AD401-7定向井卡鉆復雜事故的處理及分析

魏　納， 李蜀濤， 陳　亮， 劉金晶

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.渤海鉆探定向井公司，天津 300280；3.冀東油田鉆采工藝研究院，河北 唐山 063000)

1　概述

AD401-7井是吐哈油田采用ZJ-50型鉆機完鉆的一口采油定向井，屬吐哈盆地魯克沁油田AD-I塊構造。設計垂深3172.5 m，靶點A設計垂深3036.37 m，該井的實鉆指標為：實際垂深3172.71 m，靶點A垂深3063.44 m。造斜點井深2237 m，井底水平位移56.76 m，閉合方位69.48°，閉合位移56.76 m，靶點A水平位移50.71 m，最大井斜角3.95°，對應井深2325 m，最大“狗腿度”1.88°，對應井深2275 m。分段水平位移62.86 m，造斜率3°/25 m。

AD401-7井鉆井周期34.17 d，建井周期42.55 d，動用鉆機1.14個臺月，鉆機月速度2061.69 m，平均機械機速15.27 m/h。

該井在實際鉆井過程中,由于復雜的地質情況,地層預測不準等原因,鉆遇夾煤層泥頁巖時發(fā)生上提遇阻，反復活動鉆具無效，最終引起井壁坍塌卡鉆等復雜情況[1-2]?，F(xiàn)場作業(yè)人員通過對該地層的地質資料分析和返出的巖屑監(jiān)測,制訂了合理的解卡方案,即采用井下精確定位，爆破松扣，連接井下震擊器，反復震擊解卡，成功地解決了該井在卡鉆后的復雜情況，確保了該井順利鉆達目的層，總計損耗時間83.25 h。同時，也為該區(qū)塊后期鉆井施工作業(yè)提供重要的指導意義。

2　AD401-7井基本情況

2.1　井身結構設計

AD401-7井井身結構設計、定向井水平投影、定向井垂直投影分別見圖1～3。

圖1　AD401-7井井身結構設計

圖2　定向井水平投影

圖3　定向井垂直投影

2.2　井身剖面設計

表1為AD401-7井井剖面設計參數(shù)。

2.3　當前井內鉆具組合

?241 mm PDC鉆頭+?197 mm螺桿(1.25°)+?238 mm扶正器+回壓閥+?178 mm無磁鉆鋌×1根+MWD懸掛接頭+?178 mm鉆鋌×6根+?127 mm加重鉆桿×11根+?127 mm鉆桿。

2.4　鉆井液性能

密度1.15 g/cm3，粘度70 s，失水量4.4 mL，含砂量0.2%，pH值9.0，初/終切4/10 Pa，塑性粘度22 mPa·s，動切力13 Pa。

2.5　鉆進參數(shù)

鉆壓60～80 kN，轉速70 r/min，排量38 L/s，泵壓18 MPa。

3　卡鉆經(jīng)過及處理

3.1　卡鉆經(jīng)過

表1　井身剖面設計

2017年4月6日4:30復合鉆進至2873 m，轉盤扭矩由1～4 kN·m異常升高至3～5 kN·m，且有繼續(xù)上升趨勢，停轉盤，上提活動鉆具，原懸重900 kN上提至1200 kN下放至600 kN，啟動轉盤打倒車，發(fā)生卡鉆。

3.2　事故處理

3.2.1大噸位活動鉆具

2017年4月6日4:30至23:00大噸位活動鉆具，最大上提至1800 kN，最大下壓至200 kN；上提至1300 kN，轉盤施加扭矩正轉最多15圈，下放鉆具至懸重400 kN，活動鉆具無解卡跡象。

活動鉆具過程保持循環(huán)，循環(huán)泵壓波動、緩慢上升，為避免環(huán)空憋堵調整排量，排量由38 L/s降至30 L/s，泵壓17.5 MPa。因活動未見效果，組織解卡劑。

