耿書肖,張永青,奚國銀,彭艷香

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第六鉆井工程分公司,河北晉州 052260)

水平井卡鉆事故處理實踐及預防措施探討

耿書肖,張永青,奚國銀,彭艷香

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第六鉆井工程分公司,河北晉州 052260)

冀中地區(qū)第三系地層以紫紅泥巖、灰色細砂巖為主,泥巖造漿能力較強,有些地區(qū)地層很不穩(wěn)定,給鉆井施工帶來難度,特別是水平井施工工藝復雜,極易發(fā)生卡鉆事故,一旦發(fā)生卡鉆事故,處理不當,損失巨大。通過一口水平井事故的發(fā)生、事故成功解除為例,總結出水平井施工過程中的復雜事故預防措施,對該地區(qū)及其它地區(qū)水平井施工提供一些借鑒。

華北油田;水平井;LWD;卡鉆;解卡

水平井因為井眼貫穿油層段長,單井產量是普通直井產量的幾倍到數(shù)倍,從而受到各油田企業(yè)的廣泛重視。同時水平井因施工作業(yè)工序繁復,儀器昂貴,泥漿材料費用高,屬高難度、高成本定向井,施工作業(yè)中稍有不慎將會損失慘重。西柳 10平 1井是一口設計垂深 3145117 m、斜深 3665120 m的中曲率水平井,完鉆層位 Es3,實鉆垂深 3146104 m。當二開鉆至 3321165 m測斜時發(fā)生井塌卡鉆事故,后經過注入解卡劑浸泡鉆具、調整鉆井液密度、重晶石加重、清除井內石灰石及劣土含量、充分循環(huán)、震擊等措施成功解卡。本文結合西柳 10平 1井事故分析查找原因,總結處理經驗,探討事故的預防措施,對于水平井安全施工具有非常重要的意義。

1 地質情況

1.1 構造特征

西柳 10平 1井位于河北省高陽縣小王果鄉(xiāng),冀中坳陷饒陽凹陷蠡縣斜坡西柳 10斷塊。西柳 10斷塊沙一下段和沙三段的構造形態(tài)具有較好的繼承性,北高南低,軸部分布平緩,傾角 4°～5°。自上而下鉆遇第四系平原組和上第三系明化鎮(zhèn)組、館陶組以及下第三系的東營組、沙河街組。明化鎮(zhèn)組地層以砂泥巖互層為主,穩(wěn)定性差,滲透性好,易造成縮徑、井壁垮塌。東營組地層以紫紅色泥巖為主,其造漿能力較強,個別地區(qū)地層含有油頁巖,油頁巖極不穩(wěn)定。

1.2 地質分層 (見表 1)

表 1 地質分層情況表

2 工程設計

2.1 井身結構 (見圖 1)

圖 1 井身結構示意圖

2.2 井身軌跡設計 (見表 2、表 3、圖 2)

3 施工情況

西柳 10平 1井 2006年 2月 28日一開,3月 3日二開。2881 m井深處開始造斜,鉆至井深 3160 m井斜 60°時,中途電測后下入 LWD繼續(xù)造斜至3276101 m入窗,4月 1日鉆至 3321165 m(水平段45164 m),測斜時發(fā)生卡鉆。浸泡解卡劑后于 4月7日 9:30循環(huán)震擊解卡。解卡后起出 LWD,下鉆頭加 1根鉆鋌通井,下鉆順利一次到底。短起時基本順利,但下鉆至 3060 m遇阻,2680～3010 m處的灰色泥巖、油頁巖地層垮塌,劃眼非常困難,返出大量巖屑,劃眼多次才到底。經請示甲方提高泥漿密度至 1130 g/cm3,同時加入大量防塌劑后井下方趨于正常?；謴蜕a后泥漿密度一直維持在 1130 g/cm3,將原鉆具組合中的 LWD改為MWD加伽瑪順利地鉆至 3505 m完鉆。

