ZK5806钻孔绳索取心钻具脱落事故处理方法

葛晓华

(1.山东省地矿局钻探工程技术研究中心,山东烟台 264004;2.山东省第三地质矿产勘查院,山东烟台 264004)

0 引言

与普通钻进方法相比,绳索取心钻进工艺具有地质效果好、生产效率高、钻进成本低等优点,目前是我国海上深孔、特深孔不提钻取心钻进方法中的主流[1-2]。近年来,随着钻孔向地球更深处的不断探索,小口径金刚石绳索取心钻进工艺和事故处理方法也越来越成熟[3]。而孔内钢丝绳(落鱼)的打捞,仍然是绳索取心钻进事故中最常遇到的复杂孔内事故。孔内事故的发生不仅耽误施工周期,如果处理失败,还会造成被迫侧钻或钻孔报废的情况[4-5]。

山东省第三地质矿产勘查院在三山岛北部海域实施了ZK5806号钻孔,在1143.00 m处钻杆连接螺纹断裂,导致绳索取心钢丝绳及钢丝绳打捞钩等落入孔内的事故。本次研究将处理方法、过程及结果进行整理分析,为以后相似情况的处理提供借鉴。

1 钻孔概况及事故分析

1.1 地理、地质特征

钻孔位于山东省莱州三山岛北部海域,距离海岸最近4海里。三山岛西北为一套强风化浅肉红色二长花岗岩出露,其余地区均被第四系覆盖。钻孔岩心揭示,第四系自上而下为中粗砂、沙淤泥以及粉质黏土,厚度60～80 m;第四系下部为浅肉红色和灰白色二长花岗岩和片麻状、细粒黑云角闪英云闪长岩等。岩石可钻性一般为7～9级,研磨性强。钻探过程中钻遇断裂蚀变破碎带,该区域宽度80～120 m不等。该带主断裂面以灰色段层泥为标志,位于蚀变带的中心部位。离主断裂面较近的位置发育蚀变黄铁绢英岩质碎裂岩,并向两侧逐渐减弱。金矿体一般赋存在主断裂下盘的黄铁绢英岩质碎裂岩和黄铁绢英岩质碎裂岩化花岗岩中[4,6]。

1.2 钻孔概况

1.2.1 钻孔结构

根据该区域海上钻孔施工特点,钻孔为四开结构:一开使用直径127 mm硬质合金钻头跟管钻进(隔水管)至20.00 m;二开使用直径110 mm单管金刚石钻头,提钻取心,钻至取出较完整岩心块65.00 m,下入直径108 mm套管隔离第四系及上部风化岩;三开使用直径95 mm金刚石绳索取心钻具钻至640.30 m,隔离破碎地层,下入直径89 mm套管;四开使用直径75 mm金刚石绳索取心钻具钻至1600.00 m完钻。

1.2.2 钻探机具

本次钻探施工采用主要设备及钻具包括:中地装张家口探矿机械有限公司生产的XY-6B钻机1台,衡阳中地装备探矿工程机械有限公司生产的BW-160/12泥浆泵1台,无锡探矿机械总厂生产的2000 m取心绞车1台,120 kW发电机组1台,直径127 mm单管钻具1套,直径108 mm单管钻具2套,XJS95绳索取心钻具2套,S75绳索取心钻具2套,直径127 mm套管24.0 m,直径127 mm套管24.0 m,直径108 mm套管70.0 m,直径75 mm套管645.0 m,S91钻杆700 m,S71钻杆1700 m,直径130 mm硬质合金钻头1个,直径110 mm单管金刚石薄壁钻头2个,S95双管金刚石钻头10个。

1.2.3 事故情况

钻至1100.00 m时,现场施工人员发现班进尺效率略有提高,钻进泵压由3.5～4.0 MPa降至2.5～3.5 MPa。经初步研判,认为钻遇地层破碎,裂隙发育,导致泥浆少量漏失[7]。自1130.00 m开始钻进扭矩变大,钻进电流发生波动,泵压下降至2.0～3.5 MPa。