3.2.2泡解卡劑

配解卡劑15 m3(密度1.19 g/cm3，粘度64 s)，配方：7 m3柴油+1.2 t WFA-1+5.5 m3清水+6 t重晶石粉+0.6 t快T解卡劑。

2017年4月7日0:00打入解卡劑12 m3，替泥漿19 m3到位。

至2017年4月8日3:00泡解卡劑，間歇頂通，并采取以扭轉15圈為主，上提下放(1800～400 kN)為輔的方式活動鉆具嘗試解卡，未見解卡跡象。

3.2.3爆炸松扣、震擊解卡

2017年4月8日3：00至5:00替出解卡劑，排量30 L/s，泵壓17 MPa；8:00打入封閉漿,封閉2573～2873 m井段。

測卡點后，根據(jù)MWD工具托盤位置，選擇MWD以上一根鉆鋌母扣作為松扣位置，深度2843.94 m。

15:00炸藥下至預定位置，一次爆炸松扣成功。

2017年4月9日4:00起鉆完，起出鉆具：?178 mm鉆鋌×44.89 m+?127 mm加重鉆桿×102.48 m+?127 mm鉆桿×2688.78 m。

井內“落魚”：?241 mm PDC鉆頭×0.33 m+?197 mm雙扶單彎×8.57 m+631×410接頭×0.37 m+?168 mm浮閥×0.55 m+?178 mm無磁鉆鋌×9.11 m+?178 mm定向短節(jié)×1.70 m+?178 mm鉆鋌×8.38 m。

“落魚”總長29.06 m，“魚頂”2843.94 m。

11:30下震擊器至“魚頂”以上0.3 m。

鉆具組合：?178 mm安全接頭×0.64 m+?178 mm超級震擊器×4.34 m+?178 mm鉆鋌×44.89 m+?178 mm加速器×3.79 m+?127 mm加重鉆桿×102.48 m+?127 mm鉆桿×2688.78 m。

11:45小排量沖洗“魚頭”，第一次對扣成功。

13:45循環(huán)，排量30 L/s，泵壓17.5 MPa。

15:45震擊，下放至700 kN復位(當前鉆具懸重820 kN)，上提鉆具從1340 kN逐步增加到1700 kN，反復震擊100余次，成功解卡，懸重恢復至870 kN，事故解除。

自2017年4月6日4:30發(fā)生卡鉆，至4月9日15:45事故解除，共計損失時間83.25 h，即3.47 d。

4　卡鉆原因分析

4.1　地質方面原因

影響巖石穩(wěn)定性的主要因素有礦物成分、初始地應力、地層構造，巖石自身的性質以及來自泥頁巖孔隙中的異常壓力等，對于地層巖石而言，不同的部位對應的地層應力亦是各不相同。當這些由地層中傳遞過來的地應力高于巖石所能承受的最大應力時，巖石就容易在應力作用下發(fā)生破碎或者斷裂[3-4]。但是當這些不斷在巖石中積累的地層應力低于巖石的最低破裂應力時，這些較小的應力將會以潛在能量(潛能)的方式儲存在巖石中，當這些巖石的外部條件發(fā)生變化時這些集聚在巖石中的應力將會釋放出來，導致巖石破碎或者斷裂。因此，地層中任意一點的巖石都受到來自各個方向的應力作用，為了方便分析，可以把它分解為三軸向應力(圖4)，上覆巖層壓力σv、最大水平應力σH、最小水平應力σh；根據(jù)垂直主應力Sv和兩個水平應力之間的關系，地應力可以分為三種地應力類型(圖5)：正常地應力(Sv>SHmax>Shmin)、走滑地應力(SHmax>Sv>Shmin)、反轉地應力(SHmax>Shmin>Sv)[5-6]。

