東龐礦奧灰含水層多分支水平孔卡埋鉆事故處理

聶新明， 錢 迪

(中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050031)

1 工程概況

我單位同兄弟單位合作通過投標(biāo)承攬的“冀中能源股份有限公司東龐礦9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期工程鉆探工程”項目，是一項通過地面定向多分支水平孔注漿方式，降低井下采掘期間水害威脅風(fēng)險的工程。本工程共設(shè)計DB1、DB2兩個地面主井，31個水平或似水平分支孔。其中，DB1井由1直井段，1造斜段，16個分支孔(W1、W2、…、W16)構(gòu)成；DB2井由1直井段，1造斜段，15個分支孔(E1、E2、…、E15)構(gòu)成。設(shè)計鉆探工作量23000 m。工程施工設(shè)計井身軌跡平面投影示意圖如圖1所示。目前該項目2個井的直井段、造斜段已完工，DB2井分支孔已完工2個。DB2-E3是DB2井施工的第一個水平孔， DB2-E3造斜段的鉆孔結(jié)構(gòu)及軌跡剖面示意圖如圖2所示。

圖1工程施工設(shè)計鉆孔軌跡平面投影示意圖
Fig.1Plan projection of designed wellbore trajectory

圖2 造斜段的鉆孔結(jié)構(gòu)及軌跡剖面示意圖Fig.2 Wellbore structure and trajectory profile of the build-up section

根據(jù)工程施工設(shè)計，鉆孔需要下3層保護(hù)套管，一開采用?444.5 mm鉆頭開孔進(jìn)入基巖層段10 m，下入?339.7 mm×9.65 mm石油套管；二開采用?311.1 mm鉆頭開孔施工至2號煤采空區(qū)底板下20 m，下入?244.5 mm×8.89 mm石油套管；三開進(jìn)入造斜段，采用?215.9 mm鉆頭施工至奧灰頂界面以下2 m，下入?177.8 mm×9.19 mm石油套管，每級套管必須用水泥做永久性固封；四開采用?152.4 mm鉆頭裸孔鉆進(jìn)，進(jìn)入奧陶系灰?guī)r頂界面下25 m，進(jìn)行水平或似水平分支孔鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中若遇到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致井眼漏失時，起鉆注漿封堵漏失層段。待注漿完成后下鉆掃水泥，繼續(xù)鉆進(jìn)直至終孔。每級入井套管均為從井口開始，下至孔底,俗稱“通天”套管。

2 主要施工設(shè)備及器具

主要施工設(shè)備及器具如表1所示。

表1 主要施工設(shè)備表Table 1 Main drilling equipment

注：無線隨鉆測斜儀帶自然伽馬及方位伽馬。

3 事故發(fā)生經(jīng)過

2018年2月5日，DB2-E3孔鉆進(jìn)至孔深1531.68 m突遇漏失層，孔內(nèi)鉆井液失返，漏失量>55 m3/h，頂漏鉆進(jìn)至1541.65 m起鉆、抽水洗井。2月6日18：00抽水至水清砂凈后，實施注漿。2月7日注漿結(jié)束，共注水泥245.74 t。自2月7日22：50開始掃水泥，2月10日18：00掃孔至1034 m處，進(jìn)行正常短提鉆施工，提鉆至井深660 m處突然遇阻，馬上合上四方主動鉆桿，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤不能轉(zhuǎn)動，開泵發(fā)現(xiàn)泵壓突升至16 MPa，鉆井液不能建立循環(huán)，確定發(fā)生了卡埋鉆事故。

