渤海油田渤中A3井鉆井事故的分析與認識

岳明亮，張國強，郝仲田

1.中海油能源發展有限公司工程技術分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 （天津 300452）

■質量安全論壇

渤海油田渤中A3井鉆井事故的分析與認識

岳明亮1，張國強2，郝仲田2

1.中海油能源發展有限公司工程技術分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 （天津 300452）

渤中A3井鉆井作業情況復雜，發生2次嚴重井漏、5次卡鉆、2次鉆具落井事故。為保證后續鉆探作業順利進行，對A3井鉆井事故的分析與認識勢在必行。采用鄰井對比手段，結合層位變化,從地質因素、理化因素、工藝因素、鉆具因素等方面分析了A3井事故發生的原因。分析結果表明，資料匱乏導致對地層異常壓力認識不清是事故發生的主要原因。針對此種高難度井，對后續鉆探中使用的測井手段、錄井項目、泥漿體系、鉆井程序等方面提出了新的認識與建議。

渤海油田；鉆井事故；卡鉆；井漏；地層層序；地質因素

為了評價目的層潛力儲量分布、兼探油水界面、落實地質油藏風險、挖掘該井區潛力、實現油田產能接替,渤中某油田二期調整設計3口生產井。其中A3井在鉆井作業過程中，井漏、卡鉆、鉆具落井等事故頻發，經歷2次側鉆，最終完鉆。作業周期184.25天，超設計周期146.25天，直接經濟損失上億元。

本區塊已鉆3口探井、6口開發井，從未發生如此嚴重的事故。為了后期開發調整井安全、經濟、高效地完成鉆探任務，分析與研究本井事故原因，具有重要的意義。

1 A3井簡介

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 井身結構

A3井井身結構如圖2所示。本井設計為單靶點常規定向井，五段式井深結構，最大井斜35.41°，方位65.18°。

圖1 A3井地層層序圖

圖2 A3井井身結構圖

1.3鉆井液設計

A3井鉆井液設計見表1。

2 A3井作業過程簡介

A3井設計鉆井作業周期38天，2015年1月25日開鉆，444.50mm井眼順利鉆進至1 825.50m中完，339.73mm技術套管順利下放至1 823.30m，固井作業也非常順利。

2.1 第一次事故：井漏、卡鉆

①三開鉆進至3 798.00m，循環、短起。短起鉆至1 840.00m，發生井漏，堵漏后，起鉆至井口，更換鉆具組合。②下放至3 367.00m，發生井漏，堵漏。起鉆至2 351.58m，卡鉆，小排量劃眼通過。期間環空不間斷灌鉆井液，環空未見返出。③倒劃眼至2 173.58m，卡鉆，多次嘗試蹩扭矩下壓鉆具，解卡。由于井況復雜，三開于3 798.00m中完，事故處理14.21天。

表1 A3井鉆井液設計

2.2 第二次事故：卡鉆、鉆具落井

①四開鉆進至4 805.00m，循環、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，理論魚頂深度4 307.19m，落魚長度73.81m。③起鉆更換鉆鋌通井鉆具通井，探魚頂位于4 306.00m，鉆具出井后，加重鉆桿、震擊器、花鍵軸有劃痕，兩個螺旋翼下端貼片有破損；鉆頭損傷嚴重。④馬達鉆具通井、探落魚，探魚頂位于4 308.64m；起鉆，出井鉆頭內排齒崩齒較多，外排齒少量磨損。⑤打撈鉆具抓住落魚，通過大噸位上提、下壓鉆具以及震擊器上下震擊15.5h未能解卡落魚。鉆具出井后，壁鉤鏤空部分斷裂落井。由于復雜情況，放棄打撈，準備回填側鉆，事故處理10.14天。

2.3 第三次事故：卡鉆、鉆具落井

自3 957.00m側鉆，鉆進至5 046.63m，短起下放至4 361.00m，卡鉆。解卡后鉆具脫扣落井，理論魚頂深度4 295.91m，落魚長度55.99m；通井后下打撈鉆具至4 285.00m，開始頻繁憋壓、蹩扭矩，劃眼困難。由于井況復雜，放棄打撈，回填側鉆，事故處理13.51天。

2.4 第四次事故：卡鉆

自3 798.00m側鉆，鉆進至中完井深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

五開鉆進至5 239.00m完鉆，期間多處發生井漏，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

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

3.1 地質因素

3.1.1 裂縫

泥巖隨著鈣質、有機質含量增高，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高值尖峰且跳躍變化，與鉆時曲線響應一致，表征為薄層鈣質的存在。鉆井過程中，遇到裂縫會發生井漏，環空液柱下降會打破泥漿柱壓力與地層壓力之間的平衡，導致井壁垮塌，進而引起卡鉆事故。第一次和第五次事故明顯屬于裂縫引起的，長時間井口失返，要依靠環空不間斷灌注鉆井液來維持壓力平衡，漏速與補充速度之間的平衡關系很難人為掌控。

3.1.2 壓力系統復雜

圖4為A3井套管內聲波時差半對數坐標圖[2],第一口探井聲波數據齊全，因此采用1井全井段聲波時差做出正常壓實趨勢線。從圖4可以看出：東營組壓力系統復雜，東二上段頂部有明顯的異常高壓，東二上段底部壓力恢復正常；東二下段頂部出現異常高壓逐步增大的趨勢，東二下段底部異常高壓相對頂部變小，但出現不均勻分布的現象。這種復雜的壓力體系給鉆井液比重帶來了極大的挑戰，由于缺少資料，鉆井液比重無法精確把控是本井事故發生的主要原因之一[3-4]。

