水平井常见事故复杂及预防处理
2019-12-28王强张洪涛
王强 张洪涛
摘要：水平井钻井技术是当代油气资源勘探开发的重大技术之一，水平井具有“少井高产”的突出特点。2009年底苏里格气田累计探明和基本探明地质储量达到2.27万亿立方米，其中探明储量8715亿立方米，成为国内最大气田，为规模应用水平井开发提供了较好的资源基础。但由于水平井施工工艺的特殊性，其事故与复杂问题与常规直井、定向井相比存在着较大差异，水平井事故复杂的影响因素很多，涉及到多个领域、多个学科，本文对其影响因素从地质岩性到钻井工艺方面进行了总结归类，在前人研究的基础上，把事故复杂因素分为了两个方面：地质因素和工程因素，并提出了对应的预防及处理措施。
关键词：苏里格;水平井;事故复杂;地质因素;工程因素;预防;处理
第1章 引言
1.1苏里格水平井事故复杂研究现状及意义
水平井具有井眼贯穿油气层段长、单井产量高的优点，同时也解决了某些特殊油藏采收率低的问题，因此得到广泛重视，这极大地促进了此项技术的应用和发展。另外随着现有油气资源的开发趋于殆尽，我国的油气资源正在逐渐向低渗、超薄、海洋、稠油方向发展。这为水平井钻井技术的发展和应用提供了有利的空间。2009年底苏里格气田累计探明和基本探明地质储量达到2.27万亿立方米，其中探明储量8715亿立方米，成为国内最大气田，为规模应用水平井开发提供了较好的资源基础。中国石油天然气股份有限公司《关于进一步加强苏里格气田水平井开发工作的通知》要求，在相对富集区优选的基础上蹄选水平井开发面积1892平方公里，规划部署水平井1459 口，建产能218亿立方米，动用地质储量2682亿立方米。在钻井作业中，由于地质因素和工程因素的共同作用，往往會发生许多井下复杂情况，甚至造成严重的井下事故，轻者耗费大量人力、财力和时间，重者将导致油气资源的污染和浪费，甚至导致全井的报废。据近几年的苏里格水平井钻井资料分析，在钻井过程中，处理井下复杂情况和钻井事故时间占钻井总时间的3%-8%。正确处理因地质因素产生的井下复杂情况，避免或减少因决策失误、处理不当而造成的井下事故是提高钻井速度、缩短建井周期、降低钻井成本的重要途径，也是钻井工程技术人员的主要任务和基本功。通过对苏里格水平井的事故进行分析，尤其是改变钻具结构通井遇阻划眼问题，对预防复杂情况发生，保障钻井安全具有重要意义。
1.2本文主要的研究工作
1、针对苏里格地区刘家沟组和石盒子组地层漏失问题，通过对典型发生井漏的苏76-2-3H井和苏25-36-8H井漏发生经过及堵漏过程的分析，根据漏失程度不同，推荐采用不同的堵漏方式。为了预防在刘家沟组和石盒子组地层发生井漏，提出来针对性的钻井液优化方案及工程预防措施。
2、对于造斜井段的井壁失稳、垮塌引发的中完通井事故复杂，通过对苏东19-99H井、苏76-6-2H井中完通井发生的划眼事故复杂进行了详细的分析，提出了中完通井事故预防及处理措施。
第2章 刘家沟组和石盒子组地层漏失的预防和处理
2.1刘家沟组地层漏失问题
刘家沟地层属于中生界三叠系地层，岩性为灰紫色、灰绿色、暗红色细-粗砂岩及紫红色、棕红色砂质泥岩含灰质结核，底部含细烁岩。该地层地层压力低，可钻性差，底部烁岩很容易漏失，严重时泥奖只进不出，给钻井工作带来很大的风险。苏76-2-3H井钻进至2838米时发现井漏（泥浆性能：密度1.16g/cm3，粘度44s，失水5.5ml，泥饼0.6mm，含沙0.3%，初切2.0，终切5.0，PH值9.5），漏速为1方/小时，采取了随钻堵漏的方式继续钻进，钻进至2969米，漏速增加至1.8方/小时，由于即将进入的石千峰和石盒子地层容易出现垮塌，目前钻井液密度不能满足正常施工，采取停止钻进进行堵漏。先后进行了两次常规堵漏作业，但是效果不佳，堵漏完成后继续钻进过程中漏速由渗漏逐渐增加至2方/小时，堵漏不成功。第三次采用了光钻杆打水泥塞的方式进行堵漏，事故解除。
2.2刘家沟组地层漏失的预防及处理
