海上復(fù)雜軌跡井壓差卡鉆解卡工藝

程 忠，宋吉明，項(xiàng)春生

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司廣東深圳 518067）

南海東部多數(shù)海上油田已進(jìn)入開發(fā)后期，含水率高，采出程度高，油田產(chǎn)量遞減快[1]。為減緩油田產(chǎn)量遞減速度，挖掘主力油藏剩余油富集區(qū)和周邊構(gòu)造潛力，實(shí)施加密調(diào)整井，進(jìn)一步完善主區(qū)生產(chǎn)井網(wǎng)成為維持油田穩(wěn)產(chǎn)的主要手段[2]。陸豐13-1油田位于中國南海珠江口盆地陸豐凹陷南部惠陸低凸起，是發(fā)育在北部坳陷帶內(nèi)基底隆起上的背斜構(gòu)造，該油田新近系油藏于1993年投產(chǎn)，已開發(fā)25年，油田已進(jìn)入生產(chǎn)后期，利用高含水低產(chǎn)老井側(cè)鉆調(diào)整井來開發(fā)新近系剩余油富集區(qū)成為挖潛剩余油的有效途徑。由于陸豐13-1油田新近系海陸過渡相砂巖油藏沉積環(huán)境的復(fù)雜性，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，砂體及剩余油分布復(fù)雜[3]，鉆井施工井眼軌跡復(fù)雜，摩阻扭矩大；加之平臺鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)入設(shè)計(jì)壽命中后期階段，設(shè)備不斷降級，頂驅(qū)高轉(zhuǎn)速連續(xù)扭矩輸出小，泥漿泵輸出流量低，井眼清潔難度大，作業(yè)過程中稍有不慎將導(dǎo)致嚴(yán)重的井下事故。

A井是陸豐13-1油田一口水平井，目的層為新近系珠江組2500層油藏，設(shè)計(jì)完鉆井深4018.76 m，設(shè)計(jì)完鉆垂深2536.5 m。該井在下?177.8 mm套管過程中發(fā)生壓差卡鉆，在處理卡鉆過程中，采用機(jī)械解卡、浸泡解卡液、降低壓差海水沖刷的措施，最終逐步達(dá)到解卡的目的。本文通過對A井發(fā)生卡鉆的原因進(jìn)行深層次分析，總結(jié)解卡思路和經(jīng)驗(yàn)，探討卡鉆的預(yù)防措施，對同類復(fù)雜軌跡井的安全施工和處理卡鉆事故具有很好的借鑒意義。

1 基本情況

1.1 地質(zhì)情況

陸豐13-1油田新近系地層厚約2560 m，地質(zhì)層系自下而上為中新統(tǒng)珠江組、韓江組、粵海組和上新統(tǒng)萬山組地層。韓江組地層底部為砂泥巖互層，向上為厚層泥巖夾泥質(zhì)、鈣質(zhì)粉砂巖。珠江組地層以砂巖、粉砂巖和泥巖交互剖面為主，夾少量灰?guī)r和白云巖。珠江組開發(fā)的含油層段主要為2370層和2500層兩個含油層組，均屬于濱岸相沉積的中孔、高滲油藏，其間為一套致密灰?guī)r分隔。

1.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

A井是將高含水低產(chǎn)井進(jìn)行棄置后，在老?244.5 mm套管內(nèi)開窗側(cè)鉆的新井，設(shè)計(jì)側(cè)鉆?215.9 mm井眼著陸，鉆?152.4 mm井眼水平段，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見圖1。

1.3 軌跡設(shè)計(jì)

A井設(shè)計(jì)在1250 m進(jìn)行?244.5 mm套管開窗側(cè)鉆，降斜增方位，以39.42°井斜穩(wěn)斜至2397 m，進(jìn)行增斜降方位，以3.2°/30 m造斜率連續(xù)造斜至著陸，井眼軌跡為典型的三維井，設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)見表1。

表1 A井設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)

2 套管卡鉆經(jīng)過

2.1 下套管前通井情況

A井側(cè)鉆?215.9 mm井眼至斜深3330 m（垂深2536.12 m）著陸中完后，使用井內(nèi)鉆進(jìn)鉆具進(jìn)行了通井作業(yè)，通井過程井眼順暢、無阻卡。下鉆到底循環(huán)清潔井眼至振動篩返出干凈后，循環(huán)調(diào)整鉆井液性能，循環(huán)池加入潤滑劑石墨2t、塑料小球2t并替入裸眼井段，提高鉆井液潤滑性。下套管前鉆井液性能：密度1.24g/cm3，漏斗黏度51s，塑性黏度21 mPa·s，屈服值13Pa，濾失量3.0 mL，泥餅厚0.5 mm，初切力4Pa，終切力5.5Pa，含砂量0.3%，固相含量8%，膨潤土含量11kg/m3。

