彭桂湘

(河南省煤田地質(zhì)局,河南鄭州 450046）

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彭桂湘

(河南省煤田地質(zhì)局,河南鄭州 450046）

通過對一起地?zé)嵘钏Ｒ娛鹿暑愋?填礫或投放止水泥球、固井石子發(fā)生的蓬堵事故原因的分析,提出了正沖、反吸排渣處理蓬堵事故的工藝及預(yù)防措施。并簡要介紹了處理該類事故所需的機(jī)具及工藝。

地?zé)嵘钏?堵蓬事故;正沖;反吸;固井;填礫

在地?zé)嵘钏┕ぶ?在投放濾水材料、止水泥球、固井石子時(shí)常常發(fā)生蓬堵事故,常規(guī)的處理方法是在井管內(nèi)提水、拉活塞使套管與鉆孔環(huán)空的水向下流動,促使礫料下沉,或通過采用下鉆桿穿透蓬堵的礫料層,使礫料下沉。這些傳統(tǒng)的方法對一些發(fā)現(xiàn)早且輕微的蓬堵管事故是有效的,但對于因鉆孔坍塌、發(fā)現(xiàn)晚且投入井內(nèi)的物料多、物料直徑大的蓬堵事故往往無效。筆者在處理這類孔內(nèi)事故中采用了一些行之有效的新工藝,取得了較好的效果,避免了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合一個(gè)具體工程蓬堵事故的處理介紹一種正沖、反吸相結(jié)合的蓬堵事故處理方法,并提出預(yù)防措施。

1 工程概況及質(zhì)量要求

1.1 地層情況

本工程所鉆地層全部是第三、四系。地層預(yù)想柱狀為上部0～200 m較為松散,有粘土和砂卵石互層,目的取水層位于1000～1200 m有數(shù)層厚度累計(jì)為100 m左右的含水砂層。該區(qū)域恒溫為18℃,每百米溫度梯度為3.1℃。

1.2 鉆井設(shè)計(jì)及工程質(zhì)量要求

(1）水量25～30 m3/h,水溫50℃;水質(zhì)達(dá)到清澈,含砂量≤1/20萬。

(2）鉆孔結(jié)構(gòu)(如圖1所示）:0～150 m采用“550 mm鉆頭施工,下入“430 mm×12 mm表層套管并固井,水泥返高到地面;150 m以深采用“400 mm鉆頭施工,0～260 m下入“273 mm抽水套管的抽水泵段,260～1100 m為“159 mm抽水套管的實(shí)套管段,1100～1200 m對應(yīng)含水層下入“159 mm橋式濾水管,非含水層下入“159 mm實(shí)管。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

(3）對應(yīng)含水層(1100～1200 m）填礫即從地面投入濾水料,從1100～1110 m左右填入隔水材料(即粒徑30～35 mm陰干的泥球）7～10 m,以防上部冷水下行,影響出水的溫度。隔水段以上填入粒徑為20～30 mm的固井石料。

1.3 主要設(shè)備配置

根據(jù)地?zé)峋纳疃群退柘氯肟變?nèi)的套管直徑、質(zhì)量大小,為保證深水井的施工,本工程采用了石家莊煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的TSJ-2000型鉆機(jī)、TBW -850/5A型泥漿泵及JJ30/27.5 m A型鉆塔。施工驗(yàn)證設(shè)備配置完全滿足了工程施工需要。

2 蓬堵事故情況

2.1 事故情況及前期處理

發(fā)生止濾料、水泥球材料及固井石料蓬堵事故的井,在前期鉆井工序的施工中未發(fā)現(xiàn)異常。按設(shè)計(jì)下入完全部抽水套管并調(diào)整泥漿性能,采用動水填礫法開始進(jìn)行濾水砂石材料投放工序。投放完濾水材料后,施工現(xiàn)場開始投放粒徑為30～35 mm陰干的止水泥球和粒徑20～30 mm的固井石料,在投入止水泥球和固井石料近10 m3時(shí)發(fā)現(xiàn)井內(nèi)出現(xiàn)蓬堵。用測繩探底確定蓬堵到了井深30 m處。

