深大断裂中钻探事故处理的工艺创新应用.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023深大断裂中钻探事故处理的工艺创新应用夏可成，王锐，沈和明（四川省第七地质大队，四川乐山6 140 0 0）摘要：一般深孔钻探（50 0 m以上）中遇断层、软弱带，出现孔内事故是很正常的事，但是连续遇到多个断层破碎带、且厚度又特别大（30 m以上）出现事故套事故，处理起来就异常困难。墨守成规处理事故，往往难以凑效。具创新性、针对性的改进孔内事故处理措施就显得非常必要。针对某深地资源勘查项目中ZK01孔，在8 90 10 56 m段遇6 2 m厚大断层，反复出现卡钻、抱钻事故。经过深入分析每次事故原因，不断探索创新改进工艺，总结出水泥封孔、跨口径钻头等新工艺，终处置成功，并顺利完成设计工作量。以期为同类钻探事故处理提供参考与借鉴。关键词：深钻；事故；创新中图分类号：P634.5；P6 34.8DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.0251地质背景钻探施工所在勘查区地处南北向延伸的扬子地台康滇地轴中段东缘、东西向会理-东川坳拉槽的北部、河口复式背斜北段。勘查区地质构造复杂，具多期次、多方向叠加活动的特点，整体构造形迹呈近南北向，并向北东偏转，小型局部褶曲较为发育。区内主要出露前震旦系因民组、落雪组、黑山组。因民组岩性主要为绢云千枚岩、炭质板岩、石英（炭质）白云石大理岩，夹石榴白云片岩。落雪组岩性主要为石英（条带状硅质、砂质）白云石大理岩，间夹炭质千枚岩、绢云钙质千枚岩、石英白云片岩。黑山组主要岩性为炭质板岩、炭质绢云千枚岩，夹（条带状硅质）白云石大理岩、凝灰质变砂岩、含铁变粉砂岩。白果湾组主要岩性为砾岩，次为砂页岩、砂砾岩。勘查区岩浆侵人作用以活动频繁、规模小、基性超基性岩发育为特征，多呈岩枝、小岩床、岩墙成群产出。岩浆岩以晋宁期辉长岩和海西期闪长岩为主，其余如煌斑岩，均呈规模较小的岩脉状产出。ZK01钻孔穿越的地层岩性复杂多变，软硬不一，且出现多层、规模较大断层，构造碎裂岩、断层泥发育，都是钻探施工的重大不利因素。地质条件如表1。序号埋深(m)0.00 222.00222.00 229.00229.00 744.00744.00 751.00751.00890.00890.00 917.00917.00 1057.001057.00 1119.001119.00 1130.001130.00 1138.00团1138.00 1182.001182.00 1187.001187.00 1203.0文献标识码：A表1钻孔地质条件厚度(m)222.07.0515.07.0139.027.0140.062.011.08.044.05.016文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0128-05岩性特征岩体，块状、片状构造，较完整断层，深灰色，以角砾、断层泥组成，极破碎；层状、块状岩类，较完整；断层，以角砾、断层泥组成，极破碎；层状、块状岩类，较破碎；断层，以石墨化角砾、软塑的断层泥组成。极破碎；层状、块状岩类，较破碎；断层，以角砾、软塑的断层泥组成。极破碎；层状、块状岩类，较破碎；断层，以角砾、断层泥组成。极破碎；层状、块状岩类，较破碎；断层，以角砾、断层泥组成。极破碎；层状、块状岩类，较完整。收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 9作者简介：夏可成（197 2 一），男，四川双流人，工程师，研究方向：水工环地质通讯作者：王锐（197 3一），男，四川石棉人，高级工程师，研究方向：水工环地质128深大断裂中钻探事故处理的工艺创新应用2钻孔情况为了探索该勘查区深部资源潜力，设计了一个超千米深的验证钻孔，孔号：ZK01；设计孔深：12 0 0 m。