地质岩心钻探深孔套管脱落事故的处理

1、地质岩心钻探深孔套管脱落事故的处理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、

2、 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

3、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89套管，用91

4、 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89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=

5、8.93kg/m 442MX 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.Mm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勺套管切入77mm勺钻孔内，我们对下部套 管可能的损坏情况进行分析。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

6、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77mn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

7、套管被胀大， 使同径套管变成“双层”。见图 6。(4) 89mm套管钻入77mn钻 孔内。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2.4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。(

8、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勺钻具修复内径78mmfi勺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

9、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

10、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 89mm套管钻入77mm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3.3.1.330 米以上孔段处理因为在327.23m以下，有2.3m套管被严重破坏

11、，在327.23m 以上下入89mn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77mn钻占具在此处畅通无阻，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 89mm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

12、浆， 将套管插入水泥浆内固定， 以 支撑上部327米以上 89mm套管。（4）固定好 89mn套管以 后，从89mm套管中下入导向性能良好 77mm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 77mn变56mn导向钻具，钻进至330米下部套 管中，找到下部套管口。(6)换用77mn钻具：上部接一根 50 正丝钻杆，下部带 77mm锥型钻头，扩孔至下部 89套管中。(7)用77mn锥型钻头，来回修复 327米一330米孔段孔壁，直至绳索钻具能顺利穿过上部89套管进入下部套管中。3.3.2中部89mn套管内处理(1)穿过330米头部后用 7

13、7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。3.3.3 510m-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 77mm锥型钻头慢扫，遇憋车时降低压力， 反复修复套管壁。(2)77mn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。3.4 556.5 米以下孔段该孔段仅可穿过56mni占具，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