一次性套取全孔1 445.86 m粘埋卡钻具事故的处理技术

钟 明

（山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266404）

玉皇庙地热3号井已经施工到终孔层位，孔深1 445.86 m，在钻孔中下钻具通井顺孔过程中，Ф89 mm钻杆体突然折断。断钻具事故头深度为220 m，孔内遗留钻具为Ф444.5 mm钻头+Ф177.8 mm钻 铤6根+Ф89 mm钻 杆125根+Ф89 mm断钻杆3.2 m，用Ф89 mm正丝母锥找到事故头后吃牢丝扣，反复强力提拉事故钻具无效果，发生了压差卡钻粘钻事故。

1 地质概况

根据岩屑录井情况，玉皇庙3号井钻遇地层从上到下为：第四系、新近系明化镇组、新近系馆陶组、古近系东营组。地层及其岩性组合特征概述如下：

（1）第四系（Q）

井深0～285.00 m，岩性主要为棕灰色耕殖土、灰黄色含砂粘土及灰黄色砂层组成，厚285.00 m。遇泥浆侵蚀容易造成膨胀缩径、坍塌、掉块，钻孔漏失容易发生埋钻。

（2）新近系明化镇组（N2m）

井深285.00～1 080.00 m，上部由灰黄色、棕红色粘土和灰黄色砂层组成，下部由棕黄色、棕红色、杂色含砂粘土和棕红色砂层组成，厚795.00 m。钻孔施工中易造成钻孔井壁坍塌、掉块、缩径。

（3）新近系馆陶组（N2g）

井深1 080.00～1 382.00 m，上部由棕红色、灰绿色、棕黄色含砂粘土和砂层组成，下部由棕黄色、灰绿色、棕红色粘土及砂层、砂砾岩组成，含少量石膏，下部含少量黑色燧石及暗色矿物，厚302.00 m。馆陶组为商河县的主要热储层，馆陶组热储在商河县分布广泛，约占商河县总面积的98.6%。易坍塌、掉块、缩径发生粘钻卡钻事故。

（4）古近系东营组（E3）井深1 382.00～1 450.00 m，岩性主要为灰绿、棕红色泥岩，厚度为68.00 m（未穿）。

2 钻孔设计与套管程序

设计单孔深度1450 m；终孔层位：东营组；止水：揭露东营组热储层5～20 m；止水方法采用粘土球止水，粒径2～4 cm；粘土球厚30～50 m，填充粘土球量6 m³；滤水管段采用优质石英砂填充，粒径2～4 mm，实际填充高度及填料量以测井资料为准；钻孔直径：0～1450 m，Ф444.5 mm（钻探深度可根据实际钻遇地层埋藏深度变化）；成井管材：泵段下入Ф273 mm石油套管，非泵段下入Ф177.8 mm石油套管，地热含水层段下入Ф177.8 mm缠丝滤水管；钻孔偏斜执行《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）。具体如图1。

图1 玉皇庙3号井钻孔结构示意图

3 发生粘埋钻具的原因

（1）地质构造复杂

由于第四系、新近系馆陶组、古近系东营组地层基本为粘土、砂质粘土、砂层等松散、渗透性强的地层，泥浆中的自由水在钻孔内液柱压差作用下进入地层，造成地层膨胀，孔壁泥皮增厚，钻孔缩径导致埋卡钻具发生。

（2）泥浆性能差

泥浆失水量大，泥浆中劣质固相含量高（7.6%）、密度大（1.36 g/cm3）、粘度高（27 s），在孔壁形成的泥皮厚而疏松润滑性差，不能有效地阻止泥浆中的自由水通过井壁进入地层。泥浆中的自由水进入地层，造成井壁厚而疏松的泥皮不断增厚，当不断增厚的泥皮井壁悬挂不住，就造成俗称的井壁“脱裤子”。

（3）钻孔孔斜

钻具在孔内静止时间过长，没有经常活动钻具，再加之孔斜，钻具在重力的作用下保持垂直而紧靠孔壁的一侧，钻具一开始与井壁是点接触，进而是线接触，随后是面接触，最后在泥浆液柱压力作用下形成压差卡钻，造成粘钻事故的发生。

（4）钻孔泥浆液柱压力与地层压力不平衡

钻孔钻进中钻遇断层、破碎带、溶洞时，钻孔突然发生泥浆漏失，钻孔内液柱突然降低，孔内液柱压力不能平衡地层压力，导致钻孔坍塌或缩径。提升钻孔中钻具时，对钻孔不及时回灌，钻孔液柱压力不能平衡地层压力，导致钻孔坍塌或缩径。钻孔中泥浆密度低，造成钻孔液柱压力不能平衡地层压力，导致钻孔坍塌或缩径。

（5）发生压差卡钻的理论计算

钻具与孔壁的接触面积为A，压差为ΔP，则作用在钻具上的总挤压力为AΔP。此时，钻具被压在孔壁上，如果拉拧钻具，则会产生吸附摩擦力造成摩擦阻力或旋转反扭矩。摩擦阻力F=μΔP（式中：μ为钻具与孔壁泥皮间摩擦系数；ΔP为地层压差，MPa），扭矩M=FR（式中：M为扭矩，Nm；R为钻具半径，m）。如驱动钻具的作用力小于摩擦阻力或扭矩，即发生压差卡钻。

