陵側(cè)4-20井卡鉆事故分析

趙彥彬，李光軍，李珠珠，石衛(wèi)民，楊國林，白衛(wèi)清

中國石油吐哈油田分公司監(jiān)督中心 （新疆 鄯善838202）

1 區(qū)塊與本井概況

陵側(cè)4-20井位于吐哈盆地丘陵油田陵四塊。該區(qū)塊地層第三系（Q）至齊古組（J3q）（729.5～1 937.5 m）主要以棕色砂泥巖為主，七克臺組（J2q）至三間房組（J2s）地層（1937.5～2 387 m）主要以灰色泥巖為主，西山窯組（J2x）（2 387～2 500 m）地層主要以灰白色細砂巖為主。

該井為一口側(cè)鉆采油井，其鉆探目的為提高陵四塊西山窯組底水油藏儲量動用程度，挖掘剩余油。該井三間房油藏周圍800 m范圍內(nèi)有注水井8口，西山窯油藏周圍600 m范圍內(nèi)無對應(yīng)注水井。且該井三間房組2 194～2 387 m井段地層壓力系數(shù)為0.97～1.25，西山窯組2 389～2 500 m井段地層壓力系數(shù)為0.8～1.1。陵側(cè)4-20井于2016年8月5日采用Φ118 mm銑錐開窗側(cè)鉆，開窗點為2 227.2 m（圖1），完鉆井深為2 500 m（垂深為2 466.59 m）。

2 卡鉆事故發(fā)生及處理

2.1 事故發(fā)生經(jīng)過

該井于2016年8月14日9:30鉆至井深2 500 m完鉆；完鉆后于9:30～11:00循環(huán)（循環(huán)排量11 L/s），11:00開始短拉（短拉井段2 320～2 500 m）；12:25決定將柴油機轉(zhuǎn)速由1 000 r/min提至1 200 r/min；停泵、停轉(zhuǎn)盤，至12:40，柴油機完成提速后開泵，上提、下放鉆具遇阻，然后多次上下活動鉆具、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤均無效，確認卡鉆?？ㄣ@時鉆頭位置2 491 m。

圖1 陵側(cè)4-20井井身結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)生卡鉆時，井內(nèi)鉆具結(jié)構(gòu)如下：Φ118 mmPDC鉆頭+Φ95 mm單彎螺桿（1.25°）+單流閥+MWD定向接頭+Φ88.9 mm無磁承壓鉆桿+Φ73 mm加重鉆桿×17根+Φ73 mm鉆桿串?？ㄣ@時，井內(nèi)的鉆井液體系為聚磺鉆井液體系，鉆井液性能如表1所示。

2.2 事故處理

2.2.1 第1次打堿液

發(fā)生卡鉆后，現(xiàn)場于2016年8月14日16:40用泥漿泵注入密度為1.2 g/cm3的堿液5 m3，至17:00替漿（替漿量3 m3），期間持續(xù)上下活動鉆具（上提至380 kN、下放至230 kN）,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤18圈，未解卡，決定用水泥車再次注堿液。

表1 陵側(cè)4-20井卡鉆時的鉆井液性能

2.2.2 第2次打堿液

2016年8月14 日19:15用水泥車注入堿液5 m3，至19:24替漿（替漿量3 m3），期間持續(xù)上下活動鉆具、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤18圈，無效，未解卡。浸泡至19:54，期間仍繼續(xù)上下活動鉆具、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，仍未解卡。19:54開泵，出口未見泥漿返出。停泵，觀察井口，未見液面。至21:00采用環(huán)空灌漿及單凡爾間歇開泵的方式向井內(nèi)補充泥漿，期間累計漏失泥漿7 m3。

2.2.3 堵漏

2016年8月14 日21:00～22:30配堵漏漿，15日0:00注堵漏漿11 m3，靜堵至4:00；4:00開始單凡爾、雙凡爾梯次開泵循環(huán)，至9:00循環(huán)無漏失現(xiàn)象，堵漏成功。

2.2.4 降低鉆井液密度

2016年8月15 日9:00～12:00循環(huán)處理泥漿，將井內(nèi)鉆井液密度由1.40 g/cm3降至1.35 g/cm3。

2.2.5 注入解卡劑

2016年8月15 日14:00注入解卡劑（柴油）6.5 m3，14:20替漿（替漿量3.3 m3），至14:30轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤18圈，解卡，事故解除。本次事故從14日12:30發(fā)生卡鉆，15日14:30解卡，累計損失工時26 h。

3 事故原因分析

3.1 事故類型分析

本次卡鉆事故發(fā)生在因調(diào)柴油機轉(zhuǎn)速，停泵、停轉(zhuǎn)盤，鉆具在井內(nèi)靜止一段時間?？ㄣ@后，鉆具不能上提、下放，且旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤亦不能活動鉆具，鉆井液循環(huán)暢通，泵壓未增高。綜合分析以上因素，判斷該次卡鉆為粘吸卡鉆。

