水敏性地层“粘附卡钻”事故的分析与处理

代万庆，赵汉伟

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001)

0 引言

在水敏性地层钻探工程施工中经常发生“粘附卡钻”事故。事故发生时，钻具在钻孔内不能上提下落和回转，生产停滞，严重时还可能出现钻具被埋、钻孔报废等严重后果；处理该类事故较为繁复，劳动强度大，时间较长，耗费时间几个小时至几个月不等。该类事故增大了机台的劳动负担和经济损失。

前人对此类事故进行了长期的研究，归纳总结经验，主要解决方式有：强力起拨法、套铣钻具反杆起拨法、留置钻孔分叉钻进法、解卡剂浸泡法等。强力起拨法，是在设备安全负核范围内，强力起拨钻具，将钻具拨出孔外，这种方式在事故刚发生的短时间内或钻孔较浅的情况下，有一定效果；套铣钻具反杆起拨法，是用套筒钻头将钻具与孔壁剥离开，用反丝钻杆将钻具起出钻孔，这种方式耗费时间较长，工人劳动强度较大；留置钻孔分叉钻进法是从孔内被“卡死”而无法取出的钻具的上方，重新钻开一个新钻孔向下施工钻进，这种方式，舍弃了部分钻具，重复了部分工作量，是“收拾”残局的一种补救措施。

解卡剂浸泡法是将解卡剂注入钻孔内，经过浸泡，解除孔壁对钻具的“粘附力”，使得钻具能被顺利提出孔外。常规解卡剂有清水、不分散低固相泥浆、盐水、原油、柴油、煤油、油类复配物、盐酸、土酸、碱水等(冯亿年和李亚刚，2012)。用清水、不分散低固相泥浆替换原浆，降低泥浆密度解除钻具粘附卡钻事故，这种方式处理效果一般，成功率不高；盐水、土酸及盐酸可以分散泥皮(李伟等，2019；马健等，2020)，但是泥皮沉渣向下沉积，容易进一步造成埋、卡钻事故(刘文武等，2019)；柴油、煤油可以离散粘土，降低钻具和孔壁的摩阻系数，但是其分散泥皮效果较弱，效果不甚理想(程志涛等，2017)。解卡剂浸泡法处理粘附卡钻事故，成功率较高，但对地层有一定适应性。

基于生产中“粘附卡钻”事故的高发性及后果的严重性，对“粘附卡钻”的发生机理和应对策略进行研究，科学地进行预防，合理地处理事故，对提高生产效率和经济效益意义重大。

1 “粘附卡钻”事故原因及特征分析

1.1 “粘附卡钻”事故发生机理

1.1.1 “粘附卡钻”事故产生的原因

正常情况下，孔内钻具的周围被泥浆所包围(图1a)，泥浆液柱在钻具四周形成的压强是相等的，P浆1=P浆2=ρgh，钻具各方向受到的泥浆压力也相等，F浆1=F浆2；泥浆液柱水平方向作用于钻具的合力理论上为零。

图1 泥浆液柱压力作用于钻具示意图a—正常情况；b—偏差情况

当钻具静置在钻孔内时，由于钻孔中心线在空间上总会存在些许的倾斜和螺旋情况(陈强等，2017)，而钻具在重力作用下，趋向于竖直下垂状态，钻孔与钻孔内钻具的中心线会出现偏差，部分钻具就紧靠在孔壁上(图1b)，两者接触区域(图1b中A⌒B弧段)的泥浆被挤出，充填在钻具与孔壁之间的泥皮起到封堵作用，隔绝泥浆进入钻具和孔壁之间的间隙，钻具与孔壁紧挨区域没有泥浆(图1b的A⌒B段)，该区域也就没有泥浆压强作用，没有泥浆压力，P浆1=0；而两者紧挨区域相对侧(图1b的A⌒B弧段对侧)钻具受到的泥浆液柱压强不变，P浆2=ρgh，钻具便被泥浆液柱压强压向孔壁；在泥皮、孔壁摩擦阻力共同作用下，钻具“粘附”在固定位置不能位移，发生“粘附卡钻”事故。

1.1.2 “粘附卡钻”力

由图1可知：钻具受到的侧向压强为：

P浆2=ρgh

(1)