圖4　地應力分布圖

圖5　地應力類型的劃分圖

當鉆頭破碎地層后，原有的地層應力發(fā)生改變，重新充滿井筒的鉆井液所產(chǎn)生的液柱壓力替代了原有的巖石承受的初始應力，同時，破壞后的井筒附近的井周應力將重現(xiàn)進行分配，此外在斜井中還存在不同于垂直井的剪切應力，當井筒周圍的巖石某一方向的應力集中超過其本身的強度上限時，就容易導致因應力不均勻而引起的地層巖石破裂。雖然在鉆頭破碎地層巖石后有鉆井液去平衡地層空隙中的流體壓力以及巖石應力，但這還是不能夠平衡原有的地層壓力，因此容易導致井壁脫落和坍塌。結合已有的地質調查資料分析，可以得出該井的地應力屬于正常地應力，其主要表現(xiàn)為井壁穩(wěn)定性與井斜角的大小成反比；即該井在定向井段井壁的穩(wěn)定性比直井段井壁穩(wěn)定性要差，也就是該井在定向井段更容易出現(xiàn)井壁坍塌。

該區(qū)塊在侏羅紀中統(tǒng)J1組(2824～3165 m)的巖石組成是灰色砂巖、砂礫巖與灰色泥巖互層，夾薄煤層，且所夾薄煤層為破碎帶，地層較為破碎，松散易坍塌。并且自卡鉆后，振動篩處可見較大塊煤層碎屑，通過測卡點可以初步判斷卡點在井底段，綜合分析可以判斷該段卡鉆為井底坍塌卡鉆。

4.2　物理化學方面原因

由于在被卡井段的沉積巖主要是由灰色砂巖、砂礫巖、灰色泥巖互層，夾薄煤層組成。而一般泥頁巖的物理性質都是親水性物質，主要的礦物質有伊利石、蒙脫石、綠泥石以及高嶺石等粘土性質較強的粘土礦物，除此之外，泥頁巖中還含有部分的石灰石、方解石等[3-4]。但是對于不同的泥頁巖水化吸水后所表現(xiàn)出的性質各不相同。經(jīng)大量的實驗研究表明，對泥頁巖吸水后表現(xiàn)出不同性質的主要因素有泥頁巖中的粘土成分類型、粘土含量多少、泥頁巖自身的含水量以及其水分中的含鹽量的多少。泥頁巖吸水水化與泥頁巖中的粘土含量、含鹽量成正比；水化程度與泥頁巖中的含水量成反比。其中，蒙脫石含量越高，泥頁巖越容易吸水膨脹；綠泥石含量越高，則泥頁巖越容易發(fā)生水裂解。另外，當鉆頭破碎地層巖石后，地層應力會發(fā)生變化并在鉆井液的參與下，重新建立新的應力平衡，同時，由于鉆井液的流體性質，當鉆井液隨著地層巖石裂縫或者毛細管道侵入地層后，泥頁巖內部又會因為膨脹壓力，空隙壓力的改變，產(chǎn)生新的地應力變化，這種改變一般都是減弱的。

4.2.1正壓差作用下的低滲透

根據(jù)裂縫性泥頁巖的水化穩(wěn)定性研究及其應用[7]表明：泥頁巖地層具有超低滲透層的性質，可以作為油氣藏“生”“儲”“蓋”中的蓋層存在。從圖6中可以看出，其一，隨著鉆進液與泥頁巖水化的時間逐漸增加，鉆井液濾液會在正壓差的作用下，由井筒周邊區(qū)域逐漸侵入泥頁巖內部，引起泥頁巖地層孔隙壓力和水濃度均降低；其二，地層與井筒的距離越遠，孔隙壓力減低的速率越慢；其三，即使泥頁巖具有低滲透性的性質，但是，水化作用對井壁穩(wěn)定性的影響依然很大。

圖6　泥頁巖壓力穿透

在鉆井的過程中，井筒的近井壁帶會形成壓降漏斗[8]，這種壓降形成后，會降低鉆井液本身的壓力對井壁形成的支撐作用，近井壁帶的孔隙壓力會因此而增加，孔隙壓力的增加又會導致巖石內部的壓力增加并把這種壓力疊加到地層的坍塌壓力上，容易導致井壁不穩(wěn)定。

