1 概述

 

  石油、水文、地熱、鹽礦等所有的鉆井工程鉆遇常見的地層主要有:第四系、第三系松散層、粘土、泥巖、頁巖等水敏性地層。在這類地層中由于巖層遇水極易出現(xiàn)膨脹、縮徑和剝落等問題,從而嚴重威脅著鉆具在井內(nèi)的安全。所以,在鉆進過程中泥漿使用稍有不慎或者突遇停電、泥漿不循環(huán)的情況下,很容易導(dǎo)致吸附卡鉆事故(也稱粘鉆)。據(jù)統(tǒng)計,在河南鄭州、新鄉(xiāng)、開封、周口、漯河等地區(qū)每年平均建造600～1300m中深地熱井約30眼,其他100～300m井50～80眼,總投資8000～12000萬元。而在這些地區(qū)鉆井時,常見的問題則是吸附卡鉆事故頻繁,幾乎每眼井都不同程度地遇到此類事故。輕者,強拉或套銑則可在2～5天內(nèi)處理完畢;重者,10～30天處理完畢,甚至造成鉆具和水井報廢,從而造成巨大的經(jīng)濟損失。表1為幾個典型的吸附卡鉆事故情況。

 

  特別是2004年7月在鄭州北環(huán)同時進行地熱井施工的3臺鉆機,由于突遇停電和泥漿使用問題,在3天內(nèi)先后都出現(xiàn)了不同程度的吸附卡鉆事故,從而在時間和財力等方面造成巨大的浪費和損失。

 

  2 吸附卡鉆成因與特征

 

  吸附卡鉆事故的形成有地層客觀原因和人為主觀原因兩個方面,這兩種原因同時出現(xiàn)時則容易發(fā)生此類事故。

 

  211 客觀因素

 

  主要是鉆遇松散層、粘土層和泥頁巖等地層,特別是鉆遇較厚粘土地層時,最容易產(chǎn)生吸附卡鉆事故。這些地層的共同特點是:

 

  (1)地層巖性力學(xué)性能和穩(wěn)定性差;

 

  (2)具有較強的親水性,遇水極易產(chǎn)生膨脹、縮徑和坍塌,為水敏性地層;

 

  (3)容易形成較厚的泥皮,最大泥皮厚度可達6mm;

 

  (4)其主要礦物成分為粘土礦物,原生礦物有石英、長石和云母;次生礦物主要有高嶺石、水云母、蒙脫石、倍半氧化物(Al2O、Fe2O3)、CaCO3、MgCO3、腐殖質(zhì)等。

 

  212 人為主觀因素在鉆進過程中當遇到上述地層時,若遇到下述

 

  人為情況時則很可能導(dǎo)致吸附卡鉆事故:

 

  (1)泥漿失水量過大、井壁泥皮厚度>2mm;

 

  (2)不提鉆維修泥漿泵時間>5min;

 

  (3)突然停電或設(shè)備故障,而沒有及時提鉆;

 

  (4)當鉆遇較厚水敏性地層時,沒有經(jīng)常上下提動井內(nèi)鉆具進行劃眼;

 

  (5)鉆具最大外徑與鉆井直徑間隙過小;

 

  (6)井斜嚴重或使用彎曲鉆桿。這些都是造成吸附卡鉆的人為因素,其中任何一項都可能導(dǎo)致該類事故的發(fā)生。

 

  213 吸附卡鉆的特征

 

  輕微的吸附卡鉆特征是:在提鉆過程中阻力較大,其提升力超過鉆具自身重力的30%～100%,經(jīng)過強力提升最終可使鉆具拉至地面。 嚴重的吸附卡鉆特征是:鉆具拉不動,反復(fù)強力提拔,僅出現(xiàn)鉆具材料的拉伸量。其拉伸量根據(jù)鉆具的長短不同而不同,當拉伸量超過金屬材料的極限值時,則鉆具可能被拉斷。

 

  無論是輕微的吸附卡鉆還是嚴重的吸附卡鉆,其具有的共同特征是:

 

  (1)粗徑鉆具或鉆鋌被吸附;

 

  (2)泥漿都可以正常泵入和循環(huán),這也是與埋鉆事故最根本的區(qū)別。

 

  3 傳統(tǒng)處理方法及存在問題

 

