螺桿鉆側(cè)鉆分支繞障技術(shù)處理繩索取心鉆孔事故

李光華

(湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，湖南耒陽 421800)

螺桿鉆側(cè)鉆分支繞障技術(shù)處理繩索取心鉆孔事故

李光華

(湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，湖南耒陽 421800)

繩索取心鉆進(jìn)施工中常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆和鉆具斷裂事故。一些孔內(nèi)事故處理需要很長時(shí)間，尤其是深孔事故發(fā)生后投入了大量的財(cái)力、人力進(jìn)行處理，最終還不一定能取得成功。在此情況下，采用側(cè)鉆繞障而避開孔內(nèi)事故鉆具則是一種理想的選擇，可大大縮短事故處理時(shí)間，避免鉆孔報(bào)廢帶來的損失。重慶北碚龍車勘探區(qū)ZK6－2孔運(yùn)用螺桿定向鉆進(jìn)側(cè)鉆分支繞障方法取得成功，并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

螺桿鉆;側(cè)鉆;分支繞障;孔內(nèi)事故;繩索取心鉆進(jìn)

1 施工鉆孔的基本狀況

1.1 設(shè)計(jì)深度與地層

該孔設(shè)計(jì)孔深1100 m，探煤及構(gòu)造，自上而下主要地層由嘉陵江組、飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M煤系組成。

1.2 主要設(shè)備的配置

HXY－6型鉆機(jī)，BW－320型水泵，18.5 m四角管式鋼塔，Φ71 mm加厚型繩索取心鉆桿及其它附屬機(jī)具。

1.3 泥漿類型及性能

本孔采用的泥漿是不分散低固相泥漿，分支繞障鉆進(jìn)施工時(shí)泥漿的性能指標(biāo):漏斗粘度21 s、密度1.04 g/cm3。

1.4 鉆孔及事故情況

鉆孔結(jié)構(gòu)一開下入Φ127 mm井口管6 m，二開Φ77 mm鉆進(jìn)至914.50 m?？變?nèi)事故頭孔深910 m，殘留在孔內(nèi)的事故鉆具是繩索取心鉆具內(nèi)、外管及總成長4.50 m。斷脫在煤層“大肚子”孔段，事故頭已被破壞且已倒向孔壁，反反復(fù)復(fù)多次撈取無效。在此情況下如報(bào)廢鉆孔移孔重鉆則造成較大經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)研究決定采用側(cè)鉆分支繞障施工工藝技術(shù)，進(jìn)行本孔孔內(nèi)事故處理的方案。

2 分支側(cè)鉆繞障施工工藝技術(shù)

2.1 分支鉆進(jìn)器具的選用

螺桿定向鉆進(jìn)器具選用的是河北廊坊奧瑞拓石油設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Φ65 mm型液動(dòng)馬達(dá)螺桿鉆具，Φ77 mm側(cè)向切削能力較好的不取心電鍍造斜鉆頭?？紤]到繩索取心鉆具是“滿眼鉆具”的特性，造斜參數(shù)過大會引起造斜后鉆桿折斷，太小則將會造斜不成。

計(jì)算分析此次選擇造斜器主要參數(shù)1.25°螺桿鉆具，不需要改變鉆孔結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)同徑分支。它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、鉆桿不回轉(zhuǎn)、同徑造斜等特點(diǎn)。

2.2 鉆孔分支點(diǎn)的確定

分支點(diǎn)的選擇應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)2個(gè)方面決定。分支點(diǎn)選擇在孔壁較為完整孔段，巖層相對較軟一點(diǎn)的地層，目的是減少水泥砼與巖層硬度差值，能增大分支成功的可能性。分支點(diǎn)離事故頭近能減少鉆進(jìn)工作量。綜合分析考慮，認(rèn)為本次選擇在龍?zhí)督M煤系地層、巖石可鉆性在7級左右的泥巖層，且?guī)r層厚度≮7 m，以便于硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)3個(gè)回次為最佳分支層段，選擇840 m孔深為最佳分支點(diǎn)。設(shè)計(jì)820～914.5 m為鉆孔封閉孔段。

2.3 第一次側(cè)鉆分支未成功及原因分析

螺桿定向鉆具造斜參數(shù)1.25°，理論上鉆進(jìn)4 m新孔中心軸線應(yīng)偏離老孔中心軸線87 mm(分支點(diǎn)作用力分析如圖1所示)，此次鉆具組合是將3.5 m長螺桿鉆具直接連接在繩索取心鉆桿上，分支鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)進(jìn)尺較快，不明顯有“掛上”感覺，下入短管鉆進(jìn)仍跟著原孔走，此次側(cè)鉆分支未取得成功。

