钻孔套管跑落事故处理及环空注浆方法实例研究_袁东平.pdf

第1期钻孔套管跑落事故处理及环空注浆方法实例研究袁东平，金万海，任英举，周光（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司能源工程公司，宁夏 银川750001）摘要：在野外钻井过程中，因安全措施不当或操作人员疏忽造成的套管跑落事故时有发生，套管跑落事故发生后，如何实现套管与外环空的注浆封孔成为当前钻井事故处理的难题，稍有不当，可能造成废孔。本文通过实例研究，总结并提出了打捞法、套管对接法、活塞封闭法及射孔注浆法的组合，较好地解决了某矿补7 号钻孔套管跑落事故及其环空注浆难题，顺利完成了该孔的地质、水文地质任务，取得的经验方法有较好的借鉴意义。关键词：套管；跑落；环空注浆；对接；活塞；射孔中图分类号：文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-027-05作者简介：袁东平（1970），男，工程师，现任职于国家能源集团宁夏煤业有限责任公司能源工程公司，主要从事煤矿灾害治理、勘探工程设计及施工、新工艺实施，各类勘探、地质、水文地质报告编制。Tel：18909516887，E-mail：引用格式：袁东平，金万海，任英举，等.钻孔套管跑落事故处理及环空注浆方法实例研究 J.能源科技，2023，21（1）：27-31.0引言钻井工程施工中，对浅部表层松软层往往需下设套管进行防护，其深度一般在2 m左右。套管下设后，配置水泥浆在孔口对环空进行浇注即可实现表层套管的封固，但在深孔中该种方法并不适宜，因为无法保证水泥浆从孔口到孔底的均匀填充1。深孔中的套管与孔壁间环空封固方法一般采用流质替代法，具体为根据环空及套管内体积，提前计算并准备与环空体积相适宜的水泥浆量和能够将水泥浆顶出环空的清水或者泥浆量，同时在孔口套管上部进行封密处理并接入水口，将套管提离底部一段距离后先打入与环空体积相适宜的水泥浆，再通过清水将水泥浆压出环空后下放套管至底部并进行憋压，以达到深部钻孔套管与孔壁间环空封固的目的。但是在套管跑落后，由于套管头落入孔内，无法实现套管头的封闭和入水口的连接，使得该种情形的事故处理及环空封固尤为困难2。1钻孔情况简介补 7 号钻孔为某矿补充勘探工程的煤田地质兼水文钻孔，设计钻孔结构为 0599 m 孔段孔径346 mm，599702 m孔段为本次钻孔设计抽水段，孔径 190 mm，7021 018.02 m 孔段孔径 152 mm。该孔于 2020 年 8 月 24 日完成探煤任务，终孔深度1 018.02 m，并对702.001 018.02 m孔段煤系地层进行了水泥浆封闭。2020年8月25日开始进行水文孔346 mm孔径扩孔施工，2020年8月30日施工至设计扩孔深度 599.00 m，并于 2020 年 9 月 1 日开始下入219 mm套管，但在下至570 m时套管遇阻，上提套管，因阻力过大，安全卡瓦拉脱，造成 219 mm575.83 m套管跑落至孔内，跑落套管重量约18.1 t。随立即下钻具探查事故套管鱼头情况，探得事故鱼头位置距离孔口22.02 m，计算知套管底距离孔底1.15 m，第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023图1某矿勘探工程补7 号钻孔套管跑落事故地面井口孔壁（孔径）346 mm套管（外径）210 mm事故鱼头位置22.02 mm346 mm219 mm套管脚597.85 mm152 mm沉沙沉沙面594.80 m扩孔孔深599 m抽水段（599702m），重泥浆填充水泥浆封固（7021 018.02 m）钻孔孔深1 018.02 m第1期袁东平等：钻孔套管跑落事故处理及环空注浆方法实例研究即 597.85 m 处；同时探得孔内 219 mm 套管完好，钻具下至 594.8 m 处遇阻，该遇阻位置距离套管脚3.05 m，距离孔底4.2 m，分析该钻孔底部存在沉渣或刮落的泥皮；下钻具过程中，在鱼头位置不能一次进入套管内，判断套管上部鱼头位置未在钻孔正中，存在套管贴壁情况，如图1所示。