宁海温泉地热钻探孔内事故分析及预防建议

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  【摘 要】孔内事故是项目工期、利润的重要影响因素之一,针对分析宁海温泉地热钻探孔发生的钻具断裂事故产生的原因及事故处理的过程,提出预防或减少此类事故发生的措施和建议。
  【关键词】大口径;地热钻探;基岩全孔取芯;断管;钢砂钻进;预防措施
  工程概述
  0.1项目背景
  宁海南溪温泉为浙江省发现最早、开发利用最早的温泉,现在使用的甽3井建井时间为1983年,井口水温47.6℃,开发利用距今已有30余年。根据近几年使用的情况来看,甽3井水温,水位都在变化,随着当前人们生活消费品质的提高,温泉的需求量亦在日益加大,为应对其使用中出现故障等状况,并确保酒店及山庄的正常运行,维护南溪理疗温泉的美誉,当地政府决定对甽3井施工一眼备用井。
  0.2备用井的选址
  甽3井位于温州——镇海大断裂的深甽——西溪段(F1)断裂带上,根据我们现掌握的资料文献证明宁海深甽温泉地热条件非常复杂,控水断裂F1揭露井孔较明显,其与花岗岩、霏细斑岩关系密切,且在产状、走向和倾角上有一定扭曲。本次选址经过现场剖面实测,结合资料成果的基础上确定,并对备用井的施工提出了明确的要求——应在不破坏甽3井的前提下开展。
  0.3备用井钻孔结构
  备用井设计孔深为185米,开孔孔径φ800mm(人工开挖),安装φ600mm孔口管,深度6.5m,终孔孔径φ170mm。具体见钻孔结构示意图(假设自然地面标高为±0.00m):
  -6.5~-90.0m,钻孔孔径φ300mm,安装φ245mm钢管,钢管高出地面0.2m,管外灌注水泥浆;
  -90.0~-150.0米,钻孔孔径φ190mm;
  -150.0~185.0米,钻孔孔径φ170mm。
  1地质条件
  附近已有资料显示的地层岩性为:
  0~-6.0m:碎石土、杂填土等,人工回填的块石,粒径较大;
  -6.0~-150.0m:熔凝灰岩,以灰绿色为主,岩性致密,块状构造,岩芯较完整,呈短柱状,柱面粗糙,敲击不易碎,其中-16.0~-18.0m较破碎(推测该区域掉块是导致本次孔内事故发生的原因);
  -150.0~-180.0m:潜火山岩,灰紫色为主,岩芯呈短柱状。-155.0~-160.0m岩体微有破碎,裂隙面上见有白色的硅化面,岩性敲击不易碎,质密,敲击的面上见较多灰白斑点;-160.0~-180.0m为灰绿灰紫相间,以灰紫为主,质地变粗,见较多的绿泥石;
  -180.0~-185.0m:熔凝灰岩,青灰绿色,较完整,岩芯呈柱状。
  2施工机械及工艺的选择
  按照设计方案的要求和目的,为了直观、准确地反映地层构造情况,便于准确确定建井时的止水位置,本钻孔全孔连续取芯。在成井设备的选型方面,根据钻孔结构设计、地层情况及现有设备的生产能力,我们选择了SPJ-300型水文水井回转钻机,拟钻孔从上至下分别采用φ273mm、φ168mm、φ146mm三种规格的钢砂钻头一次性成孔,施工工艺均为钻粒钻进。图为取出的岩心照片。
  在钻进过程中经常观察并记录涌水、漏水、孔内掉块、冲洗液等施工情况,密切关注甽3井的变化情况,对两个孔的水温、水位基本上进行同步观测。
  3事故發生及处理经过
  3.1事故发生基本情况
  井孔钻进至-78.0m处时,孔内出现异响,主动钻杆跳动剧烈,并伴随有不间断的短暂憋劲现象,由于此前上部地层钻进过程中也存在类似情况,因此当班班长在略作停机后又继续钻进。钻进至-78.2m时突然转盘负荷增大出现憋车,电流表数值瞬间增大,随即负荷突然降低,转盘回转无阻力感,电流表数值迅速降低,泥浆泵压力表压力降低。此时,班长意识到孔内情况不正常,符合钻杆折断特征,决定立即提钻检查,提钻时无负重感,提出孔口后发现φ273mm钢砂钻头接头与接手连接处的公扣台肩整体断裂,经测量剩余钻杆长度,查阅计算钻探班报表记录的数据,得出留在孔内钻具总长2.78m,残留岩心1m左右,事故钻具断口位置为-75.42m。