式(1)中，ρ为泥浆密度/(kg/m3)；h为钻具所处的钻孔深度/m；g为重力加速度，一般取9.81/(m/s2)。

假设钻具与孔壁间被泥皮封闭的隔绝面积为A，钻具与泥皮的摩擦阻力系数为μ，钻孔内泥浆密度为ρ，则钻具被P浆2压向孔壁，产生的“粘附卡钻”力为：

F粘=F浆2=μAP浆2=μAρgh

(2)

由“粘附卡钻”阻力公式可知：

(1)泥浆密度大小与“粘附卡钻”阻力成正比关系。泥浆密度越大，则孔内液柱的压强越高，钻具被压向孔壁侧壁的压强也越高，“粘附卡钻”压力也就越大。

(2)钻具与孔壁间被泥皮封闭的隔绝面积大小，与“粘附卡钻”阻力呈线性关系。隔绝面积越大，则钻具的“粘附卡钻”压力也越大。而隔绝面积受钻孔结构、钻具配置、泥浆性能等因素的影响。

(3)泥皮、孔壁与钻具的摩擦系数，与“粘附卡钻”阻力大小成正比关系。摩擦系数大，则“粘附卡钻”阻力也就大。泥皮摩擦系数与泥皮的构成和性能关系密切。

1.1.3 “粘附卡钻”事故影响因素

通过上述分析，导致“粘附卡钻”事故的原因有以下几点：

(1)钻孔结构。钻孔的不规整，是导致“粘附卡钻”事故的重要原因。不规整的钻孔，在空间上呈“狗腿”状或者螺旋状，钻具在重力和钻压作用下，钻具与钻孔的中心线在空间轨迹上难以完全重合，钻具一侧被紧压在孔壁上，诱发“粘附卡钻”事故的产生。

(2)钻具与钻孔的级配情况。钻孔与钻具之间的环形间隙愈小，钻具与孔壁间被泥皮封闭的区域就大，钻具静止在孔内时被“粘附”的机率也大，被“粘附”的力也大。

(3)孔内钻具静止时间。钻具静置在钻孔内，致使钻具与孔壁间接触区域的泥浆被挤出，这个过程需要一定的发展时间，短则几分钟，长则几十分钟、几小时(刘志国和刘新丽，1997)，也是导致“粘附卡钻”事故的重要原因。

(4)泥皮性能。①泥皮厚度影响泥皮封堵钻具与孔壁间的封堵面积；②泥皮与钻具间的摩擦阻力系数，直接影响“粘附卡钻”力的大小。

三种因素易形成厚泥皮。一是吸附，泥浆中的固体颗粒吸附在孔壁表面，形成泥皮(赵振云，2016)；二是沉积，泥浆在圆柱形钻孔内流动，中部流速较高而近孔壁附近流速缓慢，近孔壁处泥浆的固体颗粒就容易沉积于孔壁，形成泥皮(乌效鸣等，2002)；三是滤失作用，泥浆与渗透性地层接触后，泥浆中水分都会向地层渗透流失，泥浆中的固体颗粒和泥浆材料等被过滤沉积于孔壁表面，形成泥皮(范正青和邵启昌，1986)。

(5)地层属性。易产生虚厚泥皮的地层，较易发生“粘附卡钻”事故：①地层岩石疏松、强度低，易滤失水分，形成虚厚的泥皮(郑思光等，2011)；②具有较高的亲水性，表面离子表现出极性，吸附泥浆中的异性电荷粒子，异性电荷粒子在孔壁上累积，累积物在泥浆液柱压力、钻具与孔壁的挤压下失去部分水分，在孔壁上形成一层厚度较大的泥皮(何玉云等，2016)；③岩层本身具备造浆能力，遇水后分化扩散，形成粘稠状胶状体，与泥浆沉着物共同形成虚厚的泥皮(肖东顺等，2019)。

1.2 “粘附卡钻”事故因素的特征

由“粘附卡钻”事故的因素分析，将“粘附卡钻”影响因素归纳为钻进设计、泥浆设计、施工工艺、客观原因4个方面。

钻孔结构、钻具与钻孔级配等，是钻进设计的结果，是项目开工前事先做的规划；泥皮性能是由其配方决定的；孔内钻具的静止时间，是施工工艺规定，施工操作具体实施的；地层属性是客观原因，施工时只能尽力克服而无法改变或回避。