圖1 分支點(diǎn)作用力示意圖

影響分支取得成功的主要因素是水泥的封閉質(zhì)量和鉆頭的側(cè)向壓力。

(1)水泥的封閉質(zhì)量。水泥砼與巖層硬度差值對分支的影響。封閉質(zhì)量要求水泥柱應(yīng)有足夠強(qiáng)度(現(xiàn)場無法測定兩者強(qiáng)度值，但感觀上應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度，基本要求是孔內(nèi)泥漿水馬力對水泥柱沖蝕不碎，在井底P2壓力作用下不碎開，支撐鉆頭不順著老孔走)。兩者硬度差值大不易分支，因此盡可能地減少水泥砼與巖層硬度差值，有利于側(cè)鉆分支。

(2)鉆頭的側(cè)向壓力。增大造斜鉆頭分支點(diǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的側(cè)向壓力P1有利于分支。此次分支鉆進(jìn)螺桿鉆具直接連接在繩索索取心鉆桿上，是一個(gè)“剛性”連接，由于繩索取心鉆進(jìn)是“滿眼鉆具”，具有導(dǎo)向的特性，分支鉆進(jìn)時(shí)容易順著老孔走也是一個(gè)重要因素。

螺桿定向鉆具鉆進(jìn)時(shí)P值過大后液動(dòng)馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)場試驗(yàn)P值300～1000 kg(3～10 kN)為佳。因此在P值不變條件下，將螺桿鉆具直連接一根長4.5 m的Φ50 mm鉆桿，變“剛性”連接為“柔性”連接，有利提高側(cè)向壓力P1，減少鉆頭在砼上P2作用力。

P2減少也相對能減少對水泥砼的破壞力、P1增大則有利于側(cè)向削取孔壁巖層，有利于分支造斜。

針對上述原因，第二次分支造斜把分支孔段的封閉質(zhì)量與鉆具組合方案作為側(cè)鉆繞障施工前準(zhǔn)備工作的重點(diǎn)。

2.4 封孔工藝措施

分支點(diǎn)應(yīng)具備條件:一是水泥柱應(yīng)有足夠強(qiáng)度，二是水泥漿要封到設(shè)想封閉孔段。為確保填充孔段的封閉質(zhì)量要求，采取以下封閉步驟及措施:

(1)選用425高標(biāo)號硅酸鹽水泥，按每包封閉6 m計(jì)算用量，考慮鉆孔超徑與灌入過程中損耗適當(dāng)加大用量，此次用量為700 kg;

(2)將鉆具下到離事故頭1 m處，在保證鉆孔安全的前提下將孔內(nèi)沖洗干凈，計(jì)算并準(zhǔn)備好頂替水用量;

(3)配置純水泥漿液，為達(dá)到最佳凝固效果盡可能減少水灰比而增大水泥漿稠度，加入2 kg液劑三乙醇胺并攪拌均勻;

(4)安裝井口漏斗，采用人工灌入法從井口鉆桿內(nèi)將水泥漿灌入孔內(nèi)，灌入時(shí)要保持連續(xù)性;

(5)開泵壓送頂替水，視頂替水用量與泵壓變化情況判斷水泥漿液是否壓送到位，確定到位后提出封孔鉆具。

候凝40 h后方可試鉆至分支點(diǎn)孔段，確定砼樣強(qiáng)度驗(yàn)證封孔效果，符合上述分支點(diǎn)具備的2個(gè)條件后則進(jìn)行下一步側(cè)鉆分支繞障鉆進(jìn)施工。

2.5 分支層段的造斜鉆進(jìn)

此次鉆孔側(cè)鉆分支繞障對鉆孔方位未作嚴(yán)格要求，因而未連接定向部分，在地面將螺桿鉆具調(diào)試檢查好后下入孔內(nèi)。下入孔內(nèi)的鉆具絲扣要擰緊防止漏水，下鉆過程中要平穩(wěn)，各回次鉆進(jìn)參數(shù)選擇的依據(jù)是根據(jù)硬質(zhì)合金鉆進(jìn)所需參數(shù)，壓力不宜過大。第一回次泵量以啟動(dòng)馬達(dá)螺桿鉆具視泵壓穩(wěn)定進(jìn)尺均勻正常為標(biāo)準(zhǔn)(分支孔段如圖2所示)。

2.5.1 第一回次鉆進(jìn)

圖2 分支孔段示意圖

鉆具組合(圖3):螺桿鉆具+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動(dòng)鉆桿(立軸)(應(yīng)配足4 m機(jī)上余尺)。

圖3 第一回次鉆具組合示意圖

鉆進(jìn)參數(shù):壓力3～6 kN，泵量80 L/min。

先開動(dòng)水泵讓螺桿鉆具啟動(dòng)，視泵壓穩(wěn)定進(jìn)尺均勻?yàn)檎?，鉆進(jìn)過程中不得隨意提升鉆具，避免在地面人為改變螺桿鉆具方位，本回次要求鉆進(jìn)4 m。

2.5.2 第二回次鉆進(jìn)

鉆具組合:Φ77 mm硬質(zhì)合金鉆頭+Φ73 mm巖心管(1 m)+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動(dòng)鉆桿(立軸)。

