ZK5806鉆孔繩索取心鉆具脫落事故處理方法

葛曉華

(1.山東省地礦局鉆探工程技術研究中心,山東煙臺 264004;2.山東省第三地質礦產勘查院,山東煙臺 264004)

0 引言

與普通鉆進方法相比,繩索取心鉆進工藝具有地質效果好、生產效率高、鉆進成本低等優點,目前是我國海上深孔、特深孔不提鉆取心鉆進方法中的主流[1-2]。近年來,隨著鉆孔向地球更深處的不斷探索,小口徑金剛石繩索取心鉆進工藝和事故處理方法也越來越成熟[3]。而孔內鋼絲繩(落魚)的打撈,仍然是繩索取心鉆進事故中最常遇到的復雜孔內事故?？變仁鹿实陌l生不僅耽誤施工周期,如果處理失敗,還會造成被迫側鉆或鉆孔報廢的情況[4-5]。

山東省第三地質礦產勘查院在三山島北部海域實施了ZK5806號鉆孔,在1143.00 m處鉆桿連接螺紋斷裂,導致繩索取心鋼絲繩及鋼絲繩打撈鉤等落入孔內的事故。本次研究將處理方法、過程及結果進行整理分析,為以后相似情況的處理提供借鑒。

1 鉆孔概況及事故分析

1.1 地理、地質特征

鉆孔位于山東省萊州三山島北部海域,距離海岸最近4海里。三山島西北為一套強風化淺肉紅色二長花崗巖出露,其余地區均被第四系覆蓋。鉆孔巖心揭示,第四系自上而下為中粗砂、沙淤泥以及粉質黏土,厚度60～80 m;第四系下部為淺肉紅色和灰白色二長花崗巖和片麻狀、細粒黑云角閃英云閃長巖等。巖石可鉆性一般為7～9級,研磨性強。鉆探過程中鉆遇斷裂蝕變破碎帶,該區域寬度80～120 m不等。該帶主斷裂面以灰色段層泥為標志,位于蝕變帶的中心部位。離主斷裂面較近的位置發育蝕變黃鐵絹英巖質碎裂巖,并向兩側逐漸減弱。金礦體一般賦存在主斷裂下盤的黃鐵絹英巖質碎裂巖和黃鐵絹英巖質碎裂巖化花崗巖中[4,6]。

1.2 鉆孔概況

1.2.1 鉆孔結構

根據該區域海上鉆孔施工特點,鉆孔為四開結構:一開使用直徑127 mm硬質合金鉆頭跟管鉆進(隔水管)至20.00 m;二開使用直徑110 mm單管金剛石鉆頭,提鉆取心,鉆至取出較完整巖心塊65.00 m,下入直徑108 mm套管隔離第四系及上部風化巖;三開使用直徑95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆至640.30 m,隔離破碎地層,下入直徑89 mm套管;四開使用直徑75 mm金剛石繩索取心鉆具鉆至1600.00 m完鉆。

1.2.2 鉆探機具

本次鉆探施工采用主要設備及鉆具包括:中地裝張家口探礦機械有限公司生產的XY-6B鉆機1臺,衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司生產的BW-160/12泥漿泵1臺,無錫探礦機械總廠生產的2000 m取心絞車1臺,120 kW發電機組1臺,直徑127 mm單管鉆具1套,直徑108 mm單管鉆具2套,XJS95繩索取心鉆具2套,S75繩索取心鉆具2套,直徑127 mm套管24.0 m,直徑127 mm套管24.0 m,直徑108 mm套管70.0 m,直徑75 mm套管645.0 m,S91鉆桿700 m,S71鉆桿1700 m,直徑130 mm硬質合金鉆頭1個,直徑110 mm單管金剛石薄壁鉆頭2個,S95雙管金剛石鉆頭10個。

1.2.3 事故情況

鉆至1100.00 m時,現場施工人員發現班進尺效率略有提高,鉆進泵壓由3.5～4.0 MPa降至2.5～3.5 MPa。經初步研判,認為鉆遇地層破碎,裂隙發育,導致泥漿少量漏失[7]。自1130.00 m開始鉆進扭矩變大,鉆進電流發生波動,泵壓下降至2.0～3.5 MPa。

