中江水平井水平段卡钻原因分析及预防措施

中江水平井水平段卡钻原因分析及预防措施摘要：中江XX井是川西中江地区的一口长水平段水平井，设计井深3830m，水平段长990m。中江地区地层裂缝发育，普遍存在井壁失稳现象，极易产生掉块，本井二开裸眼段长，更恶化了井壁失稳，导致产生大量掉块，因掉块在井眼局部堆积形成砂桥造成水平段卡钻。卡钻发生后，仔细分析了卡钻原因，总结出一套预防措施，通过优化钻井液性能，优选钻井工具、钻具组合，加强井眼净化，以及出现复杂时正确的处理，顺利完成了该井的施工。为川西中江地区水平井的施工提供了宝贵经验。关键词：中江地区；井壁失稳；掉块；卡钻；预防措施1中江XX井概况及事故发生、处理经过中江XX井是四川盆地川西坳陷中江构造南东翼的一口长水平段双靶点水平井，以下沙溪庙组JS33-2砂组为主要目的层，设计井深3830m，水平段长990m。井身结构为：导眼Ф444.5mm×102m，套管Φ339.7mm×100m；一开井眼Ф311.15mm×2202m，套管Φ244.5mm×2200m；二开井眼Ф215.9mm×3830m，套管Φ139.7mm×（2100-3828）m。二开钻进至井深2300m，由于实钻录井资料显示地层与设计预告层位相差较大，增加斜导眼设计，先钻斜导眼，对主要目的层取心、测井，探明地层情况，再实施水平井施工。水平井主井眼于2290m处开始侧钻，依井眼轨道设计钻进至2842.48m顺利中A靶，进入水平段稳斜钻进，水平段钻具组合：Ф215.9mmPDC钻头+Ф172mm1.5°单弯螺杆（扶正器外径Ф212mm）+Ф210mm扶正器+回压阀+Ф127mm无磁承压钻杆+MWD悬挂短节+Ф127mm加重钻杆6根+Ф127mm钻杆60根+旁通阀+Ф127mm钻杆45根+Ф127mm加重54根+Ф127mm钻杆42根+411*520+Ф139.7mm钻杆。稳斜钻进至井深3015.59m，钻完一单根，准备上提钻柱测斜。上提钻具摩阻较大，旋转上提钻柱倒划井眼（转速40RPM），顶驱扭矩波动较大（10-19Kn.m）。为防止钻柱在转动上提过程中卡钻，未继续倒划眼，立即采取下划的方式处理，并重新划至井底，扭矩正常。之后，停顶驱带泵上提钻柱，原悬重1200KN、正常上提1300-1400KN，上提至井深3011.7m时遇阻，最大上提吨位1500KN。随即向下窜动钻柱，最小下放至1000KN（正常下放1100-1200KN）无法放脱。钻井液循环正常，但无法正常上提下放钻柱，判断发生卡钻事故。卡钻后，先后使用了多种处理办法，分别有大力上下活动钻具；上下窜动、旋转钻柱并扭转下放活动；打稠浆携砂，并配合活动钻柱；地面震击器震击；泡油；重锤震击；泡解卡剂；憋压解卡；降压解卡。均未能解卡，决定倒扣，填井侧钻。倒扣成功后，落鱼长度621.46m，鱼顶深度2390.24m，回填至井深2260m，侧钻继续施工。2卡钻原因分析根据卡钻前摩阻增加，卡钻后开泵泵压正常，卡钻后调整泥浆循环期间返出大量掉块等现象，以及根据返出掉块岩性、目的层取心情况，分析认为，卡钻是由于井眼井壁失稳，井壁大量掉块剥落形成砂桥造成砂桥卡钻，不排除卡钻未能及时解卡，转化成砂桥卡钻和粘附卡钻的复合卡钻。2.1地层原因中江XX井二开裸眼段地层为沙溪庙地层，主要岩性为泥岩、砂岩不等厚互层。地层岩性详见下表：表2-1二开裸眼段地层岩性情况地层垂深起止井段(m)垂厚(m)岩性简述上沙溪庙组1969-2569600暗棕、棕、棕紫色泥岩、粉砂质泥岩与灰褐色粉砂岩、泥质粉砂岩及绿灰色细～中砂岩略等厚～不等厚互层。下沙溪庙组2569-2665（未穿）96紫褐、灰绿色泥岩、含粉砂质泥岩与灰绿色粉砂岩、浅灰色细粒岩屑砂岩、长石岩屑砂岩略等厚。上部夹厚层-块状浅灰色中-粗粒岩屑长石、长石岩屑砂岩。与下伏地层呈整合接触。