由此得出其摩擦阻力计算公式：

F=μA（ρ·H-Pd）

式中：F为摩擦阻力或粘滞力，N；μ为泥皮摩擦系数；Pd为地层压力，MPa；A为钻具与孔壁的接触面积，cm2；ρ为泥浆密度，g/cm3；H为卡点垂直深度，m。

4 事故处理

4.1 事故处理方案

根据该孔的地层情况以及该孔钻孔结构，在处理该孔事故方案上结合以往的经验教训，不敢贸然使用反丝钻具处理孔内事故钻具，一是孔径大（Ф444.5 mm），难以找到事故头；二是该孔几乎全孔都是松散地层，由于巨厚松散层有的地层遇水剥落导致超径，而有的地层遇水膨胀导致缩径，因而在地层超径的孔段难以找到事故钻具头，而报废钻孔。在地层缩径的孔段，地层缩径将钻具抱牢，如不套铣事故钻具，难以用反丝反动事故钻具，有时在松散层的孔段下降套铣管钻具时创出岔孔，再找到原孔将十分困难，而报废钻孔。为避免该类情况发生，研制了预防孔内钻具缠绕的环刀钻具[1-3]，决定用环刀钻具处理该孔事故。

4.2 导向式环形切刀的设计与制作

采用Ф89 mm钻杆长度5～6 m，在其下端割45°马蹄茬，在距其马蹄茬1.5 m处Ф89 mm钻杆外焊接Ф244.5 mm套铣短管（壁厚δ=9.19～20.24 mm，管长1.2 m，两端45°对称马蹄茬，其长边对外焊接在Ф89 mm钻杆上）。Ф89 mm钻杆其下端割马蹄茬，是为了防止钻孔坍塌窜动钻具时憋泵；Ф244.5 mm套铣管两端对称割马蹄茬是为了防止孔内事故钻具接头升降钻具时挂碰套铣管。其导向环状切刀设计如图2。

图2 导向环状切刀设计示意图（mm）

4.3 事故处理过程

使用环形刀套取孔内钻具时，为了降低井壁泥皮粘滞系数，降低泥浆的失水量及密度，增加井壁泥皮润滑性，为控制泥浆的固相含量以及井壁泥皮厚度，使用水解度30%聚丙烯酰胺化学除砂结合泥浆循环系统采用长槽大池自然重力沉降除砂，并采用除砂器与离心机机械除砂，严格控制泥浆中固相含量，使其在井壁形成薄而致密的泥皮，减少泥浆中的自由水进入井壁，避免钻孔坍塌、掉块、缩径，确保处理钻孔事故每个环节顺利进行。其配比如下：淡水+膨润土（5%～10%）+Na2CO3（0.3%～0.5%）+PAM（0.01%～0.02%）+Na-NPAN（0.3%～0.5%）+Na-CMC（0.1%～0.3%）+护 壁 剂（0.5%～1%）+润滑剂（0.3%）。泥浆性能参数见表1。

表1 泥浆性能参数

钻孔内下入打捞工具，找到孔内事故头，用打捞工具将事故钻具吃扣牢固，联接钻具到孔口，再将导向性环形切刀套入联结到孔口的事故钻具，如图3所示。下入孔内环形切刀套铣钻具，每根钻具丝扣要联牢固，并用吊钳反复背紧丝扣，防止钻具串动过程中钻具丝扣脱扣造成事故。导向性环形切刀上联结钻具下入孔内后，遇阻时合上主动钻杆，开泵循环泥浆冲孔，并上下串动钻具，使事故钻具从井壁剥离出来，反复进行钻杆加尺，开泵循环泥浆冲孔，上下串动钻具直至套清事故钻具至孔底。在任何情况下，钻具都不能静止放在孔内，防止钻具长时间静止形成压差卡钻。要不停开泵循环泥浆上下冲串钻具，直至孔内没有阻力，继续加尺，不准转动钻具，以防孔内两套钻具缠绕。串动钻具前要对提升系统进行全面检查，串动过程中也要经常对提升系统进行全面检查，特别是钢丝绳静止固定端更要进行认真检查，防止钢丝绳老化钢丝断头多而折断钢丝绳造成事故。串动钻具时，要将拉力表用绳索捆绑牢固，防止钻具串动时钢丝绳一紧一松，拉力表弹射伤人，串动钻具时无关人员要撤到安全区域。提升钻具将环状切刀提出孔内，提升钻具时，注意钻孔回灌注孔，保持地层压力与钻孔液注压力平衡，然后再提出孔内遗留事故钻具。至此，钻孔事故处理完毕。

图3 导向环状切刀操作示意图（mm）

5 结论与建议

在大口径钻孔施工中，如果孔径允许采用导向环形切刀，对压差卡钻粘钻、漏水埋钻、沟槽卡钻、掉块卡钻等可以采用环形切刀一次性处理各类卡钻事故。2017年采用此种方法成功地处理了通辽铀业高林屯钱家店采区27-31C8钻孔漏水埋钻事故。该孔地层自上而下，0～300 m为第四系表土、松散砂层、砂砾层，300～450 m为风化基岩、侏罗系红层及火成岩（火成岩下是铀矿层）。该孔周围其他单位施工了两个钻孔，因严重漏水埋钻，找不到事故头，钻具均未处理上来导致钻孔报废。27-31C8钻孔施工孔径Ф331 mm一径到终孔，钻进到孔深430 m时，发生严重漏水，随即提钻，并随时回灌钻孔，钻具提起30 m时，钻具被钻孔坍塌物埋住，经打吊锤处理无效。接受该孔周围上两孔事故教训，采用Ф50 mm钻杆外焊Ф193.7 mm导向环状切刀，一次性将400 m事故钻具（其中Ф89 mm钻杆362 m，Ф165 mm钻铤38 m）处理完毕。

目前处理压差卡钻的方法，先是采用浸泡解卡法处理，如果采用此法无效，就只能采用反丝钻具处理，有时在生产地层中钻孔超径难以找到事故头给处理钻孔卡钻事故造成较大困难，采用导向环形切刀法处理各类卡钻事故极为有效。