針對現場情況,施工人員調整沖洗液性能,加入部分低黏潤滑劑和隨鉆堵漏劑,泵壓有短暫上升后仍持續下降,但進尺效率仍然較為穩定。鉆至1160.00 m,泵壓上升,孔內阻力減小,進尺慢,施工人員取心檢查,上提鉆桿稱重,未發現鉆具異常。取心過程中鋼絲繩記號到達孔深后,伴有明顯打撈矛到位聲音。取心絞車提取巖心遇阻,下脫卡器解卡后未能成功脫卡,接借主卷揚牽拉,內管總成離開孔底,換取心絞車繼續上提內管,在取心絞車卷筒提出600多米取心鋼絲繩時,取心鋼絲繩在破損處斷開,約兩分鐘后,有內管落入孔底聲音。

下鋼絲繩打撈鉤撈取,撈取后上提遇阻,鋼絲繩再次斷裂,打撈鉤與部分鋼絲繩落入鉆桿內,隨后起鉆。起鉆全程,鉆桿內未見取心鋼絲繩、打撈鉤等,起鉆后發現鉆具(鉆桿)斷裂?？變嚷漪~包括鉆具內外管總成一套、3根3 m鉆桿、打撈矛、600余米取心鋼絲繩、鋼絲繩打撈鉤及打撈鉤上部的取心鋼絲繩120.00 m。

2 事故處理

2.1 打撈鉤

2.1.1 打撈鉤的改造

結合海上鉆井平臺的局限性和孔內事故特點,利用現有設備機具現場加工打撈工具進行事故處理,是縮短事故處理周期最有效的手段[8]。平臺施工人員將打撈鉤(圖1)現場焊接至鉆桿變徑接頭上。

圖1 鋼絲繩打撈鉤Fig.1 Wireline fishing hook

2.1.2 處理過程及結果分析

下鉆至遇阻,上下提拉并手動旋轉鉆桿,打撈落入孔內的取心鋼絲繩,起鉆。第一回次起下鉆成功撈取約80.00 m取心鋼絲繩;繼續下鉆撈取,二、三、四回次分別撈取20.00 m、15.00 m、5.00 m。至第五回次撈取,下鉆遇阻,用管鉗旋轉鉆桿,鉆桿不再繼續下行,起鉆鋼絲繩打撈鉤折斷落入孔內。

使用鋼絲繩打撈鉤第一回次下鉆遇阻,脫落在孔內鋼絲繩被鉆桿下部的打撈鉤壓住向下擠壓,上提打撈鉤,部分鋼絲繩掛在打撈鉤倒刺上,起鉆后發現鋼絲繩在起刺薄弱處斷開;第二、三、四回次,同樣拉斷鋼絲繩;第五回次打撈,打撈鉤沒有掛住落魚上部鋼絲繩。經過反復起下鉆桿,孔口人力旋轉鉆桿后,計算孔深810.30 m,起鉆。起鉆完成后發現打撈鉤斷孔內0.40 m。經現場分析,認為是孔內鋼絲繩與打撈鉤相互擠壓成團,由于反復起下鉆,破壞了破碎層孔壁穩定性,魚頭上部有掉塊、巖屑、鋼絲繩、打撈鉤等合并架橋。

2.2 自制抓筒

2.2.1 抓筒的制作

平臺現場自制抓筒[5](圖2),將S75鉆具外管底部用角磨機切割出分布均勻的尖齒,齒溝深大于40 mm。

圖2 自制抓筒Fig.2 Grasping tube

2.2.2 處理過程及結果分析

調整泥漿性能,下鉆護壁沖孔,經過近4個小時的沖洗液循環,停泵后孔口沉積物中可見大顆粒巖屑沉淀[9]。將加工好的抓筒接到鉆桿底部勻速下鉆至809.00 m接機上鉆桿,開泵循環,打撈筒下放到809.80 m有阻力,立軸頂起10 cm,半離合慢鉆抓筒下至810.20 m有輕度憋車,立軸加壓20 kN,打撈筒下行到810.90 m后不再繼續下行。起鉆,取出的抓筒底部尖齒閉合,成功抓取第五回次斷在孔內打撈鉤0.40 m。第七回次繼續下抓筒,至810.80 m 時回轉有阻力,輕壓抓筒,泥漿泵輕微起泵壓后泵壓消失,起鉆檢查,抓筒尖齒閉合,內見1塊直徑約2 cm孔壁掉塊和一團用于纏繞螺紋的生料帶。