针对现场情况,施工人员调整冲洗液性能,加入部分低黏润滑剂和随钻堵漏剂,泵压有短暂上升后仍持续下降,但进尺效率仍然较为稳定。钻至1160.00 m,泵压上升,孔内阻力减小,进尺慢,施工人员取心检查,上提钻杆称重,未发现钻具异常。取心过程中钢丝绳记号到达孔深后,伴有明显打捞矛到位声音。取心绞车提取岩心遇阻,下脱卡器解卡后未能成功脱卡,接借主卷扬牵拉,内管总成离开孔底,换取心绞车继续上提内管,在取心绞车卷筒提出600多米取心钢丝绳时,取心钢丝绳在破损处断开,约两分钟后,有内管落入孔底声音。

下钢丝绳打捞钩捞取,捞取后上提遇阻,钢丝绳再次断裂,打捞钩与部分钢丝绳落入钻杆内,随后起钻。起钻全程,钻杆内未见取心钢丝绳、打捞钩等,起钻后发现钻具(钻杆)断裂。孔内落鱼包括钻具内外管总成一套、3根3 m钻杆、打捞矛、600余米取心钢丝绳、钢丝绳打捞钩及打捞钩上部的取心钢丝绳120.00 m。

2 事故处理

2.1 打捞钩

2.1.1 打捞钩的改造

结合海上钻井平台的局限性和孔内事故特点,利用现有设备机具现场加工打捞工具进行事故处理,是缩短事故处理周期最有效的手段[8]。平台施工人员将打捞钩(图1)现场焊接至钻杆变径接头上。

图1 钢丝绳打捞钩Fig.1 Wireline fishing hook

2.1.2 处理过程及结果分析

下钻至遇阻,上下提拉并手动旋转钻杆,打捞落入孔内的取心钢丝绳,起钻。第一回次起下钻成功捞取约80.00 m取心钢丝绳;继续下钻捞取,二、三、四回次分别捞取20.00 m、15.00 m、5.00 m。至第五回次捞取,下钻遇阻,用管钳旋转钻杆,钻杆不再继续下行,起钻钢丝绳打捞钩折断落入孔内。

使用钢丝绳打捞钩第一回次下钻遇阻,脱落在孔内钢丝绳被钻杆下部的打捞钩压住向下挤压,上提打捞钩,部分钢丝绳挂在打捞钩倒刺上,起钻后发现钢丝绳在起刺薄弱处断开;第二、三、四回次,同样拉断钢丝绳;第五回次打捞,打捞钩没有挂住落鱼上部钢丝绳。经过反复起下钻杆,孔口人力旋转钻杆后,计算孔深810.30 m,起钻。起钻完成后发现打捞钩断孔内0.40 m。经现场分析,认为是孔内钢丝绳与打捞钩相互挤压成团,由于反复起下钻,破坏了破碎层孔壁稳定性,鱼头上部有掉块、岩屑、钢丝绳、打捞钩等合并架桥。

2.2 自制抓筒

2.2.1 抓筒的制作

平台现场自制抓筒[5](图2),将S75钻具外管底部用角磨机切割出分布均匀的尖齿,齿沟深大于40 mm。

图2 自制抓筒Fig.2 Grasping tube

2.2.2 处理过程及结果分析

调整泥浆性能,下钻护壁冲孔,经过近4个小时的冲洗液循环,停泵后孔口沉积物中可见大颗粒岩屑沉淀[9]。将加工好的抓筒接到钻杆底部匀速下钻至809.00 m接机上钻杆,开泵循环,打捞筒下放到809.80 m有阻力,立轴顶起10 cm,半离合慢钻抓筒下至810.20 m有轻度憋车,立轴加压20 kN,打捞筒下行到810.90 m后不再继续下行。起钻,取出的抓筒底部尖齿闭合,成功抓取第五回次断在孔内打捞钩0.40 m。第七回次继续下抓筒,至810.80 m 时回转有阻力,轻压抓筒,泥浆泵轻微起泵压后泵压消失,起钻检查,抓筒尖齿闭合,内见1块直径约2 cm孔壁掉块和一团用于缠绕螺纹的生料带。