2钻孔事故原因分析及处理方案2.1事故原因分析事故发生后，现场人员立即组织召开事故讨论会，分析此次套管跑落事故的原因并讨论下一步事故处理方案。经分析，产生此次套管跑落事故的主要原因为在下设套管过程中，套管上安装的安全卡瓦张紧螺丝未拧紧，套管头部未焊接拉筋，安全卡瓦受力后与套管滑脱，导致219 mm575.83 m套管跑落至孔内（套管重量约18.1 t）。2.2事故处理方案2.2.1打捞法经讨论，现场一致决定使用专用可退式套管打捞锚，如图2所示。对孔内跑落219 mm套管进行打捞，提出孔外继续后续下入套管及环空注浆封固工作。通过联系行业内很多厂家，均表示因石油勘探已不再使用219 mm套管，所以配套的可退式打捞工具已不再生产，只能从经销商处租借190 mm套管的打捞锚，然后加工滑块，使得能与之匹配。该套管专用打捞工具于2020年9月3日到达施工现场，经对该专用套管打捞锚尺寸核对后，发现打捞锚上滑块在全部撑开状态下，最大外径为205 mm，但孔内事故219 mm套管内径为207 mm，即该打捞锚尺寸不适用此次事故处理。但因再无合适打捞工具，随即决定在原滑块上焊接一层合金卡瓦牙（厚度为10 mm），使得打捞锚最大能撑开到225 mm，并在头部加设导正装置后进行事故处理。导正头斜状滑道滑块锚体图2可退式套管专用打捞锚2020年9月3日中班下入该套管专用打捞锚，缓慢下放至24.83 m，根据事故套管鱼头位置判断套管专用打捞锚已进入鱼腔1.81 m，可实施打捞作业。随即开始缓慢上提打捞锚，打捞锚在上提0.3 m后卡往套管内壁，钻机拉力表数值逐渐升至22 kN，并在该拉力表数值上下跳动，继续增加拉力后打捞锚与套管内部突然脱开，整个过程孔内套管未见明显移动。连续进行了4 次尝试，均是一样的结果，无法将事故套管提出。考虑到打捞锚对孔内套管内壁可能的破坏性以及打捞锚在套管内卡钻的风险，在进行5 次尝试后停止打捞。经分析套管专用打捞锚未将孔内套管提出的原因主要有：打捞锚与套管不匹配，人工焊接合金后，打捞锚虽能卡住套管内壁，但因焊接合金与套管内壁弧状不匹配，其卡点为点状接触，不能实现面状接触，卡点在受力后不稳定，容易脱开。同时，套管自出现跑落事故至打捞锚到达现场已有2 d，套管贴孔壁后出现粘吸卡钻的可能性极高，若出现后种情况，将套管提出孔外的可能性几乎为零。2.2.2套接法鉴于多种因素影响打捞法未能成功将孔内跑落套管提出孔外，随即经项目部管理人员召集现场施工人员针对目前孔内情况进行了认真分析，认为打捞法处理孔内套管跑落事故的最好时期已经错过，套管在孔内停滞2 d后已与孔壁黏合，将套管提出孔外的方法不可行。同时，由于该孔为煤田地质兼水文钻孔，219 mm套管下设的目的防护0599 m孔段孔壁，保证下部施工安全，以及避免0599 m 含水层水对下部 599702 m 抽水层段抽水试验的影响，即 219 mm 套管与孔壁间环空必须使用水泥浆进行封固，保证止水效果。在出现 219 mm套管跑落事故后，要达到预先的设计目的，需要解决2 个问题：如何将219 mm套管下放至599 m设计位置，如何实现219 mm事故套管与孔壁间环空水泥浆封固。针对第一个问题，经现场讨论提出了套管套接法，即加工套管套接头，套接头外径为273 mm，将该套接头与地面 219 mm 套管通过变径接头进行焊接，保证其同心，随后将该套接头与219 mm套管下入孔内并与孔内事故套管进行套接，套接完成后下入钻具至孔底遇阻位置 594.80 m 处，冲孔循环，将594.80599 m沉砂返出孔外，使得孔内事故套管落下至设计孔底位置。2020年9月4日施工现场地面加工套接头，套接28第1期头总长1 m，同时经孔口观察确认发现孔内事故套管头贴钻孔孔壁，在加工套接头时将其底部加工成马蹄形，如图3图5所示。下入套接头前在孔口使套接头突出部分对准事故套管未贴壁一侧下入，便于套接头与孔内事故套管的套接。