渤海油田渤中A3井鉆井事故的分析與認(rèn)識(shí)

岳明亮，張國(guó)強(qiáng)，郝仲田

1.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 （天津 300452）

■質(zhì)量安全論壇

渤海油田渤中A3井鉆井事故的分析與認(rèn)識(shí)

岳明亮1，張國(guó)強(qiáng)2，郝仲田2

1.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 （天津 300452）

渤中A3井鉆井作業(yè)情況復(fù)雜，發(fā)生2次嚴(yán)重井漏、5次卡鉆、2次鉆具落井事故。為保證后續(xù)鉆探作業(yè)順利進(jìn)行，對(duì)A3井鉆井事故的分析與認(rèn)識(shí)勢(shì)在必行。采用鄰井對(duì)比手段，結(jié)合層位變化,從地質(zhì)因素、理化因素、工藝因素、鉆具因素等方面分析了A3井事故發(fā)生的原因。分析結(jié)果表明，資料匱乏導(dǎo)致對(duì)地層異常壓力認(rèn)識(shí)不清是事故發(fā)生的主要原因。針對(duì)此種高難度井，對(duì)后續(xù)鉆探中使用的測(cè)井手段、錄井項(xiàng)目、泥漿體系、鉆井程序等方面提出了新的認(rèn)識(shí)與建議。

渤海油田；鉆井事故；卡鉆；井漏；地層層序；地質(zhì)因素

為了評(píng)價(jià)目的層潛力儲(chǔ)量分布、兼探油水界面、落實(shí)地質(zhì)油藏風(fēng)險(xiǎn)、挖掘該井區(qū)潛力、實(shí)現(xiàn)油田產(chǎn)能接替,渤中某油田二期調(diào)整設(shè)計(jì)3口生產(chǎn)井。其中A3井在鉆井作業(yè)過(guò)程中，井漏、卡鉆、鉆具落井等事故頻發(fā)，經(jīng)歷2次側(cè)鉆，最終完鉆。作業(yè)周期184.25天，超設(shè)計(jì)周期146.25天，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。

本區(qū)塊已鉆3口探井、6口開(kāi)發(fā)井，從未發(fā)生如此嚴(yán)重的事故。為了后期開(kāi)發(fā)調(diào)整井安全、經(jīng)濟(jì)、高效地完成鉆探任務(wù)，分析與研究本井事故原因，具有重要的意義。

1 A3井簡(jiǎn)介

1.1 地層層序

A3井自上而下鉆遇地層為：平原組（Qp）、明上段（N2Mu）、明下段（N1Ml）、館陶組（N1g）、東一段（E3d1）、東二上段、東二下段、東三段（E3d3）、沙一段（E3S1）、中生界（Mz）。A3井地層層序如圖1所示。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

A3井井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。本井設(shè)計(jì)為單靶點(diǎn)常規(guī)定向井，五段式井深結(jié)構(gòu)，最大井斜35.41°，方位65.18°。

圖1 A3井地層層序圖

圖2 A3井井身結(jié)構(gòu)圖

1.3鉆井液設(shè)計(jì)

A3井鉆井液設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

2 A3井作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)介

A3井設(shè)計(jì)鉆井作業(yè)周期38天，2015年1月25日開(kāi)鉆，444.50mm井眼順利鉆進(jìn)至1 825.50m中完，339.73mm技術(shù)套管順利下放至1 823.30m，固井作業(yè)也非常順利。

2.1 第一次事故：井漏、卡鉆

①三開(kāi)鉆進(jìn)至3 798.00m，循環(huán)、短起。短起鉆至1 840.00m，發(fā)生井漏，堵漏后，起鉆至井口，更換鉆具組合。②下放至3 367.00m，發(fā)生井漏，堵漏。起鉆至2 351.58m，卡鉆，小排量劃眼通過(guò)。期間環(huán)空不間斷灌鉆井液，環(huán)空未見(jiàn)返出。③倒劃眼至2 173.58m，卡鉆，多次嘗試蹩扭矩下壓鉆具，解卡。由于井況復(fù)雜，三開(kāi)于3 798.00m中完，事故處理14.21天。

表1 A3井鉆井液設(shè)計(jì)