事故發(fā)生后鉆機(jī)現(xiàn)場采用井管內(nèi)提水拉活塞、大泵量沖孔循環(huán)等方法均不見效,又在“273 mm套管井壁環(huán)空下入“50 mm鉆桿透孔,經(jīng)過7天的透孔,鉆頭只能透到井深33 m處,距套管底口仍有117 m,且鉆機(jī)負(fù)荷大扒車嚴(yán)重有卡鉆危險(xiǎn),無法鉆到套管口將蓬堵事故解除。如果蓬堵事故不能得到有效的處理就不能實(shí)現(xiàn)將上部冷水隔離,勢必造成上部的冷水進(jìn)入下部熱水層,水溫將不能達(dá)到要求,也就意味著工程報(bào)廢,這將給業(yè)主和施工單位帶來巨大損失。

2.2 事故原因分析

通過調(diào)查事故發(fā)生的過程,結(jié)合該井的巖屑錄井資料,判定實(shí)際鉆井地層與預(yù)想地質(zhì)柱狀圖有差異,確定表層護(hù)壁套管的底口地層,以及對填礫投料時(shí)泥漿參數(shù)的測量、填礫工藝過程分析,認(rèn)為引發(fā)事故的原因主要有以下幾方面。

(1）由于表層套管底口施工時(shí)是按鉆孔地質(zhì)預(yù)想柱狀圖設(shè)計(jì)下放的,而從巖屑錄井資料和鉆進(jìn)判層分析,井深150 m處的地層為5 m左右較松散的砂層,所以套管底口未坐在較完整穩(wěn)定的地層,而是放在了較松散易坍塌的厚砂層中。

(2）由于下完套管后調(diào)整泥漿性能時(shí),沒有考慮在1200 m深孔動水投礫料時(shí)所需時(shí)間長,一味追求保護(hù)含水層所需要的清水標(biāo)準(zhǔn),將泥漿的密度和粘度調(diào)得太低(事故發(fā)生時(shí)測量泥漿的密度為1.01 g/cm3,粘度僅為17 s）,致使在長時(shí)間低密度、低粘度泥漿條件下,動水填礫,投止水、固井材料發(fā)生了表層套管底口砂層坍塌,致使止水泥球材料及固井石料蓬堵事故。

(3）另一種原因,可能是在投完止水粘土球后沒有間隔一定時(shí)間就投固井石子,由于粘土球的重度小于石子,在泥漿中石子的下降速度快于粘土泥球,就可能發(fā)生后投入井的石子追上先投入井內(nèi)的粘土球,造成局部瞬間固體材料過多發(fā)生蓬堵事故。

(4）填礫投料時(shí)過快或不均勻,忽多忽少也是造成蓬堵事故的原因。

(5）填礫人員沒有及時(shí)觀察水泵的壓力變化以及井口返水的情況,一般在填礫投料發(fā)生蓬堵應(yīng)有征兆,一是泵壓上升,二是井口出水量會變小。此時(shí)應(yīng)暫停填礫以減少可能蓬堵的堆積量使輕微的蓬堵現(xiàn)象在水流的沖刷下得到緩解,否則一旦堆積的固體材料過多,處理起來就非常困難。

2.3 事故的處理工藝

通過對事故成因的初步分析,筆者認(rèn)為前期對事故的處理之所以用鉆桿透孔不能消除蓬堵段,是因?yàn)樗度氲墓叹系闹睆捷^大(20～30 mm）,采用正循環(huán)從套管與井壁環(huán)空鉆透時(shí),鉆頭只能夠鉆進(jìn)幾米,但因石料直徑大,根本不能被沖起返到地面,只是在鉆頭附近翻動,一提鉆桿,石子又落下,堵住剛鉆出的通道。如果鉆頭強(qiáng)行進(jìn)入蓬堵段多則發(fā)生卡埋鉆具的事故,所以前期采用的正循環(huán)透孔方法無法鉆透蓬堵段。因而筆者提出,處理該事故應(yīng)采用正沖和反吸相結(jié)合的工藝,將蓬堵材料從套管與鉆孔的環(huán)空內(nèi)取出。所謂的正沖、反吸工藝,就是在井內(nèi)同時(shí)下兩套鉆具,一套正循環(huán)鉆具作用是開泵沖、鉆散蓬堵物,另一套反循環(huán)鉆具的作用是吸排被正循環(huán)鉆具沖起來的蓬堵物。

2.3.1 所需專用設(shè)備及機(jī)具

為實(shí)現(xiàn)新的處理工藝,必須另準(zhǔn)備一套反循環(huán)機(jī)具配合現(xiàn)有的正循環(huán)機(jī)具使用,實(shí)現(xiàn)正沖、反吸相結(jié)合的處理工藝。需要配套的專用器具如下:

(1）6BS型反循環(huán)砂石泵組1套,排量1800 L/ min,真空度-0.93 MPa,功率37 kW;

