南海東部表層鉆井鉆具安全保障分析與建議

焦陽(yáng)

中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518000

鉆具安全是鉆井作業(yè)永恒的主題，但由于表層建井所鉆遇地層普遍可鉆性好、開(kāi)路鉆進(jìn)鉆井液的特殊性和作業(yè)時(shí)效性要求高，導(dǎo)致表層鉆井機(jī)械鉆速快、攜砂效率差，鉆具安全面臨巨大挑戰(zhàn)。面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，鉆具安全控制技術(shù)亟需一套行之有效的系統(tǒng)性解決方案。筆者通過(guò)積累南海東部地區(qū)的多口井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，剖析了多口井的成功處理卡鉆案例，形成了表層鉆井保障鉆具安全方法和技術(shù)沉淀，對(duì)后期探井表層鉆井作業(yè)和開(kāi)發(fā)井表層批鉆作業(yè)具有重大指導(dǎo)意義。

1 南海東部表層鉆井鉆具安全難點(diǎn)分析

1.1 地層巖性復(fù)雜

南海東部海域位于珠江口盆地，表層建井一般開(kāi)路鉆進(jìn)至粵海組或者韓江組地層，普遍發(fā)育含礫粗砂巖、粗砂巖與泥巖互層，地層滲透性好，極易發(fā)生井下漏失和井口失返，嚴(yán)重影響攜砂效率和井眼清潔。地層夾層多，鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩波動(dòng)大，極易蹩停頂驅(qū)造成鉆具無(wú)法正?；顒?dòng)，如果鉆具組合中有馬達(dá)，還容易由于蹩鉆頭而造成憋泵，甚至憋開(kāi)泥漿泵安全閥造成無(wú)法使用泥漿泵進(jìn)行“循環(huán)”而發(fā)生沉砂卡鉆（沉砂卡鉆是指巖屑在井底沉降、堆積造成的卡鉆[1]）。

1.2 鉆井液體系單一

由于表層鉆井期間沒(méi)有建立井口，無(wú)法正常循環(huán)，所以受到鉆井液材料供應(yīng)、配置時(shí)間、成本費(fèi)用的限制，無(wú)法選用常規(guī)的鉆井液體系，普遍選擇使用海水-般土漿體系鉆進(jìn)。海水-般土漿體系的鉆井液動(dòng)、靜切力均不如常規(guī)鉆井液，攜帶和懸浮巖屑的性能差，尤其在砂巖多的地層中鉆進(jìn)時(shí)，給井眼清潔帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響鉆具安全。

1.3 環(huán)空返速低

南海東部表層建井一般采用一開(kāi)36″井眼（入泥60～80m）+二開(kāi)26″/17.5″/16″井眼（入泥800～1300m）的井身結(jié)構(gòu)。二開(kāi)鉆進(jìn)出于對(duì)機(jī)械鉆速和井斜控制的要求會(huì)在鉆具組合中加入馬達(dá)和隨鉆測(cè)斜儀，進(jìn)而限制了鉆進(jìn)排量在4200～5000升/分鐘之間，造成鉆進(jìn)期間鉆桿區(qū)域的環(huán)空返速僅有0.25～0.62m/s（此為標(biāo)準(zhǔn)井徑下的數(shù)據(jù)，考慮擴(kuò)徑影響返速會(huì)更低），根本不足以很好地清潔井眼，加之表層地層普遍可鉆性好、機(jī)械鉆速快，二開(kāi)進(jìn)尺多，這些因素都為井眼清潔增加了困難。

2 應(yīng)對(duì)措施及案例

針對(duì)上述南海東部表層鉆井特點(diǎn)，形成了一系列鉆具安全保障措施，并得到了良好應(yīng)用，下面介紹本地區(qū)幾個(gè)典型措施和應(yīng)用案例。

2.1 應(yīng)對(duì)措施及案例

2.1.1 動(dòng)態(tài)調(diào)整井身結(jié)構(gòu)

某1井為一口淺水探井，設(shè)計(jì)二開(kāi)16″井段中完深度1500m。鉆進(jìn)至1000m過(guò)程中多次出現(xiàn)返出減少和失返現(xiàn)象，由于是開(kāi)路鉆進(jìn)，結(jié)合巖性預(yù)測(cè)和鉆井參數(shù)，判斷1000m以上地層發(fā)育含礫粗砂巖和粗砂巖，地層滲透性好造成井下漏失。井下漏失造成井眼清潔不徹底，給鉆具安全帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合1000m以下地層依舊發(fā)育粗砂巖的巖性特點(diǎn)、開(kāi)路鉆進(jìn)無(wú)法準(zhǔn)確量化返出量的弊端、現(xiàn)場(chǎng)的堵漏材料需求量大和供應(yīng)困難等不利因素，常規(guī)堵漏方法已無(wú)法支持鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)中完深度，需要考慮提前中完。二開(kāi)提前中完會(huì)給三開(kāi)作業(yè)增加以下風(fēng)險(xiǎn)：1）壓力窗口減小，不滿(mǎn)足井控要求；2）裸眼井段變長(zhǎng)、暴露時(shí)間變多，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)變大；3）裸眼井段變長(zhǎng)，電纜測(cè)井阻卡風(fēng)險(xiǎn)變大。此時(shí)需評(píng)估臨井地層承壓能力、本井地層壓力預(yù)測(cè)、二開(kāi)套管鞋封固質(zhì)量、三開(kāi)作業(yè)鉆井液性能：