鑒于第五回次發生了打撈鉤斷入孔內的二次事故,孔內事故復雜程度提升,與打撈近半年無效,后已成功下造斜楔并成功繞轉的臨孔事故的發生、發展接近。項目部給出建議方案,機組可模仿臨孔,盡快封孔下造斜楔繞鉆。經機組會討論后,認為該鉆孔可確保無燒鉆的惡性事故,維持保守打撈方案,更能節省事故處理和后續鉆進時間?，F場繼續打撈,下入抓筒成功取出第五回次斷入孔內打撈鉤并第七回次再次抓筒下鉆。起鉆后抓筒內見少許掉塊,可以看出目前孔壁比較穩定,通過抓筒給壓情況,可知落入孔內的另外一個打撈鉤已經擠在810.80～ 811.60 m之間,可能已經變形且打撈鉤上部沒有可滿足打撈鉤打撈長度的鋼絲繩。由于抓筒尖齒遇阻易閉合,不再適合繼續抓取。

2.3 自制打撈筒

2.3.1 打撈筒的制作

根據落魚特點,機組現場自制打撈筒[8,10](圖3)。將抓筒尖齒切掉,鉆具底部,用角磨機割出落魚導入槽,在剩余底面鑲嵌八角合金塊3組,距離鉆具底面0.20 m、0.30 m、0.40 m處分別切割倒刺砸入鉆具內,鉆具外部用鐵皮電焊補滿,防止沖洗液從倒刺處漏出。

圖3 自制打撈筒Fig.3 Salvage barrel

2.3.2 處理過程及結果分析

接鉆桿下鉆,至孔深811.00 m循環沖洗液,輕壓慢掃至812.00 m起鉆壓,憋車,起鉆檢查,孔內鋼絲繩打撈鉤和小段取心鋼絲繩取出。

第八回次,下打撈筒套取鋼絲繩打撈鉤成功,但打撈筒下部硬質合金在套取作業時,對聚團的取心鋼絲繩有切割作用,致使打撈鉤上掛著多塊斷、短取心鋼絲繩,沒有較長取心鋼絲繩取出。繼續套掃,易造成斷落的取心鋼絲繩在打撈筒的擠壓下,在孔內下落抱團建橋?，F場下鉆循環沖洗液,維護孔壁穩定。

2.4 加強打撈鉤

2.4.1 加強打撈鉤的制作

吸取打撈鉤斷落事故教訓,根據原打撈鉤形狀,制作了整體打撈鉤(圖4)。打撈鉤的改進主要包括:在確保滿足鋼絲繩打撈空間要求的同時,增加打撈鉤體的直徑,提高打撈鉤強度;開槽并焊接強度大的倒鉤刺,用于鉤取鋼絲繩;在鉆桿接頭處預留出水口,保持沖洗液循環暢通,降低起下鉆過程對孔壁的破壞。

圖4 加強打撈鉤Fig.4 Strengthening the salvage hook

2.4.2 處理過程及結果分析

加工完成接鉆桿下鉆,第九、十、十一、十二回次起下鉆分別撈出20.50 m、70.00 m、3.00 m、90.00 m取心鋼絲繩,在下放加強打撈鉤到達孔深1040.00 m位置,打撈兩次,沒帶出取心鋼絲繩。

打撈鉤下鉆在1040.00 m遇阻,起鉆檢查打撈鉤倒刺有變形,未見有鋼絲繩取出,分析孔內鋼絲繩有抱團擠壓,架橋可能,加強打撈鉤體較粗,不能刺入鋼絲團或架橋內,導致打撈失敗。

2.5 金剛石單管鉆具

至第十二回次為止,距離孔內鉆桿魚頭約103.00 m,經研究下入改造的金剛石單管鉆具(圖5)。在鉆具內焊牢若干根長2 cm的主卷揚鋼絲繩,散開鋼絲,套取、打撈、消滅架橋鋼絲繩。

圖5 金剛石單管鉆頭鉆具Fig.5 Diamond single pipe drilling bit and tool

下鉆后,配置低固相泥漿[11],增加沖洗液黏度,提高沖洗液切力,便于攜帶鉆頭切屑的架橋鋼絲繩鐵屑、孔壁掉塊、巖屑。輕壓慢掃,控制進尺速度,防止架橋掃除后,孔內鋼絲繩被擠壓彎曲聚團。鉆掃0.50 m后,進尺變快,松開鉆機卡頭,可下放鉆具,起鉆,鉆具內取出鋼絲繩球和部分碎鋼絲繩。