3.2 粘吸卡鉆機理及影響因素分析

3.2.1 粘吸卡鉆機理

當(dāng)鉆進至滲透性較好的地層時，在鉆井液液柱與地層孔隙之間的壓差作用下，鉆井液中的液體向地層滲透，在井壁形成一層濾餅[1]。由于鉆具與井壁的接觸，擠走了鉆具與濾餅間的封閉區(qū)，在壓差的作用下，使鉆具緊貼井壁上的濾餅，并在鉆具與濾餅之間產(chǎn)生較大的擠壓（圖2）。由于這種擠壓，鉆具與濾餅之間存在摩擦力，當(dāng)摩擦力達到某一值，井內(nèi)鉆具不能在允許提升范圍內(nèi)自由活動，就發(fā)生了粘吸卡鉆。

圖2 粘吸卡鉆機理示意圖

發(fā)生粘吸卡鉆時，井下粘卡段鉆具橫向單位面積存在以下的受力情況（圖3）：鉆具側(cè)向力即鉆具重力在垂直于鉆具方向的分力P1，kN，鉆井液液柱壓力P2，kN,地層孔隙壓力P3，kN,當(dāng)P1、P2之和大于P3時，產(chǎn)生一個單位面積上的壓差ΔP[2]：

圖3 鉆具粘卡時橫向受力分析

在壓差ΔP的作用下，鉆具緊貼井壁。當(dāng)鉆具上下運動或旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生和運動方向相反的摩擦阻力F：

式中：μ為泥餅的摩擦系數(shù)；f為鉆柱橫向受到的壓力,kN；S為鉆柱與泥餅的有效接觸面積，m2。綜合（1）、（2）、（3）式：

上提鉆具時，若摩擦阻力與鉆具重力之和大于鉆機提升力，則表現(xiàn)為上提遇卡；下放鉆具時，若摩擦阻力大于鉆具自重，則表現(xiàn)為下放遇阻；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，若摩擦阻力大于轉(zhuǎn)盤扭矩，鉆具不能轉(zhuǎn)動，表現(xiàn)為鉆具卡死。

3.2.2 粘吸卡鉆影響因素分析

由（4）式可以看出，影響粘吸卡鉆的可控因素主要包括以下幾個方面：

1）鉆具側(cè)向力P1。在定向井的斜井段，鉆具的側(cè)向力一般隨井斜角及全角變化率的增加而增大。且井眼軌跡質(zhì)量對鉆具側(cè)向力也有較大影響，井眼軌跡為懸鏈線剖面的鉆具側(cè)向力較小，而“蛇形”、“鋸齒形”井眼軌跡的鉆具側(cè)向力較大。同時，鉆具懸重越大，在斜井段側(cè)向力越大；而過高的鉆壓、過強的剛性及強增斜鉆具都會產(chǎn)生較大的側(cè)向力[3]。

2）鉆井液液柱壓力P2。在深井或斜井段,鉆井液密度越高,其液柱壓力越大，產(chǎn)生的壓差越大，越易發(fā)生粘吸卡鉆。且一般相較于鉆具側(cè)向力，鉆井液液柱壓力是產(chǎn)生鉆具橫向壓力差的主要因素。

3）鉆具與泥餅有效接觸面積S。鉆具與泥餅有效接觸面積的產(chǎn)生取決于鉆具橫向壓力差與泥餅的抗承壓能力。且一般壓力差越大，泥餅抗承壓能力越差，鉆具嵌入泥餅越深，其有效接觸面積越大[4]；井眼越小、鉆具直徑越大、泥餅越厚，鉆具圍包角越大，其有效接觸面積越大；同樣，鉆具靜止時間越長，鉆具嵌入泥餅越深，其有效接觸面積越大。

一般泥餅的濾失量越大，有害固相含量越高，泥餅越厚；同時，鉆井液環(huán)空返速低以及攜巖能力不足或鉆井液靜止時間過長，井底巖屑堆積，也會造成泥餅虛厚。這些都會增加鉆具與泥餅的有效接觸面積。

4）泥餅的摩擦系數(shù)μ。泥餅的摩擦系數(shù)越大，泥餅與鉆柱之間的摩擦力越大。一般，加入一定量的潤滑劑可降低泥餅的摩擦系數(shù)，但大多數(shù)的液體潤滑劑對泥餅質(zhì)量有破壞作用，會使泥餅的抗承壓能力降低[5]。井內(nèi)鉆具摩擦阻力超過鉆具懸重的30%時，應(yīng)加入活性劑、塑料球等固體潤滑材料。

3.3 事故發(fā)生原因分析

3.3.1 地層原因

1）該井下部井段西山窯組（J2x）（2 387～2 500 m）地層主要以細砂巖為主。砂巖滲透性強，鉆井液易在井壁失水形成厚泥餅，導(dǎo)致鉆具與泥餅有效接觸面積S較大，這是此次事故發(fā)生的原因之一。

