探矿工程在线 > 正文

空气潜孔锤钻进典型事故原因分析及处理措施

发布时间:2018年07月13日
来源:探矿工程在线 作者:宋继伟,赵华宣,苏宁,等

引用格式:宋继伟,赵华宣,苏宁,等.空气潜孔锤钻进典型事故原因分析及处理措施[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(5):22-28.


摘要:贵州省地质矿产勘查开发局就“贵州复杂地层深井钻探工艺应用研究”科研项目中“空气潜孔锤钻进技术” 部分进行了试验研究,在试验过程中曾出现了锤头断裂、硬质合金齿折断、冲击器堵塞并阻卡、泥环包裹、卡埋钻、井眼弯曲等典型事故。详细分析了出现这些典型事故的原因,形成了避免和解决这些典型事故的系统技术措施。该成果经现场检验效果良好,本文对该成果进行了全面阐述,以期为同类施工提供借鉴。

关键词:潜孔锤钻进;孔内事故;处理措施


0 引言

贵州省地质矿产勘查开发局自2014年开始实施局地质科研项目“贵州省地热深井钻探技术攻关”,并以此为基础2015年申报获取贵州省社会发展科技攻关项目“贵州复杂地层深井钻探工艺应用研究”,主要研究螺杆钻进技术、空气潜孔锤钻进技术、多工艺转换接力钻进技术、钻井液技术四大核心内容,最终形成了一套适合贵州省地质条件地热深井钻探施工并能显著提高钻井效率和经济效益的组合工艺技术体系。

其中“空气潜孔锤钻进技术”研究部分,共在8口地热井不同岩性地层进行了空气潜孔锤钻进试验,井径216~406mm,最大试验深度1507.21m(带增压机)1029.31m(不带增压机),总试验进尺4211.12m。试验结果显示:地热深井采用空气潜孔锤钻进,机械钻速高,可大幅提高钻进效率、缩短施工周期、降低钻井成本。试验过程中,因地层复杂、设备机具配置不合理、操作技术不当,导致钻进工艺不适宜等原因,出现排屑效果不佳、井壁泥环、潜孔锤堵卡不工作、锤头异常损坏、掉块卡钻、垮塌埋钻等,严重影响钻进效率以及出现井内异常情况。经过分析研究,形成了避免和解决上述难题的技术措施。

 

1 锤头断

锤头断裂是空气潜孔锤钻进中的不正常现象,试验中共发生了5次锤头异常断裂事故(见表1),断裂率为使用16个锤头的25%。

表1  空气潜孔锤钻进试验锤头断裂数据统计

 

1.1 原因分析

锤头断裂位置多发生在锤头花键上端变径处(见图1)。经分析引发锤头断裂常见原因为:

    

1  新锤头与折断锤头对比

1)锤头体本身质量不佳、应力集中、耐疲劳性、抗剪强度较低。

2)钻压过大导致钻具弯曲及振动大,或地层软硬不均导致锤头工作不平稳,锤头所受扭矩持续的高频率变化,在多次交变冲击力和交变剪切应力的作用下锤头产生疲劳破坏而断裂。

1.2 预防和处理措施

1)选用质量好的生产厂家,以减少因锤头质量而发生孔内事故。对锤头质量严格检查,严防有损伤的锤头入井。

2)进入松散、溶蚀裂隙带、破碎带及软硬不均地层,提前调整钻进参数。

3)地层情况不明时,先用小钻压钻进,然后再缓慢加压,使得钻进均匀平稳,避免用大钻压和高转速钻进。

4)钻遇较软岩层时,应降低钻压,以防硬质合金齿吃入岩层过深,导致锤头所受扭矩瞬间增大。

5)尽可能选用带防脱套的潜孔锤,以防锤头断裂时掉入井内。

6)如若锤头断裂落入井底,应及时进行打捞。

 