2.6 繼續下鉆加強打撈鉤

第十六回次,下入加強打撈鉤,為防止鋼絲繩壓團,在孔深1036.00～1044.00 m開始上下起落打撈鉤,同時孔口自由鉗旋轉。沒有鋼絲繩被掛住的感覺,后加3.00m單根繼續上下竄動至孔深1047.00 m。起鉆后,打撈鉤上有碎毛刺狀鋼絲團和26.00 m取心鋼絲繩。繼續下鉆,十七、十八、十九回次均按照循環沖洗液2小時后再打撈鋼絲繩,分別取出43.00 m、16.00 m、9.00 m取心鋼絲繩,至第二十回次下鉆至孔深1143.00 m,有觸碰魚頭鉆具的手感,上下起落打撈鉤打撈,起鉆,見打撈鉤上部有少量鋼絲團狀斷頭。預計鋼絲繩已經打撈完成。

2.7 公錐

使用直徑75 mm公錐接鉆桿,下鉆。至1142 m開泵循環沖洗液,加大泵量沖孔,吃錐,可轉車,阻力小,泵壓升至4 MPa;起鉆,有鉆具脫落感,泵壓消失。取出公錐,發現錐體有磨痕。

通過對公錐表面磨痕分析,一是疑似落魚上部有取心鋼絲繩,公錐無法錐牢鉆具;二是鉆具內有孔壁掉塊、碎鋼絲繩、沖洗液中的固相物沉積的可能;三是落魚鉆具鉆桿接頭劈裂。排除鉆具裂紋后沖洗液假循環,燒鉆,孔底阻力大的可能。

2.8 擴孔鉆具

使用75～56 mm擴孔鉆具[12]鉆頭磨除鉆桿接頭可能損壞部分,并清理鉆桿內雜物,給公錐創造可吃錐條件。更換直徑56 mm前鉆頭和直徑75 mm后鉆頭。

下鉆,距離魚頭0.50 m開泵循環掃孔,接觸魚頭,輕壓慢鉆,磨削鉆具0.06 m后,起鉆。

2.9 公錐打撈

下入新直徑75 mm公錐,吃錐前開大泵量沖孔,慢鉆至落魚頭,輕壓吃錐[13-14]。吃錐后孔內有輕度憋車,泵壓高,立軸可回轉,加壓20 kN,錐牢鉆具后起鉆,全部落魚打撈完畢。鉆桿內可見灌滿沉積的巖屑及掉塊[15]。取出鉆具整體完好。

3 事故及處理經驗教訓

(1)絕大多數的孔內事故都有其發生發展的過程,要指定專人在現場及時收集、精準記錄及時填寫原始班報表信息,做到真實、齊全、準確、整潔。機長及技術人員應及時匯總分析鉆探技術參數,結合鉆孔地質結構,科學掌控現場鉆孔施工情況,便于預防孔內事故的發生。

(2)海上鉆探施工要求操作人員做到膽大心細,發現孔內異常時,及時匯報,起鉆檢查。

(3)處理孔內事故時,做到先保持鉆孔孔壁安全,再處理孔內事故,不要盲目處理。

(4)事故處理方案制定要集思廣益,認真聽取機組成員特別是事故發生時在場班組人員意見建議。要善于分析事故進展及處理情況,根據本鉆孔特點,選取、改進事故處理所使用的工具,滿足本鉆孔事故處理需求,避免出現二次事故。

4 結語

孔內事故一般由多種因素引發,同一種類型的事故,不會有完全相同的事故發生過程,也不會有完全相同的處理方案?？變仁鹿实某晒μ幚?離不開全體機組人員高度的自信心、責任心和勇于創新,敢于發明創造的精神。

本次事故是發生在山東省第三地質礦產勘查院自主研發的第三代海上鉆井平臺上,雖然距離海岸較近,但受海上鉆井平臺有限空間、施工區海況、海上交通等因素限制,增加了事故的處理難度。在原有的打撈鉤及公錐基礎上,根據以往經驗結合本次事故對現有打撈鉤、自制抓筒、自制打撈筒、擴孔鉆具進行了改進,成功地解決了本次鉆探事故,為后續海上鉆探、深孔、特深孔施工積累了經驗。