三開(kāi)井段設(shè)計(jì)中完深度4000m，1000m以下地層可以滿(mǎn)足三開(kāi)井控要求，見(jiàn)表1和見(jiàn)圖1。

圖1 某1井壓力預(yù)測(cè)

表1 某1井的臨井地層承壓能力

固井水泥漿上返200m能夠保障套管鞋固井質(zhì)量，按照極端情況下1000m為漏點(diǎn)考慮，至少需鉆進(jìn)至1200m方可下套管、固井且需關(guān)注1000m以下地層鉆進(jìn)過(guò)程中返出情況；三開(kāi)鉆井液體系為PDF-PLUS/KCL，抑制、潤(rùn)滑、控失水等性能強(qiáng)，可以保障井壁穩(wěn)定性和電測(cè)作業(yè)。綜合考慮以上因素后，鉆進(jìn)中實(shí)時(shí)決策1292m為中完深度，提前208m中完，縮短了二開(kāi)作業(yè)時(shí)間，避免了長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡帶來(lái)的井壁失穩(wěn)和井下漏失帶來(lái)的井眼清潔困難，規(guī)避了鉆具安全的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 鉆井液體系改良

深水探井作業(yè)成本高，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的控制要求更為嚴(yán)格，表層作業(yè)對(duì)般土漿的需求量很大，由于鉆井液池容積的限制，般土漿的配制速度跟不上作業(yè)進(jìn)度（般土漿水化需要時(shí)間），因此必須改良鉆井液體系，般土和增粘劑配合使用：某2井和某3井均為深水探井，二開(kāi)開(kāi)路鉆進(jìn)分別是26″井段入泥855m、17-1/2″井段入泥777m，除常規(guī)的鉆完一柱掃10m3稠般土漿外，實(shí)施了每鉆進(jìn)半柱額外掃10m3胍膠（一種鉆井液增粘劑[2]）液攜砂的方案（見(jiàn)圖2），在般土漿來(lái)不及水化的同時(shí)增加了稠漿的泵入量，提高了攜砂效率，進(jìn)一步保障了鉆具安全[3]。

圖2 某3井鉆半柱掃胍膠，鉆一柱掃稠般土漿

2.1.3 提高環(huán)空返速

某1井為一口淺水探井，二開(kāi)16″井段第一趟鉆具使用馬達(dá)提高機(jī)械鉆速、必要時(shí)控制軌跡和隨鉆測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)軌跡，作業(yè)過(guò)程中鉆進(jìn)至1000m后發(fā)生卡鉆，解卡后起出第一趟鉆具，第一趟鉆具在鉆壓15klbs，轉(zhuǎn)速200r/min條件下，機(jī)械鉆速可以達(dá)到200m/h，1000m處井底位移25m左右?？紤]到本井二開(kāi)余下待鉆井段不足300m，結(jié)合地層可鉆性好、機(jī)械鉆速快和實(shí)鉆井眼軌跡可控等因素，第二趟鉆具組合中取消了馬達(dá)和隨鉆工具，采用了常規(guī)鉆具組合下鉆鉆進(jìn)，鉆進(jìn)排量由第一趟的4200Lpm提高到5500Lpm，環(huán)空返速由第一趟的0.61m/s提高到0.8m/s，提高比例達(dá)31%，提高了攜砂效率，安全完成后續(xù)鉆進(jìn)。

