河南某地熱井管擠毀事故分析及處理

     過濾管安裝在不穩定的、但要求出水的含水層段(如砂巖、巖石破裂的斷層帶), 能讓含水層中的水自由而通暢地流入水井內, 同時又要阻止砂或碎巖隨水流入井內, 并在井壁膠結不牢的井起構架作用。過濾管的種類很多, 其中橋式過濾管是一種帶有橋形孔眼的過濾管材, 由于具有較高的過水能力和較好的擋砂效果, 在地熱井施工中得到了普遍的使用。由于橋式過濾管為鋼板沖孔、卷制而成, 抗擠強度相對較低, 在成井中如果不注意井管內外的壓力平衡等問題, 極易出現過濾管擠毀事故。2008年11月, 河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊在河南某地施工地熱井時就出現了過濾管擠毀事故。

 

  該孔位于河南省濮陽地區, 地處黃、海沖積平原, 第四系地層廣布且沉積厚度較大, 從上到下為一套亞砂土、亞粘土、粘土及中砂、細砂、粉細砂層所組成的多元結構松散堆積物。第四系地層下沉積著巨厚的第三系地層。兩個時代的地層厚度>1500 m。

 

  該井設計井深為1200 m, 其中0 ～ 200 m井段井徑450 mm, 下入 273 mm×7 mm螺旋鋼管;200 m以深井段井徑311 mm, 下入 159 mm×6 mm無縫鋼管及同徑過濾管。成井后要求井口出水溫度≥ 45℃, 出水量≥50 t/h。

 

  1 事故經過

 

  在下管過程中, 觀察到井管內一直不返漿, 雖然往井管內補漿, 但反映在指重表上的懸重較理論值小, 考慮到可能是泥漿密度較大、粘度較高、浮力大等因素, 所以也沒有特別關注這一現象。井管到位后下沖孔器準備沖孔換漿, 但當鉆具下到接近第一層過濾管位置時遇阻, 怎么也下不去。分析各方面原因后判斷是過濾管變形。在拔管過程中發現過濾管已經全部被擠毀(見圖1)。拔出的井管還存在同一個現象:無論該層段過濾管有多長, 提出的所有過濾管以管箍為分界點, 相鄰兩節的擠毀面相互垂直。

 

  2 事故原因分析及處理

 

  中原地區地熱井施工經過20多年的不斷完善,已經形成了一套比較完善的成井工藝。一般的地熱井成井為:完鉆※物探測井※同徑鉆具順孔※沖孔換漿※下管※沖孔換漿※動水填礫※止水、固井※洗井※抽水實驗。其中同徑鉆具順孔的目的是進一步修正孔壁, 消除下鉆遇阻現象, 保證井管順利下入;下管前的沖孔換漿是把井底沉淀徹底排出孔外,均勻地將泥漿的密度、粘度調整到適當的指標(下管泥漿指標為:漏斗粘度20 ～ 21 s, 密度1.08 ～ 1.15kg/L, 含砂量<0.5%, 失水量<20 mL/30 min, pH值8 ～ 10), 保證井管能夠下放到位。分析該次事故, 影響因素較多, 主要為以下幾點。

 

  2.1 過濾管自身強度較低

 

  本次過濾管擠毀事故的發生, 主要是由于過濾管的自身結構條件造成了其強度較低。事后經過檢驗, 該型號過濾管的擠毀強度為6.9 MPa。

 

  2.2 換漿時間短, 泥漿不均勻

 

  在該井鉆進中使用張家口探礦機械廠生產的排量為1200 L/min的泥漿泵, 由于設備老化等因素的影響, 排量不到1 000 L/min。而由于鉆孔孔徑為350 mm, 口徑較大, 按1000 L/min的排量計算, 泥漿的上返速度為167 m/h, 上返速度較低, 且越靠近孔壁, 上返速度越低, 調整泥漿時要達到整個孔內泥漿性能的均一性所需的時間更長。如果不考慮泥漿在鉆具中的下行速度, 且假定泥漿是充滿整個井筒均勻的流動, 對于深度1200 m的井, 泥漿循環一周就需要7 h10 min。一般是在泥漿均勻循環2周后再緩慢的加水調稀, 盡可能使泥漿在孔內上行過程中均勻、同步。而在實際操作時, 由于認識不充分, 當班人員在沖孔換漿時曾大量地加入清水, 受泥漿粘滯力等的影響, 造成泥漿在孔內呈線性流動, 一部分泥漿根本不流動, 從而換漿不均勻。造成沖孔換漿時間與上返泥漿參數已經滿足下管需要的假象。

 

  2.3 沖孔換漿孔小, 泥漿進入井管受阻

 

  沖孔換漿孔設計的雖然多但太小(直徑20mm), 理論上過水斷面大于鉆桿內徑1倍以上, 但沒有考慮到深部泥漿粘度較高, 密度較大, 很容易在較小的換漿孔處架橋、阻塞, 使得泥漿不能及時、通暢地進入井管內, 形成內外壓差。