2）該井所在三間房組（J2s）地層為注水層，導(dǎo)致上部三間房組地層壓力系數(shù)（0.97～1.25）遠大于下部西山窯組地層壓力系數(shù)（0.8～1.1）。且在三間房組地層鉆探過程中，曾在2 293 m、2 333 m發(fā)生過兩次水浸，最后不得不將鉆井液密度提至1.40 g/cm3，以平衡地層壓力，泥漿密度越高，鉆井液液柱壓力P2越大，導(dǎo)致在下部西山窯組（J2x）低壓地層鉆進時壓差ΔP過大，這是此次事故的主要原因。

3.3.2 泥漿原因

該井發(fā)生卡鉆時鉆井液的含砂和泥餅黏附系數(shù)均大于設(shè)計值。泥餅的摩擦系數(shù)μ較高，也是此次事故的原因之一。

3.3.3 井眼原因

該井為小井眼側(cè)鉆井，裸眼井徑為118 mm，發(fā)生卡鉆時下部鉆具結(jié)構(gòu)為：Φ118 mmPDC鉆頭+Φ95 mm單彎螺桿（1.25°）+單流閥+MWD定向接頭+Φ88.9 mm無磁承壓鉆桿+Φ73 mm加重鉆桿×17根。無磁承壓鉆桿外徑為88.9 mm，而加重鉆桿節(jié)箍外徑為102～104 mm，環(huán)空間隙小，鉆具易緊貼井壁，造成鉆具與泥餅的接觸面積S較大。

同時，環(huán)空間隙過小，鉆井液排量受到限制，也給攜巖帶來一定影響。巖屑在井底聚集，造成泥餅虛厚，這也是該次事故的原因之一。

3.3 .4操作原因

該井在調(diào)整柴油機轉(zhuǎn)速期間，停泵、停轉(zhuǎn)盤后未及時活動鉆具，井下鉆具靜止時間長達15 min，鉆具靜止時間過長，鉆具嵌入泥餅，其有效接觸面積S增大。

4 對策及建議

1）鉆井過程中應(yīng)減少鉆具在裸眼內(nèi)的靜止時間，如遇檢修設(shè)備或停泵、停轉(zhuǎn)盤等情況，應(yīng)盡量將鉆具起到上層套管內(nèi)，或使鉆具處于活動、間歇活動狀態(tài)。對于預(yù)測的低壓、高滲透性砂巖井段，尤其要注意減少鉆具靜止時間。

2）對鉆井液密度應(yīng)進行合理的設(shè)計，在確保平衡地層壓力的前提下，應(yīng)盡可能降低鉆井液的密度，以有效降低鉆井液液柱與地層孔隙的壓力差，盡量實現(xiàn)近平衡鉆井。

3）實鉆過程中，應(yīng)做好地層壓力監(jiān)測，根據(jù)地層壓力系數(shù)及時對鉆井液的密度進行調(diào)整。

4）在“易卡井段”可采用防卡鉆具組合。如下部鉆具采用螺旋鉆鋌和加重鉆桿組合，利用螺旋鉆鋌表面的螺旋槽減少鉆鋌與井壁的接觸面積，并提供鉆井液的循環(huán)通道，同時，減少加重鉆桿與井壁的接觸面積。

5）重視“易卡井段”的井眼軌跡控制，做好跟蹤測斜措施，防止井斜角及方位角過大產(chǎn)生波浪形井眼軌跡，以使鉆具側(cè)向力過大。

6）及時做好鉆井液的性能測量，調(diào)整好鉆井液性能，在設(shè)計范圍內(nèi)，確保鉆井液的低失水、低黏度及低含砂，保持良好的泥餅質(zhì)量，使泥餅具有較好承壓能力。

7）在保證井壁穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量提高環(huán)空返速，提高鉆井液動塑比，確保井眼清洗效果；同時使用好固控設(shè)備，降低泥漿的無用固相，減少泥餅?zāi)Σ料禂?shù)。

8）對于攜巖不好的井段，應(yīng)及時進行短拉，以消除虛泥餅。

5 結(jié)論

1）井下發(fā)生粘吸卡鉆的條件主要有：鉆井液液柱壓力、鉆具側(cè)向力之和與地層壓力之間存在較大壓差，鉆柱與泥餅之間存在較大接觸面積，泥餅?zāi)Σ料禂?shù)大。

2）對易發(fā)生粘卡的井段，預(yù)防是關(guān)鍵。針對粘吸卡鉆發(fā)生的條件，現(xiàn)場工程與泥漿方面應(yīng)緊密配合，從減少壓差、改善泥餅質(zhì)量、提高泥餅潤滑性等方面著手，降低發(fā)生粘吸卡鉆的幾率。

3）鉆井過程中，若發(fā)現(xiàn)鉆具摩阻增大，有粘吸卡鉆的征兆，應(yīng)及時分析原因并采取有效措施，避免惡化成卡鉆事故。