表2-2斜导眼主目的层取心情况取心井段（m）心长（m）层位岩性裂缝情况井深：2660-2668垂深：2642.73-2650.288下沙溪庙组上部为浅褐灰色中粒岩屑砂岩，下部为浅绿灰色中粒岩屑砂岩，下部夹含泥砾共发育平缝10条、斜缝2条，绕心体1/3周至3/4周，均为中缝，缝长10-25cm，缝宽0.1-0.5mm，未充填图2-1斜导眼取芯情况图2-2水平井眼掉块情况沙溪庙组的地层岩性以泥岩、砂岩为主。根据取心情况以及掉块岩性分析，泥岩层理性强且存在微裂缝，层理及微裂缝为泥岩的水敏效应提供了通道,泥岩水化后产生的膨胀压超过其胶结强度时又产生新的裂缝,促进了钻井液滤液的进一步侵入；砂岩结构疏松，裂缝发育，且多为平缝,一方面为渗透水化提供了渗流通道,另一方面增强了毛细管力作用,进一步促进了渗透水化,降低了井壁岩石强度。这种恶性循环极易导致井壁周围岩石发生掉块、坍塌，更加大了地层失稳的概率［1］。沙溪庙组地层在井眼形成后井壁通常不会立即出现掉块和垮塌等失稳形式,而是经过一段时间(数小时甚至几百小时)后才发生失稳。水化应力与地应力共同作用后会加剧井壁的失稳程度,并且时间越久,井壁失稳情况将越严重［1］。本井在前期钻进过程中，振动筛未见明显掉块，上提下放钻柱顺利无阻卡。但是，在卡钻后循环时，却返出大量泥岩、砂岩掉块。中江XX井水平段主要岩性为中粒岩屑砂岩，存在大量微裂缝，可钻性好，实钻钻时快（3.8-7.0min/m），地层渗透性强，容易形成虚厚泥饼；加之水平段175m长，容易产生岩屑床，当掉块卡钻未能及时解卡，便会转化成掉块砂桥卡钻和粘附卡钻的复合卡钻。2.2工程原因（1）、二开实钻过程中，钻井液密度在1.8-2.1g/cm3，井底温度在120-140℃，钻井周期长达50多天，重浆长期反复使用，处理剂高温降解失效，钻屑污染严重，钻井液老化、增稠、胶凝，流动性降低，黏度和切力控制困难。以上因素导致钻井液的配制、流型的控制和性能维护处理难度大［2］。施工中常常出现局部时间内钻井液性能较差，而且处理困难，加剧了井壁失稳，导致了掉块的产生。（2）、二开裸眼段太长，本井原设计为三开井，后调整为二开井，二开裸眼段长达1630m（2200-3830m），水平段长990m，且直井段、造斜段、水平段在同一开次。增斜段泥岩段地层非常多，钻速较慢，施工周期长，钻井液长期对裸眼段的浸泡，造成了井壁失稳。（3）、大量剥落掉块及岩屑未及时带离井眼环空，掉块以及岩屑在井眼局部堆积，形成砂桥。未及时搞好短程起下钻，未有效破除砂桥。（4）、在井下异常时，处理不当，上提拉力过大，造成卡钻。3预防措施在中江区块地层裂缝发育、井壁失稳普遍存在的地质条件下，只有通过改进施工方法，提高钻井技术，才能达到安全开采的目的。3.1优化钻井液性能（1）、选择合适的钻井液密度。沙溪庙地层钻井过程中井壁易发生力学不稳定，钻进中应根据实钻情况，根据设计提供的井段和密度区间值，合理调整钻井液密度。如果发现振动筛返出较多掉块、钻井液气侵严重等情况要及时汇报，并逐步将密度提高到设计高限值。本井在进入目的层后，掉块增多，气侵较大，最终将钻井液密度调整为1.98-2.10g/cm3，掉块减少，气侵得到有效控制。（2）、调整维护钻井液性能，增强抑制封堵能力，促使井壁稳定。二开裸眼段发生井壁失稳的风险较高，应加足各种聚合物胶液。及时补充生石灰、沥青类防塌剂和聚合醇等处理剂，增强井浆抑制性，严格控制井浆失水量，保持钻井液具有较强的井壁支撑能力和抑制防塌性能，对井壁进行有效保护。坚持以“细水长流、勤于维护”方式控制钻井液的性能，及时按照进尺情况补充抑制剂、包被剂、封堵剂和润滑剂以保持性能稳定优良。基本配方：上部井浆+1～3%聚合醇（浊点50～70℃）+1～3%无铬磺化褐煤+1～3%磺化酚醛树脂+1～2%磺化单宁+2～5%高效液体润滑剂+2～3%沥青类防塌剂+0.1～0.2%乳化剂。（3）、增强携砂润滑能力，保证井眼清洁安全。控制合适的钻井液粘度和动塑比，维护钻井液具有良好的流变性能和携岩能力，如井下净化情况不好应适当提高动切力，动塑比控制在0.5～0.7之间，以增强其携岩能力。水平井段钻井液应具有良好的流变性和较低的循环摩阻。