煤層氣水平井導(dǎo)向鉆具串落井事故的處理分析

韓立強(qiáng)，王衛(wèi)東，孫躍蒙，李紅柱

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣資源，它吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，傳統(tǒng)的煤層氣開采方式為地面直井排水降壓開采，但這種方式開采煤層氣單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益比較差，在國(guó)家碳中和、碳達(dá)峰政策的大形勢(shì)下，這種傳統(tǒng)的煤層氣生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要對(duì)煤層氣高效勘探開發(fā)的需要，而水平井井眼貫穿儲(chǔ)層段長(zhǎng)，單井產(chǎn)量高，投入回報(bào)率遠(yuǎn)高于直井和斜井，因此水平井一直受到行業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。但對(duì)于施工來(lái)說(shuō)，水平井又屬于高難度、高成本的定向井，主要體現(xiàn)在施工工序繁瑣復(fù)雜、儀器昂貴、泥漿材料費(fèi)用高。隨著鉆井施工工藝和導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展，水平井也成為現(xiàn)在及未來(lái)煤層氣生產(chǎn)中的一個(gè)趨勢(shì)。

1 概述

沁水盆地位于呂梁隆起帶東側(cè)、太行復(fù)背斜西側(cè)、五臺(tái)山隆起帶以南、中條隆起帶以北，是在古生界基底上發(fā)育的盆地，現(xiàn)今的構(gòu)造面貌為一個(gè)近南北向的大型復(fù)式向斜。盆地內(nèi)部次級(jí)褶皺發(fā)育，南部和北部以近東向褶皺為主，局部近南北、北東和北西走向的褶皺；中部則以北北東向褶皺發(fā)育為特點(diǎn)。斷裂以北北東、北東、北東東向高角度正斷層為主，集中分布于盆地西北部、西南部及東南部邊緣。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造雖較簡(jiǎn)單，但斷層、褶皺展布形態(tài)仍然反映了沁水盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

壽陽(yáng)區(qū)塊位于沁水煤田的西北端，陽(yáng)曲—盂縣緯向構(gòu)造帶南翼。其東、西兩側(cè)受太行徑向構(gòu)造帶和新華夏系構(gòu)造的控制，南部受壽陽(yáng)—西洛南北向構(gòu)造帶的影響，故整個(gè)勘探區(qū)是在徑向與緯向和新華夏系構(gòu)造的復(fù)合控制之下。區(qū)域構(gòu)造明顯受陽(yáng)曲—盂縣緯向構(gòu)造帶影響，構(gòu)造形態(tài)總體上呈現(xiàn)走向東西、向南傾斜的單斜構(gòu)造。在此背景上又發(fā)育著一些不同方向的次一級(jí)的褶曲和斷裂，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，地層傾角一般較緩。斷層的走向多為NE～NNE 方向，少量斷層為近EW 向，反映出本區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。

本文施工的煤層氣井就位于該區(qū)塊內(nèi)，根據(jù)已有資料可知該地區(qū)為一個(gè)近南北向的大型復(fù)式向斜，區(qū)塊內(nèi)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造雖然較為簡(jiǎn)單，但內(nèi)部小斷層及次級(jí)褶皺較為發(fā)育，加上前期地質(zhì)資料較少，給水平井的施工造成了極大的困難，施工中常遇到3～5 m 的小褶皺或斷層。

該井井身結(jié)構(gòu)為三開鉆井，實(shí)際鉆井參數(shù)如下。

一開：孔徑374.7 mm，下入273.1 mm 表層套管。

二開：孔徑241.3 mm，下入193.7 mm 技術(shù)套管。

三開：孔徑171.5 mm，下入139.7 mm 生產(chǎn)套管1 395.24 m，著陸點(diǎn)深度1 393.20 m，二開套管下至1 395.24 m，井斜86.4°。

施工過(guò)程中，一開和二開施工均正常，未出現(xiàn)其他事故。

2 事故經(jīng)過(guò)