4 事故原因分析

(1)主要原因是人為因素造成的。其一，三開技術(shù)套管沒有下到位置。DB2主井施工中，一開、二開套管下深與固井符合工程設(shè)計要求；在下三開套管時有關(guān)技術(shù)人員對地層的認(rèn)識出現(xiàn)分歧，現(xiàn)場地質(zhì)員通過巖屑錄井分析認(rèn)為當(dāng)時已入灰?guī)r(入灰?guī)r斜深段長8.2 m，垂深段長5.01 m)，誤判本溪組灰?guī)r當(dāng)做奧陶系灰?guī)r，按照設(shè)計要求認(rèn)為可以下入三開套管；根據(jù)建設(shè)方提供的基礎(chǔ)資料分析，此時鉆孔向前鉆進(jìn)很快會遇到斷層(北F9)，建設(shè)方工作人員認(rèn)為斷層是根據(jù)三維地震做出來的，不一定存在，可以不予考慮；施工方鉆探技術(shù)人員考慮若是真的在奧灰中遇到斷層將會出現(xiàn)嚴(yán)重漏失，下入套管恐怕難以固井(當(dāng)時處在取暖期，因環(huán)保因素水泥供應(yīng)不上)，將會影響下一步施工[1]；設(shè)計方要求按設(shè)計要求下套管。就這樣三開套管沒有下到目的層奧陶系灰?guī)r，而是下到本溪組灰?guī)r中[2]，基礎(chǔ)資料標(biāo)注的斷層上面，為后續(xù)鉆孔施工埋下了隱患[3]。其二，對區(qū)域地質(zhì)資料掌握不夠全面，對邯邢煤田地層從上到下共有野青、伏青、大青、本溪、奧陶5層標(biāo)志性灰?guī)r層區(qū)分不清。其三，馬上要到農(nóng)歷春節(jié)，職工情緒急躁，用大泵量沖孔，造成孔壁破壞，另外，沖孔時間不夠長，掃水泥沖孔不干凈，在加鉆桿的過程中水泥與巖屑在造斜段或水平井段形成了砂床。

(2)客觀原因是地層因素，本溪組地層、灰?guī)r風(fēng)化殼、斷層(北F9)構(gòu)造帶等突發(fā)性垮塌[4]。

事故處理原則：事故發(fā)生后，井隊長立即召集當(dāng)班的機(jī)、班長，鉆探技術(shù)人員，定向技術(shù)人員，地質(zhì)員等有關(guān)人員對事故原因進(jìn)行了客觀分析，做出：先用常規(guī)方法處理，先內(nèi)后外，經(jīng)濟(jì)損失最小的原則[5]。

5 事故處理方法及過程

5.1 強(qiáng)力起拔回轉(zhuǎn)處理法

2月10日18：00埋鉆事故發(fā)生后，現(xiàn)場首先進(jìn)行了常規(guī)方法即強(qiáng)力起拔回轉(zhuǎn)處理法[6]處理，多次強(qiáng)力循環(huán)鉆井液，回轉(zhuǎn)、提升和上下竄動鉆具，但無法將鉆具提出井口。由于鉆具內(nèi)部有價格高昂的隨鉆定向儀器，不敢冒險超強(qiáng)度處理。23：30決定暫停處理。先對孔內(nèi)定向儀器進(jìn)行打撈[7]。

5.2 專用工具打撈+油浸法處理定向儀器

由于現(xiàn)場沒有配備定向儀器專用的打撈工具，10日晚上連夜聯(lián)系定向儀器專用打撈工具[8]。11日晚上20：00從中原油田租借定向儀器打撈錨到達(dá)現(xiàn)場，隨即對定向儀器進(jìn)行打撈。12日凌晨4點打撈器對接上定向設(shè)備，至10：40提升力達(dá)40 kN，經(jīng)多次嘗試定向儀器未能拉動，現(xiàn)場分析可能是由于向鉆桿內(nèi)強(qiáng)力泵送鉆井液時，當(dāng)泄壓后，巖粉回灌將定向儀器“抱死”所致。決定進(jìn)行油浸解卡處理[9]。晚上20：00通過鉆桿強(qiáng)行泵入解卡液1.8 m3后嘗試將定向儀器打撈出來，未獲成功，決定等解卡液充分浸潤后再做處理。13日12：00繼續(xù)處理，提升力35 kN，上下竄動數(shù)次，后將提升力加至40 kN，定向儀器突然被拉動，15：07，價值百萬元的定向儀器被打撈出井口。

