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膨脹、縮徑和剝落等問題,從而嚴重威脅著鉆具在井內的安全。所以,在鉆進過程中泥漿使用稍有不慎或者突遇停電、泥漿不循環的情況下,很容易導致吸附卡鉆事故(也稱粘鉆)。據統計,在河南鄭州、新鄉、開封、周口、漯河等地區每年平均建造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天內先后都出現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時則容易發生此類事故。

 

  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,最容易產生吸附卡鉆事故。這些地層的共同特點是:

 

  (1)地層巖性力學性能和穩定性差;

 

  (2)具有較強的親水性,遇水極易產生膨脹、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,沒有經常上下提動井內鉆具進行劃眼;

 

  (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致該類事故的發生。

 

  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,反復強力提拔,僅出現鉆具材料的拉伸量。其拉伸量根據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,這也是與埋鉆事故最根本的區別。

 

  3 傳統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,更易發生吸附卡鉆事故。傳統的處理技術方法主要有:

 

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

 

  (2)采用千斤頂配合強力提拔處理井內事故鉆具;

 

  (3)采用套銑法人工轉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驗中總結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。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)井內同時存在2套鉆具,很容易引發其他問題,從而使井內事故復雜化,如2套鉆具同時卡死在井內、折斷或套銑工具脫落井內等等;

 

  (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-物理處理方法原理及實例

 

  4.1 化學-物理處理方法原理

 

  針對傳統的套銑法存在的問題,我們根據化學和物理原理,在反復試驗的基礎上研制出一種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構,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構圖,它在一定條件下處于一個穩定狀態,并具一定的強度和粘結力。XS-1型解卡劑中的Cl-將直接與粘土中的Al、Ca、Mg和Fe等反應形成可溶性產物和大量的氣體。此時,井內的事故鉆具在鉆機提升力和井內的氣體氣舉作用下輕而易舉地提升出井外。

 

  4.2 化學-物理處理方法應用實例

 

  鄭州某地熱鉆井工程,設計井深1200m,鉆井結構為:0～220m井徑450mm;220～1200m井徑311mm。地層主要巖性為第四系砂質土、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,當泥漿不循環時,操作人員進行泥漿泵檢修后井內鉆具拉不動。先后歷經15天采用套銑法和強拉等方法均未成功,其事故鉆具質量約16t,強力提拔最大達55t(500kN),泥漿循環正常。在采用套銑法處理時先后加工3種規格的處理工具,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,處理工具多次被卡,險些造成事故復雜化。

 

  在傳統處理方法不能奏效的情況下,我們結合實際地層和在試驗基礎上研制了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,故產生大量的氣體。所以,在起鉆時間斷性出現了10余次“井涌”現象。每次“井涌”持續時間3min左 右,并且返出的泥漿呈泡沫狀,整個化學-物理處理吸附卡鉆事故共用了12h,其中包括處理劑的配制、設備檢修、泵入處理劑、替漿和浸泡等,其處理費用僅為傳統方法的1/10左右。

 

  圖2是通過化學-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-物理處理規程及注意事項

 

  化學-物理處理吸附卡鉆是一種新的技術方 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,在出現類似問題和事故時,優先推薦使用化學-物理方法。其操作規程和注意事項如下。

 

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

 

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

 

  (3)根據井內事故鉆具長度、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塑料桶內密封并運送至事故現場。

 

  (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,確保在短時間內迅速將處理劑泵入事故位置。

 

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

 

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

 

  (9)提鉆后,由于泥漿性能發生較大變化,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備的防護工作。

 

  5 結語

 

  采用化學-物理方法處理吸附卡鉆,是一種行之有效的技術方法。與傳統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”等優點。實踐證明,這種解卡劑在井內反應后其產物對地下水和環境沒有危害。由于是一種新的技術方法,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用,以便使該項新技術得到廣泛的推廣應用。