(2）NB-850/60型泥漿泵1臺;

(3）“108 mm套管,內(nèi)徑99 mm,長度180 m,做反循環(huán)吸排渣的通道;

(4）“50 mm鉆桿1100 m,做正循環(huán)鉆透孔鉆具。

2.3.2 事故處理工藝

(1）在“273 mm套管與鉆孔環(huán)空中下入“50 mm正循環(huán)鉆具,將其連接在NB-850/60型泥漿泵上,采用正循環(huán)鉆沖蓬堵物,將蓬堵物鉆松沖散、浮起,便于反循環(huán)的管道抽吸。同時(shí)在“273 mm套管與鉆孔環(huán)空再下入“108 mm套管鉆具,并連接在6BS型反循環(huán)砂石泵上,做為反循環(huán)的排渣管,如圖2所示。

圖2 正沖、反抽工藝圖

(2）工作時(shí)先啟動反循環(huán)砂石泵,待反循環(huán)排渣管正常出水后,再開啟正循環(huán)水泵將濾料、固井石子、泥球蓬堵物及鉆井的坍塌物沖起。而反循環(huán)砂石泵通過排渣管抽吸被正循環(huán)沖起的石砂、蓬堵物,并將其排出孔外,采用該方法將發(fā)生蓬堵的材料全部排出。

(3）在實(shí)施該工藝時(shí)應(yīng)注意一些關(guān)鍵操作細(xì)節(jié),否則將發(fā)生反循環(huán)排渣管堵塞現(xiàn)象,造成頻繁起管,延長事故的處理工期。①正循環(huán)鉆桿下入的深度應(yīng)比排渣管深0.5 m,便于將蓬堵物沖起,反循環(huán)排渣管不能下得太快,要循序漸進(jìn),以免因下得太快短時(shí)間內(nèi)吸入的蓬堵物太多,排不及再將管路堵死;②由于反循環(huán)泵的排量大,而正循環(huán)泵的排量小,不足以滿足反循環(huán)泵吸的要求,需要向井內(nèi)補(bǔ)充泥漿保持井內(nèi)水位≥井口標(biāo)高,否則井內(nèi)水位下降會引發(fā)鉆孔嚴(yán)重垮塌,使事故更難處理;③在處理蓬堵事故時(shí),應(yīng)將泥漿的性能調(diào)整到適宜的要求,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),其性能指標(biāo)為:漏斗粘度26～30 s,密度1.15～1.26 g/cm3,失水量<18 mL/30 min,泥皮厚度< 115 mm,pH值8～9,含砂量<6‰,尤其是粘度和密度要求大一點(diǎn),便于懸浮垮塌的蓬堵物,利于排渣,同時(shí)也可保護(hù)井壁。

泥漿柱在鉆井中的靜壓力是阻止井壁坍塌的主要力源,可按下式估算:

式中:P——泥漿柱靜壓力,kPa;H——井深,m; γ——泥漿密度,g/cm3。

從式(1）可以看出,在井深一定的條件下,泥漿密度越大,對井壁產(chǎn)生的側(cè)壓力越大。加大泥漿的密度可以阻止井壁的垮塌、掉快,可由以下公式近似計(jì)算:

式中:G——巖石在泥漿中的質(zhì)量,kg;G空——巖石在空氣中的質(zhì)量,kg;γ2——巖石的密度,g/cm3; γ1——泥漿的密度,g/cm3。

由式(2）可以看出,泥漿的密度γ1高,則γ2與γ1的差則小,G就小,實(shí)際生產(chǎn)中,一般泥漿密度選擇在1.14～1.25 g/cm3的范圍內(nèi)。

3 實(shí)施效果

通過采用正沖、反吸的處理工藝,僅用2 h就將投入井內(nèi)近10 m3的濾料、泥球和全部固井石子抽出排到地面(其中濾料僅有0.5 m3左右,剩余大部分為止水粘土球和固井石子）,同時(shí)也將套管底部近5 m的坍塌物排出。在“108 mm排渣管下到180 m未發(fā)現(xiàn)遇阻和排出濾料及固井、止水的材料時(shí)停止抽吸。采用“50 mm鉆桿探底到1090 m方遇阻,證實(shí)濾水礫料已到位,徹底打通了蓬堵通道。

