坚硬完整地层跟管解卡作业钻头的改进与应用

徐可一，成 周，郑清云

（四川华锋钻探工程有限责任公司，四川 成都 610000）

在钻探生产中，常因为各种原因发生卡钻事故。跟进套管解卡是常用的解卡方式之一，其原理是通过套管带动套管底部的跟管钻头克取地层岩土进尺，将事故钻柱与外部环境隔离消除阻卡。常用的跟管钻头主要为硬质合金钻头和孕镶金刚石钻头。然而在坚硬完整地层中使用孕镶金刚石跟管钻头进行跟管解卡作业时，许多操作者囿于个人经验水平的限制，常因不当操作造成胎体崩落（图1为在跟管解卡作业中崩钻的孕镶金刚石跟管钻头），由此既造成直接经济损失又耽误处理进度，严重的还因为崩落胎体残留在孔内影响到最后的作业成功。

图1 跟管解卡作业时崩钻的钻头

笔者所在单位在云南某矿区施工时多次进行跟管解卡作业，跟管孔段多为坚硬完整的花岗岩地层，前期频繁崩钻、操作繁琐、效率低下。

1 崩钻原因分析

跟管解卡作业中，套管钻进时常常突然停止转动，向上倒杆10cm～20cm后又能正常向下进尺，其中有一定的几率发生崩钻。有时也会出现未停转就崩钻的现象，但概率较小。

以NQ钻柱卡死、HQ套管跟管解卡为例，HQ跟管钻头外壁直径一般为93mm，内壁直径为77.8mm，NQ钻孔直径为75.7mm，NQ钻杆外壁直径为69.9mm。三者之间的典型相对位置如图2中所示。

图2 NQ钻孔、钻杆与HQ套管轴线相对位置示意图

图2 （a）中NQ钻杆紧贴钻孔一侧，HQ套管沿NQ钻杆靠向另一侧。图2（b）中HQ套管的靠向与NQ钻杆的靠向相同，与NQ钻杆轴线同向一起最大偏离NQ钻孔的轴线。但图2（a）中的管间残留岩块最大厚度为2.1mm，而图2（b）中则为7.9mm。根据实际经验，图2（b）所示状态居多。

在图2（b）的情况下，残留岩块形成如图3所示的形状。

图3 管间残留岩块示意图

在图3中，NQ钻杆和HQ套管之间的空隙呈月牙形，钻杆和套管在左侧接触，到右侧空隙最大，形成的管间残留岩块厚度达到最大。因此图中A、C部分相对更容易碎裂，而后被冲洗液排出。而B部分则更加坚固，更难被破坏。

2 岩石性质与崩钻

管间残留岩块的易破坏程度还与地层特性相关。根据地层特性的不同，将形成以下两种情况。

（1）地层主要由黏土、松散胶结的砂砾、或强度很弱的岩石等组成，在冲洗液和跟管作业产生的振动作用下，图3中ABC三部分均软化、分散、碎裂解体，随冲洗液排出到套管外的环空间隙中，继续上返到地表或进入地层裂隙中，不会对跟管作业产生大的影响。

（2）地层主要由强度较高的岩石组成，在月牙形间隙中随着进尺成形，月牙尖和两翼的较薄处的岩石（图2中的A、C部分）在冲刷和振动作用下碎裂解体随冲洗液排出，或虽不能排出但由于体积较小不至于影响钻进。

3 管间残留岩块对跟管作业的影响

当管间残留岩块的纵向尺寸（沿钻孔轴线方向）达到一定值后，常出现以下状况。

①钻机扭矩变动。残留岩块夹在事故钻柱和套管内壁及跟管钻头的间隙中，因为套管旋转和振动而受力不均，套管受到的摩擦阻力不断变化，使得套管所受扭矩也处于变动之中。②套管柱卡死。由于残块的存在，有时套管力矩会突然增大到超过钻机力矩。③泵压增大。残块的存在缩小了套管内环空间隙，过流面积随之缩小，因而引起泵压增大。

4 跟管钻头的改进

根据前述分析，笔者认为可以通过加大跟管钻头的壁厚，减小残留岩块最大厚度，使得管间残留岩块难以形成，从根本上减少或杜绝卡停、崩钻。为此，笔者以该矿区地层中的花岗岩为原材料制备8cm的块状样品进行了抗折破坏试验（如图4所示）。

图4 改进跟管钻头与普通跟管钻头的对比

5 改进钻头的应用

改进后的跟管钻头在该矿区应用，本矿区在应用加厚HQ跟管钻头之前使用了12个跟管钻头，发生崩钻的数量就达到11个之多，虽然有的还可以继续使用，但崩落胎体仍然对进度造成了不小的影响。钻头平均寿命仅9.7m，加之反复倒杆重复磨耗岩石、频繁起下钻检查、更换钻头，平均时效仅0.51m，经济效益十分低下。

由此可见，在坚硬完整地层中使用改进型跟管钻头能明显减少崩钻几率，大幅提高钻头寿命和跟管进尺效率，使得跟管解卡作业的成功率、经济性都明显增加。