泡酸解卡技術(shù)在TZ4SH井的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

鄧昌松，宋周成，李興亭，申川峽，馬小龍

(中石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

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泡酸解卡技術(shù)在TZ4SH井的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

鄧昌松，宋周成，李興亭，申川峽，馬小龍

(中石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

水平井卡鉆采用泡酸解卡，在塔里木油田塔中區(qū)塊被證明是最迅速有效的方式。該方法解決了一批水平井卡鉆事故，解卡成功率達(dá)100%。TZ4SH井解卡作業(yè)創(chuàng)造了塔中泡酸解卡多個(gè)第一，第一次在非奧陶系地層進(jìn)行泡酸解卡作業(yè)，第一次泡酸地層碳酸鹽含量低于90%，第一次使用土酸作業(yè)但解卡失敗，第一次泡酸作業(yè)中發(fā)生井壁失穩(wěn)。實(shí)踐表明，泡酸解卡不是將卡點(diǎn)的阻礙物完全溶解而是溶解部分阻礙物后使其松動(dòng)，減弱其對(duì)鉆具活動(dòng)的影響。泡酸解卡不僅對(duì)卡點(diǎn)巖性及其含量有要求，還要求考慮卡點(diǎn)巖石的膠結(jié)強(qiáng)度、井壁穩(wěn)定性等因素。

水平井卡鉆；解卡；酸化；鉆井事故；塔里木盆地

泡酸解卡就是使被卡鉆具與地層之間的粘結(jié)物、地層巖屑或泥餅中的碳酸鹽組分，發(fā)生酸化反應(yīng)或發(fā)生鈉膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)為氫膨潤(rùn)土的脫水反應(yīng)，致巖石裂解、疏松、破碎利于鉆具活動(dòng)從而使被卡鉆具解卡[1-2]。塔里木油田塔中區(qū)塊水平井的水平段長(zhǎng)平均達(dá)1000 m以上，一旦發(fā)生卡鉆事故，處理難度大，可運(yùn)用手段少，造成經(jīng)濟(jì)損失巨大[3]。此前發(fā)生在奧陶系超深水平井的卡鉆事故均可通過(guò)浸泡濃度15%的鹽酸順利解卡，而TZ4SH井是一口發(fā)生在石炭系的水平井卡鉆事故。第一次在該層系采用泡酸解卡技術(shù)，無(wú)可借鑒經(jīng)驗(yàn)。本次操作存在未知的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，但豐富了泡酸解卡技術(shù)內(nèi)容給石炭系水平井鉆采卡鉆提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。沙漠腹地運(yùn)輸不便的情況下，事故共損失時(shí)間2.05 d，顯示了泡酸解卡技術(shù)對(duì)于水平井卡鉆事故有巨大的應(yīng)用前景。

1 TZ4SH井工程概況

TZ4SH井是塔里木盆地中央斷裂帶東端構(gòu)造上的一口水平開(kāi)發(fā)井,鉆探目的層為石炭系巴楚組生屑灰?guī)r段。采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)、裸眼完井方式，三開(kāi)采用?171.4 mm鉆頭從3644 m開(kāi)始鉆進(jìn)，水平段A點(diǎn)斜深3763 m、垂深3531.92 m，B點(diǎn)設(shè)計(jì)井深4820 m，實(shí)鉆至4744.43 m發(fā)生卡鉆?？ㄣ@后經(jīng)過(guò)2次泡酸解卡作業(yè)，井下情況變得非常復(fù)雜，不滿足繼續(xù)鉆進(jìn)的條件，只得提前完鉆。三開(kāi)鉆井液采用聚磺防塌鉆井液體系，鉆井液主要性能：密度1.12 g/cm3；漏斗粘度55 s；塑性粘度16 mPa·s；屈服度4.5 Pa；初切力1.5 Pa；終切力5 Pa；pH值11；API失水量2.8 mL；API泥餅厚度0.5 mm；摩擦系數(shù)0.06；含水量89%；含油量4%；固相含量7%；含砂量0.1%；膨潤(rùn)土含量37 g/L；110 ℃下的HTHP失水量11 mL，HTHP泥餅厚度1 mm；Cl-含量4600 mg/L；Ca2+含量80 mg/L；六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)：Φ3為3，Φ6為4，Φ100為11，Φ200為17，Φ300為26，Φ600為43。