鉴于第五回次发生了打捞钩断入孔内的二次事故,孔内事故复杂程度提升,与打捞近半年无效,后已成功下造斜楔并成功绕转的临孔事故的发生、发展接近。项目部给出建议方案,机组可模仿临孔,尽快封孔下造斜楔绕钻。经机组会讨论后,认为该钻孔可确保无烧钻的恶性事故,维持保守打捞方案,更能节省事故处理和后续钻进时间。现场继续打捞,下入抓筒成功取出第五回次断入孔内打捞钩并第七回次再次抓筒下钻。起钻后抓筒内见少许掉块,可以看出目前孔壁比较稳定,通过抓筒给压情况,可知落入孔内的另外一个打捞钩已经挤在810.80～ 811.60 m之间,可能已经变形且打捞钩上部没有可满足打捞钩打捞长度的钢丝绳。由于抓筒尖齿遇阻易闭合,不再适合继续抓取。

2.3 自制打捞筒

2.3.1 打捞筒的制作

根据落鱼特点,机组现场自制打捞筒[8,10](图3)。将抓筒尖齿切掉,钻具底部,用角磨机割出落鱼导入槽,在剩余底面镶嵌八角合金块3组,距离钻具底面0.20 m、0.30 m、0.40 m处分别切割倒刺砸入钻具内,钻具外部用铁皮电焊补满,防止冲洗液从倒刺处漏出。

图3 自制打捞筒Fig.3 Salvage barrel

2.3.2 处理过程及结果分析

接钻杆下钻,至孔深811.00 m循环冲洗液,轻压慢扫至812.00 m起钻压,憋车,起钻检查,孔内钢丝绳打捞钩和小段取心钢丝绳取出。

第八回次,下打捞筒套取钢丝绳打捞钩成功,但打捞筒下部硬质合金在套取作业时,对聚团的取心钢丝绳有切割作用,致使打捞钩上挂着多块断、短取心钢丝绳,没有较长取心钢丝绳取出。继续套扫,易造成断落的取心钢丝绳在打捞筒的挤压下,在孔内下落抱团建桥。现场下钻循环冲洗液,维护孔壁稳定。

2.4 加强打捞钩

2.4.1 加强打捞钩的制作

吸取打捞钩断落事故教训,根据原打捞钩形状,制作了整体打捞钩(图4)。打捞钩的改进主要包括:在确保满足钢丝绳打捞空间要求的同时,增加打捞钩体的直径,提高打捞钩强度;开槽并焊接强度大的倒钩刺,用于钩取钢丝绳;在钻杆接头处预留出水口,保持冲洗液循环畅通,降低起下钻过程对孔壁的破坏。

图4 加强打捞钩Fig.4 Strengthening the salvage hook

2.4.2 处理过程及结果分析

加工完成接钻杆下钻,第九、十、十一、十二回次起下钻分别捞出20.50 m、70.00 m、3.00 m、90.00 m取心钢丝绳,在下放加强打捞钩到达孔深1040.00 m位置,打捞两次,没带出取心钢丝绳。

打捞钩下钻在1040.00 m遇阻,起钻检查打捞钩倒刺有变形,未见有钢丝绳取出,分析孔内钢丝绳有抱团挤压,架桥可能,加强打捞钩体较粗,不能刺入钢丝团或架桥内,导致打捞失败。

2.5 金刚石单管钻具

至第十二回次为止,距离孔内钻杆鱼头约103.00 m,经研究下入改造的金刚石单管钻具(图5)。在钻具内焊牢若干根长2 cm的主卷扬钢丝绳,散开钢丝,套取、打捞、消灭架桥钢丝绳。

图5 金刚石单管钻头钻具Fig.5 Diamond single pipe drilling bit and tool

下钻后,配置低固相泥浆[11],增加冲洗液黏度,提高冲洗液切力,便于携带钻头切屑的架桥钢丝绳铁屑、孔壁掉块、岩屑。轻压慢扫,控制进尺速度,防止架桥扫除后,孔内钢丝绳被挤压弯曲聚团。钻扫0.50 m后,进尺变快,松开钻机卡头,可下放钻具,起钻,钻具内取出钢丝绳球和部分碎钢丝绳。