  3.2事故分析及处理方案制定
  事故发生后,公司有关人员及项目部立即组织召开现场会议,通报事故现状,分析事故原因。根据事故现场反映的情况,钢砂钻头公扣台肩处整体断裂,整个公丝残留在接手母扣内侧,断裂处断面平整,残留部分形状规则,无扭曲变形,为脆性断裂,而断裂公扣为厚壁公丝,一般外力作用不可能导致此处瞬间断裂,因此推测为以往使用过程中累计的金属疲劳导致产生内应力裂缝,而-78.0m处开始出现的憋劲导致钻杆敲击上部-16.0~-18.0m破碎带产生掉块,掉块卡在钻头一侧导致钻头公扣台肩处受力不均,裂缝处瞬间剪切断裂,产生事故。对于孔内事故处理一般有:捞、拉、扫、冲、震、顶、反、扩、割、磨、偏、爆等方法,从自身条件考虑,因孔内事故钻具为杆柱光杆,外壁无突出或变径,首先排除打捞钩捞取的方案;尔后经测量同类钻头的台肩直径,超出母锥的最大直径要求,因此也排除了母锥套取的方案。经过讨论确定了4个较为合理的方案,按照由易到难,由简到繁的步骤,依次为拉、打、顶、扩。
  3.3事故处理过程
  ⑴第一阶段
  打捞思路:用公锥与孔内事故钻具断口对扣后提拉。
  现场实施:直接将公锥下入孔内,对事故钻具进行打捞,多次对接始终无法对上钻具断口,而根据钢砂钻头的形状特性,排除了断口倒向孔壁的情况,为此决定对孔内情况进行“拍照”。将打印铅模下入孔内敲击断口,提钻后发现无断口所应显示的环状痕迹,而是一个整体内凹,不规则的痕迹,打印结果的印痕表明:断口上部可能存在掉块,抵住了公锥对扣的下行。用平底合金钻头内侧焊钢丝绳的方法将掉块捞取干净,再次下入公锥,成功与事故钻具对上,人工扭转上丝,并用卷扬机提拉钻杆,提拉时钻机会晃动,所以每一次提拉都必须在钻塔恢复稳定后、有节奏的进行。利用猛提骤放的原则,活动被卡钻具,当提升高度到1m后,阻力增大直至刹车摩擦片发热冒烟,最后打滑被迫停止提升,摩擦片磨损报废,实施结果不成功。   ⑵第二阶段
  打捞思路:公锥对接后,边提拉边打吊锺。现场实施:更换新摩擦片后重新对接提拉,用主卷扬机吊紧钻具,用副卷扬吊起磨盘作为吊锺向上冲打钻具,几次击打后均无果,此方案放弃。
  ⑶第三阶段
  打捞思路:公锥对接后,用千斤顶顶拔。
  现场实施:更换新的公锥,下入钻杆,由于千斤顶的起拔负荷比升降机大的多,为防止接手脱扣,每一支钻杆连接后在接头处上下补焊加强筋。孔口地面加固平整,上面安放30mm厚钢板,顶部二支钻杆单支长度控制在1.2m左右。铁板上方在钻杆两侧各放置一台同型号的50t液压千斤顶,整个顶拔系统与预应力张拉相似,千斤顶油缸上部依次设置垫板、夹具、锚头等,中间垫设若干20mm、10mm高的钢圈,以满足千斤顶油缸顶升行程尺寸。每顶升200mm左右停一停,缓慢增加力量,使作用力充分传递到事故钻具受阻部位,同时千斤顶的两个螺旋杠要起落均匀,防止杆柱受水平方向的反复应力;其次钻杆有一定伸长,应考虑适当复原,顶拔时适时顶起并适当放松,使杆柱发生类似弹簧的伸缩作用,破坏卡塞物质的均势。但由于钻具被卡较紧,孔内阻力极大,钻杆脱开弹起,且公锥丝口上丝吃扣约20mm,吃扣处丝口已磨损,方案再次停止实施。
  ⑷第四阶段
  打捞思路:经拉、打、顶处理无效,反掉钻杆后用“扩”的办法处理。
  现场实施:经过前三阶段的处理,孔内钻具卡钻严重,单纯上丝卡扣,提升钻具的方法已无效果。最后讨论决定用大一级的钻具扩孔套取,尽管该方案可能案周期较长,费用较高,但一般情况下扩孔到底后,事故钻具就能随扩孔管一起带上来或公锥轻松捞取。
