桂中-南盤江地區黔水地1井卡鉆事故處理及原因分析

王文彬，郭軍，苑坤，董旭，韓菲

1.湖南省煤炭地質勘查院（湖南長沙 410000）

2.中國地質調查局油氣資源調查中心（北京 100083）

1 基本情況

黔水地1 井是桂中-南盤江地區的大口徑頁巖氣地質調查井，井場位于貴州省六盤水市，設計井深2 500 m。鉆至井深2 168.30 m，起鉆至井深2 005.02 m時發生卡鉆事故。采取上提下放、憋壓、震擊等多種解卡措施，均未能解卡，最終因井眼狀況不穩定而回填井側鉆。側鉆采用1.25°單彎螺桿和隨鉆測斜儀的施工工藝，嚴格依據側鉆方案進行，最終順利鉆至設計井深，井身結構、質量均滿足變更設計要求。

該井于2019年6月15日開鉆，鉆遇地層自上而下分別是第四系、石炭系的南丹組、打屋壩組和睦化組。其中，地表的第四系屬于典型的喀斯特地形，亂石林立、落水洞密布，覆土層、破碎帶、礫石層、溶洞等均有發育；南丹組為厚層-巨厚層狀的灰巖地層，裂縫、溶洞等巖溶極其發育[1]。鄰井資料顯示，多口井均鉆遇了溶洞，大小為幾米至十幾米不等；打屋壩組為該井的目的層，泥頁巖發育，水敏性強、膠結性差、壓力窗口窄[2]；睦化組為黏土巖，縮徑、垮塌嚴重。整體上，施工地質條件極差。

該井設計為導管+二開井身結構，其井身結構和套管程序為：導管段采用Φ444.5 mm 鉆頭，鉆深30 m，下入Φ339.7 mm 導管至井深30 m，封固地表疏松、垮塌地層及地表水層；一開采用Φ311.2 mm鉆頭，中完井深1 000 m，下入Φ244.5 mm 至井深998 m，封固南丹組巖溶發育的灰巖地層；二開采用Φ215.9 mm 鉆頭，完鉆井深2 500 m，視油氣顯示情況，決定下入生產套管固井完井或裸眼完井。

2 卡鉆發生經過

2019 年9 月29 日5:00，采用Φ215.9 mmPDC 鉆頭二開鉆至井深2 168.30 m，開始循環鉆井液，準備起鉆更換鉆頭。鉆井液密度1.31 g/cm3，黏度40 s，體系為PAM聚合物鉆井液。6:00開始起鉆，起至第3～4 柱鉆桿時，拉力略有上升，但可以正常上提下放；起至第5柱第2根，拉力由75 t上升至90 t，立即合上立軸，在遇阻井段進行上下劃眼作業15 min，懸重、泵壓均恢復正常。7：11 劃眼上提鉆具過程中，泵壓由10 MPa 驟升至22 MPa 不降，上提鉆具120 t（鉆具串約65 t），拉不動，下放脫壓為0，上下約有3 m 的活動空間，現場確認鉆具被卡。被卡鉆具組合：Φ215.9 mmPDC 鉆頭+Φ171.5 mm 單彎螺桿+Φ159 mm 定向接頭+Φ159 mm 無磁鉆鋌（隨鉆測斜儀）+Φ159 mm 變徑接頭+Φ178 mm 鉆鋌+Φ159 mm變徑接頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ159 mm 變徑接頭+Φ127.5 mm鉆桿，鉆頭位置2 005.02 m。

3 卡鉆事故處理

3.1 解卡處理

1）憋壓。現場確認卡鉆后，分別采用單缸、雙缸，由小到大間斷開泵憋壓，最大壓力20 MPa，同時配合上提下放活動鉆具，最大拉力130 t，處理無效，循環無法建立。

2）震擊。在最上端鉆桿上焊接一塊厚30 mm鋼板（長400 mm×寬400 mm），分別用Φ159 mm 鉆鋌1根（重約1 t）和Φ203 mm 鉆鋌1 根（重約2 t）進行震擊，震距1～2 m,同時配合上提下放活動鉆具，上提最大拉力120 t，無效。震擊器到達現場后，采用震擊器震擊120余次，均無效。