当“粘附卡钻”事故发生时，“孔内钻具的静止时间”是诱因，已经发生，无法改变；“钻孔结构”、“钻具与钻孔的级配情况”是施工结果，无法改变；“泥皮性能”是泥浆工艺设计后实施产物，是客观原因，“地层属性”也是客观原因。

“泥皮性能”和“地层属性”这两个客观因素可通过改变泥浆的某些性能指标，使其向有利于解决“粘附卡钻”事故的方向发展。方式有物理和化学两种手段，物理手段是用常规套铣的方式，机械清除被“封堵”钻具与孔壁间接触区域的泥皮，消除“粘附卡钻”阻力，解决“粘附卡钻”事故；化学手段是通过化学方法“消融”泥皮，从而达到去除“粘附卡钻”阻力，解决“粘附卡钻”事故。

物理手段较为繁琐、劳动强度较高，化学手段相对省事、高效，所以一般优先选择化学方式。化学方式处理事故，解卡剂的选择尤为重要。

2 泡碱处理粘附卡钻机理

泥皮是由大量粘土和少量无机处理剂、高分子有机处理剂共同组成的混合物(余桂红，2018)。能够水化分解粘土的处理剂，就能很好地水化分散泥皮，也就可以作为处理“粘附卡钻”事故的解卡剂。解卡剂效果的优劣就是其水化分散粘土性能的优劣，选择解卡剂就是对其水化分散粘土性能优劣的选择。

2.1 用粘土—水界面扩散双电层理论分析选择解卡剂

粘土—水界面扩散双电层理论认为，在碱性溶液中粘土颗粒带负电荷，阳离子被吸附到粘土颗粒表面，成为相对应的负、正电荷浓集层。由于分子浓度差和热运动的作用，吸附与扩散运动共存，粘土颗粒与水的界面阳离子浓度由高到低分布成扩散双电层(图2)(乌效鸣等，2002)。

图2 粘土—水界面扩散双电层示意图

扩散层的厚薄是粘土水化效果的重要体现，滑动面处与水溶液粒子浓度均匀处的电动电位(ζ)越高，扩散层中阳离子越多，扩散层越厚。

我国的膨润土粘土大多为钙膨润土(胡国安等，1983)，用火碱液对膨润土进行处理，可将粘土中Ca2+置换为Na+，Na+为一价阳离子，促使粘土颗粒的ζ电位升高，增大粘土颗粒周围的扩散层和水化膜，增强粘土水化分散程度。

所以，火碱液对粘土颗粒水化分散有很好的促进作用。泥皮是粘土的聚合物，NaOH对粘土的作用同样也作用于泥皮，火碱溶液促进泥皮进一步水化分散(刘东柱，2011)，使其瓦解消融于泥浆体系中。同时，火碱液也促使泥浆中粘土颗粒进一步水化分散，改善泥浆性能，使泥浆体系更为稳定、密度降低、失水量减小等，缓解“粘附卡钻”事故形成的趋势。

2.2 火碱溶液在泥浆中的作用

查阅文献及实践经验总结，火碱溶液在泥浆中的作用有：

(1)提供大量的Na+离子，交换粘土颗粒表面原来吸附的高价阳离子(如Ca2+、Mg2+等)，增强粘土的水化能力(潘广灿和张金来，2011)。

(2)电离出大量的Na+和OH-离子，提高泥浆的pH值(王朝垒等，2011)。

(3)使难溶的有机酸变为易溶的盐，如泥浆处理剂单宁酸、腐殖酸等，在水中的溶解度很小，不易被粘土吸附，用火碱中和后生成单宁酸钠或腐植酸钠等(陈伟武，2013)，变得极易溶于水而分散于泥浆中。

(4)使聚丙烯酰胺、聚丙烯腈等高分子化合物变成水溶性的处理剂(林金福等，2009)。

2.3 解卡剂的选定

通过粘土—水界面扩散双电层理论和火碱液在泥浆中的作用性能等因素分析，用火碱液作为解卡剂，既能加速泥皮中粘土颗粒水化分散，又能升高泥浆的pH值，促进泥皮中高分子泥浆处理剂溶解分散，消融钻具与孔壁间的虚厚泥皮，减少钻具与孔壁间被泥皮封闭的隔绝面积，使循环液浸入钻具与孔壁间的间隙，消除“粘附卡钻”力，解除“粘附卡钻”事故。