該井出事故前的施工鉆具組合為：PDC 鉆頭+近鉆頭導(dǎo)向+螺桿+接收短節(jié)+無(wú)磁+鉆桿+單根方入+頂驅(qū)，井深1 536 m，井斜103.4°，已經(jīng)進(jìn)入煤層水平段中145 m。出事故前期鉆進(jìn)中，煤層垮塌卡鉆、憋泵，起鉆至技術(shù)套管內(nèi)，調(diào)配鉆井液，下鉆至井深1 446 m 時(shí)遇阻。隨后進(jìn)行開泵劃眼，至井深1 458.40 m 處，泵壓異常，由12.0 MPa升到18.0 MPa，且活動(dòng)鉆具困難，開泵上提鉆具，摩阻達(dá)到20 t；開泵、開頂驅(qū)下放鉆具，摩阻16 t，循環(huán)后發(fā)現(xiàn)振動(dòng)篩處有部分掉塊。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況初步判斷為，劃眼至井深1 458.40 m 時(shí)，再次發(fā)生井塌；隨后進(jìn)行倒劃眼至井深1 455.0 m 泵壓突然降低，由12.0 MPa 降為7.0 MPa，近鉆頭導(dǎo)向儀器突然異常，無(wú)法收到信號(hào)，判斷井下異常、決定起鉆進(jìn)行檢查。上提鉆具完畢后，發(fā)現(xiàn)連接無(wú)磁鉆鋌的加重鉆桿公接頭80 cm 處斷落，無(wú)磁鉆鋌以下全部掉落入井內(nèi)。分析鉆具斷落原因?yàn)椋禾幚砩弦惶算@中的煤層垮塌、卡鉆事故中，造成鉆具疲勞，再次下鉆遇阻時(shí)，致使鉆具斷落井內(nèi)，鉆頭位置應(yīng)該在1 458.00 m 以上。

3 處理過(guò)程

3.1 探明落魚位置

分析鉆具斷落原因和下一步處理方案，認(rèn)為魚頭已被垮塌的巖屑埋住，初步判斷魚頭位置在1 438 m 處，決定用171.5 mm 三牙輪鉆頭通井、尋找落魚位置。

第一次：下入三牙輪鉆頭至井深1 434.20 m 處遇阻，開泵，排量14 L/s，泵壓7.5 MPa；開頂驅(qū)，轉(zhuǎn)速10 rpm，扭矩2～4 kN·m，低鉆壓0.5 t。劃眼至井深1 439.10 m 無(wú)法繼續(xù)通過(guò)，反復(fù)嘗試多次均無(wú)法通過(guò)1 439.10 m，劃眼至1 439.10 m 處加鉆壓0.5 t 不回壓，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速10 rpm，未接觸1 439.10 m時(shí)扭矩2.5 kN.m，接觸后加壓0.5 t，扭矩3～4 kN.m。循環(huán)后振動(dòng)篩有少量煤層掉塊返出，后期巖屑明顯減少，無(wú)掉塊返出，在振動(dòng)篩處放置的吸鐵石吸到少量的小長(zhǎng)粒鐵屑，現(xiàn)場(chǎng)判斷魚頭位于1 439.10 m 處，決定對(duì)井底灌封閉泥漿，起鉆，打撈方案。

落魚組合示意圖如圖1 所示。

圖1 落魚組合示意Fig.1 Fish combination diagram

落魚位置示意圖如圖2 所示。

圖2 落魚位置示意Fig.2 Location of falling fish

3.2 下入卡瓦打撈筒打撈

第二次：下入卡瓦打撈筒至井深1 439.24 m 遇阻，上提1 m 開泵，泵壓6.0 MPa，排量14 L/s，下放至1 439.24 m 泵壓無(wú)變化；上提2 m，開頂驅(qū)轉(zhuǎn)速5 rpm，扭矩2～3.1 kN·m，下放至1 439.24 m扭矩3.5～4.1 kN.m，停泵下壓懸重2 t 不回壓，上提2 m 換方位開泵開頂驅(qū)下放至1 439.24 m 泵壓依然無(wú)變化，停泵下壓不回壓，多次換方位操作后仍無(wú)效果，地面無(wú)法確認(rèn)是否觸碰到落魚。認(rèn)為魚頭緊貼井眼上部，無(wú)法進(jìn)入打撈筒，決定下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒實(shí)施打撈作業(yè)。