为了保证施工任务的顺利完成，钻探专项方案中拟采用XY-6A立轴式岩芯钻机，绳索取芯钻进工艺。设计钻孔结构：一开150mm单管钻具开孔，钻进至孔深8 0 m后下入井口管；二开采用PQ（12 2 mm）钻进至孔深30 0 m，以PQ钻杆作为套管下管隔离；三开采用HQ（91mm）钻进至孔深8 0 0 m，以HQ钻杆作为套管下管隔离；四开采用NQ（7 6 mm）钻进至设计孔深12 0 0 m。该孔0 2 2 2 m比较完整。2 2 2 10 57 m，出现3层断层，单层最厚2 7 m，总断层厚度41m，也曾出现漏浆、掉块、缩径等事故，按常规处理成功。施工至10 57.48 m，遇第4层断层时，事故套事故，常规处理均失败。于是针对性的进行了一系列工艺革新，顺利穿过6 2 m厚的断层破碎带，后面遇到的构造破碎带，就迎刃而解，最终达到设计要求。3事故经过ZK01钻孔钻进至8 40 m时下入HQ套管，换NQ钻进至8 90.8 6 m时发生抱钻，刚进人第3条断层0.8 6m，发生了第一起孔内事故。于是先将NQ钻杆留在孔内，起拔HQ套管；再采用HQ跟管钻头扩孔到8 90.8m，将NQ钻杆全部成功取出。为了防止断层缩径，立即调整泥浆配比。泥浆配方为：钠土：水：SM植物胶：纯碱=4 6：10 0:0.2 1：0.2 0.6；泥浆性能达到：粘度2 3 2 5（s），比重1.0 2 1.0 5g/cm，含砂率 2%，失水量10 15mL/30min，p H 值8 9（刘广志，1991）。通过合适的泥浆调整，采用HQ钻具、91mm钻头施工至930 m，此时岩芯比较完整，下入HQ钻杆（外径89mm，内径77.8mm）作为护壁管，换NQ继续钻进。此次事故处理成功，穿过厚2 7 m（井深8 90 917 m）的断层。在采用 NQ（7 6 mm）钻进至10 57.48 m，刚进入第4条断层0.48 m，发现进尺突然变快且孔内负荷急增，迅速提钻1m，倒杆时即被抱钻、水泵泵不通，发生第二起孔内事故。通过强行反取钻杆后，孔底遗留NQ钻杆及钻具约30 m。按照第一次事故处理的成功经验，即起拔HQ套管，下HQ钻具、96 mm的加大钻头，从9 30 m处开始扩孔（水文水井地质钻探规程，2014），扩至950 m时扩出新孔。由此继续钻进，至1065m又发生抱钻事故，期间出现了泵压异常跳动，反映出环状间隙在变化。于是，将HQ就地做套管，再换径NQ削掉HQ钻头，采用多循环泥浆，等泵压低于6 8 MPa后，继续采用短进尺、高提钻等措施钻进。当NQ(76)钻进至10 8 1.2 5m，进人第4条断层2 4.2 5m，再次孔底负荷急增，迅速提钻，钻头离孔底9m抱钻（图1）。随后反取钻杆未果，孔内钻杆完全抱死。孔深岩性(）花纹0.0m50.0m2.0229.02480.0m744.0751.0840.0m890.0930.0m9917.01057.01119.0钻孔结构0122-0103.2-91-077.8-NQ（7 6 mm）钻进断层0.48 m抱钻第二次出事故时钻孔结构图1第二次孔内事故套事故的钻孔结构图岩性简单孔深岩性花纹描述(m）花纹0.0m五50.0m岩体断层厚7 m层状、480.0m块状岩类断层厚7 m断层厚27m930.0m917.01057,断层厚62m钻孔结构222.0229.0744.0751.0840.0m890.0原孔遗留30m钻杆HQ950m扩出新眼后10 6 5m抱钻1NQ760mml1081m抱钻1119.0第二次事故套事故的钻孔结构岩性简单花纹描述一岩体断层厚7 m-122-0103.2-0.91-电7 7.8-层状、块状岩类断层厚7 m断层厚27m断层厚62m1292023年8 月第43卷增刊第1期4事故处理4.1采用常规处理方法失效4.1.1全面反取孔内钻杆针对孔内HQ、NQ 钻杆全部被抱死的情况，采用反丝钻杆，依次反取NQ、H Q 钻杆。