湘永地1井钻探施工烧钻事故处理

申海平，齐文博，左艳霞

(湖南省煤田地质局第六勘探队, 湖南湘潭 411100)

中扬子地区古生界页岩气基础地质调查湘永地1井位于湖南省湘西土家族苗族自治州永顺县芙蓉镇孔坪村,孔位由中国地质调查局武汉地质调查中心布设，由湖南省煤田地质局第六勘探队承接施工任务，钻探目的为获取寒武系敖溪组和牛蹄塘组岩心，采集测试样品，评价寒武系黑色页岩含气性[1]。

1 施工钻孔的基本情况

1.1 施工难点

湘永地1井设计孔深为1 500m。该井为直井，井斜必须符合钻孔设计要求，保直防斜是本次深孔钻进的最大的技术难点,孔斜越大钻具回转阻力越大，施工难度增大且易引发孔内事故。

1.2 钻遇地层

湘永地1井自上而下钻遇地层为第四系、追屯组、比条组、车夫组、花桥组、敖溪组、清虚洞组、杷榔组(未穿)[1]。

1.3 钻探设备配置

1.4 钻井液类型

采用不分散低固相泥浆，其配方为：1m3清水+6%纳土粉+600×10-6聚丙烯酰胺+1%腐植酸钾KHm+0.15～0.2%CMC 羧甲基纤维素[1]。

2 事故发生过程及前期处理

2.1 发生过程

湘永地1井开孔日期为2017年7月11日。钻孔一开0～10.86m，采用Ф150 mm金刚石取心钻进，下Ф146 mm套管护壁；二开采用Φ96mm绳索取心钻进。

2017年9月10日3班23:35分左右，钻至花桥组，井深1 185.77m时，泥浆泵泵压突然增加到4.0MPa(正常泵压2.5～3.0 MPa)，导致泥浆泵三通密封垫被冲开并喷泥浆。事发突然，钻探班长马上停车，采取打捞措施。打捞过程中给进油管顶主动钻杆顶不起来，升降机也拉不动孔内钻具，断定孔底钻头被烧。

2.2 原因分析

由于换新钻头之前的旧钻头在钻进过程中外径磨损导致孔径略微变小，新钻头不能够直接下钻到孔底,需要扫孔至孔底，且时间较长，导致钻头水口变浅，钻进过程中引起泵压过高，孔底冲洗液量减少，不能够及时冷却钻头高速旋转产生的热量，大颗粒岩粉返不上，在孔底沉淀，引起烧钻事故。

2.3 前期处理

2017年9月11日第一班从凌晨一点开始，用200kN的拉力强拉钻具，用时约6h，孔内钻具无反应；第二班把拉力增加到300kN，进行了多次强拉，仍然没有效果。

采用S73mm钻杆先打捞S89mm内管总成，然后用S75mm钻头扫过S96mm钻头处，把S96mm钻具打松再提取。于9月13日第一班下入S73mm钻杆打捞S89mm内管总成，绳索受力，第二班继续操作，但是反复多次打捞都失败了，未能拉上来。9月15日的第二班再下入S75mm金刚石钻头扫S89mm内管总成，至19日第二班起钻，捞上了S89mm内管的捞茅头及开口销。因下部内管总成的单个零件能转动、磨铣困难，从9月17日第三班至9月25日的第一班，采用了扫、捞、锥等方法处理S89mm内管总成，都没有效果。

在孔深1 178 m处采用水力割管器割断钻具后起钻，将孔深1 078～1 185.77m段用水泥封孔。

空气通过过滤器、透气膜进入电解液中，其中过滤器可滤除空气中的微尘等杂质，透气膜可进一步滤除更小的微粒。空气中的GIS设备气体包含了电弧作用下SF6的分解物与水反应生成的SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，进入电解液后发生反应，通过对电极、参比电极检测反应的强度就可以测得气体浓度。该传感器可以对空气中的GIS设备气体进行检测，结构简单，使用简单，通过设置有电化学传感元件和红外气体传感元件使其功能更加的全面，效率更高。[4]

3 侧钻绕障处理

为了不造成钻孔报废，针对该事故的特征，结合以往工程经验，并根据螺杆钻具造斜原理[2]，项目组决定采取螺杆钻具定向钻进进行造斜，选用5LZ73×7.0-3螺杆钻具。根据侧钻分支点的选定原则，综合分析考虑，本次选择在寒武系花桥组下部灰岩地段。由于事故前期处理已将1 078.0～1 185.77m段用水泥封孔，侧钻分支点选择在孔深1 078～1 185.77m段，采取“侧钻绕障”避开孔内事故段。

3.1 螺杆钻具结构及工作原理

3.1.1 螺杆钻具结构

5LZ73×7.0-3螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液压能量转为机械能的一种容积式井下动力钻具，主要有螺杆马达(定子、转子)总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成[3]，其钻具结构见图1。

图1 螺杆钻具结构Figure 1 Screw drill configuration

3.1.2 螺杆钻具工作原理

螺杆钻具钻进时，通过钻头回转破碎岩石，而螺杆外管及钻杆柱不回转，泥浆泵出的压力泥浆流经旁通阀，流压使旁通阀关闭,进入马达，在马达进出口形成一定压差，推动转子绕定子轴线公转和自转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的[4]，实现钻进作业。