第三次：下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒至井深1 395.24 m 遇阻，經(jīng)過(guò)多次開泵、停泵、多方位下放卡瓦打撈筒均無(wú)法套住魚頭，打撈3 h 無(wú)果，現(xiàn)場(chǎng)決定起鉆研究下一步打撈方案。

3.3 下MWD+牙輪鉆頭清掃魚頭

第四次：下入φ171.50 mm 牙輪鉆頭+φ135 mm×1.5°螺桿+MWD 測(cè)斜儀器下鉆至魚頭位置清掃魚頭沉砂，為了防止劃眼出新井眼，下入MWD測(cè)斜儀器隨時(shí)跟進(jìn)井眼軌跡數(shù)據(jù)。在清掃魚頭的過(guò)程中分別向魚頭上方和魚頭下方拉槽劃眼，在接觸到落魚時(shí)，指重表有明顯的變化，振動(dòng)篩有小部分鐵屑返出，現(xiàn)場(chǎng)決定起鉆下入打撈鉆具。上提鉆具完畢后，發(fā)現(xiàn)牙輪鉆頭磨損嚴(yán)重，并且有斷齒的情況。判斷牙輪鉆頭碰到魚頭，研究決定下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒實(shí)施打撈作業(yè)。

第五次：下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒進(jìn)行打撈作業(yè)后，魚頭進(jìn)入了卡瓦打撈筒2 次，懸重由38 t 降至20 t，泵壓由5 MPa 上升至15 MPa，但卡瓦打撈筒卡不住魚頭，分析原因?yàn)榧又劂@桿接箍上焊有耐磨帶，有耐磨帶的地方外徑131 mm，采用的卡瓦打撈筒最大只能打撈外徑127 mm 的鉆具?，F(xiàn)場(chǎng)決定起鉆后再研究下一步打撈方案，起鉆完畢后，檢查卡瓦打撈筒內(nèi)壁有磨損痕跡，再次確定魚頭進(jìn)入了卡瓦打撈筒引鞋內(nèi)。

打撈工具組合示意如圖3 所示。

圖3 打撈工具組合示意Fig.3 Combination of fishing tools

3.4 下入公錐進(jìn)行打撈

由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有φ131 mm 的打撈筒，決定用彎鉆桿+安全接頭+公錐進(jìn)行打撈,在公錐外加1 個(gè)外徑φ168 mm，內(nèi)徑φ140 mm 的引鞋。

第六次：下鉆完畢，開泵沖洗魚頭、停泵，尋找魚頭，待魚頭進(jìn)入公錐引鞋內(nèi)，緩慢加壓10 kN引扣，在引扣過(guò)程中，指重表懸重明顯回升，扭矩由2 kN·m 上升到4.5 kN·m，再緩慢加壓至50 kN造扣，引扣、造扣過(guò)程中指重表懸重明顯回升，頂驅(qū)反扭明顯，頂驅(qū)共有效轉(zhuǎn)動(dòng)8.0 圈，上提遇阻，判斷造扣成功。試著開泵，排量6.0 L/s，泵壓18.0 MPa，無(wú)法建立循環(huán)，多次活動(dòng)鉆具（上提至懸重60 t，下放至懸重40 t，原懸重38 t），解卡后，上提鉆具4.0 m 后再次遇阻，重復(fù)活動(dòng)鉆具直至解卡，起鉆完畢，落魚全部打撈出井。至此，歷時(shí)7 d、打撈6 次，處理事故成功。

