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地质岩心钻探深孔套管脱落事故的处理
作者：陈兵 徐海洋 张峰 马小平 来源：《中国科技纵横》2016年第10期
【摘 要】在深孔复杂地层中施工常采用多层套管工艺，由于套管丝扣退刀槽处的厚度很薄，又无探伤工具，在提下套管过程中，极易造成恶性套管事故，处理不当容易造成钻孔报废。在发生事故后，根据套管及孔壁情况分析套管损坏的原因及形式，设计不同的施工处理工具及制定相应的事故处理工艺方法，可成功处理套管事故，使钻孔顺利完工，避免钻孔报废的重大损失。
【关键词】套管事故 套管损坏分析 孔壁情况 事故处理工具 事故处理工艺方法。 1前言
湖北省保康县油山勘探区ZK201孔为保康白竹磷矿外围深部找矿项目，钻孔孔位海拔1800余米，原设计孔深1200米，后根据地质情况调整为1645米。由于受白竹磷矿开采的影响，周边地表水十分缺乏，钻孔随钻漏失，600米以上基本上为干孔，顶漏钻进。供水点离钻孔直线距离约4000米，高差约800米，设置了3道泵供水，钻探生活、生产用水均十分困难。
1.1矿区地质情况
钻孔由寒武系中段覃家庙组开孔，分别穿过寒武系中段泥质白云岩、泥质白云岩夹页岩，寒武系下段白云岩，震旦系灯影组白云岩和硅质条带白云岩，陡山沱组炭质页岩、白云岩及磷灰岩，目的层为白云岩及磷灰岩。矿区由于受长期矿山开采影响，地下稳定水位约610米，上部裂隙发育，漏失严重，钻进过程中孔内随钻漏失，钻孔为干孔，无法测到水位。 1.2事故发生前施工情况
该钻孔为湖北省地调院下达的省基金项目，设计孔深1200米。2011年两次均施工至460米左右发生埋钻事故而移孔。2012重新制订施工方案，于4月13日开孔， 8月23日施工至1068米（中途缺水停待2个月），因地层变化较大，按省基金中心要求，停工等待更改设计方案，2012年9月16日接通知钻孔加深至1645米，由于地质设计的变更，不得不重新更换设备，由原来的XY-44钻机改为XY-6B型钻机，同时配备全套CNH绳索钻杆，在施工工艺上也作了调整，于2012年10月1日重新开钻，11月18日扩孔施工至1258米。 2事故情况 2.1事故发生经过
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2010年11月10日，施工至1200.58米时遇一小型断层，孔内水位由480米陡然降到610米，钻孔在510米—530米孔段暴露为裸眼，水位下降后，孔壁失出压力平衡，时常发生坍塌、掉块，导致此孔段超径严重而折断钻杆，且数次处理断钻杆后时，锥子超过钻杆头部，给下部施工造成了重大孔内事故隐患，被迫提起原下于492米处的Ф89套管，用Ф91口径导向钻具扩孔至556米完整的白云岩孔段，准备下入556.5米Ф89套管以隔离、封闭510至530米易坍孔段。原来钻孔结构见图1，更改后的钻孔设计见图2，最后终孔的钻孔结构见图3。 2012年11月24日下套管至442米时，由于上部套管接箍公扣根部断裂造成套管脱落，上提上部套管发现327.23米处套管折断、错开，上部套管劈开插入下部套管2.38米至329.61米，下部剩余孔内套管228.77米，按计算套管底部深度超过原扩孔底部556.5米处8.20米。 2.2对事故情况的基本分析 对套管冲击力的基本分析： （1）套管的重量：
N=mg=8.93kg/m×442m×9.8=38681.19KN （2）套管坠落的距离： h=556.5m-442m=114.5m
（3）按自由落体产生的冲击力： F=mgh=38681.19×114.5 = 4428996.26KN.M m：物体质量 g：重力加速度 h： 坠落的距离
Zk201孔的套管在坠落时，瞬间产生了4428996.26KN.M巨大的冲击力，将89mm的套管切入77mm的钻孔内，我们对下部套管可能的损坏情况进行分析。 2.3套管坠落后在孔内的几种形态
在干孔中套管脱落近似于自由落体，从上式计算可以看出它所产生的巨大的冲击力。下坠时套管与孔壁产生的摩擦力要抵消一部分冲击力，套管是一个细长比较大的弹性体，在坠落
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时，直径89mm、厚5.5mm套管底部插入77mm钻孔出现减速-停止过程，由于惯性作用套管要承受着向下的冲击力，套管丝扣的连接处将出现破坏，迫使它向径向的自由空间扩展，在各个不同的薄弱点产生不同的损坏形式，而当径向空间受到限制时，它就会在轴向上寻求应力的平衡，这都导致了套管的损坏变形，通过分析和其他钻孔的经验，一般出现下列几种情况： （1）当孔壁比较大时，套管在大肚子处产生膨胀、弯曲、折断。见图4。（2）上、下套管头错位，上套管将下套管劈开，或者上下套管都劈开，上套管按轴向直接插入下套管。见图5。（3）上套管接公扣钻入母扣， 上套管外径变小，下套管被胀大，使同径套管变成“双层”。见图6。（4）89mm套管钻入77mm钻孔内。
图4套管在大肚子处弯曲折断 图5 上下套管插入 图6 套管接箍钻入套管内 2.4对孔内套管损坏情况的基本预计
（1）该孔地层情况除326.8m-329.3m、510m-530m两个孔段以外基本稳定，其他不稳定孔段均进行过投水泥球加固，加以使用绳索取心满眼钻进，钻孔直径相对变化不大，也就是说除个别孔段以外，套管不会有太大的变形。事故处理的重点在326.8m-329.3m、510m-530m处，初步判断两处套管损坏较严重。（2）钻孔的孔斜不大，减少了处理事故中套管发生径向错位的机会。（3）89mm套管仍然具有一定的刚性，不会产生全孔套管过度破坏。（4）在327.23米处套管就已劈开插入下部2.3m，下部套管损坏情况还有待在处理中谨慎对待。（5）所有套管经过坠落冲击，套管与孔壁已经相对“膨胀挤死”，没有特大的外力是很难将套管位移，也就是说没有可以自由活动和位移的事故套管，这也给下一步处理提供了有利条件。 2.5可能产生的次生事故
（1）用77mm的钻具修复内径78mm的89mm 的套管，两边的间隙仅有0.5mm，稍有不慎就可能发生事故套管与钻具挤夹事故，导致前功尽弃。（2）处理套管中，肯定会产生一定的铁屑、铁块、铁粉，这对孔内的安全生产构成一定的威胁，因此必须采用分段处理法，在事故套管内放入柔性塞子，每处理一段采用强力磁铁清理一段。（3）在套扫套管中，在套管中开天窗后，容易偏离原钻孔，出现新孔。在充分分析了有利和不利因素后，为了挽回损失，决定进行下部处理，并且研究了处理方案。 3事故处理 3.1事故处理原则
因为处理事故难度大，成立了以探矿队长为首的事故处理小组，处理过程中必须遵守从浅入深，逐步稳步推进，不留隐患的事故处理模式。
（1）挤：如上下套管位置错开不大，用锥型“炮弹”钻头反复修复下部套管口，引导钻具进入下部套管。（2）劈：如套管下部弯曲，则采用平底钻头劈开下部套管，视被劈套管情