2.2 第二次事故：卡鉆、鉆具落井

①四開(kāi)鉆進(jìn)至4 805.00m，循環(huán)、短起。短起鉆至4 457.00m，卡鉆。多次蹩扭矩下砸鉆具，解卡。②倒劃眼至4 381.00m，鉆具脫扣落井，理論魚(yú)頂深度4 307.19m，落魚(yú)長(zhǎng)度73.81m。③起鉆更換鉆鋌通井鉆具通井，探魚(yú)頂位于4 306.00m，鉆具出井后，加重鉆桿、震擊器、花鍵軸有劃痕，兩個(gè)螺旋翼下端貼片有破損；鉆頭損傷嚴(yán)重。④馬達(dá)鉆具通井、探落魚(yú)，探魚(yú)頂位于4 308.64m；起鉆，出井鉆頭內(nèi)排齒崩齒較多，外排齒少量磨損。⑤打撈鉆具抓住落魚(yú)，通過(guò)大噸位上提、下壓鉆具以及震擊器上下震擊15.5h未能解卡落魚(yú)。鉆具出井后，壁鉤鏤空部分?jǐn)嗔崖渚?。由于?fù)雜情況，放棄打撈，準(zhǔn)備回填側(cè)鉆，事故處理10.14天。

2.3 第三次事故：卡鉆、鉆具落井

自3 957.00m側(cè)鉆，鉆進(jìn)至5 046.63m，短起下放至4 361.00m，卡鉆。解卡后鉆具脫扣落井，理論魚(yú)頂深度4 295.91m，落魚(yú)長(zhǎng)度55.99m；通井后下打撈鉆具至4 285.00m，開(kāi)始頻繁憋壓、蹩扭矩，劃眼困難。由于井況復(fù)雜，放棄打撈，回填側(cè)鉆，事故處理13.51天。

2.4 第四次事故：卡鉆

自3 798.00m側(cè)鉆，鉆進(jìn)至中完井深4 690.00m。短起下鉆至4 292.00m，卡鉆。多次蹩扭矩下砸鉆具，解卡；通井期間，下鉆至4 348.00m，卡鉆。多次蹩扭矩下砸鉆具，解卡，事故處理0.57天。

2.5 第五次事故：井漏、卡鉆

五開(kāi)鉆進(jìn)至5 239.00m完鉆，期間多處發(fā)生井漏，短起下至5 214.80m，卡鉆。多次蹩扭矩下砸鉆具，解卡，事故處理1天。

3 事故原因分析

從事故發(fā)生井段來(lái)看：井漏發(fā)生在館陶底至東二上段頂部和中生界潛山，而卡鉆主要發(fā)生在東二下段，具體原因分析如下。

3.1 地質(zhì)因素

3.1.1 裂縫

泥巖隨著鈣質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量增高，脆性增大，有利于裂縫的形成[1]。從圖3可以看出，電阻率在大段泥巖段出現(xiàn)高值尖峰且跳躍變化，與鉆時(shí)曲線響應(yīng)一致，表征為薄層鈣質(zhì)的存在。鉆井過(guò)程中，遇到裂縫會(huì)發(fā)生井漏，環(huán)空液柱下降會(huì)打破泥漿柱壓力與地層壓力之間的平衡，導(dǎo)致井壁垮塌，進(jìn)而引起卡鉆事故。第一次和第五次事故明顯屬于裂縫引起的，長(zhǎng)時(shí)間井口失返，要依靠環(huán)空不間斷灌注鉆井液來(lái)維持壓力平衡，漏速與補(bǔ)充速度之間的平衡關(guān)系很難人為掌控。

3.1.2 壓力系統(tǒng)復(fù)雜

圖4為A3井套管內(nèi)聲波時(shí)差半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖[2],第一口探井聲波數(shù)據(jù)齊全，因此采用1井全井段聲波時(shí)差做出正常壓實(shí)趨勢(shì)線。從圖4可以看出：東營(yíng)組壓力系統(tǒng)復(fù)雜，東二上段頂部有明顯的異常高壓，東二上段底部壓力恢復(fù)正常；東二下段頂部出現(xiàn)異常高壓逐步增大的趨勢(shì)，東二下段底部異常高壓相對(duì)頂部變小，但出現(xiàn)不均勻分布的現(xiàn)象。這種復(fù)雜的壓力體系給鉆井液比重帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，由于缺少資料，鉆井液比重?zé)o法精確把控是本井事故發(fā)生的主要原因之一[3-4]。

圖3 A3井東一段綜合錄井圖

圖4 A3井東營(yíng)組聲波時(shí)差半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

3.1.3 地應(yīng)力

本區(qū)塊地層水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹60°E，水平最小主應(yīng)力方向與之相差90°。當(dāng)水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力時(shí),斜井的穩(wěn)定性隨井斜角的增大而降低；在平行于最大水平主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí),井壁穩(wěn)定性最差；當(dāng)在最大和最小水平主應(yīng)力方向交叉鉆進(jìn)時(shí)，井壁穩(wěn)定性最好。由圖5和圖6可以看出：A3井軌跡方位與本區(qū)塊地層主應(yīng)力方向一致，揭開(kāi)井眼后存在一定的應(yīng)力釋放，這也是本井卡鉆的主要原因之一。