4 注意事項(xiàng)

4.1 鉆井中應(yīng)采取的預(yù)防措施

（1）選擇好泥漿體系，保持井壁穩(wěn)定和井眼內(nèi)干凈。水平井井斜大、位移大，巖屑受自身重力的作用向下運(yùn)動(dòng)，如果鉆井液性能不足、環(huán)空返速不夠大，巖屑在井床越積越多，容易形成卡鉆，造成事故。為保證井眼的凈化，可采用以下方法：①首先保證足夠的排量，即保證足夠的環(huán)空返速，以破壞巖屑推擠的形成，從而達(dá)到清洗井壁的效果；②提高鉆井液粘度可以增加鉆井液對(duì)巖屑的粘附力，使巖屑隨鉆井液及時(shí)帶出井筒，在鉆速較快的井段要有意識(shí)的控制鉆速；③在鉆井過(guò)程中，定向鉆進(jìn)中震動(dòng)篩巖屑明顯減少時(shí)短起下一次，及時(shí)清除井壁上的巖屑，保證井眼暢通，防止粘卡事故；④加強(qiáng)鉆井設(shè)備的維修和保養(yǎng)，保證鉆井的連續(xù)性，這樣才能減少鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液靜止的時(shí)間；⑤用好凈化固控設(shè)備，保證良好的鉆井液性能，滿足攜巖、潤(rùn)滑、防塌要求，確保井壁穩(wěn)定，井眼暢通。因此，水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，一定要控制好鉆井液的性能和泵壓、泵量，避免事故的發(fā)生。

（2）做好井身軌跡的控制工作。根據(jù)井身軌跡的變化，及時(shí)調(diào)整井斜和方位，避免大幅度調(diào)整造成狗腿度過(guò)大，給下步施工造成不利影響。

（3）造斜段和水平段全部使用斜坡鉆桿，加重鉆桿放在直井段，減少鉆具與井壁的摩擦。

（4）在造斜率允許的條件下盡量多采用復(fù)合鉆井方式鉆進(jìn)，這樣可改善井眼的平滑性，又可促進(jìn)巖屑的返出。加強(qiáng)配合協(xié)調(diào)工作，加快施工進(jìn)度，縮短浸泡時(shí)間，避免垮塌卡鉆。

（5）加強(qiáng)坐崗工作，密切觀察震動(dòng)篩上巖屑返出情況，如有巖屑返出減少現(xiàn)象，應(yīng)立即停鉆進(jìn)行短提下鉆，破壞井壁巖屑堆積，保證井眼暢通。

4.2 發(fā)生事故后注意事項(xiàng)

（1）灌入封閉漿。煤儲(chǔ)層易破碎、垮塌，一旦確定鉆具落入井內(nèi)，要及時(shí)提高鉆孔內(nèi)鉆井液的比重和粘度，做好井壁保護(hù)工作，避免魚頭上部的井段垮塌，為后續(xù)打撈落魚做好準(zhǔn)備。這次事故處理中，歷時(shí)7 d，6 次上下鉆，中間沒(méi)有專門更換泥漿，鉆孔內(nèi)也沒(méi)有出現(xiàn)再次垮塌現(xiàn)象，證明了打封閉泥漿的措施。

（2）尋找魚頭。處理事故中，找到魚頭位置是最重要的，根據(jù)魚頭位置，選擇合適的工具，處理事故中，要做好充分的處理方案，避免盲目下鉆打撈，造成井壁垮塌，給后續(xù)打撈工作造成新的困難。

（3）檢測(cè)鉆具。處理完卡鉆、埋鉆等事故后，一定要對(duì)鉆具進(jìn)行探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有損傷的鉆具要及時(shí)更換；每趟起、下鉆倒換鉆具位置，避免鉆具長(zhǎng)時(shí)間受交變應(yīng)力的作用，防止下次使用時(shí)，鉆具疲勞再次發(fā)生斷鉆具的事故。