在处理过程中，NQ钻杆剩余16.58 m，事故头位于10 7 2.2 5m，已出HQ钻杆底7 m。此时，由于扭矩越来越大，60反丝钻杆部分锁接手撸扣，导致反丝钻杆卡死在HQ套管内，在提拔过程中，HQ套管与6 0 反丝钻杆一同被提起。孔底遗留HQ钻杆12 5.6 m，H Q 事故头939.4m。4.1.2 自然造斜由于孔内遗留大小钻杆、钻具等，切削、磨蚀已经不具备条件。决定采取偏心的措施。偏心点选择在8 90 917 m断层松散孔段。采用加厚的HQ钻头（94mm），扩孔至8 90 m时，放弃导向，本想从坚硬的水泥柱与断层之间偏出去形成新孔，但直到930 m依然导正，自然造斜也失败。4.1.3水泥封孔后造斜为了彻底将偏心孔段以下，以及事故头完全凝固，采用以下水泥灌注方法：灌注段为8 40 940 m,口径91mm。孔内液面高度2 0 m，压力较大，采用泵送，水泥浆不能太浓。将泥浆池清空，清洗水泵。计算好所需水泥浆体积，水灰比0.4，搅拌放入垫有薄膜的泥浆池，算好替浆量，一次性泵入孔内。待凝48 小时后，其结果不理想，再次灌注。两次灌注效果均不理想，封孔失败。见照片1、照片2。四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023照片1水泥柱内渗入泥浆4.2针对性创新改进钻探工艺采用常规处理方法失效后，对多次事故发生时的所有异常情况又进行了反复分析，主要表现是泵压异常跳动，说明钻具外环状间隙不均匀，时宽时窄，只有保持环状间隙足够宽，才能使冲洗液循环畅通，泵压维持稳定。事故发生时没有掉块的异响，泥浆浓度正常，而且还往上提出了主动钻杆，说明事故根源就是断层泥缩径太快。再次研究岩心，断层泥并非全是泥，夹有碎块，只要钻具外围间隙够大，冲洗液循环畅通，抱钻的可能性不大。孔内几次抱钻事故，皆是钻具表面积大，一但缩径稍微接触钻具表面，就产生很大摩擦阻力，如果有一种钻具，外围凸起足够高，水口足够深，让凸起抵抗地层缩径，又不影响冲洗液循环，凸起点面积小，相同扭力情况下压强更大，这样就不至于被抱死，又不影响钻进，相当于给钻具长牙齿。原理清晰后，采用反推法，如果口径在允许范围内尽量扩大，短进尺，多提少打，那穿过去的可能性就非常大。要实施这些方法，就得偏心成功，要偏心成功，就得水泥封孔成功。这是唯一可行的办法。（1）第一步：封孔此步骤采用了常规但不常用的人工搅拌灌注法。由于孔段深，压力大，泥浆比重1.0 3，9 40 m压力P=p gh=1.03 g/cm 9.8 N/kg 940 m=9.5MPa。为了克服水泥浆泵出940 m钻杆后，被孔底泥浆渗透稀释，需要提高水泥浆浓度。采用人工灌注，并且在水泥浆注上下“穿靴戴帽”。130照片2 水泥柱强度低，轻敲即碎深大断裂中钻探事故处理的工艺创新应用利用NQ钻杆灌注，人工连续搅拌水泥浆，水灰比大于0.7。并加人添加剂，添加标准为1.2 5kg/100kg。灌注前放人长0.5m的木塞，然后一次性灌入，中途提钻杆一次，水泥浆顶部放0.5m长木塞，然后清水替浆。所需水泥浆体积V=K（3.14H）=2.2 10 0 0 3.140.2 0 7=1430（L）;式中：V为该孔段所需灌注的浆液量（L）;r 为灌注段半径（dm）,取0.455dm;H为灌注段长度（dm）,取10 0 0 dm；K 为附加系数1.8 2.5，包括超径、漏失、损耗，本次取2.2。