  吸附卡鉆是鉆井工程中常遇到的一種事故,特別是進行深層地熱鉆井時,由于井深和鉆遇粘土層較多,更易發(fā)生吸附卡鉆事故。傳統(tǒng)的處理技術(shù)方法主要有:

 

  (1)采用反絲鉆桿將井內(nèi)事故鉆具一一返出,最后再用大一級的巖心管將井內(nèi)鉆頭或鉆鋌套出;

 

  (2)采用千斤頂配合強力提拔處理井內(nèi)事故鉆具;

 

  (3)采用套銑法人工轉(zhuǎn)動逐步向下鏟取吸附在鉆具上的泥皮和水化后的粘土。 前2種方法由于處理時間長、成本高、對設(shè)備和鉆具的危害性大,逐步被淘汰。目前常用的是“套銑法”,它是廣大鉆探工作者在長期的實際工作經(jīng)驗中總結(jié)出的一種簡單的處理方法。

 

  311 套銑法處理原理

 

  首先將事故鉆具在井口固定好,卸去主動鉆桿。根據(jù)被吸附卡鉆鉆具(鉆鋌)直徑和井徑,選擇合適壁厚和長度的鋼管或地質(zhì)鉆探巖心管(一般選擇??219mm或??245mm),下端割成鍥狀(俗稱馬蹄口), 焊接在鉆桿上并加固。然后套在事故鉆具上,通過 人工來回旋轉(zhuǎn)鉆具逐根向下套銑,套銑過程中阻力較大或工具不下時,可把沖洗液對接到處理工具的鉆桿上進行泥漿循環(huán)。最終將吸附卡鉆的鉆具與井壁分離,從而達到解卡目的。

 

  312 套銑法的主要問題

 

  該方法雖然可以解決一些事故,但是,它存在著 一定的局限性和問題。當吸附卡鉆位置較淺(≤400m)或者被吸附卡鉆地層較為松散并且粘土層較薄(≤5m)時,采用該方法可達到解卡目的,否則很難處理。

 

  與此同時,該方法存在著較大的危險性和其它問題:

 

  (1)井內(nèi)同時存在2套鉆具,很容易引發(fā)其他問題,從而使井內(nèi)事故復(fù)雜化,如2套鉆具同時卡死在井內(nèi)、折斷或套銑工具脫落井內(nèi)等等;

 

  (2)處理時間長、成本高和工人勞動強度大;

 

  (3)井壁和粗徑鉆具吸附面積大時或者地層較硬時,該方法則無能為力。

 

  4 化學(xué)-物理處理方法原理及實例

 

  4.1 化學(xué)-物理處理方法原理

 

  針對傳統(tǒng)的套銑法存在的問題,我們根據(jù)化學(xué)和物理原理,在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上研制出一種XS-1型解卡劑,取得了顯著效果。 該解卡劑主要作用原理有2個:一個是潤滑,減小鉆具和井壁間的摩擦阻力;另一個是破壞被吸附卡鉆段的粘土結(jié)構(gòu),從而破壞其強度并使其溶解,最終達到解卡之目的。 圖1為粘土礦物的基本結(jié)構(gòu)圖,它在一定條件下處于一個穩(wěn)定狀態(tài),并具一定的強度和粘結(jié)力。XS-1型解卡劑中的Cl-將直接與粘土中的Al、Ca、Mg和Fe等反應(yīng)形成可溶性產(chǎn)物和大量的氣體。此時,井內(nèi)的事故鉆具在鉆機提升力和井內(nèi)的氣體氣舉作用下輕而易舉地提升出井外。

 

  4.2 化學(xué)-物理處理方法應(yīng)用實例

 

  鄭州某地熱鉆井工程,設(shè)計井深1200m,鉆井結(jié)構(gòu)為:0～220m井徑450mm;220～1200m井徑311mm。地層主要巖性為第四系砂質(zhì)土、砂和粘土互層(較薄),其中730～760m為較厚的一層褐色硬粘土(吸附卡鉆段)。

 

  0～760m鉆進時間僅用15天,當泥漿不循環(huán)時,操作人員進行泥漿泵檢修后井內(nèi)鉆具拉不動。先后歷經(jīng)15天采用套銑法和強拉等方法均未成功,其事故鉆具質(zhì)量約16t,強力提拔最大達55t(500kN),泥漿循環(huán)正常。在采用套銑法處理時先后加工3種規(guī)格的處理工具,在734m處套銑工具很難下入,并使其下部的馬蹄口管子又掉入井內(nèi),處理工具多次被卡,險些造成事故復(fù)雜化。