2.1.4 沖洗鉆具解卡

某4井、某5井在17-1/5″井段鉆進(jìn)中發(fā)生卡鉆，某1井在16″井段鉆進(jìn)中發(fā)生卡鉆，均使用沖洗鉆具成功解卡。鉆具組合為5-1/2″沖洗頭或6″牙輪鉆頭+5″或5-1/2″鉆桿，下鉆至鉆具遇卡處，大排量沖洗沉砂，成功解卡，之后井眼墊滿(mǎn)稠般土漿，起出沖洗鉆具，再起出遇卡鉆具。解卡步驟如下（以某1井為例）：1）將被卡鉆具重量轉(zhuǎn)移至二級(jí)張力器（額定張力610klbs）；2）調(diào)節(jié)二級(jí)張力器液缸長(zhǎng)度，使用卸扣連接二級(jí)張力器鏈條和手動(dòng)吊卡，將手動(dòng)吊卡扣在第23柱鉆桿中單根上（第24柱鉆桿下單根公扣低于轉(zhuǎn)盤(pán)面1.0m，井口小平臺(tái)處第23柱鉆桿中單根公扣低于30″導(dǎo)管頭頂部1.5m）；3）使用鉆臺(tái)氣動(dòng)絞車(chē)懸掛手動(dòng)吊卡，調(diào)整手動(dòng)大鉗位置位于第23柱鉆桿上單根和中單根鉆桿接箍上，連接導(dǎo)向鋼絲繩及尾繩；4）使用手動(dòng)大鉗卸松第23柱鉆桿上單根；5）調(diào)節(jié)二級(jí)張力器液缸，提帶被卡鉆具，逐步調(diào)節(jié)二級(jí)張力器液缸上提懸重至130klbs（被卡鉆具總重量）；6）鉆臺(tái)反轉(zhuǎn)卸松鉆具，卸開(kāi)井口小平臺(tái)處第23柱鉆桿上單根以上鉆具，拆、卸轉(zhuǎn)盤(pán)面上第24柱鉆桿立柱并立回井架，拆、甩第23柱鉆桿上單根；7）制定沖洗解卡方案：組合沖洗鉆具，下鉆（下鉆期間控制遇阻量5klbs以?xún)?nèi)，遇阻后提活鉆具，開(kāi)泵下鉆），沖洗被卡鉆具來(lái)解卡；8）下沖洗鉆具（鉆具組合：6″牙輪鉆頭（無(wú)噴嘴）+變扣接頭+5-1/2″鉆桿）至757m，遇阻5klbs，前期每下鉆3柱，上下活動(dòng)沖洗鉆具；9）接頂驅(qū)開(kāi)泵下鉆自757m至962m（被卡鉆具鉆頭以下6m），開(kāi)泵參數(shù)：FLW 3800～4780L/min，每下鉆1柱，向上活動(dòng)沖洗鉆具并在井底墊10m3胍膠液或稠般土漿；10）泵入70m3胍膠液，循環(huán)清潔井眼環(huán)空；11）調(diào)整二級(jí)張力器液缸下行0.90m，觀(guān)察被卡鉆具下移。調(diào)整二級(jí)張力器液缸上行0.45m，觀(guān)察被卡鉆具上移，二級(jí)張力器液缸張力由85klbs上升至130klbs（被卡鉆具總重量130klbs），繼續(xù)調(diào)整張力器液缸上行，觀(guān)察被卡鉆具上移，二級(jí)張力器液缸張力保持130klbs，判斷解卡；12）泵入140m3稠般土漿，填充井眼環(huán)空；13）起沖洗鉆具至轉(zhuǎn)盤(pán)面；14）接頂驅(qū)回接被卡鉆具，上提鉆具至懸重130klbs，鉆具明顯上行，提活鉆具，起出被卡鉆具。

2.2 其他問(wèn)題

某1井16″井段鉆完一柱倒劃眼過(guò)程中發(fā)生憋壓，泥漿泵安全閥打開(kāi)，復(fù)位泥漿泵安全閥后開(kāi)泵憋壓，無(wú)法建立循環(huán)，發(fā)生沉砂卡鉆，解卡后發(fā)現(xiàn)出井馬達(dá)的定子下部殼體發(fā)生松扣，松扣長(zhǎng)度達(dá)27mm。分析原因是鉆遇夾層時(shí)扭矩波動(dòng)大，蹩扭矩造成馬達(dá)震動(dòng)、定子下部殼體松扣，致使轉(zhuǎn)子可下行距離遠(yuǎn)超最大允許量8mm，倒劃眼過(guò)程中轉(zhuǎn)子下行導(dǎo)致馬達(dá)內(nèi)部憋壓，無(wú)法開(kāi)泵，因此發(fā)生沉砂卡鉆。由于鉆具原因造成無(wú)法開(kāi)泵循環(huán)，會(huì)給井下鉆具安全帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)大大提高處理卡鉆等井下復(fù)雜情況的難度，降低處理事故的成功率，提高馬達(dá)等復(fù)雜鉆具的穩(wěn)定性和對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性，有利于保障鉆具安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)南海東部表層鉆井，可以選擇優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、改良鉆井液體系、提高環(huán)空返速的方式來(lái)預(yù)防卡鉆，保障鉆具安全；當(dāng)前使用馬達(dá)鉆進(jìn)的情況越來(lái)越多，地層夾層蹩扭矩容易導(dǎo)致馬達(dá)脫扣，需要關(guān)注鉆進(jìn)操作中蹩扭矩的情況，蹩扭矩時(shí)需及時(shí)減小鉆壓和活動(dòng)鉆具。建議在車(chē)間裝配馬達(dá)時(shí)，馬達(dá)絲扣上扣前涂抹絲扣膠，提高卸扣扭矩，避免馬達(dá)在使用過(guò)程中發(fā)生脫扣；16″及以上大井眼發(fā)生卡鉆，使用小尺寸沖洗鉆具解卡是有效的，建議選擇6″以下尺寸（含6″）的牙輪鉆頭（無(wú)噴嘴）或者沖洗頭+5-1/2″以下尺寸（含5-1/2″）的鉆桿。