實際井身軌跡如圖 3所示。

表 2 水平井剖面設計

表 3 水平井軌跡設計明細表

圖 2 西柳 10平 1水平井井眼軌跡設計圖

4 事故發(fā)生經過

2006年 4月 1日 13:20下鉆到底,15:20循環(huán)測后效,鉆進至 17:00井深 3302154 m時,根據甲方現(xiàn)場指令補測 3275～3286143 m LWD曲線。20:10～21:00鉆進至 3307198 m,22:00循環(huán)測斜。22:40鉆進至 3312112 m,4月 2日 4:45反復循環(huán)測斜(期間間斷鉆進 3 m)。5:18鉆進至 3321165 m打完方入,5:28循環(huán)劃眼 (工程要求),5:31測斜未成,5:35循環(huán)活動,5:40離井底 1164 m重測井斜,方位測不出。之后即上提鉆具遇卡,下放到 600 kN方余放完,轉動無效。6:00提高排量至 35 L/s循環(huán),最大上提 1600 kN,鉆具卡。

圖 3 西柳 10平 1井設計與實鉆水平投影圖和垂直剖面圖

鉆具組合:“216 mm PDC+“172 mm ×1125°單彎單扶螺桿 +“172 mm LWD組合 (13158 m)+“127 mm NWDP×2根 +“127 mm DP×69根 +“127 mm WDP×20根 +“159 mm震擊器 +“127 mm WDP×9根 +“127 mm DP。

泥漿性能:密度 1125 g/cm3,粘度 52 s,中壓失水 312 mL,泥餅厚 015 mm,初切力 4 Pa,終切力 7 Pa,含砂量 012%,pH值 815,高溫高壓失水 915 mL,45 min摩阻系數(shù) 0104,土般土含量 64 g/L。

5 事故處理過程

卡鉆發(fā)生后,活動鉆具,間斷開泵循環(huán)保持水眼暢通,等解卡劑。

4月 3日 6:40注解卡劑 1915 m3,浸泡井段2835～3321165 m。到 4月 6日 8:00浸泡、活動、下?lián)魺o效,測卡點 3085 m。

4月 6日 11:30研究決定再打解卡劑浸泡。用重晶石加重原漿密度,調整泥漿性能,控制中壓失水量 <3 mL,高溫高壓失水量 <715 mL,替出井內的解卡劑,準備第二次注入 30 m3解卡劑浸泡。

6日 14:00開始處理泥漿,除去有害固相及石灰石,補充滿所有循環(huán)罐及 40 m3儲備罐 (新上 40 m3罐),總泥漿量達到 150 m3,保證一次連續(xù)將井內泥漿替出。用重晶石加重,加入 015%防塌劑 FT103及乳化瀝青,015%S MP,密度 1125 g/cm3,充分地面循環(huán),使性能達到要求。

7日 1:05替解卡劑,緩慢開泵逐漸增大替漿排量至 33 L/s,2:05解卡劑返出地面,8:00循環(huán)處理泥漿,循環(huán)過程中有大量的大塊地層掉塊返出。測卡點 3019 m,9:30循環(huán)、震擊解卡。

6 卡鉆的性質及分析

分析認為,該井卡鉆是砂橋卡鉆或以巖屑床卡鉆為主,可能也有粘卡的成份。而巖屑床的形成不是水平段的巖屑,是井壁大量掉塊下沉至大井斜段下井壁未及時帶出所形成,理由有以下幾點:

(1)卡鉆前 4 m巖屑錄井發(fā)現(xiàn)異常,3318～3320 m巖屑中發(fā)現(xiàn)大量泥餅,這是井壁垮塌的前兆。而 3321156 m巖屑中有近 20%的剝落掉塊的片狀巖屑,這是以前未有的。

(2)卡鉆后循環(huán)過程中高架槽發(fā)現(xiàn)大量的垮塌巖屑。

(3)在打解卡劑過程中,當解卡劑進入環(huán)空后泵壓由 17 MPa升高至 21 MPa后降為 19 MPa,這應該是解卡劑推動巖屑運移所至。

(4)替出解卡劑過程中返出大量的井壁垮塌砂樣,掉塊很大。經地質技術人員確認,主要是 2954～3006 m井段的巖屑。

(5)替出解卡劑后,循環(huán) 715 h下?lián)魯?shù)次解卡,解卡瞬間泵壓由 16 MPa上升至 18 MPa,說明砂子活動后解卡。

(6)解卡后,有大量的大塊巖屑返出,不敢停泵。

(7)解卡后起出 LWD,下鉆頭加 1根鉆鋌通井,下鉆很順利,一次到底,短起時基本順利,但下鉆至3060 m遇阻,劃眼非常困難,返出大量巖屑,經地質確認是 2680～3010 m處的灰色泥巖及油頁巖。劃眼多次才到底,分析井下仍在垮塌,請示甲方將泥漿密度提高至 1130 g/cm3,又加入大量防塌劑,井下方趨于正常。之后一直采用密度 1130 g/cm3的泥漿鉆進,井下施工都比較正常,直到完鉆。