2 锤齿折断

空气潜孔锤正常钻进过程中锤头齿磨损较小,大部分锤头齿损坏是因异常崩断,尤其位于锤头最外缘的齿最易崩断(图2)。


2  锤齿崩断

2.1 原因分析

造成锤头柱齿异常崩断的主要原因大致分为地层、钻进技术参数和操作方法3个方面。

2.2 技术措施

1)提前调整钻进技术参数。

2)小钻压试钻。

3)小钻压、低转速。

4)均匀给压。

5)选择适宜锤头。

 

3 潜孔锤堵塞

3.1 落物堵塞潜孔锤原因及解决措施

3.1.1 原因分析

落物堵塞是由于入井钻具及地面管路不清洁、内壁有附着物,尤其新钻杆内壁的铁锈、微小杂物,在压缩空气作用下脱落至潜孔锤上端堵塞风道,致送风不畅或不过风,如图3所示。

3  落物堵塞潜孔锤示意图

3.1.2 解决措施

1)对地面空气管路清理,尤其对闸阀及管路弯头难以清洗处尽可能拆开清理。

(2)在下钻前对孔内钻具内壁进行彻底清洗,使钻具内壁保证干净入井。

3.2 岩粉倒吸堵塞潜孔原因及解决措施

3.2.1 原因分析

倒吸堵塞潜孔锤一般发生在井内余屑较多、特别“稠糊状”条件时,由于操作不当、下钻时插入“稠糊状”,当潜孔锤逆止阀密封不好、循环通道内外压差大,井底岩粉从潜孔锤配合间隙倒吸而为,如图4所示。

4  岩粉倒吸堵塞潜孔锤

3.2.2 解决措施

1)下钻前仔细检查潜孔锤逆止阀、更换已损坏零件。

2)认真检查活塞和内(外)缸、活塞和配气阀的间隙及密封性能是否完好、更换已损坏零件。

3)严格执行操作规程,避免因操作不当致岩粉倒吸堵塞。

4)采用合理的钻具组合,可在钻具150~200m处加接浮阀接头,以克服循环通道压差作用下产生的岩粉倒吸。

5)在送风不畅时,立即上下大幅度活动钻具,无效后应立即起钻检查。

 

4 潜孔锤阻卡

4.1 落物阻卡潜孔锤原因及解决措施

4.1.1 原因分析

落物阻卡也是因入井钻具及地面管路不清洁、内壁有较大的粒径附着物(水泥固结时水泥块、岩屑等)、钻杆内落入其它大粒径杂物至潜孔锤上端卡在逆止阀部位,致逆止阀不能快速复位,如图5所示。

5  水泥块卡潜孔锤

4.1.2 解决措施

1)认真检查、清洗入井钻具,确保钻具内壁无杂物。

2)定期检查潜孔锤逆止阀密封性和弹簧复位性能,对易损部件及时更换。

3)仔细检查潜孔锤各部件(磨损情况、配合间隙、有无变形、毛刺等)。

4)采用专门注油器,保证潜孔锤工作时正常润滑。

5)每次加接钻杆前必须充分排渣。

6)对用于水泥固井的钻杆要严格清洗并进行标识,尽量不用此类钻杆,若要使用时采用严格的清洗检查措施,以保证施工顺利进行。

4.2 倒吸阻卡潜孔原因及解决措施

4.2.1 原因分析

岩屑倒吸阻卡潜孔锤是钻具内外压力不平衡,在内外压力差的作用下井底未彻底排净的岩屑进入潜孔锤内,将活塞、锤头花键卡死或排气通道堵塞,见6、图7。

         

6  岩屑倒吸阻卡潜孔锤示意



7  锤头花键卡塞

4.2.2 解决措施

1)下钻前仔细检查潜孔锤逆止阀,更换已损坏零件。

2)认真检查活塞和内(外)缸、活塞和配气阀的间隙及密封性能是否完好,更换已损坏零件。

3)严格执行操作规程,防止因操作不当致岩屑倒吸堵塞。

4)采用合理的钻具组合,同样借用在钻具150~200m处加接浮阀接头的方法,解决岩屑倒吸。

5)勤排屑,减少井底余屑。

 