4.2.2化學勢的運移作用

地層條件下，鉆井液往地層孔隙侵入的過程中，其流動運移動力除了壓差之外，還有鉆井液濾液與孔隙中原有地層流體各組分之間存在的化學勢差。AD401-7井在鉆井施工時采用的是聚磺鉆井液去平衡地層壓力，但是由于該地層的實際情況與鉆井設計時參考的地層參數(shù)有所不同，所以導致聚磺鉆井液與泥頁巖孔隙中的流體不能完全配伍，在化學勢的作用下，各組分之間發(fā)生運移流動。AD401-7井在實際鉆井過程中，鉆井液中各組分的化學勢比地層孔隙流體中的化學勢要高，所以鉆井液能夠不斷侵入地層孔隙中，并向泥頁巖內部運移[7]，引起地層泥頁巖孔隙壓力進一步降低，王倩，周英操等曾在2012年做過考慮化學勢擴散影響下的泥頁巖孔隙壓力隨時間變化的規(guī)律[9]，進一步驗證了擴散電勢對泥頁巖孔隙壓力和井周應力的影響(圖7，圖8)。從圖中可以看出，在相同的時間下，考慮擴散電勢的情況下的孔隙壓力比不考慮擴散電勢情況下的孔隙壓力要高；同樣，考慮擴散電勢的情況下的井筒周向應力和徑向應力比不考慮擴散電勢情況下的井筒周向應力和徑向應力要高；兩者都是隨著井筒與地層距離的增加而逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)。

圖7　考慮與不考慮擴散電勢計算的孔隙壓力剖面對比

圖8　考慮與不考慮擴散電勢計算的周向應力(a)和徑向應力(b)

4.2.3毛管力的影響作用

在泥頁巖中，由于地質沉積作用，泥頁巖形成后會存在很多的層面和紋理，這些層面和紋理在地應力的作用下容易發(fā)生斷裂，形成許多的微細裂紋，這些斷裂區(qū)域的產(chǎn)生為地層水儲集提供了良好的儲集空間，這就是所謂的毛細管通道。當鉆井液與泥頁巖中地層水發(fā)生接觸時，在界面張力的作用下，地層毛細管中的流體會發(fā)生運移，運移的方向主要由存在于毛細管道的流體界面張力的合力方向，而這個方向在AD401-7井中指向地層方向，并作為主要的驅動力驅動鉆井液不斷向地層內部運移，并容易導致泥頁巖進一步發(fā)生水化膨脹，最終發(fā)生物理崩解；其中，多孔巖石更容易因此發(fā)生崩解。研究表明：只有當井筒鉆井液液柱壓力與地層孔隙流體存在正壓差的情況下，鉆井液才會往地層內部流動，這種判別并不正確；通常情況下，即使井筒鉆井液液柱壓力與地層孔隙流體的壓差為負壓差，鉆井液也會在毛管力的作用下向地層內部運移，這在采用平衡壓力法鉆井中會加速鉆井液水侵速度[7]，見圖9，隨著鉆井時間的增加，地層孔隙壓力逐漸減小，水相侵入深度不斷增加[10]，井壁越容易發(fā)生坍塌。

圖9　負壓差下含氣頁巖水侵情況

總之，在該段井眼鉆開后，由于正壓差作用下的低滲透現(xiàn)象，電化學勢的作用，毛管力的作用，該段的泥巖會吸水膨脹，并且隨著時間的增加膨脹壓力會顯著上升，當膨脹壓力達到一定程度后，該區(qū)域的泥頁巖會發(fā)生物理崩解而坍塌，在環(huán)空鉆井液的循環(huán)作用下流入井筒中，而后，鉆井液又會與新暴露出來的地層發(fā)生接觸，隨著侵入時間的不斷增加又容易發(fā)生二次或者多次坍塌，最終導致周邊的砂巖層和薄煤層發(fā)生垮塌，鉆井液無法及時將掉入井底的巖屑循環(huán)出地面，從而發(fā)生卡鉆事故。

