地质岩心钻探深孔套管脱落事故的处理

陈兵　徐海洋　张峰　马小平（湖北省地质局第八地质大队，湖北襄阳　441000）



地质岩心钻探深孔套管脱落事故的处理

陈兵徐海洋张峰马小平
（湖北省地质局第八地质大队，湖北襄阳441000）

【摘 要】在深孔复杂地层中施工常采用多层套管工艺，由于套管丝扣退刀槽处的厚度很薄，又无探伤工具，在提下套管过程中，极易造成恶性套管事故，处理不当容易造成钻孔报废。在发生事故后，根据套管及孔壁情况分析套管损坏的原因及形式，设计不同的施工处理工具及制定相应的事故处理工艺方法，可成功处理套管事故，使钻孔顺利完工，避免钻孔报废的重大损失。

【关键词】套管事故套管损坏分析孔壁情况事故处理工具事故处理工艺方法。

1　前言

湖北省保康县油山勘探区ZK201孔为保康白竹磷矿外围深部找矿项目，钻孔孔位海拔1800余米，原设计孔深1200米，后根据地质情况调整为1645米。由于受白竹磷矿开采的影响，周边地表水十分缺乏，钻孔随钻漏失，600米以上基本上为干孔，顶漏钻进。供水点离钻孔直线距离约4000米，高差约800米，设置了3道泵供水，钻探生活、生产用水均十分困难。

1.1矿区地质情况

钻孔由寒武系中段覃家庙组开孔，分别穿过寒武系中段泥质白云岩、泥质白云岩夹页岩，寒武系下段白云岩，震旦系灯影组白云岩和硅质条带白云岩，陡山沱组炭质页岩、白云岩及磷灰岩，目的层为白云岩及磷灰岩。矿区由于受长期矿山开采影响，地下稳定水位约610米，上部裂隙发育，漏失严重，钻进过程中孔内随钻漏失，钻孔为干孔，无法测到水位。

1.2事故发生前施工情况

该钻孔为湖北省地调院下达的省基金项目，设计孔深1200米。2011年两次均施工至460米左右发生埋钻事故而移孔。2012重新制订施工方案，于4月13日开孔，8月23日施工至1068米（中途缺水停待2个月），因地层变化较大，按省基金中心要求，停工等待更改设计方案，2012年9月16日接通知钻孔加深至1645米，由于地质设计的变更，不得不重新更换设备，由原来的XY-44钻机改为XY-6B型钻机，同时配备全套CNH绳索钻杆，在施工工艺上也作了调整，于2012年10月1日重新开钻，11月18日扩孔施工至1258米。

2　事故情况

2.1事故发生经过

2010年11月10日，施工至1200.58米时遇一小型断层，孔内水位由480米陡然降到610米，钻孔在510米—530米孔段暴露为裸眼，水位下降后，孔壁失出压力平衡，时常发生坍塌、掉块，导致此孔段超径严重而折断钻杆，且数次处理断钻杆后时，锥子超过钻杆头部，给下部施工造成了重大孔内事故隐患，被迫提起原下于492米处的Ф89套管，用Ф91口径导向钻具扩孔至556米完整的白云岩孔段，准备下入556.5米Ф89套管以隔离、封闭510至530米易坍孔段。原来钻孔结构见图1，更改后的钻孔设计见图2，最后终孔的钻孔结构见图3。

2012年11月24日下套管至442米时，由于上部套管接箍公扣根部断裂造成套管脱落，上提上部套管发现327.23米处套管折断、错开，上部套管劈开插入下部套管2.38米至329.61米，下部剩余孔内套管228.77米，按计算套管底部深度超过原扩孔底部556.5米处8.20米。