根據(jù)該井的實(shí)際情況,由于濾料全部已到位,經(jīng)研究認(rèn)為,如果仍采用投粘土球止水,石子固井會非常不可靠,不能100%地保證施工質(zhì)量。為確保質(zhì)量,防止上部冷水下竄,我們采用在環(huán)空內(nèi)下入小徑鉆具,注入水泥漿止水、固井。采用該止水和固井工藝,既保證了施工質(zhì)量又起到了較好的保溫作用。經(jīng)洗井、抽水驗(yàn)證,水溫、水量、水質(zhì)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,經(jīng)交井后的使用,效果非常好,達(dá)到了施工目的。

4 蓬堵事故預(yù)防方法

雖然此次濾料等物蓬堵事故的成功處理,為此類事故探索出了一種新的處理途徑。但我們應(yīng)更加注意此類事故的預(yù)防,盡量避免因地層、工藝、人為的原因釀成此類事故。所以應(yīng)采取以下幾方面措施。

(1）由于濾水材料、止水物、固井物料發(fā)生蓬堵的事故,一般是發(fā)生在較為松散的第三、四系流砂、礫石層,針對該類地層的鉆孔,在施工中要認(rèn)真做好巖屑錄井、判層工作,通過對鉆孔的實(shí)際地層情況了解,實(shí)時(shí)地做出鉆孔的實(shí)際地層柱狀圖。并根據(jù)鉆孔的實(shí)際地層柱狀圖,對原來鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的修改,并通知監(jiān)理和甲方,征得同意后對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。應(yīng)慎重確定表層套管的下放位置,套管底口應(yīng)坐在相對穩(wěn)定的地層,避免因套管口放在易坍塌的地層而引發(fā)井壁坍塌蓬堵事故。

(2）鉆孔完成后,開始進(jìn)行下套管前的洗井,不能盲目地將泥漿粘度降得過低,應(yīng)將泥漿密度控制在1.15 g/cm3左右,粘度在22～23 s即可。確保鉆孔不發(fā)生坍塌,套管能夠順利下入。

(3）在套管下入后,替漿洗井工作要認(rèn)真組織好,加密測量返出井口的泥漿性能,密度控制在1108～1.10 g/cm3,粘度在20～21 s即可開始進(jìn)行投入濾料工作。在投入時(shí)應(yīng)采用動水均勻投放,要注意套管內(nèi)外返水情況,一旦發(fā)生返水過小時(shí)應(yīng)查明原因,同時(shí)減少投入量或暫停投礫工作,以確保投入孔內(nèi)的材料不發(fā)生蓬堵。

(4）在濾水材料投放完畢后,可逐步慢速均勻地將隔水粘土球投入,此時(shí)也應(yīng)采用動水投入,待該球投放完畢后,稍停5～6 min再投石子固井材料,可防止由于石子的密度比粘土球大,下降速度快于粘土而追上粘土球,造成蓬堵事故。同樣投入固井材料時(shí)也要均勻,直至投放完畢。

5 結(jié)語

同樣的問題會有不同的處理方法,本文總結(jié)的深水井蓬堵事故的預(yù)防和處理方法僅是筆者在工程施工中摸索的一些方法和見解,僅供同行們參考借鑒。

[1] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].山東東營:中國石油大學(xué)出版社, 2000.

[2] 趙金洲,張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊[M].北京:中國石化出版社,2004.

[3] 武漢地質(zhì)學(xué)院,等.鉆探工藝學(xué)(下冊）[M].北京:地質(zhì)出版社,1979.

[4] 劉志國,劉新麗,劉丕新,等.千米地?zé)峋┕ぜ夹g(shù)[M].河南鄭州:黃河水利出版社,2004.

[5] 中國煤田地質(zhì)總局.煤田鉆探安全技術(shù)(第十五分冊）[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994.

Treatment of Plugging Accident in Deep GeothermalW ell and the Prevention

PENG Gui-xiang(Coal Geology Bu-reau of Henan Province,Zhengzhou Henan 450046,China）

By the analysison the plugging accident in a deep geother malwell caused by gravel-fillingorwater-stoppingmud ball and cementing pebble throwing,positive impact and reverse suction technologywere put forward.The paper introduced the equipment and trea tment technology for this kind of accident.

deep geothermalwell;plugging accident;positive impact;reverse suction;cementing;gravel-filling

P634.8

:A

:1672-7428(2010）07-0028-04

2010-06-15

彭桂湘(1959-）,男(漢族）,湖南雙峰人,河南省煤田地質(zhì)局副總工程師、勘查技術(shù)處處長、高級工程師,探礦工程專業(yè),從事煤田、石油、煤層氣鉆探工作,河南省鄭州市鄭東新區(qū)正光北街19號,pgx371@163.com。