  本次断口位置深度为-75.42m,故上部先采用φ420mm的带导向牙轮钻头扩孔至-75.0m处,然后用φ377mm的钢砂钻头扩孔钻进至-78.2m,最后在φ377mm的钻头内侧焊钢丝绳将φ273mm钢砂钻头捞出。
  方案实施时还有几点需引起注意:①保证扩孔与已成孔的同心度一致。本次处理所用的钻头为定制的带导向钻头,导向伸出牙轮400mm,并在扩孔钻进时采用“吊打”,防止产生偏心;②准确记录扩孔钻具长度及进尺数据,特别是到断口以上位置100mm时应慢鉆轻放,并核实深度;③牙轮扩孔产生的岩渣会沉至原孔内,须及时将一定深度内的岩渣捞出,避免干扰钻进。
  带导向牙轮
  4认识和分析
  从以往的事故类型来看,孔内事故多为钻杆折断事故,因此本工程开工进场前,事先已在仓库挑选优良的钻杆,并在进场后,将疑似不合格或者已磨损一定程度的钻杆接头全部更换。在施工过程中也严格监控所用钻杆的弯曲度和磨损情况,避免以往经常发生的钻杆折断事故,事实证明项目部通过一系列的措施避免了钻杆折断事故的发生。预防钻杆事故的同时却恰恰忽略了对所用各型钻头的维护检查,一方面因为所用的钻头年份不长,另一方面也因为钻头与接头连接的公丝为厚壁,在以往施工中,外丝的失效形式分为腐蚀、掉块、脱扣、偏磨、乱扣、粘扣、断裂、裂隙等,而此次断裂的厚壁公丝经打捞上来观察后发现其丝口完整,无明显磨损及掉块现象,也无因乱扣、粘扣造成的丝口崩口情况。
  分析认为失效原因应属于断裂或裂隙,而断裂是因强力提拉过程中出现断裂现象,此次事故是扭转造成的剪切破坏,故此次公丝失效应判断为裂隙引起的断裂事故。钻具的厚壁公丝断裂情况罕见,导致机台作业人员与技术员麻痹大意,忽略了此类事故发生的可能性,接头丝扣根部有微小裂纹未能及早发现。因此在日后的施工管理中,不但要加强对所用各型钻头及其他机具设备的维护保养,更要加强在钻探生产管理、设备管理及技术管理等方面的工作。
  5预防及建议
  鉴于此次事故的经验教训,对事前、事中的管理提出以下几点建议:
  ⑴对仓库内长期存放或者使用完毕入库的钻头及钻杆,应做好防潮、防雨、防锈等措施,如垫高或遮盖防雨等;
  ⑵经常检查钻具各受力部件位置的金属疲劳程度,有无裂缝、裂纹,有无异常形变,有无超出使用要求的磨损等;
  ⑶建议在钻头台肩处焊一道钢圈,使台肩成为一个开口向上的筒式结构,能够对上部孔段部分掉块予以收纳或挡住掉块掉入钻具与孔壁的间隙内,导致卡钻造成事故;
  ⑷加强项目部、班组的防范意识、管理意识,定期对所有机具设备状况进行检查,排查事故隐患,降低事故几率;
  ⑸钻杆、钻具应根据使用年限和磨损程度分好类,劣级钻杆、钻具直径磨损已超过限制即应报废,不准再用;
  ⑹对于断管事故的打捞,需创造打捞环空条件,从环空入手,打捞效率更高;
  ⑺下打捞工具前要对孔内断口位置及状态认真分析,选择工具要有理有据,且工具强度必须保护,打捞操作符合操作规程,以避免破坏断口人为造成打捞复杂化或发生安全事故;
  ⑻当事故断口位置情况不明时,应坚持先打印证实情况,然后再决定下一步打捞方案,但也应尽量减少打印次数;
  ⑼应保证打捞管柱内通道畅通,可根据现场需要随时进行正循环冲洗断口顶部,捞获掉块后再打捞,这样先清理事故部位,防止井筒内砂等对下打捞工具作业的影响,保证打捞成功率。
  6结语
  在施工过程中对任何设备的维护检查,都要求我们认真负责,不能麻痹大意,应加强防范意识,严格按规程制度去施工,杜绝违章操作,拒绝野蛮操作,能降低事故发生的几率。在事故发生后,应认真分析事故现状和成因,不得猛干蛮干,学习积累,总结经验,同样是降低风险、预防事故很好的方式。
  参考文献:
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