2.2对事故情况的基本分析

对套管冲击力的基本分析：

（1）套管的重量：

N=mg=8.93kg/m×442m×9.8=38681.19KN

（2）套管坠落的距离：

h=556.5m-442m=114.5m

（3）按自由落体产生的冲击力：

F=mgh=38681.19×114.5

= 4428996.26KN.M

m：物体质量

g：重力加速度

h： 坠落的距离

Zk201孔的套管在坠落时，瞬间产生了4428996.26KN.M巨大的冲击力，将89mm的套管切入77mm的钻孔内，我们对下部套管可能的损坏情况进行分析。

图1　原设计

图2　修改后设计

图3　终孔结构

图4　套管在大肚子处弯曲折断

图5　上下套管插入

图6　套管接箍钻入套管内

2.3套管坠落后在孔内的几种形态

在干孔中套管脱落近似于自由落体，从上式计算可以看出它所产生的巨大的冲击力。下坠时套管与孔壁产生的摩擦力要抵消一部分冲击力，套管是一个细长比较大的弹性体，在坠落时，直径89mm、厚5.5mm套管底部插入77mm钻孔出现减速-停止过程，由于惯性作用套管要承受着向下的冲击力，套管丝扣的连接处将出现破坏，迫使它向径向的自由空间扩展，在各个不同的薄弱点产生不同的损坏形式，而当径向空间受到限制时，它就会在轴向上寻求应力的平衡，这都导致了套管的损坏变形，通过分析和其他钻孔的经验，一般出现下列几种情况：

（1）当孔壁比较大时，套管在大肚子处产生膨胀、弯曲、折断。见图4。（2）上、下套管头错位，上套管将下套管劈开，或者上下套管都劈开，上套管按轴向直接插入下套管。见图5。（3）上套管接公扣钻入母扣， 上套管外径变小，下套管被胀大，使同径套管变成“双层”。见图6。（4）89mm套管钻入77mm钻孔内。

2.4对孔内套管损坏情况的基本预计

（1）该孔地层情况除326.8m-329.3m、510m-530m两个孔段以外基本稳定，其他不稳定孔段均进行过投水泥球加固，加以使用绳索取心满眼钻进，钻孔直径相对变化不大，也就是说除个别孔段以外，套管不会有太大的变形。事故处理的重点在326.8m-329.3m、510m-530m处，初步判断两处套管损坏较严重。（2）钻孔的孔斜不大，减少了处理事故中套管发生径向错位的机会。（3）89mm套管仍然具有一定的刚性，不会产生全孔套管过度破坏。（4）在327.23米处套管就已劈开插入下部2.3m，下部套管损坏情况还有待在处理中谨慎对待。（5）所有套管经过坠落冲击，套管与孔壁已经相对“膨胀挤死”，没有特大的外力是很难将套管位移，也就是说没有可以自由活动和位移的事故套管，这也给下一步处理提供了有利条件。

2.5可能产生的次生事故

（1）用77mm的钻具修复内径78mm的89mm 的套管，两边的间隙仅有0.5mm，稍有不慎就可能发生事故套管与钻具挤夹事故，导致前功尽弃。（2）处理套管中，肯定会产生一定的铁屑、铁块、铁粉，这对孔内的安全生产构成一定的威胁，因此必须采用分段处理法，在事故套管内放入柔性塞子，每处理一段采用强力磁铁清理一段。（3）在套扫套管中，在套管中开天窗后，容易偏离原钻孔，出现新孔。在充分分析了有利和不利因素后，为了挽回损失，决定进行下部处理，并且研究了处理方案。

3　事故处理

3.1事故处理原则

因为处理事故难度大，成立了以探矿队长为首的事故处理小组，处理过程中必须遵守从浅入深，逐步稳步推进，不留隐患的事故处理模式。

（1）挤：如上下套管位置错开不大，用锥型“炮弹”钻头反复修复下部套管口，引导钻具进入下部套管。（2）劈：如套管下部弯曲，则采用平底钻头劈开下部套管，视被劈套管情况，采用磨、切、封等方案处理。（3）钻：如下部套管相互钻入，则可采用导向切铁钻头强行切入。（4）磨：下部Ф89mm套管钻入Ф77mm孔内，类似钢材冷拔造成的套管变形，可用导向钻头磨削。