圖1 A井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)圖

2.2 套管下入情況

套管串組合為：浮鞋+?177.8 mm套管2根+浮箍+?177.8 mm套管1根+止塞箍+?177.8 mm套管179根+?177.8 mm變扣短套管1根+套管懸掛器。入井套管扶正器：水平段及斜井段每2根套管加剛性扶正器1只，共計(jì)加裝剛性扶正器37只，套管串長2222 m。

2.3 套管卡鉆經(jīng)過

2019年5月22日10:42，順利下完?177.8 mm套管至2219 m（井斜角：39.22°，垂深：1945 m），灌滿泥漿，測上提懸重為141t，下放懸重為88t，頂驅(qū)懸重為34t；10:42開始連接?177.8 mm變扣短套管，10:47連接完成，下放遇阻10t，上提管柱懸重至181t，管串未提活；反復(fù)進(jìn)行上提下放，最大上提懸重至227t，下放懸重至頂驅(qū)重量，未見效果；連接套管循環(huán)頭進(jìn)行循環(huán)，泵壓及返出正常，振動篩返出少量細(xì)碎巖屑，循環(huán)期間保持上提下放，未見效果，管柱卡死。

3 卡鉆原因分析

根據(jù)卡鉆發(fā)生時的現(xiàn)象，判斷卡鉆類型為壓差卡鉆[4-5]。鉆具靜止時，鉆具自身的重力和因井眼軌跡原因產(chǎn)生的側(cè)向力使鉆具緊貼井壁泥餅。由于鉆具的側(cè)向力超過了泥餅的承壓能力，泥餅中的液相被擠入地層，造成泥餅內(nèi)孔隙壓力降低，最終使泥餅內(nèi)顆粒間應(yīng)力消失而形成一個封閉接觸面，使井筒內(nèi)液柱壓力無法傳入接觸面，作用在鉆具上的液柱壓力失衡[6]。鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力之間的正壓差產(chǎn)生的擠壓力不斷擠壓鉆具，使鉆具進(jìn)一步嵌入泥餅，增加接觸面積。在這個擠壓力和鉆具與泥餅間的摩擦力共同作用下產(chǎn)生的增加阻止鉆具運(yùn)動的黏附力，超過了鉆機(jī)的提升、旋轉(zhuǎn)能力，就造成了壓差卡鉆[7]。鉆具在井內(nèi)的黏附力估測公式[8]為：

式中：F為黏附力，kN；S為鉆具與泥餅的接觸面積，cm2；Δp為鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的壓力差，MPa；Kf為泥餅?zāi)Σ料禂?shù)，無量綱。

由公式可知，鉆具在井內(nèi)的黏附力影響因素與鉆具與泥餅的接觸面積、井筒內(nèi)壓差大小、泥餅?zāi)Σ料禂?shù)有關(guān)。結(jié)合卡鉆前工況，通過對黏附力影響因素進(jìn)行分析，從而得出導(dǎo)致A井壓差卡鉆的原因有以下幾個方面。

3.1 砂巖井段滲透性強(qiáng)，泥餅厚

A井套管卡鉆點(diǎn)位置以上為珠江組、韓江組地層。該地層砂巖井段滲透性強(qiáng)，在井內(nèi)正壓差作用下，鉆井液失水量大，鉆井液中液相向地層中滲透，鉆井液中固相顆粒部分在井壁周圍形成虛厚的泥餅。由于套管柱與井眼環(huán)形空間間隙小，套管柱與井壁泥餅接觸面積大，虛厚的泥餅導(dǎo)致套管柱緊貼并嵌入其中，增加套管與井壁泥餅的接觸面積，同時虛厚的泥餅也增加了泥餅與套管的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致黏附力增加。

3.2 井眼軌跡復(fù)雜，摩阻大

A井是一口三維井，井斜角大、狗腿大，套管柱在自身重力作用下緊貼井眼低邊，由于套管柱的彎曲側(cè)向力，使套管柱不斷擠壓甚至嵌入井壁泥餅，增加接觸面積。大井斜角穩(wěn)斜段長，井筒巖屑在其自重和鉆井液懸浮攜帶能力共同作用下呈拋物線形運(yùn)動，容易沉到井眼低邊形成巖屑床，形成厚泥餅增加摩阻。發(fā)生壓差卡鉆前，下放懸重僅88t，發(fā)生壓差卡鉆后，沒有足夠的下放載荷提供沖擊力使套管柱下行解卡。