3）倒扣。嘗試多種解卡措施無效后，現場決定改用自行倒扣+反絲倒扣。經自行倒扣、鉆桿和鉆鋌連接處開扣，起出井內所有松扣鉆具。再分別采用倒扣接頭和反扣母錐，組合下入反絲鉆具，多次嘗試對扣，均未果。

井內魚頂深度1 903.35 m，落魚長度101.67 m，落井組合：Φ215.9 mmPDC 鉆頭+Φ171.5 mm 單彎螺桿+Φ159 mm定向接頭+Φ159 mm無磁鉆鋌（隨鉆測斜儀）+Φ159 mm 變徑接頭+Φ178 mm 鉆鋌+Φ159 mm變徑接頭+Φ159 mm鉆鋌+Φ159 mm變徑接頭。

3.2 套銑、打撈

3.2.1 第一次套銑和打撈

第一次套銑進尺10.5 m，管柱組合：Φ206 mm鋸齒銑鞋+Φ206 mm 套銑筒+Φ206 mm 變徑接頭+Φ165 mm 安全接頭+Φ127.5 mm 正絲鉆桿；工程參數：鉆壓10 kN,排量35 L/min，轉速40 r/min。套銑過程中控制套銑速度，每2 m上下活動鉆具一次，但在下鉆和套銑過程中伴有阻卡現象發生，進展不順利。

第一次套銑后的打撈管柱組合：倒扣接頭（含導向罩銑鞋）+Φ127.5 mm 反絲鉆桿。對扣倒扣成功，打撈出一個Φ159 mm變徑接頭和一根Φ159 mm鉆鋌，新魚頂深度1 913.32 m，新落魚長度91.70 m。

3.2.2 第二次套銑

第二次套銑管柱與第一次相比，增加了一個套銑筒，其他參數不變。下鉆至距魚頂40 m開始循環劃眼。劃眼過程中，多次出現憋泵、懸重增加等異常，卡鉆跡象明顯，套銑作業被迫中止，起鉆。

至此，事故處理已花時間14 d，如若繼續套銑打撈，耗時過長，且發生二次事故的風險巨大。綜合井內復雜情況、泥頁巖垮塌周期、鉆井作業經濟性和井下鉆具安全等因素，決定填井側鉆。

3.3 填井側鉆

針對井下情況，側鉆點設計依據如下：

①事故處理過程中，在井段1 800～1 913.32 m（魚頂位置）處理時間較長，且多次發生大漏，漏速約180 m3/h，現場判斷該井段的部分地層已經坍塌，側鉆點必須避開該段；②為保障井眼軌跡的光滑性，側鉆點應盡量提前，并采用小彎角的動力鉆具；③為了避免井內遺留事故鉆具對新井眼側鉆儀器所造成的干擾，結合下步壓裂試氣需要，兩井眼之間在遺留事故鉆具井段的最小距離最好超過10 m[3-4]；④為了減少不必要的進尺，填井井段不宜過長。

綜上，側鉆方案最終確定：填井井段為1 600～1 913.32 m，側鉆點為1 650 m，側鉆方位為北偏東30°，側鉆設計井眼軌跡見表1。側鉆鉆具組合：Φ215.9 mmPDC鉆頭+Φ171.5 mm單彎（1.25°）螺桿+Φ159 mm 定向接頭+Φ159 mm 無磁鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌+變徑接頭+Φ127 mm 鉆桿，并配合隨鉆測斜儀。

表1 側鉆井眼軌跡設計數據

自井深1 656.51 m 開始定向側鉆，至井深1 686 m，井口返出巖屑基本是新鮮巖屑，確認造新井眼成功。至11月2日側鉆至2 168.30 m達到老井眼井深，卡埋鉆事故處理結束。該次側鉆采用定向增斜和自然降斜方法，共計施工10 d，鉆進進尺511.79 m，魚頂位置新老井眼距離約29 m；井底位置新老井眼距離約45 m，井身質量符合“變更設計”要求。在此期間，未發生井漏、井涌、井壁坍塌等復雜情況，施工順利。