水泥用量G2=Vq=V（r 2 r l）（r l+m r 2）=1430 3.1/2.2 4=17 7 9（k g）。式中：q为配置1升水泥浆所需水泥量（kg）;r l 为水的比重，一般取1；r2为水泥比重，一般取3.1；m为水灰比。加水量 G1=G m=1 779 0.4=791(kg)替浆水量 Q 替=Kq(L-1)+Q 地=1 0 42（L)式中：q为每米钻杆容积（L/m）（50 mm，壁厚6.5mm，取1.1）;K为压水系数，30 0 m以内取0.9，300m以上取0.95；L为孔深（m）；1为孔内静水位至孔口高度（m）；Q 地为地面管线及水泵容积，大口径取 6 0 6 5，小口径取55 6 0 L。为节约时间，在待凝时间即开始从48 0 m，采用加厚HQ钻头96mm带导向扩孔，扩孔到8 90 m见浮浆，放弃导向，此时待凝已超过7 2 h。钻取得水泥柱硬度较高，符合要求，封孔成功。见照片3。照片3人工搅拌灌注法形成的水泥柱，硬度较高（2）第二步：造斜器造斜相信造斜器的科学原理是正确的。从8 90 m开始采用造斜器强行造斜，一次、二次、三次，终于在904m出新孔。造斜成功（蒋-0.0m希文，2 0 0 6)。50.0m以上两步的成功，为实施新工艺奠定了坚实基础。5实施效果-50.0m岩体断层229.0%厚7 m_中12 2 _41032_岩体断层0厚7 m12241032采用NQ钻杆，外径7 0.1mm，钻头正常为7 6 mm，现场自制加厚到96 mm，相当于HQ钻头，钻头和钻具头同步加大，凸起和凹槽差异加大，孔壁环状间隙由3mm增加到10mm。泥浆调整到粘度2 2 25s，比重1.0 3 1.0 5的最佳状态。钻进时孔底压力维持在89MPa的正常范围。同时，采用高提钻、短进尺（每次进尺控制在0.5480.0m744.0751.0%840.0m890.0930.0ml917.0元1.057.01119.0层状、480.0m块状岩类断层厚7 m840.0m890.0断层厚27m9.30.0m917.01057.0断层厚62m水泥封孔，并造斜图2 水泥封孔以及造斜后超口径钻进成功穿越断层层状、块状岩类744.02断层60751.01182.0L187.0厚7 m断层厚27m断层厚62m厚8 m厚5m1312023年8 月第43卷增刊第1期1.0m之间），为地层缩径留出时间（周志雄，2 0 14）。改进后施工过程中，未出现憋泵、卡钻、抱钻事故，比较畅通，顺利穿过6 2 m厚的断层破碎带，并达到设计孔深（图2）。6结语四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023（1）在深孔钻探中，出现孔内事故是常事。一般情况下简单事故按常规处理，均能凑效。（2）对于厚度大于30 m，直至50 6 0 m的深大断层，按常规处理就难以凑效。必须弄清楚事故原因，有针对性的采取措施，才能解决问题。本次通过NQ钻具76mm加大到96mm，环状间隙由3mm增加到10 mm，相当于给钻具长牙齿，效果非常明显。该种钻头在市场上没有销售，仅需自制。（3）通过本孔探索，多次水泥封孔失败的教训，认为深孔水泥封孔时采用“穿靴戴帽法”很有效果，最大限度避免水泥浆在钻杆内就被稀释，封孔成功率较高，值得推广。（4）希望为同行在以后的施工中提供一种参考与借鉴，进一步提高钻进效率。参考文献：刘广志1991，金刚石钻探手册M北京：地质出版社。蒋希文：2 0 0 6.钻井事故与复杂间题M北京：石油工业出版社，周志雄.2 0 14.复杂地层地质钻探冲洗液技术现状J.四川地质学报，34(S1)：10 4-10 7.132