渤海A1井射孔后卡鉆事故的原因分析及對(duì)策

張啟龍，張曉誠(chéng)，孫帥帥，徐 剛，李治衡

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459；2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300459）

為了解決以上問題，本文以渤海A1 井的射孔后卡鉆事故為例，詳細(xì)介紹了該井卡鉆事故發(fā)生和處理的過程，分析了事故發(fā)生的原因，并針對(duì)性提出了預(yù)防措施，對(duì)其他井在預(yù)防和處理射孔后卡鉆事故上具有重要的指導(dǎo)和借鑒作用，有效保障了該油田完井過程中的作業(yè)安全。

1 渤海A1 井射孔后卡鉆事故介紹

1.1 渤海A1 井的基本信息

渤海A1 井是一口先期排液的注水井，其目的層位E2S3層，時(shí)探人工井底深度為3 079.1 m，油層中部垂深為2 616.2 m，油層中部壓力為25.53 MPa，壓力系數(shù)為0.975，該井的最大井斜為26.77°，射孔套管的尺寸為244.475 mm、磅級(jí)為47 ppf。該井的射孔方式是TCP 負(fù)壓射孔，射孔段為2 655.5 m～3 049.6 m，射孔段跨度438.1 m，凈射孔長(zhǎng)度為60.4 m，射孔槍外徑為177.8 mm，射孔彈為深穿透射孔彈，穿深和孔徑分別為1.5 m 和11.2 mm，射孔液為隱形酸完井液體系，密度為1.03 g/cm3。總體來說，該井的井型和射孔參數(shù)較為常規(guī)，在渤海A 油田具有代表性。

1.2 卡鉆事故發(fā)生與處理過程

A1 井采用投棒點(diǎn)火方式引爆射孔彈，2 min 后槍響，導(dǎo)通放噴流程，進(jìn)行放噴作業(yè)以清洗井下射孔位置的雜物，觀察返出少量氣體。放噴作業(yè)完成后，緩慢上提管柱，過提15 t 無法解封RTTS 封隔器，靜止5 min，過提20 t 無法解封RTTS，靜止后過提30 t，仍無法解封，判斷發(fā)生卡鉆事故，進(jìn)行解卡作業(yè)。

關(guān)閉防噴器，泥漿泵反循環(huán)洗井，排量996 L/min，泵壓3.07 MPa，累計(jì)反循環(huán)完井液55 m3，期間測(cè)循環(huán)漏失速度23 m3/h，返出液較干凈后停泵。測(cè)靜態(tài)漏失7 m3/h，下壓管柱10 t，多次快速上提管柱至震擊器震擊，最大過提50 t，無法提活管柱，且管柱上提遇卡點(diǎn)及下放遇阻點(diǎn)位置不變，第一次解卡失敗。反循環(huán)1.03 g/cm3工作液56 m3，大鉤懸重147 t～79 t 活動(dòng)，累計(jì)上移0.19 m，停泵測(cè)靜漏失速度8 m3/h，仍無法提活管柱，第二次解卡失敗。反循環(huán)1.03 g/cm3工作液80 m3，大鉤懸重147 t～79 t 活動(dòng)，停泵測(cè)靜漏失速度4.8 m3/h，仍無法提活管柱，第三次解卡失敗。上提管柱至懸重167 t，泥漿泵正替EF 屏蔽暫堵液20 m3后，繼續(xù)替入1.03 g/cm3完井液18 m3，靜漏失速度0 m3/h，懸重突然由167 t 降為140 t，緩慢上提管柱提活成功，管柱成功解卡。

管柱緩慢從井下取出，發(fā)現(xiàn)RTTS 封隔器整體結(jié)構(gòu)完整，卡瓦牙輕微磨損，上膠皮頂部及下膠皮底部有部分磨損。服務(wù)工具最底部的油管短節(jié)內(nèi)填滿炮灰、地層砂及原油混合物，射孔槍表面粘附大量原油。

