河南某地熱井管擠毀事故分析及處理

     過(guò)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(shí)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(guò)濾管的種類(lèi)很多, 其中橋式過(guò)濾管是一種帶有橋形孔眼的過(guò)濾管材, 由于具有較高的過(guò)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(guò)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(wèn)題, 極易出現過(guò)濾管擠毀事故。2008年11月, 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊在河南某地施工地熱井時(shí)就出現了過(guò)濾管擠毀事故。

 

  該孔位于河南省濮陽(yáng)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(zhù)巨厚的第三系地層。兩個(gè)時(shí)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(wú)縫鋼管及同徑過(guò)濾管。成井后要求井口出水溫度≥ 45℃, 出水量≥50 t/h。

 

  1 事故經(jīng)過(guò)

 

  在下管過(guò)程中, 觀(guān)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(méi)有特別關(guān)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(guò)濾管位置時(shí)遇阻, 怎么也下不去。分析各方面原因后判斷是過(guò)濾管變形。在拔管過(guò)程中發(fā)現過(guò)濾管已經(jīng)全部被擠毀(見(jiàn)圖1)。拔出的井管還存在同一個(gè)現象:無(wú)論該層段過(guò)濾管有多長(cháng), 提出的所有過(guò)濾管以管箍為分界點(diǎn), 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(jīng)過(guò)20多年的不斷完善,已經(jīng)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(dòng)水填礫※止水、固井※洗井※抽水實(shí)驗。其中同徑鉆具順孔的目的是進(jìn)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(diǎn)。

 

  2.1 過(guò)濾管自身強度較低

 

  本次過(guò)濾管擠毀事故的發(fā)生, 主要是由于過(guò)濾管的自身結構條件造成了其強度較低。事后經(jīng)過(guò)檢驗, 該型號過(guò)濾管的擠毀強度為6.9 MPa。

 

  2.2 換漿時(shí)間短, 泥漿不均勻

 

  在該井鉆進(jìn)中使用張家口探礦機械廠(chǎng)生產(chǎn)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(shí)要達到整個(gè)孔內泥漿性能的均一性所需的時(shí)間更長(cháng)。如果不考慮泥漿在鉆具中的下行速度, 且假定泥漿是充滿(mǎn)整個(gè)井筒均勻的流動(dòng), 對于深度1200 m的井, 泥漿循環(huán)一周就需要7 h10 min。一般是在泥漿均勻循環(huán)2周后再緩慢的加水調稀, 盡可能使泥漿在孔內上行過(guò)程中均勻、同步。而在實(shí)際操作時(shí), 由于認識不充分, 當班人員在沖孔換漿時(shí)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(xiàn)性流動(dòng), 一部分泥漿根本不流動(dòng), 從而換漿不均勻。造成沖孔換漿時(shí)間與上返泥漿參數已經(jīng)滿(mǎn)足下管需要的假象。

 

  2.3 沖孔換漿孔小, 泥漿進(jìn)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(guò)水斷面大于鉆桿內徑1倍以上, 但沒(méi)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(shí)、通暢地進(jìn)入井管內, 形成內外壓差。

 

  2.4 灌漿不及時(shí), 壓力嚴重失衡

 

  根據以往下管經(jīng)驗, 一般都是在過(guò)濾管下完后每100 m灌漿一次?？梢杂^(guān)察到管內液面比管外低10 m左右。隨著(zhù)下管深度的增加, 液面差還會(huì )逐漸減小, 最后泥漿會(huì )從管內溢出。根據從井內拔出的過(guò)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(guò)濾管外包網(wǎng)過(guò)厚(80 目網(wǎng)包3層), 泥皮形成后完全隔斷了泥漿通過(guò)過(guò)濾管縫隙進(jìn)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(shí), 有相當長(cháng)的一段泥漿在泥漿槽中的流動(dòng)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(guò)程中, 以及在下管、拔管的過(guò)程中刮下來(lái)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(guān)。由于泥漿的粘度高, 結構力較強, 在沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的除砂除泥裝置的強制凈化下, 砂及粘土顆粒根本無(wú)法完全自然沉淀, 許多細小顆粒懸浮在泥漿中重復循環(huán)且越來(lái)越多, 最終造成了泥漿的密度越來(lái)越大。鉆孔內的泥漿在各個(gè)不同的位置, 性能參數是完全不同的。

 

  隨著(zhù)孔深的增加, 下部泥漿受地層壓力、溫度等復雜地質(zhì)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(shí)造成的壓差作用對過(guò)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(zhù)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(chǎn)生1.24 MPa的壓差。而壁厚5.2 mm、材質(zhì)20 號鋼、橋高1.5 mm、孔隙率12.7%的過(guò)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(shí)就會(huì )造成過(guò)濾管的擠毀變形。實(shí)際上受井底泥漿密度更高等因素的綜合影響, 施加于過(guò)濾管上的壓差會(huì )遠高于這個(gè)數值, 在灌漿不及時(shí)時(shí)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(guò)大從拔出來(lái)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(shí)候, 致密的粘土包裹著(zhù)的扶正器形成的活塞(見(jiàn)圖4), 以很高的速度壓迫鉆井液沖擊井管, 加上過(guò)濾管孔隙的堵塞, 對井管產(chǎn)生了一個(gè)很大的擠壓力。這個(gè)力加劇了過(guò)濾管的擠毀變形。

 

  實(shí)際上, 井管在孔內受力情況是非常復雜的。

 

  僅以以以上簡(jiǎn)單的分析可以看出, 過(guò)濾管擠毀事故的發(fā)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(guò)濾管擠壓面互相垂直的現象, 開(kāi)始考慮可能是受過(guò)濾管卷制時(shí)的焊縫影響, 但觀(guān)察后發(fā)現每條過(guò)濾管上焊縫的走向都圖4 扶正器泥包現象是隨機的, 沒(méi)有規律可循, 其機理還需要進(jìn)一步探討和研究。

 

  在解決了以上問(wèn)題后, 該孔進(jìn)行了第二次成井,洗井抽水后, 各項指標均超過(guò)合同要求。

 

  3 經(jīng)驗和體會(huì )

 

  這次事故雖然造成的經(jīng)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(lái), 才有了了解過(guò)濾管擠毀事故的第一手資料, 進(jìn)而對其影響因素及危害進(jìn)行了分析。通過(guò)這次事故經(jīng)歷, 總結如下經(jīng)驗和體會(huì )。

 

  (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(shí)間這兩關(guān), 更重要的是要循序漸進(jìn), 逐步把泥漿性能控制好, 特別是泥漿要均勻。

 

  (2)下管過(guò)程中要適時(shí)觀(guān)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(guò)濾管外包網(wǎng)一層為好, 保證泥漿通道暢通無(wú)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(guò)濾管的強度。