2.6 继续下钻加强打捞钩

第十六回次,下入加强打捞钩,为防止钢丝绳压团,在孔深1036.00～1044.00 m开始上下起落打捞钩,同时孔口自由钳旋转。没有钢丝绳被挂住的感觉,后加3.00m单根继续上下窜动至孔深1047.00 m。起钻后,打捞钩上有碎毛刺状钢丝团和26.00 m取心钢丝绳。继续下钻,十七、十八、十九回次均按照循环冲洗液2小时后再打捞钢丝绳,分别取出43.00 m、16.00 m、9.00 m取心钢丝绳,至第二十回次下钻至孔深1143.00 m,有触碰鱼头钻具的手感,上下起落打捞钩打捞,起钻,见打捞钩上部有少量钢丝团状断头。预计钢丝绳已经打捞完成。

2.7 公锥

使用直径75 mm公锥接钻杆,下钻。至1142 m开泵循环冲洗液,加大泵量冲孔,吃锥,可转车,阻力小,泵压升至4 MPa;起钻,有钻具脱落感,泵压消失。取出公锥,发现锥体有磨痕。

通过对公锥表面磨痕分析,一是疑似落鱼上部有取心钢丝绳,公锥无法锥牢钻具;二是钻具内有孔壁掉块、碎钢丝绳、冲洗液中的固相物沉积的可能;三是落鱼钻具钻杆接头劈裂。排除钻具裂纹后冲洗液假循环,烧钻,孔底阻力大的可能。

2.8 扩孔钻具

使用75～56 mm扩孔钻具[12]钻头磨除钻杆接头可能损坏部分,并清理钻杆内杂物,给公锥创造可吃锥条件。更换直径56 mm前钻头和直径75 mm后钻头。

下钻,距离鱼头0.50 m开泵循环扫孔,接触鱼头,轻压慢钻,磨削钻具0.06 m后,起钻。

2.9 公锥打捞

下入新直径75 mm公锥,吃锥前开大泵量冲孔,慢钻至落鱼头,轻压吃锥[13-14]。吃锥后孔内有轻度憋车,泵压高,立轴可回转,加压20 kN,锥牢钻具后起钻,全部落鱼打捞完毕。钻杆内可见灌满沉积的岩屑及掉块[15]。取出钻具整体完好。

3 事故及处理经验教训

(1)绝大多数的孔内事故都有其发生发展的过程,要指定专人在现场及时收集、精准记录及时填写原始班报表信息,做到真实、齐全、准确、整洁。机长及技术人员应及时汇总分析钻探技术参数,结合钻孔地质结构,科学掌控现场钻孔施工情况,便于预防孔内事故的发生。

(2)海上钻探施工要求操作人员做到胆大心细,发现孔内异常时,及时汇报,起钻检查。

(3)处理孔内事故时,做到先保持钻孔孔壁安全,再处理孔内事故,不要盲目处理。

(4)事故处理方案制定要集思广益,认真听取机组成员特别是事故发生时在场班组人员意见建议。要善于分析事故进展及处理情况,根据本钻孔特点,选取、改进事故处理所使用的工具,满足本钻孔事故处理需求,避免出现二次事故。

4 结语

孔内事故一般由多种因素引发,同一种类型的事故,不会有完全相同的事故发生过程,也不会有完全相同的处理方案。孔内事故的成功处理,离不开全体机组人员高度的自信心、责任心和勇于创新,敢于发明创造的精神。

本次事故是发生在山东省第三地质矿产勘查院自主研发的第三代海上钻井平台上,虽然距离海岸较近,但受海上钻井平台有限空间、施工区海况、海上交通等因素限制,增加了事故的处理难度。在原有的打捞钩及公锥基础上,根据以往经验结合本次事故对现有打捞钩、自制抓筒、自制打捞筒、扩孔钻具进行了改进,成功地解决了本次钻探事故,为后续海上钻探、深孔、特深孔施工积累了经验。