2020年9月4日中班在套接头与地面219 mm套管焊接完成后下入孔内，下至鱼头位置后缓慢旋转下压，套接头明显超过鱼头位置，判断套接头已套入孔内事故套管，成功完成套接。随后下入取芯钻具至孔底并开泵冲孔循环，在冲孔循环2 h后水泥浆逐渐从环空返出，套管逐渐下落，至2020年9月5日夜班孔内219 mm事故套管最终下落至孔深 598.83 m 处，基本达到设计孔深位置。套接头底部马蹄形套接头273 mm辨径接头口219 mm图3219 mm事故套管套接头套接头模拟孔内事故套管图4地面模拟套接事故套管273 mm套接头219 mm套管变径接头图5套接头与套管焊接2.2.3水泥浆环空注浆套接法的成功实施，重新建立了孔内泥浆循环并使孔内事故套管下落至598.83 m处，根据孔内事故套管总长度575.83 m计算，可知套管顶部距离地面应为23 m。按照正常情况下的套管与孔壁环空注浆封固方法，只需在地面加工密封头并接入水管，通过流质替代法即可实现孔内套管与孔壁间环空注浆封固的目的。由于孔内套管跑落事故的发生，在地面实现常规环空注浆的方法已经不可取，套管鱼头位置与套接管虽然成功套接，但根据图4模拟套接情况可知，套管鱼头位置的密封性差，在地面注浆过程中，水泥浆会从鱼头位置进入环空，并同时造成套管内泄压，水泥浆无法从孔底顶出地面。因此，套管跑落事故情况下的环空注浆封固只能从鱼头以下位置考虑，同时需要解决2 个问题：因套管跑落孔内已无法提出，且套管已在598.83 m处坐实，水泥浆打入套管内后无法从套管底部进入环空，需在套管底部制造能够满足水泥浆进入环空的通道；鉴于套管鱼头位置套接后的密封性较差，需要在鱼头以下位置制造与上部隔绝且耐压的密闭空间，保证水泥浆的顺利注入和返出。2.2.4射孔工艺如何制造孔内套管底部的水泥浆通道，在项目部人员认真讨论后决定采用石油钻井上较成熟的射孔工艺。其基本原理为：下入高聚能定向射孔器，在下至指定位置后通过电力激发，射孔器聚能装置瞬间定向激发，在套管壁上不同方位及深度制造出孔径均为30 mm的通道，以满足水泥浆进入环空。2020年9月5日高聚能定向射孔器到达现场，专业人员对射孔器进行了组装和调试，如图6所示，并下入孔内。考虑到孔内沉淀，在下至597 m位置后进行了定向射孔，在套管底部不同方位及深度共计射出6 个30 mm通道，如图7所示。射孔器高能定向射孔点图6地面调试射孔器已激发的高能定向射孔点已使用的射孔器激发电缆图7已使用的射孔器采用高能定向射孔器对事故套管底部进行射孔后，需对射孔是否成功进行验证。由于孔内套管套接29第1期后密闭性较差，无法在孔口直接验证，同样需要在套管鱼头位置以下进行密封，通过打压试验，在套管内不返浆的情况下，看泥浆是否能够从环空返出以验证射孔是否成功。（1）活塞封堵。为达到射孔效果验证及水泥浆环空封固的目的，需在事故套管鱼头下部进行封堵，保证泥浆或水泥浆不从事故套管内部返出，而从下部射孔位置进入套管与孔壁间环空后从孔口环空返出。而要实现该情形就必须在事故套管鱼头位置以下下设密封装置，该装置应具较高耐压性和较好密封性，经过项目部成员讨论，首先考虑到的密封装置即为活塞，将特制活塞装置与钻具一同下至事故套管鱼头位置下部，在确认封堵后进行泥浆或水泥浆的注入。根据219 mm事故套管内径为207 mm，为保证顺利下入现场，施工人员在地面加工了外径为205mm的活塞装置，如图8所示。该活塞装置上下各有一个厚度为100 mm的活塞，长度600 mm，于2020年9月6日随同钻具下入孔内并将活塞装置下放至套管鱼头位置以下1 m处，并开泵循环。通过孔内观察发现，孔内活塞装置上部有泥浆滋出，随即孔口套管内外均开始返浆，泥浆泵压力为2.3 MPa，现场判断活塞装置在泥浆泵高压供水情况下泥浆从活塞与套管内壁滋出，活塞耐压程度不够，无法判断射孔效果，无法保证环空水泥浆封固效果。活塞约100 mm常规钻具法兰盘夹紧图8用于封堵的活塞装置随即现场对该活塞装置进行了改进，在该活塞装置上下间缠入多层海带并进行紧固，如图9所示。将改进后的活塞装置下入孔内，下放至事故套