4.3　鉆井工藝方面的影響

在實際鉆井過程中，地應力和地層特性是客觀存在的，無法人為的消除，但是，在工程上我們可以轉換思路，通過調整鉆井工藝方法去預防和抑制存在于地層中可能發(fā)生的地層坍塌事故[3-4]，所以，這就要求在鉆井施工前了解好該井各段的地質情況，提前制定好應急措施，盡可能的降低卡鉆發(fā)生的可能性。對于AD401-7井，可能引起地層坍塌的情況如下。

4.3.1環(huán)空鉆井液液柱壓力與地層壓力不平衡

基于井筒壓力控制理論的研究[11]，常規(guī)鉆井過程中，通常平衡地層孔隙流體壓力的方法是改變鉆井液密度，而且鉆井液密度通常隨鉆井井深的增加而增大。但是，單一的提高鉆井液密度是一把雙刃劍：一方面，提高鉆井液密度，增大了鉆井液液柱壓力對井壁的支撐作用；另一方面，過高的環(huán)空鉆井液液柱壓力容易引起鉆井液進入地層的速率加快，導致地層孔隙壓力增加，增大粘土水化面積和水化作用，降低使其穩(wěn)定的正壓力。對于地層孔隙壓力主要的影響因素是上覆地層壓力，以及連續(xù)變化的體積密度的測量，可以使用的以下公式[12]：

(1)

Gob=102Pob/D

(2)

db=a+bΔt(壓實巖石)

(3)

(4)

式中：Pob——計算井深的上覆地層壓力，MPa；Do——頂界深度，m；D——目的點深度，m；d——平均密度，g/cm3；do——體積密度，g/cm3；Gob——上覆壓力梯度，g/cm3；Δt——聲波時差測井值，μs/m；H——井深，m。其中，a，b是由該井的相關資料以及有關密度測井數(shù)據(jù)確定的。

結合AD401-7井實際的測井、錄井資料及相應的壓力梯度計算模型[12-13]，可以得出其上覆壓力梯度，孔隙壓力梯度以及實際鉆井液密度剖面圖(圖10)，從圖中可以看出，魯克沁油田AD-I塊構造塊，上覆地層壓力隨井深的增加逐漸增加，孔隙壓力梯度隨井深的增加出現(xiàn)上下浮動的情況，但是整體呈上升趨勢，該井所鉆遇巖層過程中暫時未出現(xiàn)異常高壓地層。

特別注意的是，坍塌井段在2873 m附近，其上覆巖層壓力當量密度是3.32 g/cm3，孔隙壓力梯度當量密度是1.14～1.19 g/cm3，而由于該井段已經(jīng)接近儲層，為保護油氣層，采用聚磺鉆井液密度1.15 g/cm3，其目的是通過化學因素影響，抑制井壁因水化而發(fā)生坍塌，但是化學抑制水化的能力是有限的，并不能完全抵消由力學因素引起的地應力的變化而導致的坍塌，1.15 g/cm3的聚磺鉆井液無法平衡地層壓力，容易引起井壁坍塌，從而導致卡鉆事故發(fā)生。

圖10　上覆巖層壓力梯度和孔隙壓力梯度剖面圖

4.3.2井斜與方位的影響

相對于直井段而言，該井發(fā)生井壁坍塌井段是處于斜井段，而斜井段的井壁穩(wěn)定性與其方位角有著緊密的關系，井斜角與井壁穩(wěn)定性關系如下：在最大水平主應力方向上，井壁穩(wěn)定性最弱；反之，在最小水平應力方向、最大水平應力和最小水平應力中分線方向上，井壁穩(wěn)定性最強。