7 卡鉆原因分析

7.1 砂橋形成的最主要原因是井壁不穩(wěn)

首先浸泡時間過長是造成井壁不穩(wěn)定的原因。鄰井均已證實,該區(qū)塊地層油頁巖及其以下地層的泥巖極不穩(wěn)定,浸泡一定時間,一般是 5天左右,將發(fā)生垮塌,而且垮塌是周期性的。本井定向施工以后,由于MWD、LWD儀器信號不穩(wěn)定的原因反復測斜,反復扭方位造成鉆井速度慢,從 2881 m開始定向,到 3276181 m著陸,后鉆至卡鉆時的井深3321165 m,進尺僅 440165 m,卻耗時 21153天。其中在卡鉆前有長達 6 h 5 min的時間進尺只有 3 m,時間主要用在了反復測斜上。

其次是泥漿密度偏低造成井壁不穩(wěn)定。鄰井施工時使用的泥漿密度都在 1128 g/cm3以上,而本井設計泥漿密度最高為 1125 g/cm3。設計用石灰石加重泥漿密度的極限為 1125 g/cm3。

7.2 大量剝落掉塊甚至垮塌巖屑未及時帶離大井斜段是造成砂卡的直接原因

首先是大井眼的存在造成大塊巖屑攜帶困難,電測證實 2954～3006 m油頁巖井段平均井徑 3015 cm,井徑擴大率 41%,鉆進過程中排量 33 L/s,返速0155 m/s。

其次是反復測斜,間斷開泵停泵,巖屑運移效果大受影響。

7.3 不排除粘卡的可能性

用石灰石加重 (石灰石用量過大,卡鉆前已使用 130 t)泥漿中固相含量過高 (實測已達 18%),造成泥餅質量差,實測其它性能均達設計要求,摩阻系數(shù) 45 min僅 0104(設計 <0108),高溫高壓失水量915 mL(設計 <10 mL)。

其次是測斜要求每打完一個單根,循環(huán)劃眼到底后,上提鉆具 1～115 m,停泵 1 min后再開泵 4 min左右讀數(shù)據,并且測斜期間鉆具不能活動,鉆具共靜止時間 5 min以上。

8 水平井事故復雜預防措施

針對西柳 10平 1井的卡鉆事故,結合近幾年來水平井施工的經驗,提出水平井的事故復雜預防措施。

(1)加強井眼的凈化。由于水平井井斜大、位移大,鉆屑受自身重力的作用向下運動,如果沒有外力的作用,在井眼下井壁越積越多,從而形成鉆屑沉積床,使問題復雜化。為了保證井眼的凈化,可采用以下一些措施。

①保證足夠的泵排量,即保證足夠的環(huán)空返速,以破壞巖屑床的形成,從而達到清洗井壁的效果。國外大量研究表明,在各種井斜角下,無論使用層流還是紊流,提高泥漿的環(huán)空流速都能提高清巖效果,隨著排量的提高,鉆屑沉積床的厚度迅速減少,當排量高于“臨界”值后,鉆屑沉積床的厚度基本為零。為此在大斜度井中應保持盡量高的環(huán)空流速。

②井斜超過 55°以后采用紊流的清除效果更好。研究表明,在井斜角 <45°的井中,層流能產生最佳的井眼清潔效果,增加泥漿屈服值將提高清井效果。而在井斜 >55°井中紊流的清除效果更好。紊流只取決于流體的動量特征,而與泥漿的流變性無關,所以在大斜度井 (55°以上),增加泥漿屈服值和泥漿塑性粘度不能改善井眼凈化效果。