鉆進(jìn)至井深4744.43 m，發(fā)現(xiàn)隨鉆伽馬儀器無(wú)信號(hào)。上提鉆具至井深4740 m，接著下放鉆具至井深4742.50 m，停泵靜止12 min，重新開(kāi)泵10 min后捕獲隨鉆伽瑪儀器信號(hào)。捕獲信號(hào)后開(kāi)轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩從6 kN·m上漲至10 kN·m并被憋停。在原懸重1000 kN、正常摩阻80～100 kN的情況下，上提鉆具至懸重1314 kN未提開(kāi)，下放鉆具至原懸重正轉(zhuǎn)20圈、下壓至懸重400 kN仍未解卡。嘗試采用最大上提鉆具至懸重1600 kN、正轉(zhuǎn)最大圈數(shù)40圈、下壓鉆具懸重至350 kN的方式，連續(xù)活動(dòng)鉆具均不能解卡。活動(dòng)鉆具期間，排量、泵壓正常，鉆井液無(wú)漏失現(xiàn)象。在長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)鉆具無(wú)效的情況下，綜合考慮地層巖性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性等因素，決定在該層系首次嘗試使用泡酸解卡技術(shù)。

2 卡鉆原因分析

在塔里木盆地開(kāi)發(fā)石炭系、志留系油氣儲(chǔ)層的井稱為碎屑巖井，其井身結(jié)構(gòu)幾乎均為直井；而水平井一般布置在奧陶系等埋藏深度達(dá)6300 m以深的碳酸鹽巖儲(chǔ)層。因此，該井的鄰井全都是直井，可收集有價(jià)值的鄰井資料有限、可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少。鉆探直井時(shí)遇石炭系地層快速通過(guò)，幾乎未發(fā)生任何卡鉆事故。因此,對(duì)石炭系地層特性缺乏足夠認(rèn)識(shí)，水平段鉆進(jìn)防卡措施落實(shí)不到位[4]。人員防卡鉆風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡薄，以超深水平井的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)判斷相對(duì)淺層的水平井難發(fā)生卡鉆。鉆時(shí)快，井底未返出的巖屑增多形成巖屑床，使得水平段摩阻增大，托壓嚴(yán)重。鉆進(jìn)中未及時(shí)采取短起下、打稠漿攜砂等措施破壞巖屑床，更嚴(yán)重地是測(cè)斜前上提、活動(dòng)鉆具距離過(guò)短，未充分活動(dòng)鉆具至正常狀態(tài)就停泵。在這種高卡鉆風(fēng)險(xiǎn)情況下，鉆具靜止、重新停開(kāi)泵捕捉儀器信號(hào)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，多種因素下最終導(dǎo)致卡鉆事故的發(fā)生。

3 泡酸解卡方案

泡酸的原理是利用氫氟酸、鹽酸能與巖石中的石英、粘土、鈣質(zhì)物等發(fā)生反應(yīng)，使卡點(diǎn)附近阻塞物溶解或體積縮小，利于鉆具活動(dòng)解卡。酸液與碳酸鹽巖、粘土、砂巖等巖石反應(yīng)的化學(xué)方程式如下[5]。

與碳酸鹽反應(yīng)：2HCl+CaCO3=CaCl2+H2O+CO2↑以及2HF+CaCO3=CaF2+H2O+CO2↑。

與粘土反應(yīng)：36HF+Al2Si4O10(OH)2=4H2SiF6+12H2O+2H3AlF6。

卡鉆地層為石炭系生屑灰?guī)r段(其上部為中泥巖段、下部為下泥巖段)，巖性為泥質(zhì)灰?guī)r，碳酸鹽含量60%～70%，符合泡酸解卡的最基本條件，但在選擇酸液是鹽酸還是土酸的問(wèn)題上需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。

受鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，鉆井液工程師只能對(duì)酸液反應(yīng)進(jìn)行初步定性分析。根據(jù)文獻(xiàn)[5]研究結(jié)果，濃度15%的鹽酸被公認(rèn)為溶解地層、提供導(dǎo)流能力最強(qiáng)，因此,酸液中的鹽酸濃度定為15%。土酸中鹽酸與氫氟酸常用比例為4∶1，土酸中氫氟酸濃度定為3.7%。各取100 g卡點(diǎn)周?chē)貙拥膸r屑倒入2個(gè)鐵盤(pán)中，分別倒入土酸和鹽酸進(jìn)行對(duì)比分析。反應(yīng)后靜置2 h，倒出殘液、過(guò)濾反應(yīng)殘留物再分別滴入土酸和鹽酸，看殘留物是否繼續(xù)溶解，如果不反應(yīng)說(shuō)明巖屑中可反應(yīng)成分已反應(yīng)完全。然后將反應(yīng)殘留物過(guò)濾，觀察濾紙上過(guò)濾物的形態(tài)。實(shí)踐表明，土酸浸泡過(guò)的巖屑反應(yīng)徹底，濾紙上幾乎無(wú)殘留物；鹽酸浸泡過(guò)的巖屑在濾紙上留下一層有泥質(zhì)感細(xì)微物，該殘余物可與氫氟酸反應(yīng)[6-8]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮采用密度1.07 g/cm3的土酸進(jìn)行作業(yè)，酸液配方:15%鹽酸+3.7%氫氟酸+2%緩腐劑+1%鐵離子穩(wěn)定劑+1%助排劑+1%破乳劑。

4 泡酸解卡施工

4.1 第一次泡酸解卡作業(yè)

注酸管線試壓30 MPa合格后，注密度1.03 g/cm3、粘度120 s前置液5 m3；排量0.7 m3/min，注密度1.07 g/cm3土酸17.5 m3，泵壓18 MPa；接著排量0.5 m3/min，注清洗酸液車(chē)的清水1.5 m3，泵壓11 MPa；然后注密度1.03 g/cm3、粘度120 s后置液5.6 m3。前、后置液作為隔離液主要由大分子材料加淡化水配成。注完酸液后，提排量至0.8 m3/min替鉆井液2.7 m3時(shí)，泵壓突然由14.7 MPa上升至26 MPa，分析認(rèn)為是井壁失穩(wěn)引起垮塌所致。隨后將排量降至0.5 m3/min，泵壓降至24 MPa，繼續(xù)替液至5.2 m3時(shí)，鉆井液出口失返。保持該排量，累計(jì)替液15.7 m3，漏失鉆井液9.9 m3。替液結(jié)束，立即上提鉆具至懸重1600 kN，下壓鉆具至懸重400 kN，正轉(zhuǎn)39圈，反復(fù)如此活動(dòng)未解卡。浸泡1 h后仍未解卡，再次泵入3.3 m3鉆井液未返。接著大噸位活動(dòng)鉆具30 min，排量0.7 m3/min，開(kāi)泵循環(huán)6 min后出口見(jiàn)返，泵壓19 MPa。循環(huán)3 h后，鉆井液出口見(jiàn)前置液、后置液及混漿返出，未見(jiàn)殘酸返出。此后每小時(shí)釋放扭矩后上提鉆具至懸重1400 kN，放至原懸重正轉(zhuǎn)20圈后下壓至懸重400 kN。持續(xù)循環(huán)、活動(dòng)鉆具，2 h后井漏停止。排量0.9 m3/min泵入密度1.02 g/cm3、粘度31 s的鉆井液10 m3，泵壓22 MPa；隨后排量0.6 m3/min泵入密度1.25 g/cm3、粘度153 s的稠漿5 m3攜砂，泵壓升至24 MPa。稠漿返至地面，振動(dòng)篩處無(wú)返砂，決定改用固井泵大排量循環(huán)攜砂。固井泵排量1.2 m3/min，泵壓35 MPa，泵入鉆井液33 m3后，固井泵盤(pán)根刺漏。修好固井泵后，先用排量1 m3/min，泵壓22 MPa，泵入井漿7 m3，再將排量提至1.2 m3/min時(shí)固井泵盤(pán)根再次刺漏，振動(dòng)篩處仍未見(jiàn)返砂。固井泵第三次開(kāi)泵，排量1.2 m3/min，泵壓32 MPa，在大排量循環(huán)下出口返出少量細(xì)砂、石墨粉及乳化瀝青。第一次泡酸解卡失敗，不間斷活動(dòng)鉆具，準(zhǔn)備第二次泡酸作業(yè)。