2 射孔后卡鉆事故的原因分析

2.1 卡點(diǎn)計(jì)算

在進(jìn)行卡鉆事故發(fā)生原因分析時(shí)，首先要根據(jù)提拉管柱數(shù)據(jù)計(jì)算卡點(diǎn)位置，根據(jù)卡點(diǎn)位置并結(jié)合事故處理過程中的現(xiàn)象，綜合判斷事故發(fā)生的原因。在管柱發(fā)生卡鉆后，分別上提標(biāo)記過提10 t、20 t、30 t、40 t、50 t 位置并丈量管柱伸長(zhǎng)量，其上移量分別為0.65 m、0.24 m、0.32 m、0.26 m、0.38 m。而根據(jù)胡克定律，將卡點(diǎn)以上管柱當(dāng)作彈性管柱體，其自由長(zhǎng)度就為卡點(diǎn)位置，推導(dǎo)得到卡點(diǎn)計(jì)算公式[7-9]，如式（1）。

式中：L-卡鉆深度，m；E-鋼材的彈性模量，對(duì)于低碳鋼為2.1×105MPa，對(duì)于合金鋼為2.2×105MPa；A-管柱截面積，cm2；Δl-管柱伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，m；Δp-管柱過提拉力，kN。

微課程的課程開發(fā)管理歸屬及教學(xué)功能定位 課程是傳遞社會(huì)價(jià)值觀和文化信息的基本載體，具有服務(wù)于人的某種需要的功能，體現(xiàn)社會(huì)的需要。也就是說課程具有社會(huì)屬性，微課程也不例外，社會(huì)系統(tǒng)的諸要素制約著學(xué)校課程的設(shè)置。我國(guó)實(shí)行國(guó)家課程管理制度，2001年明確提出實(shí)行國(guó)家、地方和學(xué)校三級(jí)課程管理，即國(guó)家課程、地方課程和學(xué)校課程[4]。依據(jù)微課程的基本屬性和特征，微課程理當(dāng)定位于學(xué)校課程類型，即通常所說的校本課程，它是信息時(shí)代產(chǎn)生的新型校本課程。

A1 井射孔工具是用外徑為139.7 mm 的鉆桿下入，計(jì)算得到其管柱截面積為37.6 cm2，而伸長(zhǎng)長(zhǎng)度采用各次過提伸長(zhǎng)量的平均值，由于第一次伸長(zhǎng)量為0.65 m，遠(yuǎn)大于其余4 次，因此其為作業(yè)異常點(diǎn)而被排除，后四次的平均伸長(zhǎng)量為0.3 m，而后四次的平均過提拉力為35 t，因此利用式（1）求得卡鉆深度L 為3 056.9 m，而該井的射孔底部深度為3 049.6 m，卡鉆發(fā)生在射孔槍的底部位置，因此該井射孔后卡鉆的原因可能有射孔碎屑卡鉆、黏吸卡鉆和出砂卡鉆[10]。

2.2 射孔碎屑卡鉆

由于射孔過程中會(huì)產(chǎn)生大量碎屑，當(dāng)環(huán)空面積較小且射孔碎屑的量較大時(shí)，碎屑有可能在重力的作用下發(fā)生下降沉積，在射孔槍底部聚集而發(fā)生卡槍事故，因此需要通過計(jì)算射孔環(huán)空面積和碎屑產(chǎn)生的量來判斷發(fā)生碎屑卡鉆的可能性。根據(jù)整槍碎屑收集實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，此射孔彈每0.875 m 產(chǎn)生的碎屑的體積為2.557×10-3m3，而本次射孔作業(yè)的凈射孔長(zhǎng)度為60.4 m，因此產(chǎn)生0.177 m3的碎屑。而套管尺寸為244.475 mm、磅級(jí)為47 ppf，因此計(jì)算其內(nèi)徑為220 mm，而射孔槍的外徑為177.8 mm，因此計(jì)算射孔跨度內(nèi)的環(huán)空體積為0.796 m3，遠(yuǎn)大于產(chǎn)生碎屑體積，且射孔后直接進(jìn)行負(fù)壓返涌以清洗射孔碎屑，因此射孔碎屑卡鉆不是本井發(fā)生卡鉆的原因。