③提高鉆井液粘度可增加鉆井液對鉆屑的粘附力,減小鉆屑在流動鉆井液中滑脫速度,便于隨鉆井液帶出井筒。

④在允許的情況下加大泥漿密度,好比降低了重鉆井液中鉆屑的密度或增加了鉆屑在泥漿中的浮力。

⑤增加泥漿的屈服值 (層流)、降低泥漿靜切力可以改善環(huán)空的凈化效果。當泥漿紊流時,環(huán)空的凈化效果與泥漿的流變性無關。當泥漿層流時,增加泥漿的屈服值可以大幅度改善環(huán)空的凈化效果,當井斜角增加到 70°以上時,屈服值對井眼凈化的影響下降。

⑥在大斜度、水平井段有計劃地進行短起下作業(yè),以起到破壞巖屑床、清洗井壁的效果。在大井斜井眼里,鉆桿緊貼下井壁,鉆具上下活動時,鉆桿接頭部分能刮開已形成的巖屑沉積床,使巖屑沉積床散開到環(huán)空泥漿中,便于泥漿帶出井口,從而有助于井眼凈化。

⑦在滑動鉆進中經常性地旋轉鉆柱可以攪動鉆屑,從而產生更好的凈化效果。旋轉的鉆具可以攪動泥漿,同時帶動泥漿里的巖屑,阻止它滑脫下沉。鉆柱的旋轉有助于流動的泥漿中產生紊流,用較高粘度的流體時鉆柱旋轉可大幅度提高清潔效果。

⑧在鉆速較快的井段要有意識地控制鉆速。隨著鉆速增加,單位時間內產生的鉆屑量增加,從而增大了巖屑堆在一起的機會,因此在快鉆時要有意識地控制鉆速,以便更好地清除巖屑。

⑨盡量減少鉆進過程中泥漿靜止的時間。接單根和其它不能正常循環(huán)泥漿的情況下,泥漿巖屑量很容易下沉到下井壁,停的時間越長,沉積越徹底,因此應該盡量避免這種情況的發(fā)生。

⑩科學有效地運用好地面固控設備,減少鉆屑第二次入井。一般水平井要求振動篩≮120目,同時要求用好除砂器、離心機等固控設備。

(2)保持井壁穩(wěn)定是鉆井是否安全的一個重要環(huán)節(jié),井壁失穩(wěn),更容易造成水平井發(fā)生事故。

①要有足夠的泥漿密度,以滿足穩(wěn)定井壁所需要的足夠支撐力。

②高質量的泥餅薄、韌而有彈性,能阻止泥漿進一步失水。高質量的泥餅能牢牢地吸附在井壁上,不會掉下來而引起近井壁地層的第二次吸水,當然高質量的泥餅還有好的潤滑性能。

③降低泥漿失水,特別是高溫高壓失水,最低限度地減少濾液的侵入?？刂茷V失量以使因化學或物理作用而造成的地層損害程度降到最小。

④加快鉆井速度,縮短鉆井周期,以減少井壁的浸泡時間。

(3)防止粘吸卡鉆,改善泥餅質量,防止虛泥餅的形成,降低泥餅的附著力,且泥餅的潤滑性能要好。

(4)鉆柱在造斜井段會產生較大的彎曲應力,易造成鉆具的疲勞破壞,特別在鉆柱旋轉時彎曲井段的鉆柱受交變應力作用,鉆柱極易發(fā)生疲勞破壞,因此結構的選擇以順利通過大曲率段井眼為原則。鉆具組合盡量減少過多的轉換配合,盡量減少造斜井段鉆柱剛性,從而防止斷鉆具事故的發(fā)生。

(5)優(yōu)選鉆頭,杜絕鉆頭事故的發(fā)生。在斜井段使用 PDC鉆頭時,應選用短保徑、便于造斜的高效的鉆頭,牙輪鉆頭應選用適用于高轉速、帶金屬密封的牙輪鉆頭。該類型鉆頭使用壽命長,以減少鉆頭發(fā)生的事故。

(6)采用高效螺桿,螺桿使用壽命要長,強度要高。螺桿是水平鉆井必不可少的重要設備,同時也是最易損壞的設備,水平井中如果發(fā)生斷螺桿掉井事故,打撈非常困難,該井眼很有可能因為無法打撈而報廢,因此,必須選好、選準螺桿。

