鹏润粘土、CMC等处理剂，调成的泥浆性能如下：粘度29s，比重1．05g／cm3，含砂量0．5%。

4．1．2 下钻扫孔发生埋钻事故

因孔底残留物的存在，要正常钻进，必须对钻孔进行彻底清扫。在调整好泥浆性能后，下Ф216mm三牙轮钻头＋Ф121mm螺旋钻铤＋Ф89mm钻杆的钻具以扫孔，当扫到1440m在停泵后加钻杆前探测孔底时发现有3m的沉淀，只能重新对立轴再扫孔，孔底多次研磨充分冲孔后再加钻杆，这次钻杆加上了。但是，在加完钻杆继续扫孔，扫完孔停泵后起立轴时钻具拉起1m遇阻，下落钻具也下不去，重新开泵时泵压达到最大－15MPa，用泵顶的同时上下活动钻具，仍然没有将阻塞物顶开，发生了第一次埋钻事故。

4．1．3 首次埋钻事故的处理

在发生第一次埋钻事故后，项目经理、机长、地质工程师及机台班长等组织起来开了一次碰头会，商议这次埋钻事故的处理办法。经过初步商议，认为按照下述办法进行：①以泥浆泵顶和活动钻具两者结合的办法尝试，但是钻具最大拉力不能超过80t（钻具自由悬重为36t）；②如果不行，可适当增大钻具拉力到95t后快速释放，强力活动钻具，泥浆泵开泵顶钻具只是辅助配合；③不开动泥浆泵，活动钻具一段时间后，将钻具拉力继续加大到105t，刹车以维持拉力，做好钻具位置标记，静置1小时，仔细观察拉力变化和标记是否移动，然后释放拉力。活动钻具，将拉力维持到105t，静置1小时，继续按上述方式观察，看是否发生变化。如果没有任何变化，只能考虑采用倒扣处理。

根据现场尝试，前两种办法效果甚微，采取第三种办法。持续提拉第一次后，发现钻具标记位置有不到2cm的上升，说明有了效果，重复提拉，维持拉力在105t，持续1小时后发现这次原来标记位置在第一次上升基础上又上了约3cm，继续以上操作，在持续9小时后同样的提拉，钻具一共上升了0．65m。这时，班长开始频繁活动钻具，适当加长活动钻具时间，之后将拉力维持在100t，每隔半个小时活动一次，在活动第三次时钻具被拉出来，埋钻事故解除。

4．1．4 事故小结

这次事故的提示是：①造成埋钻事故的沉淀物是大颗粒物质，比如研磨成碎片的PVC碎块、橡胶碎块，中间填充有类似粉细砂、淤泥质细土，在大拉力长时间作用下，有一小部分粉细砂泥质物从碎屑中间逐渐脱离下沉到牙轮钻头之下，为解除埋钻创造了条件；②处理方法合理；③钻机上各班班长与项目组人员的密切配合。

4．2 第二次埋钻事故的发生与处理

4．2．1 继续扫除孔内碎屑

首次事故处理完后，大家经过分析，认为造成事故是因为孔底残留物太大，主要是轻质PVC、橡胶类物质，颗粒较大，比重较泥浆重，采用现有钻具无法对其进行彻底的粉碎，泥浆上返流速不可能太大，无法将其排出钻孔。据此，只能依据现有条件调整泥浆性能，之后继续扫孔。

4．2．2 第二次埋钻事故的发生

与第一次埋钻事故有些类似，在扫孔到1502m时，持续冲孔2个半小时，提起立轴，等卸开立轴，加完第二根钻杆，提拉钻具时发现阻力很大，为以防万一，赶快卸开钻杆重新换上立轴，开泵后泵压又达到15MPa的最大泵压，就连驱动泥浆泵的电机动力也显得不足，照明灯一明一暗的。大家立即意识到又发生埋钻了。

有了第一次埋钻的处理经验，大家很有信心再重复第一次的做法，应该会重新解卡的，但是又忽略了最为重要的一点，孔深1510m，而现在的位置是1502m，距孔底只有不到1根钻杆的距离，处理起来与第一次相比，难度相当大。