5 泥环包裹

泥环包裹是岩粉(屑)粘附于钻具表面或井壁上形成泥环并包裹钻具。泥环形成后,环状空间变小岩屑排除不畅继续聚集泥环处形成泥包,严重时完全堵塞井眼,造成粘埋钻事故。

5.1 原因分析

地层因素:微涌水及潮湿地层,地层微小涌水在井壁形成液膜和使岩粉潮湿,井壁液膜与岩粉相互粘结成岩屑团,岩屑团不能完全被空气带出井筒时在井壁、锤头处粘附聚集形成泥环,而且泥团粘附聚集成泥环现象尤为严重。如图8所示。

8  井内泥环形成示意图

工艺因素:设备配置不足;钻具选择及组合不合理;钻进工艺不当;操作不当。

5.2 解决措施

1)更换钻进工艺。钻遇地层潮湿、少量渗水,灰岩、白云岩等岩层采用雾化钻进(注水稀释)。如图9所示。

2)勤排屑。每钻进0.5~1m,钻具提离井底进行排渣。

3)增加空压机。增加供风量、提高上返风速,增强排砂效果。

4)合理配置钻具。选用合理的钻铤、钻杆。

5)短程起钻划井壁。防止井壁泥环形成及增厚。

9  雾化解井壁泥饼示意图

 

6 埋钻

卡钻、埋钻事故是井壁掉块、垮塌卡埋潜孔锤,致其失去活动空间的现象。

6.1 原因分析

地层因素:地质构造、溶蚀、节理产生的裂隙及断层发育致岩体松散、胶结力弱,以及涌水致部分岩层吸水膨胀、崩解,井壁掉块、垮塌卡埋潜孔锤。工艺技术方面:钻进中高频震击破坏岩体整体结构、高速气流冲刷(剥离)破坏岩壁结构、循环介质无平衡护壁功能及涌水浸泡降低泥页岩结构力致掉块卡锤头、垮塌埋潜孔锤,如图10所示。

10  潜孔锤卡埋示意图

6.2 技术措施

1)勤观察。

2)勤活动钻具。

3)及时停钻处理。

4)窜动解阻。

5)注泡沫剂强排屑解阻。

6)短起钻探井壁。

7)泡沫钻进。

8)换工艺护壁钻进。

9)注泥浆护壁。

10)套铣解卡。

 

7 井眼弯曲

井眼弯曲即钻进过程井眼轨迹未按预计角度行走而发生异常变化,尤其在溶蚀裂隙带、岩层产状陡、软弱互层地层、软弱结构层,锤头在钻压作用下沿软弱面走斜,井眼轨迹发生偏移,如图11所示。

11  井眼沿软弱面走斜图

7.1 井眼弯曲的原因

1)溶蚀裂隙带、软弱结构层,岩层软硬不均、岩石可钻性不一,钻进中锤头沿可钻性低的方向进尺快、井眼轨迹向软弱面走斜。

2)钻具组合不合理,粗径钻具与井径级差大、粗径钻具(钻铤)刚度不足支撑钻进走斜的侧向力,井眼轨迹向软弱面走斜。

3)操作不当,遇软弱结构面层钻进参数调整不及时或未调整,井眼轨迹向软弱面走斜。

7.2 解决措施

1)及时调整钻进参数。

2)调整钻具组合。

3)扶正器的扶正翼片方向应与钻具方向一致,以减少排屑和上返气流的阻力(图12)。

12  扶正器导正

8  结语

空气潜孔锤钻进主要以高频冲击破碎方式为主,往往能产生常规钻进方式10倍以上的钻进速度,但应用时受操作工艺、地层复杂等因素影响容易产生各类事故,影响钻进效率。空气潜孔锤钻进常见事故主要包括锤头断裂、合金齿崩断、堵塞、阻卡、泥环包裹、卡埋钻、井眼弯曲等,本文针对以上典型事故形成的系统技术措施,可操作性强,具有推广价值。

[责任编辑:dc]