定向儀器由鉆桿內(nèi)部打撈出后，對孔內(nèi)鉆具再次做常規(guī)處理，反復(fù)進(jìn)行強(qiáng)力泵送鉆井液(泵壓高達(dá)15～17 MPa)，超強(qiáng)度提升、扭轉(zhuǎn)、上下竄動，最大提升力高達(dá)1100 kN，鉆桿仍無法提動。馬上到2018年春節(jié)，外協(xié)單位已放假，井隊決定春節(jié)后再繼續(xù)處理。

5.3 爆破松扣法處理孔內(nèi)鉆具

2018年2月23日春節(jié)假期結(jié)束，24日8：00井隊根據(jù)假期醞釀的結(jié)果，決定用爆破松扣的方法，從卡點上方的鉆桿接頭處斷開，放棄卡點以下的鉆桿、無磁鉆具，螺桿鉆具等。并且開始聯(lián)系爆破公司。

爆破松扣是將鉆具提至適當(dāng)?shù)奈恢?，使鉆具有一定的拉力，并對鉆具施加一定量的反扭力矩，此時當(dāng)爆炸桿在鉆具接頭處爆炸時，產(chǎn)生的沖擊波和振動力，足以使鉆具接頭部分發(fā)生彈性形變使其絲扣倒扣,從而達(dá)到松扣的目的[10]。

爆破松扣前提條件：事故鉆具卡點處井斜<70°，正反扭矩能夠作用到卡點位置，此時電纜能夠自由下放到位，不會出現(xiàn)阻礙[11]。

井隊為保證其余的分支孔能夠正常順利施工，分析認(rèn)為在600～626 m的位置井斜是63.5°～70°，實施爆破松扣比較合適，并且可以為后續(xù)重新側(cè)鉆施工留出空間。

2月27日13：00，爆破松扣專業(yè)隊伍到達(dá)現(xiàn)場對事故鉆具施加正、反扭矩后，下入炸藥至預(yù)定位置實施引爆。爆破松扣前鉆桿先進(jìn)行緊扣施加正向扭矩，使鉆桿各個連接部位受力均勻，有足夠的緊固程度，防止在施加反扭矩時將鉆具從卡點上面非預(yù)想的位置倒開，本次事故處理時施加正扭矩緊扣圈數(shù)為5.0匝，和反扭矩松扣圈數(shù)為3匝[12]。根據(jù)我們使用的是?89 mm石油鉆桿，卡點井深位置在500～1000 m之間，鉆井液密度1.06 g/cm3，爆破隊采用鉛導(dǎo)爆索來做爆炸桿，計算用藥量150 g[12]。下井的爆炸桿和電纜的連接采用硬連接方式，為了能盡量下放，在儀器最下端加上引錐。儀器采用無源磁定位，可以一次性將全部工具下到指定位置，從而做到準(zhǔn)確定位。將炸藥和磁定位儀器一起下入鉆桿內(nèi)，測定卡點位置在611 m處，根據(jù)磁定位測定和機(jī)臺班報記錄核對在603 m處為鉆桿接頭，井斜約64.5°，決定在此處實施爆破。爆破隊確定引爆炸藥后，將電纜、爆炸桿及磁定位儀等井下爆破裝置提出孔口時，炸藥并未被引爆。分析原因時發(fā)現(xiàn)事故鉆具在反向扭矩作用下發(fā)生了1.5匝的轉(zhuǎn)動，造成炸藥無法引爆，爆破松扣未獲成功。