综合分析，处理水敏性地层“粘附卡钻”事故，火碱液是较为理想的解卡剂。

3 工程应用

3.1 “粘附卡钻”事故情况

3.1.1 工程简介

2019年河南省通许凸起许昌—鄢陵岩溶热储地热资源调查项目，实施钻探地热勘查井，为地热资源调查评价提供依据。

施工设备选用GZ-2600型钻机，T-27 m人字型钻塔，TBW850/5A型泥浆泵；配备钻具为：φ215.9 mm 三牙轮钻头+φ159 mm钻铤+φ89 mm钻杆。

地热勘查井于2020年4月30日开钻，10月4日终孔，终孔孔深2203.98 m。钻孔揭示地层岩性情况见表1。

表1 钻孔地层岩性统计表

3.1.2 事故现场情况

在孔深2169 m处，由于检修水泵，钻具悬吊于钻孔内5个小时，随即钻具出现既不能上提、下落，也不能回转转动的情况，“粘附卡钻”事故发生(汤凤林等，1997)。

事故发生时，钻具结构为：φ215.9 mm三牙轮钻头+φ159 mm钻铤(每根长9.4 m左右，共10根)+φ89 mm钻杆/φ159 mm变径接头(长5.4 m)+φ89 mm钻杆+立轴；井孔为φ625 mm→φ445 mm→φ311 mm→φ245 mm→φ215 mm孔身结构，上部 120 m 下入φ605 mm×7 mm螺旋钢管做孔口管。井孔孔身结构详见图3。

图3 地热勘查井井身结构图

3.2 常规方式处理“粘附卡钻”事故的现场尝试

3.2.1 “粘附卡钻”事故的综合研判

由表1可知，井孔地层是水敏性地层，属浸润型、可自己造浆、易形成虚厚泥皮的地层(胡继良和陶士先，2011)。

钻头和钻铤下部30 m处的岩层为石灰岩和细粒砂岩夹泥岩；钻铤上部64 m处在泥岩、细砂岩岩层，局部是粉砂岩。前期测量显示，钻孔孔径规整，孔斜较小，基本属于竖直状，没有明显“狗腿”孔段，2000 m孔深处孔斜仅为0.9°，所以，上部φ89 mm钻杆被“粘附卡钻”的可能性不大，下部φ159 mm钻铤由于与钻孔间隙较小，更易发生“粘附卡钻”。

综合研判，“粘附卡钻”区域为φ159 mm钻铤孔段。解决该类地层“粘附卡钻”事故，消除钻孔的虚厚泥皮，是理想的途径。

3.2.2 常规处理方式的尝试

事故发生后，在强力提拔法失败后，配制不分散低固相泥浆作为解卡剂，用大泵量冲孔方式，处理“粘附”泥皮事故。

现场将泥浆调制为不分散低固相泥浆。不分散低固相泥浆的配比：一立方泥浆中，山东高阳膨润土加入35 kg；纯碱加入5 kg；加入0.3%中粘Na-CMC(取代度为0.8～0.85、聚合度为200～600)；加入100 ppm的PHP(分子量300万～500万、水解度30%左右)。泥浆性能为：比重1.04；粘度19 s；失水量8 ml/30 min；泥皮厚度0.55 mm；pH值为8.2。

用不分散低固相泥浆以850 L/min大泵量冲孔，冲孔6 h后，无明显效果，以失败告终。

3.3 火碱处理方式的应用

常规方式尝试失败后，决定用火碱液为解卡剂“消融”泥皮，处理“粘附卡钻”事故。

解卡剂用量为：钻铤孔段的环状体积(0.2162-0.1592)×3.14÷4×94=1.577 m3。

为保证解卡剂能完全充分浸泡钻具，钻铤上部50 m孔段的环状空间也将泥浆置换为火碱解卡剂。钻铤上部50 m孔段环状空间体积为(0.2162-0.0892)×3.14÷4×50=1.520 m3。