3.2事故处理注意事项

（1）所有下入孔内的套管、钻杆、钻具、钻头必须丝扣良好，机械性能牢靠，以免发生次生事故。（2）不经事故处理小组同意不得私自变更方案，不得自行其事。（3）机台必须准确及时向事故处理小组汇报孔内事故情况。（4）事故处理小组到工地现场调查分析处理孔内事故。（5）孔内发现异常，应及时商讨下步的事故处理方案。

3.3事故处理的过程

3.3.1330米以上孔段处理

因为在327.23m以下，有2.3m套管被严重破坏，在327.23m以上下入89mm套管，必须与330m的下部套管对接，而且两节套管必须在同一轴线上，才能保证77mm钻具在此处畅通无阻，这是处理下部事故套管的关键一步。

（1）326.8m-329.3m孔段为泥质白云岩，原岩呈可塑状，孔壁在钻孔时已产生超径，该孔段漏失严重。（2）因327.23m以上套管已提出，钻孔为干孔，长时间孔壁裸露，可能会造成掉块、坍塌等事故隐患。因此327.mm米以上孔段需下入Ф89mm套管护壁，以免发生埋钻等次生事故。（3）在330米下入柔性塞子架桥，投入水泥球【3米距离共投入水泥7包，350公斤】，待凝24小时后灌入15米水泥浆，将套管插入水泥浆内固定，以支撑上部327米以上Ф89mm套管。（4）固定好Ф 89mm套管以后，从Ф89mm套管中下入导向性能良好Ф77mm重索绳索取心钻具掏孔至329米，钻进中必须轻压、慢转，以防钻孔偏斜。（5）至329米后换Ф77mm变Ф56mm导向钻具，钻进至330米下部套管中，找到下部套管口。（6）换用Ф77mm钻具：上部接一根Ф50正丝钻杆，下部带Ф77mm 锥型钻头，扩孔至下部Ф89套管中。（7）用Ф 77mm锥型钻头，来回修复327米—330米孔段孔壁，直至绳索钻具能顺利穿过上部Ф89套管进入下部套管中。

3.3.2中部89mm套管内处理

（1）穿过330米头部后用Ф77钻具探孔，每一个头部遇阻时，先“照像”，分析下部事故头部类型，按制定的处理方案处理。（2）在处理一个节点以后，一般情况下使用锥型钻头继续下探，因为它不会破坏下部套管头，很多情况都是在接头处遇阻，这是因为接头在冲击力的作用下，钻入下部套管内而使内径变小，只需用锥型钻头稍微修复即可通过。

3.3.3510m-530m孔段处理

510m-530m孔段地层较破碎，预计套管破损严重。

（1）先采用用Ф77mm锥型钻头慢扫，遇憋车时降低压力，反复修复套管壁。（2）Ф77mm锥型钻头无法进尺，换用切铁钻头，切除破损套管，再换用锥型钻头修复套管壁。（3）严格分段，及时清除孔内铁屑、铁块、铁粉。

3.4556.5米以下孔段

该孔段仅可穿过56mm钻具，采用前部带56mm 导向的77mm金刚石钻具，高转速、低压力钻进，至564.2米处时，钻具钻穿套管，进入完整孔段。

4　结语

此次事故套管在干孔中脱落巨大的冲击力，造成89mm套管钻入77mm钻孔内7.7米，442米套管缩短0.5米。由于我们对套管事故进行了深入分析，所有出现的异常情况都在我们的掌控之中，都有措施办法应对。在处理330m下部套管中，每班细心操作，技术人员跟班，及时掌握孔内情况，未发生一次次生事故，仅用了30个工作日，就恢复了生产，挽回了即将报废的钻孔，顺利地在1699.79m终孔。

在全漏失钻孔中，因套管脱落事故造成80%钻孔报废，损失巨大。通过ZK201孔套管事故的处理，为以后类似钻孔事故的处理摸索了经验。

参考文献：

［1］练章华.地应力与套管损坏机理［M］.北京:石油工业出版社，2009.

［2］刘跃进.岩心钻探设备的现状与发展［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2007，34（1）:39-43.

［3］张伟.关于我国地质岩心钻机发展方向的分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2008，35（8）:1-5.