4．2．3 第二次埋钻事故的处理

项目组在深入细致的分析后认为，继续尝试第一次埋钻时采用的处理方法，如果没有成功，再考虑反钻具，大家深知反钻具所要耗费的时间、人力、财力相当巨大，都不想那样做。

（1）在用泥浆泵高压持续工作30分钟未果后，先活动钻具，之后提拉钻具拉力到105t左右，在钻具上做好相对位置标记，维持拉力1小时后观察标记位置有无变化，经过一天一夜努力，发现钻具纹丝未动。这种方法已经不起作用，只能另想办法。

（2）第二天，业主来看工地进展情况，提出增大泵压的解决办法。如果用同一台泵来提高泵压只能采用去掉高压阀的办法，可以去掉两个高压阀只保留一个，这样既可增大压力又避免了泥浆泵电机动力不足的缺点。经过尝试，泵压最高只能达到20MPa，还是顶不开堵塞物，该措施失败。

（3）后来项目组召开了一次会议，让大家一起想办法，如何进行下一步的处理。经过过程分析，发现埋钻原因是大颗粒碎屑中间填充了粉细砂、泥质物质，与钻具滞留孔底泥浆中的固相沉淀造成的埋钻有本质区别。一致认为还是应该从如何增大泵压作为突破口，经过调查，业主从事有注浆项目，就向业主借了一台高压注浆泵，其特点是泵压高，但泵量小，而用压力顶并不涉及泵量问题，所以项目组以最快的速度从业主一个工地借来了一台高压注浆泵。先后分析注浆泵与主泥浆循环管线的连接问题、管线的安全性问题、循环管线地表段的排气问题，开动注浆泵后现场的安全问题，这些问题想周全后即进入实施。

埋钻后第5天下午经过努力，所有问题都解决完，一切准备就绪，打开排气孔，开动注浆泵，泥浆通过泥浆坑—注浆泵进水管—注浆泵—高压出水管—泥浆循环管线—孔底。当泥浆从排气孔排出时，停泵关闭排气孔，然后开动注浆泵，逐渐加快泵的转数，控制泵的最高压力。该注浆泵的额定压力是36MPa，大家商议后系统压力不能超过28MPa，当注浆泵压力表压力显示26MPa后，压力一下子降低到5MPa，说明循环水路通了。10分钟后有少量泥浆从出水口流出，循环一段时间后停泵。至此，钻具临时解卡。

机台人员以最快的时间接通800型泥浆泵与循环管线，晚上7点开泵循环泥浆，起初仍是先采用单缸工作，泵压达到15MPa压力释放，提拉钻具很轻松就将钻具拉起来了。循环10分钟后停泵，加上另两个高压阀，开泵正常循环，然后起出立轴后停泵，孔内仍有5m的沉淀物。想办法卸开立轴后起钻，此次埋钻事故处理结束。

5 事故总结

该项目比较独特，它是两台钻机前后进入施工场地，上一台撤出、第二台再进入现场的，两台钻机操作人员没有进行交流，第一台钻机施工期间出现的问题第二台钻机操作人员很少知道，存在着交接脱节的问题。另外，因为是探采结合井，业主一度要求采用清水钻进，这种想法不合实际，用清水钻进如此深的地热勘查井实在是太难。本事故总结如下：

（1）从两次埋钻事故可以看出，项目在泥浆方面重视不够，没有达到清除孔底沉淀物要求的性能就仓促进行清孔底工作，考虑不周。

（2）事故处理要考虑后路，遵循由易到难的原则。先采用简单的方法再采用复杂的方法，这样可以最大程度的降低处理事故的风险。

（3）事故处理每进行一步都要确保不给后面处理留下隐患，留有余地。

（4）施工作业人员一定要听从项目组的指挥，按照既定方案一步一步实施，不能凭个人经验随意而作。

（5）遇到事故不要惊慌，大家要齐心协力共同想办法，凡事都会有一个比较好的处理办法。