3.3 鉆井液密度高，井筒內(nèi)壓差大

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)井筒內(nèi)正壓差大于3.5 mPa時，隨著井斜角增大，發(fā)生壓差卡鉆的危險(xiǎn)就會急劇增加。A井下套管時鉆井液密度為1.24g/cm3，卡鉆點(diǎn)處鉆井液液柱壓力為23.66 mPa，地層孔隙壓力為18.70 mPa，井筒內(nèi)卡鉆點(diǎn)處正壓差達(dá)4.96 mPa，壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)加大。

由于該井井斜角大，井眼清潔困難，巖屑不能及時地被鉆井液攜帶出井筒，地層巖屑在被水基鉆井液攜帶上返過程中不斷地水化分散，使鉆井液中固相含量達(dá)8%，在滲透性地層形成虛厚泥餅，加大壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 套管柱靜止時間長

壓差卡鉆與井壁接觸時間的長短有關(guān)[9]，A井壓差卡鉆發(fā)生在接變扣短套管過程中，套管靜置時間約5 min，套管在裸眼井段中靜止時間越長，壓差作用面積隨時間延長而增大，套管柱與井壁泥餅間黏附力也增大[10]，加劇壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

4 解卡思路及處理過程

4.1 解卡思路及方法

發(fā)生卡鉆后，不應(yīng)盲目操作，應(yīng)對卡鉆原因和卡鉆類型進(jìn)行快速分析和判斷，針對不同類型的卡鉆事故制定不同的解卡思路和解卡措施。對于壓差卡鉆，處理時機(jī)非常重要，若不能第一時間解卡，隨著鉆具在裸眼中靜止時間的延長，黏附力增加，解卡會更加困難。處理壓差卡鉆應(yīng)依照以下思路和原則來嘗試解卡。

一是要遵循“反向活動”原則，即下放鉆具時遇卡，應(yīng)上提或上擊解卡，鉆具上提時遇卡，應(yīng)下壓或下?lián)艚饪?，必要時對鉆具施加扭矩的同時進(jìn)行下?lián)艚饪?。套管發(fā)生壓差卡鉆后，應(yīng)立即進(jìn)行機(jī)械解卡，進(jìn)行反向活動，嘗試提活管柱，若不能提活，則進(jìn)行下壓解卡。處理壓差卡鉆，下壓解卡比上提解卡更有效，一開始就應(yīng)采用最大的力進(jìn)行解卡，在鉆機(jī)提升能力和套管柱安全負(fù)荷范圍內(nèi)最大限度地施加過提力，然后快速釋放管柱全部重量，嘗試通過管柱的載荷提供沖擊力下壓解卡。二是要遵循“暢通”原則[11]即鉆具轉(zhuǎn)動、上下活動、循環(huán)三項(xiàng)功能，能暢通并應(yīng)盡快最大限度地保持暢通。發(fā)生壓差卡鉆后，應(yīng)盡快建立循環(huán)，通過循環(huán)參數(shù)判斷循環(huán)通道是否暢通，并保持通道通暢，為后續(xù)解卡措施提供流通通道。對于壓差卡鉆，若機(jī)械解卡無效，應(yīng)嘗試在卡點(diǎn)處浸泡解卡液解卡。通過解卡液中的柴油改變井壁泥餅的潤濕性，降低泥餅毛細(xì)管阻力，促使解卡劑快速地滲透進(jìn)入泥餅中，破壞泥餅結(jié)構(gòu)，使井內(nèi)鉆井液液柱壓力傳遞到鉆具四周，恢復(fù)鉆具的壓力平衡，消除正壓差產(chǎn)生的黏附力，達(dá)到解卡的目的[12]。三是要遵循“平衡壓力”原則，即在處理卡鉆過程中，任何泵入井內(nèi)流體產(chǎn)生的液柱壓力均應(yīng)大于地層孔隙壓力，以防導(dǎo)致井壁失穩(wěn)或產(chǎn)生井控問題。處理壓差卡鉆，就是要克服鉆具和井壁泥餅間的黏附力，而井內(nèi)壓差擠壓鉆具產(chǎn)生的黏附力是導(dǎo)致壓差卡鉆最大的力。降低井內(nèi)壓差，是處理壓差卡鉆最快速和最有效的方法[13]，一般采用“U”形管法、循環(huán)海水段塞法[14]等，但是這些方法降低了井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力，易引起井壁失穩(wěn)垮塌或井控事故[15]，應(yīng)在結(jié)合地層巖性情況和地層壓力情況進(jìn)行綜合評估和計(jì)算后謹(jǐn)慎使用。

