堅硬完整地層跟管解卡作業(yè)鉆頭的改進(jìn)與應(yīng)用

徐可一，成 周，鄭清云

（四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

在鉆探生產(chǎn)中，常因?yàn)楦鞣N原因發(fā)生卡鉆事故。跟進(jìn)套管解卡是常用的解卡方式之一，其原理是通過套管帶動套管底部的跟管鉆頭克取地層巖土進(jìn)尺，將事故鉆柱與外部環(huán)境隔離消除阻卡。常用的跟管鉆頭主要為硬質(zhì)合金鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭。然而在堅硬完整地層中使用孕鑲金剛石跟管鉆頭進(jìn)行跟管解卡作業(yè)時，許多操作者囿于個人經(jīng)驗(yàn)水平的限制，常因不當(dāng)操作造成胎體崩落（圖1為在跟管解卡作業(yè)中崩鉆的孕鑲金剛石跟管鉆頭），由此既造成直接經(jīng)濟(jì)損失又耽誤處理進(jìn)度，嚴(yán)重的還因?yàn)楸缆涮ンw殘留在孔內(nèi)影響到最后的作業(yè)成功。

圖1 跟管解卡作業(yè)時崩鉆的鉆頭

筆者所在單位在云南某礦區(qū)施工時多次進(jìn)行跟管解卡作業(yè)，跟管孔段多為堅硬完整的花崗巖地層，前期頻繁崩鉆、操作繁瑣、效率低下。

1 崩鉆原因分析

跟管解卡作業(yè)中，套管鉆進(jìn)時常常突然停止轉(zhuǎn)動，向上倒桿10cm～20cm后又能正常向下進(jìn)尺，其中有一定的幾率發(fā)生崩鉆。有時也會出現(xiàn)未停轉(zhuǎn)就崩鉆的現(xiàn)象，但概率較小。

以NQ鉆柱卡死、HQ套管跟管解卡為例，HQ跟管鉆頭外壁直徑一般為93mm，內(nèi)壁直徑為77.8mm，NQ鉆孔直徑為75.7mm，NQ鉆桿外壁直徑為69.9mm。三者之間的典型相對位置如圖2中所示。

圖2 NQ鉆孔、鉆桿與HQ套管軸線相對位置示意圖

圖2 （a）中NQ鉆桿緊貼鉆孔一側(cè)，HQ套管沿NQ鉆桿靠向另一側(cè)。圖2（b）中HQ套管的靠向與NQ鉆桿的靠向相同，與NQ鉆桿軸線同向一起最大偏離NQ鉆孔的軸線。但圖2（a）中的管間殘留巖塊最大厚度為2.1mm，而圖2（b）中則為7.9mm。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，圖2（b）所示狀態(tài)居多。

在圖2（b）的情況下，殘留巖塊形成如圖3所示的形狀。

圖3 管間殘留巖塊示意圖

在圖3中，NQ鉆桿和HQ套管之間的空隙呈月牙形，鉆桿和套管在左側(cè)接觸，到右側(cè)空隙最大，形成的管間殘留巖塊厚度達(dá)到最大。因此圖中A、C部分相對更容易碎裂，而后被沖洗液排出。而B部分則更加堅固，更難被破壞。

2 巖石性質(zhì)與崩鉆

管間殘留巖塊的易破壞程度還與地層特性相關(guān)。根據(jù)地層特性的不同，將形成以下兩種情況。

（1）地層主要由黏土、松散膠結(jié)的砂礫、或強(qiáng)度很弱的巖石等組成，在沖洗液和跟管作業(yè)產(chǎn)生的振動作用下，圖3中ABC三部分均軟化、分散、碎裂解體，隨沖洗液排出到套管外的環(huán)空間隙中，繼續(xù)上返到地表或進(jìn)入地層裂隙中，不會對跟管作業(yè)產(chǎn)生大的影響。

（2）地層主要由強(qiáng)度較高的巖石組成，在月牙形間隙中隨著進(jìn)尺成形，月牙尖和兩翼的較薄處的巖石（圖2中的A、C部分）在沖刷和振動作用下碎裂解體隨沖洗液排出，或雖不能排出但由于體積較小不至于影響鉆進(jìn)。

3 管間殘留巖塊對跟管作業(yè)的影響

當(dāng)管間殘留巖塊的縱向尺寸（沿鉆孔軸線方向）達(dá)到一定值后，常出現(xiàn)以下狀況。

①鉆機(jī)扭矩變動。殘留巖塊夾在事故鉆柱和套管內(nèi)壁及跟管鉆頭的間隙中，因?yàn)樘坠苄D(zhuǎn)和振動而受力不均，套管受到的摩擦阻力不斷變化，使得套管所受扭矩也處于變動之中。②套管柱卡死。由于殘塊的存在，有時套管力矩會突然增大到超過鉆機(jī)力矩。③泵壓增大。殘塊的存在縮小了套管內(nèi)環(huán)空間隙，過流面積隨之縮小，因而引起泵壓增大。

4 跟管鉆頭的改進(jìn)

根據(jù)前述分析，筆者認(rèn)為可以通過加大跟管鉆頭的壁厚，減小殘留巖塊最大厚度，使得管間殘留巖塊難以形成，從根本上減少或杜絕卡停、崩鉆。為此，筆者以該礦區(qū)地層中的花崗巖為原材料制備8cm的塊狀樣品進(jìn)行了抗折破壞試驗(yàn)（如圖4所示）。

圖4 改進(jìn)跟管鉆頭與普通跟管鉆頭的對比

5 改進(jìn)鉆頭的應(yīng)用

改進(jìn)后的跟管鉆頭在該礦區(qū)應(yīng)用，本礦區(qū)在應(yīng)用加厚HQ跟管鉆頭之前使用了12個跟管鉆頭，發(fā)生崩鉆的數(shù)量就達(dá)到11個之多，雖然有的還可以繼續(xù)使用，但崩落胎體仍然對進(jìn)度造成了不小的影響。鉆頭平均壽命僅9.7m，加之反復(fù)倒桿重復(fù)磨耗巖石、頻繁起下鉆檢查、更換鉆頭，平均時效僅0.51m，經(jīng)濟(jì)效益十分低下。

由此可見，在堅硬完整地層中使用改進(jìn)型跟管鉆頭能明顯減少崩鉆幾率，大幅提高鉆頭壽命和跟管進(jìn)尺效率，使得跟管解卡作業(yè)的成功率、經(jīng)濟(jì)性都明顯增加。