鑒于第一次泡酸失敗，第二次改用鹽酸進(jìn)行浸泡。酸液配方為：15%鹽酸、2%緩腐劑、1%助排劑、1%鐵離子、1%破乳劑，酸液密度1.07 g/cm3。為滿足泡酸后安全作業(yè)，頂替鉆井液中加入2%玻璃微珠、5%潤(rùn)滑劑。

4.2 第二次泡酸解卡作業(yè)

注酸管線試壓合格，注密度1.12 g/cm3、粘度100 s前置液5 m3；排量0.7 m3/min，注密度1.07 g/cm3酸液21 m3，泵壓16 MPa；排量0.5 m3/min，注清水沖洗酸車(chē)的混合液1.5 m3，泵壓8 MPa；注密度1.12 g/cm3、粘度100 s后置液5 m3。排量0.8 m3/min，泵壓22 MPa，替鉆井液至7.5 m3時(shí)出口流量變小，降排量替鉆井液至8.5 m3時(shí)出口失返，替鉆井液至8.8 m3時(shí)停泵，漏失鉆井液2.5 m3。5 min后開(kāi)泵，排量0.6 m3/min，泵壓11 MPa，出口未返。活動(dòng)鉆具，懸重恢復(fù)正常，開(kāi)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩恢復(fù)正常，鉆具解卡。循環(huán)30 min后出口見(jiàn)返，累計(jì)漏失鉆井液22.3 m3。排量0.6 m3/min，泵壓17 MPa，見(jiàn)前置液、后置液及混漿返出，未見(jiàn)殘酸返出。繼續(xù)循環(huán)、井漏逐漸停止，裸眼段注入封閉漿，轉(zhuǎn)入正常作業(yè)。

4.3 解卡成功原因分析

第一次泡酸未達(dá)預(yù)期目的，分析認(rèn)為：

(1)鉆井液密度1.12 g/cm3低于坍塌壓力系數(shù)1.21，液柱壓力對(duì)井壁的支撐作用不夠，井壁在鉆井液長(zhǎng)期浸泡、負(fù)壓差下，巖石發(fā)生塑性破壞，產(chǎn)生剝落和裂紋。隔離液和酸液密度低于原鉆井液密度、作業(yè)泵壓也低于鉆進(jìn)時(shí)泵壓使環(huán)空壓耗減小，作用于井壁的壓力降低，加劇裂紋的形成和擴(kuò)展，井壁嚴(yán)重失穩(wěn)。

(2)泡酸加劇巖石的這種不穩(wěn)定性，酸液沿裂縫運(yùn)移，引起井壁垮塌、泵壓突升，作用于井壁的壓力突增，地層被憋漏，酸液大量進(jìn)入漏層，未能進(jìn)入卡點(diǎn)。