4.2 解卡過程

4.2.1 機(jī)械解卡

A井套管柱下放遇卡后，現(xiàn)場采取反向活動嘗試提活套管柱，上提懸重至181t（過提40t），未提活，反復(fù)活動套管柱，最大上提懸重至227t （下套管期間使用規(guī)格為250t套管吊卡，上提懸重已達(dá)到其最大許可載荷的91%），下放懸重至34t（下放懸重已釋放完全部套管柱重量），未解卡。連接循環(huán)頭進(jìn)行循環(huán)，泵壓正常，返出正常，振動篩僅返出少量細(xì)碎巖屑，表明井眼環(huán)空無堵塞、井壁無垮塌。保持循環(huán)并上下活動套管柱，上提懸重至227t，快速下放套管柱懸重至34t，嘗試通過套管柱的大載荷下放沖擊力來克服壓差卡鉆黏附力解卡，未成功。

4.2.2 浸泡解卡液

配制解卡液18 m3，每方解卡液配方為：537L柴油+86.3Kg PIPE-LAX（解卡劑）+277L水。泵入解卡液15m3，使用鉆井液頂替9.2 m3解卡液至環(huán)空，浸泡覆蓋井段2219～1660 m，套管內(nèi)留解卡液5.8 m3，每隔1h頂替0.5 m3解卡液進(jìn)環(huán)空，提高浸泡效果和驗(yàn)證流道暢通，浸泡17.5h。浸泡解卡液過程中在懸重34～227t范圍內(nèi)上下活動套管柱，未能解卡。將套管柱放至中和點(diǎn)位置，使用套管鉗給套管柱施加最大許可扭矩15kN·m并同時下放套管柱懸重至34t嘗試，未能解卡。

4.2.3 循環(huán)海水

降低鉆井液密度至1.2g/cm3，使用鉆井液循環(huán)替出環(huán)空解卡液，監(jiān)測振動篩返出，未見井壁掉塊等異物，循環(huán)期間在懸重34～227t范圍內(nèi)活動套管柱，未能解卡。經(jīng)計(jì)算和評估，井筒內(nèi)全部替成海水情況下，鉆井液液柱壓力能夠平衡地層孔隙壓力，海水短時間大排量沖刷卡點(diǎn)以上地層不會造成井壁失穩(wěn)垮塌。利用海水的低密度來降低井筒內(nèi)壓差，從根本上降低套管柱與井壁泥餅間的黏附力從而達(dá)到解卡的目的。循環(huán)時環(huán)空返速高，加之海水的流變性能好，能在環(huán)空形成紊流，沖刷井壁虛泥餅，減少接觸面積、降低泥餅?zāi)Σ料禂?shù)，達(dá)到降低黏附力的目的。A井使用海水大排量循環(huán)替出井筒內(nèi)鉆井液，期間在懸重34～227t范圍內(nèi)活動套管柱，上提管柱懸重至227t，保持過提狀態(tài)循環(huán)20 min，再下放管柱懸重至34t，保持下壓狀態(tài)循環(huán)3 min后，懸重突然增長至84t，套管柱下行，上提管柱懸重至130t,套管柱提活，上下活動套管柱，懸重正常，解卡成功。

5 結(jié)論和建議

（1）防卡比解卡更重要，良好的鉆井液性能和井眼清潔是預(yù)防卡鉆的關(guān)鍵，平滑的井眼軌跡和優(yōu)質(zhì)的井壁泥餅?zāi)艽蠓档蛪翰羁ㄣ@風(fēng)險(xiǎn)，減少鉆具在裸眼井段的靜止時間能最大限度地預(yù)防壓差卡鉆。卡鉆發(fā)生后，不應(yīng)盲目操作導(dǎo)致事故惡化，應(yīng)快速分析和判斷卡鉆原因并及時果斷采取針對性的行動進(jìn)行解卡，提高解卡成功率。

（2）處理壓差卡鉆，下壓比上提鉆具更有效，解卡時機(jī)非常重要，應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)卡鉆征兆，一開始就使用最大的力量下壓鉆具或施加最大扭矩轉(zhuǎn)動鉆具進(jìn)行解卡，必要時施加扭矩的同時下壓鉆具進(jìn)行解卡。

（3）通過降低鉆井液密度來降低井筒內(nèi)壓差的方法是解決壓差卡鉆的有效方法，但是這種方法風(fēng)險(xiǎn)極大，容易造成井壁失穩(wěn)和井控問題，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。使用海水沖刷解卡時，一定要控制循環(huán)時間，長時間使用海水循環(huán)極易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)垮塌，應(yīng)該結(jié)合地層巖性和地層壓力情況進(jìn)行綜合評估后慎重使用。