(7)施工中每鉆進 1～2趟鉆倒換彎曲井段的鉆柱位置,避免鉆柱長時間受交變應力的作用、鉆柱的疲勞失穩(wěn)破壞。

(8)造斜段和水平段全部使用斜坡鉆桿,加重鉆桿放在直井段,減小鉆柱摩阻,增加鉆柱的抗壓失穩(wěn)能力。由于鉆具在斜井段是貼下井壁的,直角鉆桿會增加下放阻力,同時還會刮壞井壁泥餅。加重鉆桿剛性大,在大曲率井眼中對加重鉆桿損壞嚴重,同時增加摩阻,因此應該將加重鉆桿放在直井段。

(9)滑動鉆進時,一個單根最后 2～3 m可盡可能采用復合鉆進的方式鉆進,鉆完一個單根應進行一二次劃眼,然后下放到底,再接上單根后測斜。這樣能有利于攜帶巖屑。

(10)在造斜率允許的條件下盡量多采用復合鉆井的方式鉆進,這樣既可改善井眼的平滑性,又可促進鉆屑的返出。

(11)加強協(xié)調工作,加快施工進度,縮短浸泡時間,避免垮塌卡鉆。

(12)加強井身軌跡的控制,提高井眼軌跡與設計軌跡的符合率,盡量減少曲率的忽增忽降,盡量減少局部井眼曲率的過大。

(13)使用帶有頂驅裝備的鉆機施工水平井,可以倒劃眼起鉆,能有效地破壞已形成的巖屑床。

(14)加強設備的維修和保養(yǎng),保證鉆井的連續(xù)性。

9 結語

在西柳 10平 1井之后 2年多的時間里,公司很好地吸取西柳 10平 1井的事故教訓,在 10個不同的區(qū)塊相繼施工了 35口水平井,在每口井的技術交底時,工程技術部門都要詳細闡述水平井的事故預防措施,讓參與作業(yè)人員熟悉施工要領,對關鍵細節(jié)做到心中有數(shù),提前預防合理安排生產,對照、落實技術措施,基本沒有發(fā)生過復雜事故,全都安全順利交井。同時對水平井復雜預防措施,在實踐中不斷地進行著總結、完善。

總之,水平井施工工藝復雜,工具昂貴,為了保證井下安全,必須確保井壁穩(wěn)定,搞好井眼凈化工作,改善泥餅質量,提高泥漿的潤滑性能。

[1] 李東立.水平井事故的預防措施[J],內蒙古石油化工,2007,33(9):57-58.

[2]鄧國巖,李松林.冀東油田水平井鉆井技術[A].中國石油天然氣集團公司鉆井承包商協(xié)會論文集 (2007)[C].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[3] 蔣希文.鉆井事故與復雜問題 (第二版)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

Treatment Practice for Sticking Fa ilure in HorizontalWell and Discussion on the Prevention M easures

GENG Shu-xiao,ZHANG Yong-qing,XI Guo-yin,PENG Yan-xiang(No.6 Drilling Engineering Company,CNPC BohaiDrilling Engi-neering Co.,Ltd.,Jinzhou Hebei 052260,China)

Teriary strutum in Central Hebei is mainly of purplish2red mudstone and fine grey sandstone with strong mud-stone mud making,some formations are very unstable,which make drilling construction difficult with drill bolcking.The paper summed up the prevention measures for complicated accident in horizontal well construction with a successful treat-ment case,which could be the reference to horizontalwell construction in Central Hebei district and other places.

North2China oil field;horizontalwell;LWD;sticking failure;jam release

TE28

A

1672-7428(2010)02-0009-05

2009-11- 20;

2010-01-06

耿書肖 (1965-),男 (漢族),河北欒城人,中國石油渤海鉆探工程有限公司第六鉆井工程分公司工程師,鉆井專業(yè),從事鉆井現(xiàn)場管理工作,河北省晉州市渤海鉆探第六鉆井工程分公司,hbygsx@163.com;張永青 (1966-),男 (漢族),河北衡水人,中國石油渤海鉆探工程有限公司第六鉆井工程分公司工程技術服務中心主任,鉆井專業(yè),從事鉆井技術管理工作。