3.2 理化因素

蒙脫石等黏土礦物由于離子電荷的不平衡而具有很強(qiáng)的吸水能力[5]。在埋藏過(guò)程中，蒙脫石吸收Al、K離子，釋放Na、Ca、Mg、Fe離子和水，轉(zhuǎn)變成吸收能力相對(duì)較差的伊利石（Hall 1993）。該反應(yīng)受溫度、時(shí)間控制以及礦物結(jié)構(gòu)和滲透性的影響。該轉(zhuǎn)變具有過(guò)渡性、系統(tǒng)性，過(guò)渡帶發(fā)生在溫度70～ 150°C范圍內(nèi)[6]。

圖5 A3井井眼軌跡方位圖

圖6 本區(qū)塊地應(yīng)力方向圖

但是根據(jù)Le Chatelier法則[3]，隙間溶液與固相之間存在動(dòng)態(tài)平衡，孔隙壓力增大會(huì)破壞這種動(dòng)態(tài)平衡，因此可以降低隙間流體壓力的離子（鉀離子）就溶解到孔隙水中。鉀離子的參與，使水分子變得更活躍，更容易發(fā)生遷移而帶走鉀離子，最終導(dǎo)致異常高壓帶泥巖中鉀離子濃度降低。鉀離子的流失會(huì)抑制蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化，還會(huì)促使伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)變。這又極大增加了泥巖膨脹的可能性，因?yàn)槊擅撌纫晾菀着蛎洝?/p>

上述理論說(shuō)明：在適宜轉(zhuǎn)變的地層條件下，蒙脫石與伊利石的轉(zhuǎn)變存在動(dòng)態(tài)平衡，以混層形式存在。

表2為鄰近油田泥巖塌塊全巖分析結(jié)果，該結(jié)果證實(shí)了東營(yíng)組和沙河街組泥巖層蒙脫石與伊利石以混層形式存在。當(dāng)鉆遇此類高壓層時(shí)，大量的孔隙水將涌入泥漿，導(dǎo)致局部泥漿比重降低，增加了垮塌卡鉆的幾率。

表2 鄰近油田泥巖塌塊全巖分析結(jié)果

表3 本區(qū)塊開(kāi)發(fā)井泥漿類型對(duì)比

3.3 工藝因素

3.3.1 泥漿類型

由表3可以看出：僅有A3井進(jìn)入東二上段后更換了HIBDRILL泥漿體系，A8井進(jìn)入中生界后更換為HSD體系(耐高溫?zé)o固相)。結(jié)果A3井在進(jìn)入東二上段之后,事故頻發(fā)，這說(shuō)明此種泥漿體系與地層匹配性不好。

PEM體系也叫聚合醇加強(qiáng)型氯化鉀聚合物鉆井液，HIBDRILL泥漿體系是在PEM基礎(chǔ)上根據(jù)活度平衡理論引入甲酸鉀和乳化石蠟，也可以稱為甲酸鉀復(fù)合鉆井液。它具有強(qiáng)抑制、配伍性好、環(huán)境保護(hù)、油層保護(hù)等突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于東營(yíng)組和沙河街組存在微裂縫地層具有很好的防垮塌效果。但是高含量鉀離子體系對(duì)于高溫高壓的泥巖地層并不適用，如理化因素所述，鉀離子的引入對(duì)于蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)變提供了物源，轉(zhuǎn)變的過(guò)程會(huì)釋放大量的水，變相降低了相應(yīng)井段的泥漿比重，這對(duì)于地層垮塌卡鉆起到了推動(dòng)作用。

3.3.2 套管程序

經(jīng)層位對(duì)比發(fā)現(xiàn)：A6井與A3井對(duì)比關(guān)系良好。A3井由于井漏和卡鉆事故，311.15mm井眼被迫完鉆。完鉆井深正好處于兩個(gè)高壓層中間，244.47mm套管鞋位置也在此處。當(dāng)215.90mm井眼揭開(kāi)地層后，套管鞋位置由于沒(méi)有足夠的封隔長(zhǎng)度成為最薄弱之處，當(dāng)氣體或者水等突破封隔進(jìn)入井眼中，會(huì)降低泥漿比重和黏度等參數(shù)，導(dǎo)致井內(nèi)液柱壓力不穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致井壁垮塌及卡鉆[7]。

A6井311.15mm井眼中完于高壓層之上，215.90mm開(kāi)鉆后直接使用高比重泥漿完鉆于中生界，沒(méi)有發(fā)生任何事故。由此可見(jiàn)，套管程序?qū)τ谑鹿暑A(yù)防至關(guān)重要[4]。