3.2 侧钻绕障施工

侧钻分支点钻进时，由于水泥凝固后的强度与孔壁岩石强度相差大，分支点处钻进时不易形成新的孔身，操作稍有疏忽, 即会滑人水泥层中，此次分支点钻进采取了减压慢速的措施，使钻头缓慢钻进孔壁岩层，开始钻进时孔底钻头压力控制为零，让钻头在孔壁先凿出一个小台阶，30min后再缓慢增加钻压，钻进一段时间待钻头完全进人孔壁岩层形成新孔，即分支点钻进结束，进行造斜段钻进。

3.2.1 第一回次钻进

2017年10月5日，从1 078m透孔至1 140m，以1 140 m处作为侧钻分支点进行造斜钻进，采用5LZ73×7.0-3螺杆钻具+Ф95 mm三翼无心钻头，偏斜角度为1.5°，泥浆流量控制在120～230L/min，泵压3.5～4.0MPa，用时5d，结果造斜失败。

3.2.2 第二回次钻进

2017年10月17日研究决定再次采用5LZ73×7.0-3螺杆钻具+Ф95 mm平底无心钻头(图2)，角度调整为1.25°，并在马达偏斜部位加厚7mm。泥浆流量控制在120～230 L/min，工作压力2.4 MPa，泵压3.5～4 MPa，透孔至1 170m，以1 170 m处作为侧钻分支点进行造斜钻进。操作中观察：有了稳定的泵压，均匀的进尺，随着造斜进尺增加而岩屑增多，至10月22日起钻，共造斜进尺7.62m。

10月23日按照正常钻进，重新用Ф96mm绳索取心钻具，钻进至距造斜点约3.5m处，轻压慢转扫孔到孔底，进尺1.6 m打捞岩心，岩心完整， 可以断定造斜成功，续钻2.5m后提钻换钻杆接头，10月26日正常钻进。预示着本次烧钻事故处理成功。

图2 Ф95 mm平底无心钻头Figure 2 Φ95mm flat bottom full-hole bit

3.3 处理效果

湘永地1井为直井,全孔按要求对施工进行了及时测斜。井斜工程设计要求：井深在500 m内最大井斜不超过2°，井深大于500 m后，井斜不超过5°，井深大于1 000 m后，井斜不超过8°。

在烧钻事故处理成功后，钻进至孔深1200m处，用测斜仪测井斜，顶角为2.78°。表1是造斜绕障成功后，钻进至1683m位置，采用MTC6600型数控测井系统采集的测井测斜数据(表1)。

表1 造斜绕障后测斜数据

从表1可以看出，在孔深1200 m处出现最大井斜，而此处为侧钻造斜绕障处，顶角3.7，完全符合工程设计的要求。

3.4 事故处理分析

第一回次造斜采用5LZ73×7.0-3螺杆钻具+Ф95 mm三翼无心钻头，其失败原因主要是由于三翼无心钻头底面是凹凸形状，在侧钻分支点钻进时受力不均匀，容易造成分支点处水泥凝固体被大块切削，不易形成侧钻切入点，使得钻头沿老孔身钻进，导致造斜失败。

第二回次采用5LZ73×7.0-3螺杆钻具+Ф95 mm平底无心钻头，偏斜角度调整为1.25°，并在马达偏斜部位加厚7mm，其侧钻造斜成功并正常钻进的原因主要有三个方面：一是平底无心钻头在接近侧钻分支点处钻进时受力均匀，易将分支点处岩壁凿成小台阶，且切削碎屑物颗粒较小可以随泥浆返出，以此台阶为切入点，能够按照偏斜角度的方向钻进；二是马达偏斜部位加厚，使得螺杆钻具重心往造斜方向偏移，能够更好的沿偏斜角度方向钻进；三是偏斜角度为l.25°，使得侧钻绕障成功后在该处形成的“狗腿弯”较小，在绕障处理后可正常钻进。

4 经验体会

①处理烧钻事故时，通常需要反出孔内的全部钻杆，此次事故处理使用水力割管器割断钻具，减少了使用反丝钻杆起绳索钻杆的次数，节约处理事故的时间和成本。

②处理本次烧钻事故，捞内管总成、捞矛钩下面有力的情况较难打捞上来，在处理过程中采取扫铁钻头扫内管总成，结果事与愿违，建议内管总成何种情况都不能扫。

③发现烧钻事故时，必须迅速地拉起或顶起钻具，不能先停车再顶、拉，因为停车时钻头高速旋转产生的热量很快将钻头胎体和岩心孔壁熔为一体。

④采用螺杆钻具进行造斜不宜采用三翼无心钻头，应配用稳定性较好的平底无心钻头满眼钻进。

⑤采用二层平台施工的机台，建议将泥浆泵压力表管线延长至钻机二层操作平台司钻岗位附近，并安装压力表，便于司钻人员随时观察钻进过程中泥浆泵孔内压力表数据，处理突发事故。