解卡剂浸泡液的总体积为：1.577+1.520=3.097 m3。

考虑钻孔扩径因素，取充盈系数1.3，最终制作火碱解卡剂量为：3.097×1.3=4.03 m3。

替浆体积的计算：φ159 mm钻铤内径为 58 mm，总长为94 m，内腔容量=0.0582×3.14÷4×94=0.25 m3。

φ89 mm钻杆：内径为70.2 mm，总长为 2075 m，内腔容量=0.07022×3.14÷4×2075=8.03 m3。133 mm×133 mm方钻杆：内径为82 mm，长度为16 m，内腔容量=0.0822×3.14÷4×16=0.08 m3。φ89 mm高压管：内径为60 mm，长度为 16 m，内腔容量=0.062×3.14÷4×16=0.05 m3。φ127 mm高压输浆管：内径为108 mm，总长度为 50 m，内腔容量=0.1082×3.14÷4×50=0.46 m3。

泥浆泵活塞缸：0.15 m3、φ200 mm泥浆泵进水管内径为160 mm，总长度为8 m，内径容积=0.162×3.14÷4×8=0.16 m3。泥浆循环回路需要替浆总体积为：0.25+8.03+0.08+0.05+0.46+0.15+0.16=9.18 m3。

为防止替浆过多替换解卡剂而减少解卡剂浸泡区域，影响解卡效果，替浆的用量取0.97的系数。替浆量最终采用8.9 m3。

3.4 事故处理过程

解卡剂的制备：首先将700 kg水注入1.2 m3的搅拌箱内，然后缓慢加入火碱200 kg，待火碱基本溶化后，再徐徐加水，至火碱溶液体积为1 m3，充分搅拌至火碱完全溶解为止。

替浆的准备：采用前期配制的不分散低固相泥浆。

火碱解卡剂、替浆注入过程：(1)用不分散低固相泥浆充分循环，然后将4.03 m3火碱解卡剂用水泵打入钻杆——钻孔循环回路；(2)随后将8.9 m3的不分散低固相泥浆打入钻杆——钻孔循环回路中；(3)关死泥浆回路阀门，封闭冲洗液循环回路，使火碱液解卡剂浸泡钻头——钻铤孔段。

解卡剂、替浆用小泵量注入，使解卡剂和替浆以层流流型和液柱状态进入钻具、孔壁的间隙，替换出原浆，防止因注入过快而以小股窜流形态在钻具与孔壁间隙的形成间槽，局部替换原浆。

替浆打完，静置18 h后交替缓慢上提、回转钻具，克服钻具轻微卡顿后，顺利将钻具上提100 m，解除了“粘附卡钻”力。用不分散低固相泥浆大泵量循环冲孔40 min后，继续正常钻进。“粘附卡钻”事故处理成功。

4 结论及建议

(1)“粘附卡钻”与钻孔结构、泥浆性能、钻具在孔内静置时间、地层岩性密切相关。

(2)密度小、失水量低、泥皮薄、泥皮摩阻系数小的泥浆，可减少“粘附卡钻”事故的发生。

(3)水敏性地层等易浸润地层、砂岩地层等易滤失地层，属于易发生“粘附卡钻”事故的地层；钻铤在这类地层孔段，静置时间不能过长；若钻具静置孔内时间较长时，应将钻铤悬吊于非浸润型、低滤失型、钻孔顶角较小的地层孔段；施工中应时常不间断地上下窜动钻具进行“划眼”，以降低“粘附卡钻”事故的发生机率。

(4)处理“粘附卡钻”事故的方式有：强力起拨法、套铣钻具反杆起拨法、留置钻孔分叉钻进法、解卡剂浸泡法等。

解卡剂浸泡法是一种省力省事、经济高效的方法。常规解卡剂有清水、不分散低固相泥浆、盐水、原油、柴油、煤油、油类复配物、盐酸、土酸、碱水等。清水、不分散低固相泥浆适用于除渗漏性地层以外的所有地层，可作为事故前期的尝试手段；盐水、土酸及盐酸在各类地层的浅孔孔段，可以采用；柴油、煤油处理硬岩钻孔“粘附卡钻”事故，情况良好。

高浓度火碱液解卡剂，适宜处理水敏性地层“粘附卡钻”事故，工序简单，成功率较高，效果较好。