 

  2.4 灌漿不及時, 壓力嚴重失衡

 

  根據以往下管經驗, 一般都是在過濾管下完后每100 m灌漿一次。可以觀察到管內液面比管外低10 m左右。隨著下管深度的增加, 液面差還會逐漸減小, 最后泥漿會從管內溢出。根據從井內拔出的過濾管泥包情況看, 泥漿性能極差, 密度大、粘度高、泥皮厚, 再加上過濾管外包網過厚(80 目網包3層), 泥皮形成后完全隔斷了泥漿通過過濾管縫隙進入管內的通道, 使得管內外壓力失衡。

 

  當井管拔出, 再次順孔換漿時, 有相當長的一段泥漿在泥漿槽中的流動性非常差, 測得的漏斗粘度高達40 ～ 45 s, 密度1.24 ～ 1.28 kg/L。如此差的泥漿性能, 一方面是由于在下管前的提鉆過程中, 以及在下管、拔管的過程中刮下來的泥皮混合在泥漿中,另一方面與下管前的泥漿本身就比較稠有關。由于泥漿的粘度高, 結構力較強, 在沒有專門的除砂除泥裝置的強制凈化下, 砂及粘土顆粒根本無法完全自然沉淀, 許多細小顆粒懸浮在泥漿中重復循環且越來越多, 最終造成了泥漿的密度越來越大。鉆孔內的泥漿在各個不同的位置, 性能參數是完全不同的。

 

  隨著孔深的增加, 下部泥漿受地層壓力、溫度等復雜地質因素的影響, 性能更差。特別是在換漿不徹底,泥漿不均勻的情況下, 差別更大。此外, 由于灌漿不及時造成的壓差作用對過濾管的影響也更大。根據本次測得的泥漿情況, 若把孔內泥漿性能看成均勻一致, 密度按1.24 kg/L計算, 隨著孔深的增加, 則泥漿壓力的變化如圖3所示。管內泥漿每虧空100m, 下部井管管壁上就能產生1.24 MPa的壓差。而壁厚5.2 mm、材質20 號鋼、橋高1.5 mm、孔隙率12.7%的過濾管的擠毀強度僅為6.9 MPa, 折算管內外液面差為55.65 m時就會造成過濾管的擠毀變形。實際上受井底泥漿密度更高等因素的綜合影響, 施加于過濾管上的壓差會遠高于這個數值, 在灌漿不及時時更容易被擠毀。

 

  2.5 井管下放速度太快, 泥漿對井管的沖擊力過大從拔出來的井管可以看出, 在安裝有扶正器的位置, 泥包嚴重, 外徑與井徑基本一致。這樣, 井管以較快的速度下放的時候, 致密的粘土包裹著的扶正器形成的活塞(見圖4), 以很高的速度壓迫鉆井液沖擊井管, 加上過濾管孔隙的堵塞, 對井管產生了一個很大的擠壓力。這個力加劇了過濾管的擠毀變形。

 

  實際上, 井管在孔內受力情況是非常復雜的。

 

  僅以以以上簡單的分析可以看出, 過濾管擠毀事故的發生可能是其中一種原因的影響, 也可能是綜合因素的共同作用。對于每相鄰兩節過濾管擠壓面互相垂直的現象, 開始考慮可能是受過濾管卷制時的焊縫影響, 但觀察后發現每條過濾管上焊縫的走向都圖4 扶正器泥包現象是隨機的, 沒有規律可循, 其機理還需要進一步探討和研究。

 

  在解決了以上問題后, 該孔進行了第二次成井,洗井抽水后, 各項指標均超過合同要求。

 

  3 經驗和體會

 

  這次事故雖然造成的經濟損失不大, 但教訓仍然是深刻的。正因為最終能夠將下入孔內的井管全部起拔出來, 才有了了解過濾管擠毀事故的第一手資料, 進而對其影響因素及危害進行了分析。通過這次事故經歷, 總結如下經驗和體會。

 

  (1)下管前的工作要嚴肅謹慎, 按照既定程序把工作做細。換漿不僅要把好返漿性能指標、沖孔時間這兩關, 更重要的是要循序漸進, 逐步把泥漿性能控制好, 特別是泥漿要均勻。

 

  (2)下管過程中要適時觀察管內泥漿情況, 加大補漿頻率, 把管內外泥漿液面差控制在10 m之內。

 

  (3)沖孔換漿孔要足夠大, 過濾管外包網一層為好, 保證泥漿通道暢通無阻, 管內外泥漿平衡, 避免形成較大的壓差。

 

  (4)下管速度要適當, 減小活塞效應對井管的沖擊力。

 

  (5)嚴格井管入庫檢驗制度, 保證入井過濾管的強度。