4 卡鉆原因分析

4.1 泥頁巖垮塌

該井自1 247 m 進入打屋壩組泥頁巖地層，至卡鉆井深2 168.3 m，鉆遇地層厚度921.3 m，用時27 d。該段地層巖性主要為灰黑色泥頁巖，泥質結構，薄層狀，性軟、吸水性好，可塑性差，疏松，易縮徑和垮塌而造成卡鉆。綜合該段井眼暴露時間，由于地層應力釋放，泥頁巖垮塌造成的井壁失穩是卡鉆事故發生的直接原因。

4.2 鉆井液抑制性不足

打屋壩組為大套薄層狀的泥頁巖地層，水敏性強，井壁不穩定。該井二開所用鉆井液體系為普通的防塌聚合物體系，其鉀離子含量不足，造成了鉆井液抑制性不夠[5-6]。鉀離子可以降低鉆井液的水活度，使之與泥頁巖地層中的水活度相近，縮小鉆井液與地層之間的孔隙壓力差，改善半滲透膜效率和提高滲透壓，減緩或阻止鉆井液濾液向地層中滲透，降低失水，從而提高井壁的穩定性，增加井壁穩定周期。本次井壁坍塌的直接原因是鉆井液進入地層的微裂縫，泥漿材料遇水膨脹，導致井壁應力發生變化，井眼垮塌，進而造成卡鉆事故。

4.3 鉆井液密度過大

工作區勘探程度低，臨井資料少，地層壓力資料缺失。為了應對井下可能出現的高壓氣層和高壓水層，依據鄰井鉆遇該套地層所用最大泥漿密度1.45 g/cm3，設計本井鉆遇該套地層的泥漿密度采用1.20～1.45 g/cm3。

自二開以來，隨著井下氣層活躍度的增加，泥漿密度也逐步增大，至井深2 168.30 m，泥漿密度達到1.33 g/cm3。同時，井內也逐漸出現滲漏至小漏（下調泥漿密度的后期側鉆施工，未發生井漏），但現場沒有停止正常鉆進作業。

因密度過大所造成的誘導裂縫性井漏[7]，導致鉆井液的密度、黏度、失水、泥餅等各種性能參數不能保持在需要的穩定狀態，進而降低了其攜砂、護壁等能力，促使了井壁失穩。

4.4 鉆具組合不合理

在現場缺少加重鉆桿的情況下，為了給鉆頭加壓，穩定鉆頭，防止井斜，入井的鉆具組合中，加入了Φ178 mm 和Φ159 mm 兩種類型的鉆鋌。Φ215.9 mm井眼，Φ178 mm鉆鋌的使用，使得相應井段的環空變小，易因大塊巖屑、剝落掉塊或縮徑形成卡鉆，在變徑接頭處，更易因巖屑的堆積而形成沉砂卡鉆。

4.5 對井下風險評估不足

事故發生之前，鉆速較快，施工順利，放松了對該段地層的警惕意識；起鉆時，起至第3～4 柱鉆桿時，拉力略有上升，起至第5柱時，拉力出現異常，進行上下劃眼作業約15 min，泵壓、懸重均恢復正常，后繼續起鉆作業。由于第6 柱出井時的輕微異常，至第7柱再進行倒劃眼作業時，發生了卡鉆。起第5柱時的劃眼作業時間過短，鉆井液循環不徹底，對井下復雜情況重視程度不夠，對風險評估不足，也是此次卡鉆的重要原因之一。

5 結論與認識

1）工作區的打屋壩組泥頁巖地層，厚度大、性軟、水敏性強、可塑性差，垮塌周期短，易縮徑、坍塌造成卡鉆事故。增加鉆井液中鉀離子的含量，提高其抑制性是降低失水、提高井壁穩定性、延長泥頁巖垮塌周期、保障施工順利進行的必要條件。

2）壓井時，在不知道地層承壓能力的情況之下，盲目增加泥漿密度極易造成井漏。黔水地1 井二開之后，因為氣顯示較好，在地層承壓能力不明確的情況下，僅依據有限的鄰井資料提高泥漿密度進行壓井，形成了因泥漿密度過大所引起的誘導裂縫性井漏，促進了卡鉆事故的發生。

3）針對工作區所發育的巨厚、水敏性強的泥頁巖地層，采用合理鉆具，簡化組合，提高風險意識，開展精細操作，是保障施工安全、順利進行的有力措施。