桂中-南盤江地區(qū)黔水地1井卡鉆事故處理及原因分析

王文彬，郭軍，苑坤，董旭，韓菲

1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院（湖南長(zhǎng)沙 410000）

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心（北京 100083）

1 基本情況

黔水地1 井是桂中-南盤江地區(qū)的大口徑頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查井，井場(chǎng)位于貴州省六盤水市，設(shè)計(jì)井深2 500 m。鉆至井深2 168.30 m，起鉆至井深2 005.02 m時(shí)發(fā)生卡鉆事故。采取上提下放、憋壓、震擊等多種解卡措施，均未能解卡，最終因井眼狀況不穩(wěn)定而回填井側(cè)鉆。側(cè)鉆采用1.25°單彎螺桿和隨鉆測(cè)斜儀的施工工藝，嚴(yán)格依據(jù)側(cè)鉆方案進(jìn)行，最終順利鉆至設(shè)計(jì)井深，井身結(jié)構(gòu)、質(zhì)量均滿足變更設(shè)計(jì)要求。

該井于2019年6月15日開(kāi)鉆，鉆遇地層自上而下分別是第四系、石炭系的南丹組、打屋壩組和睦化組。其中，地表的第四系屬于典型的喀斯特地形，亂石林立、落水洞密布，覆土層、破碎帶、礫石層、溶洞等均有發(fā)育；南丹組為厚層-巨厚層狀的灰?guī)r地層，裂縫、溶洞等巖溶極其發(fā)育[1]。鄰井資料顯示，多口井均鉆遇了溶洞，大小為幾米至十幾米不等；打屋壩組為該井的目的層，泥頁(yè)巖發(fā)育，水敏性強(qiáng)、膠結(jié)性差、壓力窗口窄[2]；睦化組為黏土巖，縮徑、垮塌嚴(yán)重。整體上，施工地質(zhì)條件極差。

該井設(shè)計(jì)為導(dǎo)管+二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，其井身結(jié)構(gòu)和套管程序?yàn)椋簩?dǎo)管段采用Φ444.5 mm 鉆頭，鉆深30 m，下入Φ339.7 mm 導(dǎo)管至井深30 m，封固地表疏松、垮塌地層及地表水層；一開(kāi)采用Φ311.2 mm鉆頭，中完井深1 000 m，下入Φ244.5 mm 至井深998 m，封固南丹組巖溶發(fā)育的灰?guī)r地層；二開(kāi)采用Φ215.9 mm 鉆頭，完鉆井深2 500 m，視油氣顯示情況，決定下入生產(chǎn)套管固井完井或裸眼完井。

2 卡鉆發(fā)生經(jīng)過(guò)

2019 年9 月29 日5:00，采用Φ215.9 mmPDC 鉆頭二開(kāi)鉆至井深2 168.30 m，開(kāi)始循環(huán)鉆井液，準(zhǔn)備起鉆更換鉆頭。鉆井液密度1.31 g/cm3，黏度40 s，體系為PAM聚合物鉆井液。6:00開(kāi)始起鉆，起至第3～4 柱鉆桿時(shí)，拉力略有上升，但可以正常上提下放；起至第5柱第2根，拉力由75 t上升至90 t，立即合上立軸，在遇阻井段進(jìn)行上下劃眼作業(yè)15 min，懸重、泵壓均恢復(fù)正常。7：11 劃眼上提鉆具過(guò)程中，泵壓由10 MPa 驟升至22 MPa 不降，上提鉆具120 t（鉆具串約65 t），拉不動(dòng)，下放脫壓為0，上下約有3 m 的活動(dòng)空間，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)鉆具被卡。被卡鉆具組合：Φ215.9 mmPDC 鉆頭+Φ171.5 mm 單彎螺桿+Φ159 mm 定向接頭+Φ159 mm 無(wú)磁鉆鋌（隨鉆測(cè)斜儀）+Φ159 mm 變徑接頭+Φ178 mm 鉆鋌+Φ159 mm變徑接頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ159 mm 變徑接頭+Φ127.5 mm鉆桿，鉆頭位置2 005.02 m。

3 卡鉆事故處理

3.1 解卡處理

1）憋壓。現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)卡鉆后，分別采用單缸、雙缸，由小到大間斷開(kāi)泵憋壓，最大壓力20 MPa，同時(shí)配合上提下放活動(dòng)鉆具，最大拉力130 t，處理無(wú)效，循環(huán)無(wú)法建立。

2）震擊。在最上端鉆桿上焊接一塊厚30 mm鋼板（長(zhǎng)400 mm×寬400 mm），分別用Φ159 mm 鉆鋌1根（重約1 t）和Φ203 mm 鉆鋌1 根（重約2 t）進(jìn)行震擊，震距1～2 m,同時(shí)配合上提下放活動(dòng)鉆具，上提最大拉力120 t，無(wú)效。震擊器到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，采用震擊器震擊120余次，均無(wú)效。

3）倒扣。嘗試多種解卡措施無(wú)效后，現(xiàn)場(chǎng)決定改用自行倒扣+反絲倒扣。經(jīng)自行倒扣、鉆桿和鉆鋌連接處開(kāi)扣，起出井內(nèi)所有松扣鉆具。再分別采用倒扣接頭和反扣母錐，組合下入反絲鉆具，多次嘗試對(duì)扣，均未果。