5.4 堿浴法+強(qiáng)力起拔回轉(zhuǎn)給進(jìn)處理鋁土巖卡埋鉆

2月28日8：00-13：00再次用常規(guī)強(qiáng)力起拔回轉(zhuǎn)給進(jìn)工藝處理，仍未成功。暫停處理[13]，現(xiàn)場有關(guān)人員根據(jù)鉆探資料對埋鉆地層巖屑進(jìn)行辨析，發(fā)現(xiàn)在本溪組地層與奧灰風(fēng)化殼接觸帶間是一層鋁土巖[14]，鋁土巖地層中的氧化鋁成分與堿液反應(yīng)，生成極易溶于水的偏鋁酸鈉[15](堿液與鋁土巖的反應(yīng)：Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O)，可以減少埋鉆的固體顆粒物，減輕埋鉆壓力，有可能成功解卡，井隊決定通過堿浴方法進(jìn)行處理。20：00用99%火堿0.5 t配制成8 m3堿液，通過鉆具強(qiáng)行泵入孔內(nèi)。加入堿液泄壓后，23：00多次強(qiáng)力回轉(zhuǎn)鉆具，鉆具可以下行約1.5 m，繼而提升至原位置，無法提出鉆具，當(dāng)時決定暫停處理，讓堿液與鋁土礦充分反應(yīng)12 h后再做處理。

3月1日13：00繼續(xù)強(qiáng)力回轉(zhuǎn)，阻力變小，鉆具仍只能下行不能提出，但是上下活動空間逐漸變大，15：00活動空間增大至8 m，至此反復(fù)上下活動鉆具，至下午16：00孔口冒出一股細(xì)流，不停上下活動鉆具，16：10孔口冒出的水流逐漸變大，16：30孔口突發(fā)井噴式出水，埋鉆點破解，隨即開泵，孔內(nèi)鉆井液可以建立正常循環(huán)，沖孔30 min后，開始緩慢提升鉆具，20：30事故鉆具全部順利提出孔口。歷時 20 d，卡埋鉆事故處理勝利結(jié)束。

6 預(yù)防措施

根據(jù)“冀中能源股份有限公司東龐礦9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期工程鉆探工程”項目DB2-E3孔卡埋鉆事故原因分析，為減少類似事故再次發(fā)生，提出預(yù)防措施：

(1)在施工之前廣泛收集區(qū)域地質(zhì)資料，認(rèn)真調(diào)查，深入研究地層規(guī)律，對礦區(qū)地層標(biāo)志層應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握。

(2)套管應(yīng)下到目的層位置。當(dāng)?shù)貙?、?gòu)造帶、目的層不明晰時，下套管前應(yīng)沿軌跡方向進(jìn)行探孔實驗。

(3)注漿掃孔時，必須把水泥漿沖洗干凈，孔口返出清水后，才可進(jìn)行加桿繼續(xù)掃孔。

7 結(jié)語

通過對“冀中能源股份有限公司東龐礦9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期工程鉆探工程”項目DB2-E3孔卡埋鉆事故成功處理，提出了預(yù)防措施，得出了如下結(jié)論：

(1)強(qiáng)力起拔回轉(zhuǎn)給進(jìn)是常規(guī)處理定向鉆孔卡埋鉆事故一種有效方法，并且伴隨事故處理全過程。強(qiáng)力起拔同時配以回轉(zhuǎn)和震動有利于解卡，但是遇斷層破碎帶不建議使用震動，以免發(fā)生掉塊導(dǎo)致事故惡化。采用強(qiáng)力起拔時，一次處理不成功應(yīng)靜置一段時間，待卡埋點受擠壓應(yīng)力釋放后進(jìn)行處理。

(2)無線定向孔鉆進(jìn)過程中發(fā)生卡埋鉆事故時，應(yīng)在第一時間內(nèi)處理定向儀器。施工現(xiàn)場要配備常用事故處理專用工具，為事故處理爭取寶貴的“黃金時間”。

(3)在發(fā)生卡埋鉆事故后首先考慮采用強(qiáng)力起拔回轉(zhuǎn)給進(jìn)的方法，該方法無效后可采取加入解卡液等方式，最后鉆具仍無法解卡時，可采取爆破松扣或爆破切割的方式取出部分鉆具，盡量減少損失。

(4)要根據(jù)卡埋鉆地層物質(zhì)成分，科學(xué)地使用解卡液和化學(xué)處理劑。無論使用油浸、酸浴、堿浴等方法，加入處理劑后都給以充分的浸、浴時間，一般不低于12 h。