专家讲坛 >>
刘亚东:除了那些核心技术,我们还缺什么?
李廷栋院士:我国为什么要开展南极科考?
中国工程院院士卢耀如院士:地质勘探并非可有可无
王达,等:近年来中国地质钻探技术标准制修订工作进展
张伟:我国“十二五”期间的科学钻探活动
张金昌:地质钻探技术与装备21世纪新进展
王达:我国地质钻探现状和发展前景分析
孙建华:深孔小直径绳索取心钻进分析和建议
柴育成:地球科学十三五发展战略的思考
李金发:新形势下我国地质调查工作的新思路新战略
经验交流 >>
用钻芯取样法检测混凝土强度的体会
珠江特大桥承台基坑突涌事故处理降水设计与施工
绳索取心钻进工艺在盐矿深部钻探中的应用研究
元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用
野外钻探安全经验介绍:
深基坑、高边坡、高支模如此危险之地,如何才能化险为夷?
空气潜孔锤钻进典型事故原因分析及处理措施
旋挖钻机如何预防偏孔?
AD401-7定向井卡钻复杂事故的处理及分析
油气地质调查井钻井技术问题与对策
技术成果 >>
新一代岩石力学试验机突破核心技术
三峡库区提升库水位下降速率条件下沟边上滑坡稳定性评
沿海平原区域地质调查方法探索
深层高温地热开发基础研究国际合作探索与实践
关于水文地质水井钻探工程新型自动解垢过滤器分析研究
撑靴式立井掘进机——能在深达2000米的地层开挖
地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统地温场数值模拟
我国入地能力达到世界先进水平 院士专家怎么看?
北京探矿工程研究所创新成果一览
青海乌丽地区发现天然气水合物赋存的重要证据
技术讲座 >>
钻孔灌注桩的钢筋笼施工要点
探索地球深部油气的眼睛——核测井
漫谈页岩油与油页岩
页岩气勘探技术综述
国内外冰碛湖溃决研究进展
保温保压取样技术——探寻深海可燃冰的法宝
页岩油之前世今生与未来
油砂是如何开采出来的?
浅谈搓管机施工工艺
缺陷桩的常用处理方法
典型工程 >>
青岛地铁1号线海底隧道施工情况
中煤特凿港珠澳大桥拱北隧道顶管冻结工程
山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术
青海贵德ZR1干热岩井钻进工艺研究
汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔取心钻进技术
2000m全液压岩心钻探技术装备示范工程
庐枞矿集区刘墩ZK01深孔钻探工艺探讨
漠河冻土地区天然气水合物钻探施工技术
马坑外围矿区ZK7924孔施工难点及对策
深厚漂卵石地层中超大直径钻井冲抓工艺的研究及应用
海外新知 >>
英国开建首座深层地热发电站 钻孔深达2.8英里
世界首例隧道拆除后站台扩建工程
美国近期陆地油气钻井业逐步回升的态势分析
PDC钻头发展进程及当今态势(下)
PDC钻头发展进程及当今态势(上)
FuseTek融合钻头与Pexus组合钻头
Kymera 组合式(Hybrid)钻头系列
碎裂钻井技术及其在地热钻井中应用前景分析
钻压水动力增效装置试验研究
乌克兰几种针对地质钻探卡钻的新型震击器
专利介绍 >>
专利技术 | 从''水''到''冰''——地源热泵技术再升级!
滨海潮滩未扰动土壤柱样取样器
一种用于正循环气动潜孔锤的循环方式转换接头
一种长寿命双壁钻杆
一种立轴式钻机不停机倒杆装置
一种冲击式土层取样钻机
一种非接触式滑坡表面裂缝监测仪
一种滑坡野外模型试验用的自动加载系统
一种用于取心钻具的卡簧座与内管连接结构
一种定向造斜取心钻具
专业书屋 >>
《揭秘可燃冰——可燃冰知识100问》出版
《温家宝地质笔记》出版发行
深部地质钻探金刚石钻头研究与应用
深部岩心钻探技术与管理
地质钻探手册
地热资源开发与问题研究
中国勘探工程技术发展史集
地热矿泉水资源勘查手册
郑州地热资源勘查技术研究
第二届探矿工程学术论坛论文集