(3)土酸溶解性強(qiáng)、穿透力大，反應(yīng)速度過(guò)快，使酸液作用時(shí)間和距離變短，導(dǎo)致泡酸失敗[9]。

第二次采用的泡酸原理是鹽酸雖不能與二氧化硅等發(fā)生反應(yīng)，但溶解碳酸鹽的同時(shí)可將來(lái)自濾餅、巖屑床、地層泥巖的鈉膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)變?yōu)闅渑驖?rùn)土，使其脫水、體積縮小。鹽酸進(jìn)一步深入卡鉆部位繼續(xù)反應(yīng)，給鉆具活動(dòng)提供更多有效空間，利于鉆具解卡[10]。其次考慮裸眼地層壓力敏感，泡酸作業(yè)時(shí)控制好排量、泵壓。替液是關(guān)鍵，替液的排量影響到泵壓，泵壓關(guān)系到環(huán)空壓耗、影響作用在井壁的壓力。隔離液密度對(duì)液柱壓力影響大，為了井壁穩(wěn)定，需要讓隔離液密度不低于鉆井液密度。同時(shí)為了防止因漏失量大，酸液不能到達(dá)卡鉆地層，需要加大附加酸液用量。

5 結(jié)論

(1)泡酸在水平井解卡方面有許多的優(yōu)勢(shì)，但采用泡酸解卡的依據(jù)除了巖性及其含量外，還需要考慮巖石的膠結(jié)強(qiáng)度、地層裂縫及充填物、井底壓差等因素，預(yù)防作業(yè)中發(fā)生井壁失穩(wěn)，引發(fā)新的復(fù)雜情況。

(2)目的層欠平衡鉆進(jìn)發(fā)生卡鉆事故，首先應(yīng)將鉆井液密度提至平衡地層壓力的當(dāng)量密度，在確保井壁穩(wěn)定后再著手處理解卡作業(yè)。結(jié)合鉆進(jìn)時(shí)井壁穩(wěn)定性，考慮裸眼地層壓力敏感，決定泡酸時(shí)酸液與隔離液密度和粘度、替液的排量、泵壓。對(duì)于敏感性地層，適當(dāng)加大酸液量，做好防漏、防地層回吐應(yīng)急預(yù)案。

(3)泡酸過(guò)程中發(fā)生井壁垮塌、引發(fā)井漏及失返，采用大排量循環(huán)是為了防止因液柱壓力下降而再次井壁垮塌及預(yù)防垮塌物堆積堵塞環(huán)空。環(huán)空暢通后需用固井泵車(chē)等設(shè)備大排量循環(huán)稠漿攜砂，盡可能將垮塌物攜帶出井筒，保證井眼暢通為后續(xù)處理作業(yè)創(chuàng)造條件。

(4)泡酸在酸液的選擇及影響酸液反應(yīng)速度和作用距離的酸液濃度、泵排量、地層溫度壓力等因素需要進(jìn)一步研究。

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Practice and Understanding of Stuck Pipe Releasing Technology by Acid Soaking in Well TZ4SH/

DENGChang-song,SONGZhou-cheng,LIXing-ting,SHENChuan-xia,MAXiao-long

(Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla Xinjiang 841000, China)

It is well known that stuck pipe releasing with acid soaking is the most rapid and effective way in Middle Tarim block of Tarim oilfield, a number of pipe sticking accidents have been solved with success rate of 100%. The sticking releasing operation in well TZ4SH is the first time to use acid soaking in non Ordovician strata with the carbonate content less than 90%. The practice shows that the acid soaking does not mean to completely dissolve the obstruction at the sticking point, but to partly dissolve obstruction to reduce the interference to drilling tool. For stuck pipe releasing with acid soaking, not only the lithology and the carbonate content in the sticking point should be learned, but also the cementing strength, borehole wall stability and some other factors should be considered.

sticking in horizontal well; sticking releasing; acidification; drilling accident; Tarim basin

2016-07-24；

2017-04-17

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“塔里木盆地庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶油氣開(kāi)發(fā)示范工程”(編號(hào):2011ZX05046)

鄧昌松，男，漢族，1981年生，油氣井工程專業(yè)，碩士，從事油氣鉆探工程的監(jiān)督與管理工作，新疆庫(kù)爾勒市，dcs023@163.com。

TE285

A

1672-7428(2017)06-0038-03