井內(nèi)魚頂深度1 903.35 m，落魚長(zhǎng)度101.67 m，落井組合：Φ215.9 mmPDC 鉆頭+Φ171.5 mm 單彎螺桿+Φ159 mm定向接頭+Φ159 mm無(wú)磁鉆鋌（隨鉆測(cè)斜儀）+Φ159 mm 變徑接頭+Φ178 mm 鉆鋌+Φ159 mm變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+Φ159 mm變徑接頭。

3.2 套銑、打撈

3.2.1 第一次套銑和打撈

第一次套銑進(jìn)尺10.5 m，管柱組合：Φ206 mm鋸齒銑鞋+Φ206 mm 套銑筒+Φ206 mm 變徑接頭+Φ165 mm 安全接頭+Φ127.5 mm 正絲鉆桿；工程參數(shù)：鉆壓10 kN,排量35 L/min，轉(zhuǎn)速40 r/min。套銑過(guò)程中控制套銑速度，每2 m上下活動(dòng)鉆具一次，但在下鉆和套銑過(guò)程中伴有阻卡現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)展不順利。

第一次套銑后的打撈管柱組合：倒扣接頭（含導(dǎo)向罩銑鞋）+Φ127.5 mm 反絲鉆桿。對(duì)扣倒扣成功，打撈出一個(gè)Φ159 mm變徑接頭和一根Φ159 mm鉆鋌，新魚頂深度1 913.32 m，新落魚長(zhǎng)度91.70 m。

3.2.2 第二次套銑

第二次套銑管柱與第一次相比，增加了一個(gè)套銑筒，其他參數(shù)不變。下鉆至距魚頂40 m開(kāi)始循環(huán)劃眼。劃眼過(guò)程中，多次出現(xiàn)憋泵、懸重增加等異常，卡鉆跡象明顯，套銑作業(yè)被迫中止，起鉆。

至此，事故處理已花時(shí)間14 d，如若繼續(xù)套銑打撈，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，且發(fā)生二次事故的風(fēng)險(xiǎn)巨大。綜合井內(nèi)復(fù)雜情況、泥頁(yè)巖垮塌周期、鉆井作業(yè)經(jīng)濟(jì)性和井下鉆具安全等因素，決定填井側(cè)鉆。

3.3 填井側(cè)鉆

針對(duì)井下情況，側(cè)鉆點(diǎn)設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

①事故處理過(guò)程中，在井段1 800～1 913.32 m（魚頂位置）處理時(shí)間較長(zhǎng)，且多次發(fā)生大漏，漏速約180 m3/h，現(xiàn)場(chǎng)判斷該井段的部分地層已經(jīng)坍塌，側(cè)鉆點(diǎn)必須避開(kāi)該段；②為保障井眼軌跡的光滑性，側(cè)鉆點(diǎn)應(yīng)盡量提前，并采用小彎角的動(dòng)力鉆具；③為了避免井內(nèi)遺留事故鉆具對(duì)新井眼側(cè)鉆儀器所造成的干擾，結(jié)合下步壓裂試氣需要，兩井眼之間在遺留事故鉆具井段的最小距離最好超過(guò)10 m[3-4]；④為了減少不必要的進(jìn)尺，填井井段不宜過(guò)長(zhǎng)。

綜上，側(cè)鉆方案最終確定：填井井段為1 600～1 913.32 m，側(cè)鉆點(diǎn)為1 650 m，側(cè)鉆方位為北偏東30°，側(cè)鉆設(shè)計(jì)井眼軌跡見(jiàn)表1。側(cè)鉆鉆具組合：Φ215.9 mmPDC鉆頭+Φ171.5 mm單彎（1.25°）螺桿+Φ159 mm 定向接頭+Φ159 mm 無(wú)磁鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ127 mm 鉆桿，并配合隨鉆測(cè)斜儀。

表1 側(cè)鉆井眼軌跡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

自井深1 656.51 m 開(kāi)始定向側(cè)鉆，至井深1 686 m，井口返出巖屑基本是新鮮巖屑，確認(rèn)造新井眼成功。至11月2日側(cè)鉆至2 168.30 m達(dá)到老井眼井深，卡埋鉆事故處理結(jié)束。該次側(cè)鉆采用定向增斜和自然降斜方法，共計(jì)施工10 d，鉆進(jìn)進(jìn)尺511.79 m，魚頂位置新老井眼距離約29 m；井底位置新老井眼距離約45 m，井身質(zhì)量符合“變更設(shè)計(jì)”要求。在此期間，未發(fā)生井漏、井涌、井壁坍塌等復(fù)雜情況，施工順利。

4 卡鉆原因分析

4.1 泥頁(yè)巖垮塌

該井自1 247 m 進(jìn)入打屋壩組泥頁(yè)巖地層，至卡鉆井深2 168.3 m，鉆遇地層厚度921.3 m，用時(shí)27 d。該段地層巖性主要為灰黑色泥頁(yè)巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀，性軟、吸水性好，可塑性差，疏松，易縮徑和垮塌而造成卡鉆。綜合該段井眼暴露時(shí)間，由于地層應(yīng)力釋放，泥頁(yè)巖垮塌造成的井壁失穩(wěn)是卡鉆事故發(fā)生的直接原因。