在保证井眼净化的前提下，加入黄原胶等聚合物胶液来保持较低的切力和触变性，减轻起下钻和开泵时压力激动及抽吸，防止复杂情况的发生。（4）强化固控设备的使用，有效清除无用固相，并随钻补充润滑防塌处理剂，降低钻井液摩阻系数，保持泥饼光滑致密、具有良好的润滑性，减少井内阻卡的发生。3.2优选钻井工具（1）、优选钻头。采用PDC钻头定向钻进，相比于牙轮钻头，具有机械钻速高、使用寿命长、安全性高等优点，但也存在工具面不稳，易憋泵等缺点。本井使用PDC钻头具有明显优势。在斜井段钻进过程中，条件允许的情况下，使用PDC钻头，应选用短保径、便于造斜高效的钻头［3］。综合考虑工具面、造斜率、机械钻速等因素，选取型号HS843GS的五刀翼PDC（俗称“定向PDC钻头”）合适。定向PDC钻头对地层攻击性稍弱于普通PDC钻头，钻时稍慢，但定向PDC钻头具有工具面稳定、憋泵可能性小、造斜率高、复合进尺多、整体钻速快、轨迹更圆滑等优点。（2）增斜段使用水力振荡器在使用导向马达的定向钻进中，钻具躺在井眼下井壁向下滑动，钻具大部分与井壁接触，产生摩阻，特别是当井眼的曲率变化比较大、井斜较大时，产生的摩阻很大，大大的限制了钻具组合钻进距离，并且容易因钻具与井壁由于吸附作用而发生粘卡。水力振荡器是在钻进的过程中,通过钻井液水力的作用产生沿钻具组合或者钻杆轴线方向上的振动，可以显著的减少这种摩阻，促使钻具组合的部分重量作传递到钻头，同时减少粘卡机会。本井在增斜段（井斜50-90°）使用了水力振荡器，钻具组合为：Φ215.9mm5FPDC＋Φ172mm单弯螺杆（1.5°）+411×410回压凡尔+Φ127mm无磁承压钻杆+MWD短节+Ф127mmHWDP×2柱+Ф127mmDP×8柱+水力振荡器+Ф127mmHWDP×18柱+411×520接头+Ф139.7mmDP。使用过程中，工具面的调整比较容易，工具面的保持也很稳定，传压能力较好，滑动钻进距离较长，减少了滑动钻进中途活动次数，活动钻具时上提拉力较小。很大程度上提高了滑动钻进机械钻速，减少了滑动钻进吸附卡钻的机会。在卡钻后侧钻井眼增斜段，选取定向PDC钻头，并且在增斜段（井斜50-90°）使用了水力振荡器，施工时间较卡钻前增斜段井眼普通PDC钻头施工时间缩短2.7天。表3-1使用定向PDC钻头+水力振荡器与普通PDC钻头无水力振荡器情况对比井眼使用工具使用井段（m）平均造斜率（°/100m）定向段长（m）定向钻时（m/min）复合段长（m）复合钻时（m/min）平均钻时（m/min）卡钻前增斜井段井眼普通PDC2287-276816.02251.5934.47229.4111.2623.4卡钻后侧钻增斜井段井眼定向PDC+水力振荡器2270-273415.89198.5026.32265.512.5418.443.3水平段优化钻具组合卡钻时水平段采用的是单弯双稳柔性钻具组合：Ф215.9mmPDC钻头+Ф172mm1.5°螺杆（扶正器外径Ф212mm）+Ф210mm扶正器+回压阀+Ф127mm无磁承压钻杆+MWD悬挂短节+Ф127mm加重钻杆6根+Ф127mm钻杆60根+旁通阀+Ф127mm钻杆45根+Ф127mm加重54根+Ф127mm钻杆42根+411*520+Ф139.7mm钻杆。此钻具组合在水平段稳斜效果很好，但由于钻具组合中有两个扶正器，复合钻进以及划眼时扭矩较大，且扭矩波动较大，在井眼存在由较大掉块形成的岩屑床和砂桥情况下，增加了井下复杂风险。为井下安全考虑，钻具组合应尽量简化。卡钻填井侧钻后井眼进入水平段施工，采用无扶正块螺杆钻具，钻具组合为：Φ215.9mm5FPDC＋Φ172mm无扶正块螺杆（1.5°）+411×410回压凡尔+Φ127mm无磁承压钻杆+MWD短节+Ф127mmDP×41柱+411×410旁通阀+127mmDP×8柱+曲性长轴+震击器+Ф127mmHWDP×22柱+411×520接头+Ф139.7mmDP。此钻具组合无较