3.3.3 泥漿比重

圖7為該油田泥漿比重統(tǒng)計(jì)圖，從圖7可看出，鄰井中2井泥漿比重最高，為1.46g/cm3，因此A3井215.90mm井眼泥漿比重設(shè)計(jì)為1.38～1.45g/cm3。實(shí)鉆結(jié)果顯示：A3井東營(yíng)組泥漿比重高于1.50g/cm3，部分井段高達(dá)1.56g/cm3。因此認(rèn)為事故的發(fā)生并不是因泥漿比重設(shè)計(jì)不合理，而是井眼軌跡和泥漿體系等因素造成的井眼不穩(wěn)定性無(wú)法精確把控，泥漿比重增加的另一個(gè)重要因素是事故處理周期超過(guò)垮塌周期。

3.4 鉆具因素

1）相對(duì)于淺井，深井作業(yè)過(guò)程中，鉆具所表現(xiàn)出來(lái)的柔性更加明顯，井下工具轉(zhuǎn)速不同步現(xiàn)象嚴(yán)重。如果發(fā)生蹩扭矩或卡鉆情況時(shí)，頂驅(qū)蹩停，井深越大，鉆具“打扭”越嚴(yán)重，儲(chǔ)存的能量就越大，一旦井下解卡，底部鉆具脫扣風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖7 本區(qū)塊泥漿比重統(tǒng)計(jì)圖

2）井段越長(zhǎng)，井壁累計(jì)摩阻越大，正?；顒?dòng)鉆具時(shí)上提噸位較高，當(dāng)發(fā)生卡鉆需要上提時(shí)，上提噸位空間有限。特別是對(duì)于斜井，上提噸位越大，鉆具對(duì)井壁的垂直壓力就越高，所對(duì)應(yīng)的摩阻就越大，真正有效作用在卡點(diǎn)上的過(guò)提力小于理論計(jì)算值，對(duì)解卡造成困難。

4 認(rèn)識(shí)與建議

本井由于缺少相關(guān)的測(cè)井資料，無(wú)法準(zhǔn)確認(rèn)清地層。鉆井過(guò)程中，存在太多不確定性，對(duì)泥漿性能和套管程序無(wú)法精確把控，導(dǎo)致了事故的發(fā)生，進(jìn)而影響測(cè)井資料的錄取，形成惡性循環(huán)。通過(guò)本次事故分析與認(rèn)識(shí)，提出建議如下。

1）復(fù)雜井段，鉆井過(guò)程中采用隨鉆伽馬、電阻率測(cè)井，完鉆后補(bǔ)測(cè)中子、密度。如果條件允許，增加其他測(cè)井項(xiàng)目。

2）下部地層認(rèn)識(shí)不清時(shí)，在鉆穿前進(jìn)行垂直地震測(cè)井，進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)，校正地震資料。

3）錄井增加異常地層壓力錄井，及時(shí)對(duì)異常壓力進(jìn)行分析。

4）分析表明，高濃度鉀離子體系并不適合高溫高壓地層，PEM體系與本區(qū)塊目的層段匹配性相對(duì)較好。

5）為安全起見(jiàn)，建議本區(qū)塊進(jìn)潛山井采用五段式井身結(jié)構(gòu)：隔水導(dǎo)管+表套（平原組）+技術(shù)套管（明化鎮(zhèn)組+館陶組+東一段）+技術(shù)套管（東二上段+東二下段+東三段+沙一段）+尾管（中生界）。

6）鉆井方面簡(jiǎn)化井下鉆具結(jié)構(gòu)、細(xì)化作業(yè)程序、加強(qiáng)鉆具管理。

7）定向井軌跡應(yīng)充分考慮地應(yīng)力方向。

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The drilling operation encountered a very complicated situation in drilling process of well BoZhong A3,and downhole acci?dent occurred 7 times,serious lost circulation twice,sticking five times and drilling tools falling twice.In order to finish the subsequent drilling operation smoothly,the causes of the accidents were analyzed from geological factors,physicochemical factors,technological fac?tors,drilling string factors through adjacent well contrast and stratigraphic sequence analysis.The analysis result shows that the key cause of the accidents is lack of understanding of abnormal formation pressure.For this kind of complicated wells,some suggestions were proposed from logging methods,mud logging items,drilling fluid system,drilling program,etc.

Bohai Oilfield;drilling accident;sticking;mud loss;stratigraphic sequence;geological factor

?? 梅

2016-08-11

岳明亮(1983-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)井監(jiān)督工作。