汶川地震断裂带科学钻探WFSD-3孔布置在龙门山大断裂带上,所钻地层80%是地应力大、罕见的极破碎复杂地层。设计深度1200m,实际终孔深度为1502.30m,钻孔结构如图3-38所示。施工过程中共发生过钻铤脱扣、套管吸附卡钻及埋钻三起重大孔内事故,经艰难处理,最终使钻孔达到地学研究孔深。
1.钻铤脱扣事故
(1)事故原因分析
当时取心钻进的钻具组合是:Φ152mm半合管取心钻具+变丝+Φ121mm钻铤(4根,每根之间接一个Φ149mm扶正器)+Φ89mm钻杆(1根,约9m)+Φ73mmAPI钻杆。钻进至孔深1186.77m处不进尺,提钻发现钻铤脱扣。孔内事故钻具有:钻铤2根,扶正器2个和取心钻具1套,事故头位于孔深1143.70m。如图11-16(a)所示,事故发生后曾立即下Φ73mm公锥打捞并送泥浆循环,但水路不通,强制提拔无效后拉脱公锥。分析该起事故主要原因在于:
1)为保证高采取率采取不扰动岩心样需控制回次进尺,提钻频繁,钻铤丝扣磨损严重,又未能及时检查;2)钻孔超径严重,钻具工作失稳使钻铤松扣;
3)由于地层复杂,钻孔缩径,抱死钻具,打捞未能成功。
(2)事故处理
丝锥打捞失败后根据孔内地层及钻孔结构情况,选择的处理方案是:第一步先将Φ219×7mm套管内的Φ168mm活动套管提出,用Φ202mm/Φ152mm扩孔至事故位置;第二步用Φ178mm钻具(长11m)罩住事故钻具逐根套铣——外套扩孔壁,内铣钻铤扶正器,如图11-16(b)所示;第三步逐根铣扩事故钻具并用反丝钻杆打捞,最终将孔内事故处理完毕。
图11-16 钻孔事故及处理示意图
(a)钻具脱扣埋钻;(b)大径套铣扩孔
2.套管吸附卡钻事故
(1)事故原因分析
由于当时钻孔口径已扩至Φ202mm,裸孔段施工时间较长,孔壁的稳定性较差,现场研究决定在0～1186.77m孔段下入Φ168mm套管隔离。下套管前为防止钻孔缩径,除加大泥浆比重和用长粗径钻具划孔外,还采用了试下套管方法,以了解套管是否能顺利下入孔底。用钻杆试下连接100m长的Φ168mm套管至孔深1053.86m处遇阻,随即提钻,至938.50m时遇卡,强拉不动,向孔内送泥浆可以返浆,但钻具下不去,再次强拉使套管脱扣,提钻后发现有70.26m套管留在孔内,如图11-17(a)所示。再次用丝锥打捞,送泥浆循环憋泵,处理无效。事故头位于孔深871.02m处。分析其事故原因在于:
1)试下套管太长;
2)上提套管时产生的抽吸效应诱发孔内掉块,局部孔段泥皮塌落造成缩径。
(2)事故处理
分析孔内事故情况表明,因地层超径、缩径、坍塌厉害,稳定性极差,若采用套扩处理风险大,同时处理时间长,所以选择处理方案是:用水泥封孔至650m(考虑650～800m孔段有局部超径较大,对下步处理施工造成威胁),再扫孔至800m,然后进行侧钻绕障。用油井水泥封至677.16m,水泥固结后,采用Φ152mm钻具加Φ121mm钻铤无岩心全面钻进至孔深788m时,进尺较慢,换Φ152mm取心钻具取心钻进,判断已出现新孔,表示自然侧钻成功。继续钻进至孔深830m,为了防止新孔再回老孔,从677.16m采用Φ200mm钻头扩孔至815.29m,下入Φ168mm套管并固井。然后用Φ152mm取心钻进,绕过事故钻具,如图11-17(b)所示。
图11-17 钻孔事故及处理示意图
(a)套管吸附卡钻;(b)绕过事故头
3.埋钻事故
(1)事故原因分析
用侧钻绕过套管吸附卡钻事故并下入Φ168mm套管恢复钻进后,采用Φ152mm半合管取心至1187.28m。施工中发现自1164～1187.28m孔段严重缩径,每次下钻钻具下不到底,均需扫孔,提钻时孔内有劲,吸附力大。在这种情况下,将泥浆密度调至1.57g/cm3(加入重晶石)以平衡地层应力。重新下钻扫孔及替孔内泥浆,当扫孔至1175.40m时,水泵泵压突然高达12MPa,安全阀被冲开,立即上提钻具,提不动,转不动,下不去,然后采用75t液压千斤顶强力提拔(顶拔力达750kN)无效。再采用注浆泵强制送泥浆循环,泵压达25MPa,钻孔被憋漏,未能建立正常循环,解卡终止。分析事故主要原因在于:
1)局部孔段地应力大,缩径严重;
2)上部孔段超径严重(测井资料显示局部孔段达设计口径的2～3倍),在钻具回转离心力作用下将粗颗粒岩屑甩到超径“大肚”处聚集后出现坍塌、埋钻;
3)使用的高黏度、高固相泥浆,在孔壁形成松散而厚的泥皮;裸眼钻进周期过长,易出现孔壁泥皮“脱裤子”现象。
(2)事故处理
此起事故因受上部已下入的Φ168mm套管口径限制处理难度极大。确定的处理方案是:第一步拉紧退扣孔内Φ73mm正丝钻杆,再用反丝钻杆反脱剩余钻杆至反不动为止;第二步用Φ140mm钻具套铣孔内被埋、泥包的钻杆、钻铤,每套铣一根用反丝钻杆反脱一根,直至处理到取心粗径钻具头;第三步若粗径钻具仍不能解卡,再次进行侧钻绕过事故钻具。
实施“套铣-反”循环工序处理至1097.76m孔深时,发现连接Φ121mm钻铤的Φ89mmAPI钻杆折断后穿插在超径处钻铤与孔壁的环状间隙中,导致无法继续套铣。孔内残留事故钻具有8根Φ121mm钻铤及扶正器、取心钻具、钻头等共计68.33m,事故头位于孔深1097.76m处。后决定实施第三步方案,用水泥封孔,在1051.50～1106.83m孔段用Φ91mm螺杆+Φ130mm钻具造斜侧钻并获得成功(图11-18),使钻孔顺利延伸至终孔。
图11-18 钻孔事故与处理示意图