4.2 鉆井液抑制性不足

打屋壩組為大套薄層狀的泥頁(yè)巖地層，水敏性強(qiáng)，井壁不穩(wěn)定。該井二開(kāi)所用鉆井液體系為普通的防塌聚合物體系，其鉀離子含量不足，造成了鉆井液抑制性不夠[5-6]。鉀離子可以降低鉆井液的水活度，使之與泥頁(yè)巖地層中的水活度相近，縮小鉆井液與地層之間的孔隙壓力差，改善半滲透膜效率和提高滲透壓，減緩或阻止鉆井液濾液向地層中滲透，降低失水，從而提高井壁的穩(wěn)定性，增加井壁穩(wěn)定周期。本次井壁坍塌的直接原因是鉆井液進(jìn)入地層的微裂縫，泥漿材料遇水膨脹，導(dǎo)致井壁應(yīng)力發(fā)生變化，井眼垮塌，進(jìn)而造成卡鉆事故。

4.3 鉆井液密度過(guò)大

工作區(qū)勘探程度低，臨井資料少，地層壓力資料缺失。為了應(yīng)對(duì)井下可能出現(xiàn)的高壓氣層和高壓水層，依據(jù)鄰井鉆遇該套地層所用最大泥漿密度1.45 g/cm3，設(shè)計(jì)本井鉆遇該套地層的泥漿密度采用1.20～1.45 g/cm3。

自二開(kāi)以來(lái)，隨著井下氣層活躍度的增加，泥漿密度也逐步增大，至井深2 168.30 m，泥漿密度達(dá)到1.33 g/cm3。同時(shí)，井內(nèi)也逐漸出現(xiàn)滲漏至小漏（下調(diào)泥漿密度的后期側(cè)鉆施工，未發(fā)生井漏），但現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有停止正常鉆進(jìn)作業(yè)。

因密度過(guò)大所造成的誘導(dǎo)裂縫性井漏[7]，導(dǎo)致鉆井液的密度、黏度、失水、泥餅等各種性能參數(shù)不能保持在需要的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而降低了其攜砂、護(hù)壁等能力，促使了井壁失穩(wěn)。

4.4 鉆具組合不合理

在現(xiàn)場(chǎng)缺少加重鉆桿的情況下，為了給鉆頭加壓，穩(wěn)定鉆頭，防止井斜，入井的鉆具組合中，加入了Φ178 mm 和Φ159 mm 兩種類型的鉆鋌。Φ215.9 mm井眼，Φ178 mm鉆鋌的使用，使得相應(yīng)井段的環(huán)空變小，易因大塊巖屑、剝落掉塊或縮徑形成卡鉆，在變徑接頭處，更易因巖屑的堆積而形成沉砂卡鉆。

4.5 對(duì)井下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不足

事故發(fā)生之前，鉆速較快，施工順利，放松了對(duì)該段地層的警惕意識(shí)；起鉆時(shí)，起至第3～4 柱鉆桿時(shí)，拉力略有上升，起至第5柱時(shí)，拉力出現(xiàn)異常，進(jìn)行上下劃眼作業(yè)約15 min，泵壓、懸重均恢復(fù)正常，后繼續(xù)起鉆作業(yè)。由于第6 柱出井時(shí)的輕微異常，至第7柱再進(jìn)行倒劃眼作業(yè)時(shí)，發(fā)生了卡鉆。起第5柱時(shí)的劃眼作業(yè)時(shí)間過(guò)短，鉆井液循環(huán)不徹底，對(duì)井下復(fù)雜情況重視程度不夠，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不足，也是此次卡鉆的重要原因之一。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）工作區(qū)的打屋壩組泥頁(yè)巖地層，厚度大、性軟、水敏性強(qiáng)、可塑性差，垮塌周期短，易縮徑、坍塌造成卡鉆事故。增加鉆井液中鉀離子的含量，提高其抑制性是降低失水、提高井壁穩(wěn)定性、延長(zhǎng)泥頁(yè)巖垮塌周期、保障施工順利進(jìn)行的必要條件。

2）壓井時(shí)，在不知道地層承壓能力的情況之下，盲目增加泥漿密度極易造成井漏。黔水地1 井二開(kāi)之后，因?yàn)闅怙@示較好，在地層承壓能力不明確的情況下，僅依據(jù)有限的鄰井資料提高泥漿密度進(jìn)行壓井，形成了因泥漿密度過(guò)大所引起的誘導(dǎo)裂縫性井漏，促進(jìn)了卡鉆事故的發(fā)生。

3）針對(duì)工作區(qū)所發(fā)育的巨厚、水敏性強(qiáng)的泥頁(yè)巖地層，采用合理鉆具，簡(jiǎn)化組合，提高風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，開(kāi)展精細(xì)操作，是保障施工安全、順利進(jìn)行的有力措施。