 

  在傳統(tǒng)處理方法不能奏效的情況下,我們結(jié)合實際地層和在試驗基礎(chǔ)上研制了XS-1型解卡劑,并通過泥漿泵送入井底,然后把事故鉆具拉至520kN拉力。經(jīng)過8h的浸泡和作用,事故鉆具的拉力自動降至270kN,此時提升井內(nèi)的事故鉆具,最后順利處理完畢,由于本次處理事故使用了4t處理劑,故產(chǎn)生大量的氣體。所以,在起鉆時間斷性出現(xiàn)了10余次“井涌”現(xiàn)象。每次“井涌”持續(xù)時間3min左 右,并且返出的泥漿呈泡沫狀,整個化學(xué)-物理處理吸附卡鉆事故共用了12h,其中包括處理劑的配制、設(shè)備檢修、泵入處理劑、替漿和浸泡等,其處理費用僅為傳統(tǒng)方法的1/10左右。

 

  圖2是通過化學(xué)-物理方法處理上來的事故鉆具,從圖中可以看出,三牙輪鉆頭和鉆鋌被粘泥包裹,其中套銑管脫落后位于鉆頭上方,并且在套銑管和鉆鋌之間充滿地層中的硬粘土。

 

  4.3 化學(xué)-物理處理規(guī)程及注意事項

 

  化學(xué)-物理處理吸附卡鉆是一種新的技術(shù)方 法,并且具有處理迅速、成本低、勞動強度低、安全可 靠等特點。所以,在出現(xiàn)類似問題和事故時,優(yōu)先推薦使用化學(xué)-物理方法。其操作規(guī)程和注意事項如下。

 

  (1)出現(xiàn)吸附卡鉆事故后,首先根據(jù)地質(zhì)資料和地層情況確定吸附卡鉆的準確位置。

 

  (2)根據(jù)吸附面積或長度以及井徑、鉆具直徑,計算出事故段環(huán)狀體積,以便確定處理劑的具體用量。

 

  (3)根據(jù)井內(nèi)事故鉆具長度、地面管線長度、泵的直徑計算井底至地面吸入管之間的體積,以便確定替漿量。

 

  (4)一次性配制好所需XS-1型解卡劑,分裝30～50L塑料桶內(nèi)密封并運送至事故現(xiàn)場。

 

  (5)選擇1m3鐵制或塑料容器2個,平放地面或 埋入地面以下,其中一個和泥漿泵吸管連接好,盛放配制好的處理劑;另一個盛放清水或現(xiàn)有的泥漿,以備替漿用。

 

  (6)泵入處理劑前一定進行泥漿泵檢修,確保在短時間內(nèi)迅速將處理劑泵入事故位置。

 

  (7)泵入處理劑和替漿結(jié)束后,將事故鉆具拉至300～500kN固定不動,并停止泥漿循環(huán)。然后注意 觀察鉆壓儀的數(shù)值變化,當數(shù)值逐步降低到井內(nèi)事故鉆具重力1.5倍左右時,即可提升鉆具。

 

  (8)提鉆時將會出現(xiàn)“井涌”或“井噴”現(xiàn)象。所以,注意安全和泥漿的回灌,保證井內(nèi)液柱和地層壓力的平衡。

 

  (9)提鉆后,由于泥漿性能發(fā)生較大變化,故將原泥漿進行重新更換。

 

  (10)由于處理劑具有一定的腐蝕性,故在操作中注意人身和設(shè)備的防護工作。

 

  5 結(jié)語

 

  采用化學(xué)-物理方法處理吸附卡鉆,是一種行之有效的技術(shù)方法。與傳統(tǒng)的處理方法相比效果顯著,并具有“安全可靠、迅速高效、操作方便、成本低和工人勞動強度低”等優(yōu)點。實踐證明,這種解卡劑在井內(nèi)反應(yīng)后其產(chǎn)物對地下水和環(huán)境沒有危害。由于是一種新的技術(shù)方法,故在處理劑配制方面比較保守,今后將進一步完善和試驗應(yīng)用,以便使該項新技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用。