2.3 黏吸卡鉆

隨著該油田的逐漸開采，地層逐漸虧空從而導(dǎo)致地層壓力系數(shù)降低，因此射孔液和地層之間產(chǎn)生壓差，射孔管柱在此壓差的作用下發(fā)生黏吸卡鉆，而該井的地層壓力系數(shù)為0.975，射孔液密度為1.03 g/cm3，存在內(nèi)外壓差，而射孔結(jié)束后的靜止漏失速度達(dá)到7.2 m3/h，進(jìn)一步證明該井存在黏吸卡鉆現(xiàn)象。射孔后管柱發(fā)生黏吸卡鉆時(shí)的受力分析（見圖1），射孔槍在內(nèi)外壓差下產(chǎn)生摩擦力，抑制了管柱的上下移動(dòng)，通過受力分析得到了射孔槍管柱的黏吸阻力計(jì)算公式，如式（2）。

圖1 黏吸卡鉆的受力分析

式中：f-黏吸摩擦力，N；μ0-管柱之間的摩擦系數(shù)，無量綱，此處取0.25；A0-管柱與套管接觸面積，m2；F1-射孔槍內(nèi)部壓力，N；F2-地層施加壓力，N。

該井采用的射孔相位為45/135°，射孔孔眼數(shù)為2 295，單個(gè)射孔孔眼的面積為0.981 cm2，假設(shè)一半的射孔段管壁與套管接觸，利用式（2）求得黏吸摩擦力f為263.6×103N，即26.36 t，而泥漿泵正替EF 屏蔽暫堵液20 m3后，懸重突然由167 t 降為140 t，降低27 t，與預(yù)測(cè)值相近，證明了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。因此黏吸卡鉆是該井發(fā)生射孔后卡鉆的主要原因，但由于射孔后卡鉆的最大過提力達(dá)到33 t 仍未解卡，而黏吸卡鉆的摩擦阻力只有26.36 t，因此還存在其他形式卡鉆。

2.4 出砂卡鉆

由于此次射孔作業(yè)采用的是負(fù)壓射孔方式，射孔后對(duì)地層產(chǎn)生較大拖拽力，因此地層易發(fā)生出砂現(xiàn)象，當(dāng)?shù)貙映錾傲枯^大時(shí)，在射孔槍和井壁環(huán)空間易發(fā)生地層砂的堆積和沉淀，從而造成射孔槍卡鉆事故[11-13]。首先根據(jù)A 油田的探井測(cè)井資料，采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)該油田的出砂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的方法主要有聲波時(shí)差法、B 指數(shù)法和S 指數(shù)法[14-16]。聲波時(shí)差是根據(jù)測(cè)井曲線得到的縱波時(shí)差Δt，判斷出砂可能性，其判斷依據(jù)為：Δt＜95 μs/ft，為不出砂；Δt＞105 μs/ft，為出砂；95 μs/ft ＜Δt＜105 μs/ft，為難以判斷的砂巖。B 指數(shù)計(jì)算公式如式（3），其判斷依據(jù)為：B＞2×104MPa，為不出砂；B＜2×104MPa，為出砂。S 指數(shù)的計(jì)算公式如式（4），其判斷依據(jù)為：S＞5.9×107MPa2，為不出砂；S＜5.9×107MPa2，為出砂。