4.3.3鉆具組合對井壁穩(wěn)定的影響

AD401-7井，在鉆井過程中，為保持井眼穩(wěn)斜鉆進，鉆具底部采用的是剛性組合(鉆具與井壁間隙較小)，起下鉆時很容易產(chǎn)生壓力激動，導致井壁不穩(wěn)。同時，由于參考該區(qū)塊的鄰井錄井資料，預測該井發(fā)生坍塌卡鉆事故的可能性較小，故為簡化鉆具組合設計，沒有設計安裝隨鉆震擊器，導致鉆具上提時沒有足夠的提升力使鉆具提離垮塌井段。

震擊器的作用原理是：鉆具在上提過程中依靠大鉤的提升力，或者下放的過程中依靠鉆具自身的重力，使震擊器活塞缸中液壓油發(fā)生拉伸或者壓縮形變，當活塞拉伸距離超過活塞有效行程后，釋放階段會產(chǎn)生卸載波，震擊時產(chǎn)生的拉升波，使鉆柱產(chǎn)生向上或者向下運動的加速度，以此通過井壁縮徑井段，其作用效果取決于震擊力的大小和震擊力的時間。其次，震擊器的安放位置不能距離卡點太遠，而坍塌卡鉆，縮徑卡鉆一般發(fā)生在鉆頭或者扶正器附近，如果在下鉆前安裝震擊器，震擊器位置不能距離扶正器太遠。如果在卡鉆后，采用爆破松扣回接震擊器解卡時，松扣位置也要盡可能地靠近卡點位置附近，如果坍塌井段過長，可以先安裝套銑筒下入井底清除環(huán)空巖屑，再使用震擊器震擊解卡，這樣才能保證震擊解卡達到一個理想的效果。該井正是因為在鉆井過程中，對地質信息研究不夠深入，沒有提前設計安裝隨鉆震擊器，卡鉆后對卡鉆原因分析不到位，錯過了最佳的解卡時機，才導致后期解卡處理過程中不能及時解卡，浪費了不必要的作業(yè)時間，增加了鉆井成本。

5　結論與建議

(1)在開鉆前，應對該井地質資料有一個詳細的分析，制定合理的工程設計。AD401-7定向井卡鉆事故的發(fā)生并不是由于突發(fā)性，單一性的原因產(chǎn)生的，而是由該井段地質因素，物理化學因素，工藝因素等綜合原因引起井壁垮塌，形成坍塌卡鉆，卡鉆位置在鉆具扶正器附近。

(2)在鉆井工程中，最開始鉆具上提遇阻時，在設備可承受范圍內，應大噸位活動鉆具，同時為避免環(huán)空憋堵，降低排量，保持環(huán)空暢通，為后期處理預留井底通道，這是卡鉆處理最為關鍵的一步；在大噸位活動鉆具無效，確認事故為坍塌卡鉆后，應果斷放棄常規(guī)的泡解卡劑解卡處理方式。通常情況下，解卡劑主要是用于破壞吸附卡鉆產(chǎn)生的泥餅，減小鉆具與井壁的摩擦阻力，潤滑井壁，因此，其對于坍塌卡鉆的作用效果微乎其微。鉆具上下活動距離越來越小，應下決心倒扣，否則隨著鉆井液對井壁的沖刷時間的增加，小排量鉆井液無法及時攜帶出巖屑，會導致井筒內砂子越集越多，單位體積內固相顆粒含量越來越大并不斷下沉集聚，會導致卡點會逐步上移，后期處理越困難。

(3)優(yōu)化鉆井液設計，在采用聚磺鉆井液保護油氣層時，應考慮鉆井液對井壁穩(wěn)定性的影響，同時，提高鉆井液在井筒中的攜巖能力，降低鉆井液對泥頁巖的水化作用，以及巖石孔隙內的毛細管力影響。

(4)對于淺層定向井，不能因為卡鉆風險較小，而忽略卡鉆存在的可能性，在優(yōu)化鉆具組合時，應考慮增加隨鉆震擊器[14-15]，預防起鉆時，由于大鉤提升力不足，無法解卡，導致鉆井風險增加，從而降低因處理鉆井事故而增加的鉆井成本，減少不必要的作業(yè)時間。