鉆進(jìn)參數(shù):壓力6 kN，轉(zhuǎn)速100 r/min，泵量80 L/min。

本回次鉆進(jìn)0.7 m，要求單管鉆進(jìn)卡牢并取凈巖心。

2.5.3 第三回次鉆進(jìn)

鉆具組合:Φ77 mm硬質(zhì)合金鉆頭+Φ73 mm巖心管(1.5 m)+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動(dòng)鉆桿(立軸)。

鉆進(jìn)參數(shù):壓力6 kN，轉(zhuǎn)速100 r/min，泵量80 L/min。

本回次鉆進(jìn)1.3 m，要求單管鉆進(jìn)卡牢并取凈巖心。

2.5.4 第四回次鉆進(jìn)

鉆具組合:Φ77 mm繩索取心內(nèi)外管總成+Φ50 mm鉆桿(4.5 m)+繩索取心鉆桿+主動(dòng)鉆桿(立軸)。

鉆進(jìn)參數(shù):壓力7～10 kN，轉(zhuǎn)速150～300 r/ min，泵量80 L/min。

本回次鉆進(jìn)2 m。

2.5.5 第五回次鉆進(jìn)

鉆具組合:Φ77 mm繩索取心內(nèi)外管總成+繩索取心鉆桿+主動(dòng)鉆桿(立軸)。

2.5.6 小結(jié)

前三回次為造斜回次，連接Φ50 mm鉆桿的目的是改變整個(gè)鉆具的“剛”性狀態(tài)，使其具有一定的“柔”性。實(shí)踐證明在同徑造斜中能起到較好的“助斜”效果;第四、五回次為“拐點(diǎn)”修正回次，逐步加長底部鉆進(jìn)管及減掉Φ50 mm鉆桿去“柔”性部分保存“剛”性部分，目的是使上下鉆具暢通。分支造斜鉆進(jìn)后鉆具回轉(zhuǎn)正常，無明顯的“憋車”及繩索取心鉆桿折斷現(xiàn)象，后續(xù)施工無任何影響。

分支取得成功后，從取上巖樣取得的數(shù)據(jù)分析:螺桿定向鉆具造斜參數(shù)1.25°，鉆進(jìn)4 m新孔中心軸線應(yīng)偏離老孔中心軸線理論上87 mm，而實(shí)際只有近50 mm，未跟著老孔走。與第一次比較說明通過改變鉆具組合結(jié)構(gòu)從而改變鉆頭的受力分布能達(dá)到“助斜”分支效果。

3 經(jīng)驗(yàn)體會

本次運(yùn)用螺桿鉆側(cè)鉆分支繞障處理孔內(nèi)事故，積累了如下經(jīng)驗(yàn)體會:

(1)分支孔段水泥封填封孔質(zhì)量的好壞是側(cè)鉆分支繞障成功與否的關(guān)鍵;

(2)造斜分支層段宜選擇在硬質(zhì)合金鉆頭能克取的、可鉆性7級左右的巖層，水泥砼與巖層硬度差值趨小較易分支;

(3)在整個(gè)分支造斜過程中，每一個(gè)回次鉆具組合與精心操作也非常重要;

(4)在孔內(nèi)較穩(wěn)定的情況下，盡可能地采用低固相沖洗液或無固相沖洗液，以降低螺桿鉆具液動(dòng)馬達(dá)工作時(shí)水泵的泵壓;

(5)Φ77 mm小口徑繩索取心鉆進(jìn)施工中選用Φ65 mm、造斜參數(shù)1.25°螺桿定向鉆具分支，且不需要改變鉆孔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)同徑分支繞障。

4 結(jié)語

綜上所述，繩索取心鉆進(jìn)遇復(fù)雜難以處理、無法繼續(xù)施工類同上述的孔內(nèi)事故，為減少孔內(nèi)事故帶來的損失，不妨運(yùn)用螺桿定向鉆具進(jìn)行側(cè)鉆分支繞障技術(shù)，以避開孔內(nèi)事故頭。實(shí)踐證明這一技術(shù)方法是一種理想的選擇。

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Treatment of Accident of Borehole for Wire-line Coring with Obstacle-avoiding Branch by PDM Sidetracking

LI Guang-hua(1st Exploration Team，Coal Geological Bureau in Hunan Province，Leiyang Hunan 421800，China)

Drill rod sticking，burying and breaking are common accidents in wire-line coring drilling.Obstacle-avoiding by sidetracking is an ideal choice，accident treating time can be greatly shortened to save the borehole from being abandoned and reduce the loss brought by accident.The paper introduced a case in Chongqing，PDM directional sidetracking was used for obstacle-avoiding branch with success.

PDM;sidetracking;obstacle-avoiding branch;accident in borehole;wire-line coring drilling

P634.7

A

1672－7428(2011)11－0032－03

2011－05－12;

2011－08－25

李光華(1962－)，男(漢族)，湖南隆回人，湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)地質(zhì)勘查院副院長、總工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探生產(chǎn)、技術(shù)、安全、管理工作，湖南省耒陽市五一中路153號，liguanghua140@163.com。