式中：B-地層的B 出砂指數(shù)，MPa；S-地層的S 出砂指數(shù)，MPa2；F-巖石的彈性模型，MPa；μ-巖石泊松比，無量綱。

根據(jù)該井的測(cè)試資料，利用式（3）、式（4）預(yù)測(cè)了該油田的出砂風(fēng)險(xiǎn)，該油田在目的儲(chǔ)層有一定的出砂風(fēng)險(xiǎn)。而本井采用的是負(fù)壓射孔方式，射孔負(fù)壓值計(jì)算公式如式（5）。在該井鉆進(jìn)前，根據(jù)探井所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的設(shè)計(jì)負(fù)壓范圍是3.82 MPa～12.55 MPa，而根據(jù)該井的實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的負(fù)壓范圍是4.63 MPa～12.5 MPa，與設(shè)計(jì)基本相同，而本井的實(shí)際作業(yè)負(fù)壓為10.9 MPa，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但由于該井可能出砂，根據(jù)美國(guó)Conoco公司最實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)負(fù)壓值計(jì)算公式，如式（6），求得該井的最佳負(fù)壓為6.02 MPa，因此該井的實(shí)際負(fù)壓值偏大。根據(jù)以上預(yù)測(cè)，該井射孔過程中發(fā)生出砂現(xiàn)象的可能性較大（見圖2）。

式中：Pmin-射孔設(shè)計(jì)負(fù)壓的最小值，MPa；Pmax-射孔設(shè)計(jì)負(fù)壓的最大值，MPa；K-儲(chǔ)層滲透率，mD。

式中：Prec-射孔設(shè)計(jì)負(fù)壓的最優(yōu)值，MPa。

為了驗(yàn)證該井的出砂情況，射孔結(jié)束后，測(cè)試了該井的砂高為9.24 m，與該油田其他未卡鉆井的砂高進(jìn)行對(duì)比（見表1），該井射孔后的砂高明顯高于其他井，因此判斷該井在射孔后發(fā)生出砂現(xiàn)象，導(dǎo)致該井發(fā)生出砂卡鉆，而取出管柱后，發(fā)現(xiàn)RTTS 封隔器卡瓦牙輕微磨損，上膠皮頂部及下膠皮底部有部分磨損，證實(shí)了該井射孔后發(fā)生了出砂卡鉆事故[17]。

3 結(jié)論與建議

圖2 A1 井的出砂風(fēng)險(xiǎn)分析

表1 渤海A 油田射孔砂高對(duì)比

通過對(duì)A 井射孔后發(fā)生卡鉆事故的分析，形成結(jié)論如下：

（1）A1 井的卡點(diǎn)深度為3 056.9 m，而該井的射孔底部深度為3 049.6 m，卡鉆發(fā)生在射孔槍的底部位置。

（2）A1 井的射孔段環(huán)空體積遠(yuǎn)大于產(chǎn)生碎屑體積，且射孔后直接進(jìn)行負(fù)壓返涌以清洗射孔碎屑，因此射孔碎屑卡鉆不是本井發(fā)生卡鉆的原因。

（3）通過分析，A1 井發(fā)生卡鉆的卡鉆類型為黏吸卡鉆和出砂卡鉆聯(lián)合作用的復(fù)合卡鉆，因此該油田類似儲(chǔ)層在進(jìn)行開發(fā)時(shí)，要充分考慮發(fā)生黏吸卡鉆和出砂卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

為了避免以上事故的發(fā)生，提出建議如下：

（1）隨著開發(fā)的逐漸加深，適當(dāng)增加目標(biāo)儲(chǔ)層注水井的數(shù)目和注水量，保證儲(chǔ)層的壓力系數(shù)穩(wěn)定，防止因地層虧空造成地層壓力系數(shù)降低，降低管柱發(fā)生粘吸卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）建議該油田射孔作業(yè)后，使用屏蔽暫堵技術(shù)配合作業(yè)，如EF 屏蔽暫堵液等，降低井筒內(nèi)向地層的漏失，防止發(fā)生黏吸卡鉆。

（3）該井在進(jìn)行負(fù)壓射孔的負(fù)壓設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用有出砂歷史的計(jì)算公式進(jìn)行校正，防止設(shè)計(jì)負(fù)壓過大而加劇地層出砂，降低出砂卡鉆事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

（4）負(fù)壓射孔作業(yè)結(jié)束后進(jìn)行返涌時(shí)，建議上下活動(dòng)射孔管柱且縮短返涌時(shí)間，防止井筒內(nèi)的地層砂或碎屑沉積而發(fā)生卡鉆事故。

（5）該油田在鉆井過程中要保留足夠容積的口袋，防止地層大量出砂而埋卡射孔管柱。