圖3 A3井東一段綜合錄井圖

圖4 A3井東營組聲波時差半對數坐標圖

3.1.3 地應力

本區塊地層水平最大主應力方向為N60°E，水平最小主應力方向與之相差90°。當水平應力小于垂直應力時,斜井的穩定性隨井斜角的增大而降低；在平行于最大水平主應力方向鉆進時,井壁穩定性最差；當在最大和最小水平主應力方向交叉鉆進時，井壁穩定性最好。由圖5和圖6可以看出：A3井軌跡方位與本區塊地層主應力方向一致，揭開井眼后存在一定的應力釋放，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的吸水能力[5]。在埋藏過程中，蒙脫石吸收Al、K離子，釋放Na、Ca、Mg、Fe離子和水，轉變成吸收能力相對較差的伊利石（Hall 1993）。該反應受溫度、時間控制以及礦物結構和滲透性的影響。該轉變具有過渡性、系統性，過渡帶發生在溫度70～ 150°C范圍內[6]。

圖5 A3井井眼軌跡方位圖

圖6 本區塊地應力方向圖

但是根據Le Chatelier法則[3]，隙間溶液與固相之間存在動態平衡，孔隙壓力增大會破壞這種動態平衡，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，更容易發生遷移而帶走鉀離子，最終導致異常高壓帶泥巖中鉀離子濃度降低。鉀離子的流失會抑制蒙脫石向伊利石的轉化，還會促使伊利石向蒙脫石轉變。這又極大增加了泥巖膨脹的可能性，因為蒙脫石比伊利石更容易膨脹。

上述理論說明：在適宜轉變的地層條件下，蒙脫石與伊利石的轉變存在動態平衡，以混層形式存在。

表2為鄰近油田泥巖塌塊全巖分析結果，該結果證實了東營組和沙河街組泥巖層蒙脫石與伊利石以混層形式存在。當鉆遇此類高壓層時，大量的孔隙水將涌入泥漿，導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果

表3 本區塊開發井泥漿類型對比

3.3 工藝因素

3.3.1 泥漿類型

由表3可以看出：僅有A3井進入東二上段后更換了HIBDRILL泥漿體系，A8井進入中生界后更換為HSD體系(耐高溫無固相)。結果A3井在進入東二上段之后,事故頻發，這說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型氯化鉀聚合物鉆井液，HIBDRILL泥漿體系是在PEM基礎上根據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合鉆井液。它具有強抑制、配伍性好、環境保護、油層保護等突出優點，對于東營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，鉀離子的引入對于蒙脫石向伊利石轉變提供了物源，轉變的過程會釋放大量的水，變相降低了相應井段的泥漿比重，這對于地層垮塌卡鉆起到了推動作用。

3.3.2 套管程序

經層位對比發現：A6井與A3井對比關系良好。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高壓層中間，244.47mm套管鞋位置也在此處。當215.90mm井眼揭開地層后，套管鞋位置由于沒有足夠的封隔長度成為最薄弱之處，當氣體或者水等突破封隔進入井眼中，會降低泥漿比重和黏度等參數，導致井內液柱壓力不穩，進而導致井壁垮塌及卡鉆[7]。

A6井311.15mm井眼中完于高壓層之上，215.90mm開鉆后直接使用高比重泥漿完鉆于中生界，沒有發生任何事故。由此可見，套管程序對于事故預防至關重要[4]。

3.3.3 泥漿比重

圖7為該油田泥漿比重統計圖，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井眼泥漿比重設計為1.38～1.45g/cm3。實鉆結果顯示：A3井東營組泥漿比重高于1.50g/cm3，部分井段高達1.56g/cm3。因此認為事故的發生并不是因泥漿比重設計不合理，而是井眼軌跡和泥漿體系等因素造成的井眼不穩定性無法精確把控，泥漿比重增加的另一個重要因素是事故處理周期超過垮塌周期。

3.4 鉆具因素

1）相對于淺井，深井作業過程中，鉆具所表現出來的柔性更加明顯，井下工具轉速不同步現象嚴重。如果發生蹩扭矩或卡鉆情況時，頂驅蹩停，井深越大，鉆具“打扭”越嚴重，儲存的能量就越大，一旦井下解卡，底部鉆具脫扣風險極高。

圖7 本區塊泥漿比重統計圖

2）井段越長，井壁累計摩阻越大，正常活動鉆具時上提噸位較高，當發生卡鉆需要上提時，上提噸位空間有限。特別是對于斜井，上提噸位越大，鉆具對井壁的垂直壓力就越高，所對應的摩阻就越大，真正有效作用在卡點上的過提力小于理論計算值，對解卡造成困難。

4 認識與建議

本井由于缺少相關的測井資料，無法準確認清地層。鉆井過程中，存在太多不確定性，對泥漿性能和套管程序無法精確把控，導致了事故的發生，進而影響測井資料的錄取，形成惡性循環。通過本次事故分析與認識，提出建議如下。

1）復雜井段，鉆井過程中采用隨鉆伽馬、電阻率測井，完鉆后補測中子、密度。如果條件允許，增加其他測井項目。

2）下部地層認識不清時，在鉆穿前進行垂直地震測井，進行壓力預測，校正地震資料。

3）錄井增加異常地層壓力錄井，及時對異常壓力進行分析。

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

5）為安全起見，建議本區塊進潛山井采用五段式井身結構：隔水導管+表套（平原組）+技術套管（明化鎮組+館陶組+東一段）+技術套管（東二上段+東二下段+東三段+沙一段）+尾管（中生界）。

6）鉆井方面簡化井下鉆具結構、細化作業程序、加強鉆具管理。

7）定向井軌跡應充分考慮地應力方向。

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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，現主要從事測井監督工作。