由于刘家沟地层易漏，钻进过程中必须将钻井液密度控制在1.06g/cm3以下，粘度控制在30-32s之间。提前在4号或5号罐内配15-20m3的坂土浆（1.05g/cm3＼ 30-32s），再向里面加入1-2%的堵漏材料（主要是单封），以便在出现少量漏失的情况下能及时将堵漏剂打入井内进行堵漏。为了预防井下出现大漏情况，井上必须储备足够的堵漏和配浆材料。钻进中认真坐岗，密切观察液面变化情况、井口返出钻井液流量;及时测量时发现钻井液性能变化，及时采取相应措施。如果施工过程中发生了井漏，穿完刘家沟地层后，必须先进行堵漏作业。钻开漏层后要根据井漏的实际情况制定相应的措施。漏速小可以满足钻进的话，可以钻穿漏层后再进行堵漏，漏速大满足不了正常钻进，要先进行堵漏将漏速降到能够满足钻进后，再钻穿漏层进行堵漏，如常规堵漏效果不佳可采用关闭防喷器向漏层挤水泥的方式进行堵漏。
2.3石盒子组含气砂岩地层漏失问题
石盒子组地层属于古生界二叠系地层，岩性主要为灰色泥岩、灰白色砂岩、白色含气砂岩，由于含气砂岩地层可钻性好、胶结破碎疏松、承压能力过低，该地区已完成井曾多次在该层位发生过严重井漏，具有明显的区域性漏失特点，属于区域性地层漏失。25-36-8H井钻进至井深3278米时突然发生井漏，井口钻井液失返，钻遇层位为石盒子组含气砂岩地层，钻井液性能：密度1.16g/cm3，粘度56s，失水2.4ml，泥饼0.4mm，含砂0.3%，初切2.0，终切5.0，PH 9。井漏发生后立即降低排量向井内打入堵漏泥浆20方，起出300m钻具进行加压循环，之后采取降低排量、随钻堵漏的方式进行钻进，漏速0.8方/小时，直至中完。
2.4石盒子组含气砂岩地层漏失的预防及处理
由于石盒子组气层发育良好，砂岩胶结疏松、承压能力低，极易发生漏失。钻进过程中钻井液密度应保持在设计的下限，降低排量，同时应增强钻井液的防塌、抑制能力。提前在4号或5号罐内配20m3的堵漏泥浆，以便在出现少量漏失的情况下能及时将堵漏泥浆打入井内进行堵漏。发生井漏后，应立即降低排量，采取随钻堵漏的方式进行钻进，减少气层浸泡时间。苏25-36-8H井正是在井漏后采取了降低排量至24L/S（正常排量32L/S）、随钻堵漏的方式钻进至中完，中完通井、下套管、固井作业均顺利完成。
第3章 造斜段井壁稳定技术
苏里格水平井的造斜井段在石千峰组及石盒子组，岩性主要以脆性泥岩为主，由于地质原因及井眼轨迹设计共同作用的原因，在该井段极易发生井壁失稳现象，由于井壁失稳导致泥岩垮塌，进而造成中完通井遇阻划眼，严重的导致坍塌卡钻及技术套管下入困难，甚至出现填眼侧钻的复杂事故。造斜段井壁失稳问题已成为制约苏里格水平井钻井提速的瓶颈。
3.3造斜段井壁失稳的预防及处理
3.3.1造斜段井壁失稳机理
1、地质因素
石千峰和石盒子组地层岩性为大段红褐色泥岩，灰色泥岩，及小段砂岩，主要以硬脆性泥岩地层为主。泥页岩是典型的沉积岩，层理极其发育，并且还存在微裂缝，在该层位造斜钻进过程中，随着井斜的增加，滤液在压力作用下会沿微裂缝不断进入泥页岩中，造成泥页岩的膨胀压越来越大，加剧了层理和微裂缝的发展，经过一段时间张合后沿层理和微裂缝而崩裂、坍塌。这类破碎性地层一般为薄层，常分布在气层顶部的盖层，一旦遇阻划眼，会越划越复杂，泵压升高，扭矩增大，并由于掉块不能顺利返出而导致其上部井段也出现阻卡。部分井大斜度井段单层砂岩和泥岩较薄，砂岩泥岩频繁交互，砂泥岩之间尤其是不同泥岩之间的粘土矿物组分和性质各不相同，因此容易形成不规则井眼;砂岩泥岩频繁交互造成砂泥岩交界面多，同时交界面胶结疏松，相邻岩层性质差异大，井眼容易形成多个台阶。以上原因极易造成起下钻时阻卡划眼。
2、工程因素
井壁失稳的另一个主要原因是现场施工人员的操作造成的结果，现场为维持硬脆性泥岩井壁稳定，盲目提高钻井密度，导致钻井液性能不稳定，不能很好地支撑井壁，造成造斜增斜段先期井壁剥落，无法形成致密泥饼，为后期施工埋下了隐患;由于造斜段岩石可钻性差、研磨性强，钻井时间长，增加了钻井液侵泡地层时间，加大了泥岩层段井壁失稳的可能性;在造斜增斜井段钻进过程中，随着井斜角的增加，下部钻具与下井壁接触，发生摩擦，钻进时以及起下钻引起的激动压力，都能造成井壁失稳，发生井壁坍塌掉块现象;中完通井过程中，由于钻具组合的改变造成钻具刚性变化容易破坏井壁的泥饼，造成井壁失稳。
3.3.2造斜段井壁失稳的预防及处理
1、控制造斜段井眼轨迹
二开上直段钻完后，定向技术人员应根据所钻井实际情况进行合理的造斜剖面设计，造斜钻进过程中应摸清地层造斜率，确保井眼轨迹的圆滑，避免出现狗腿度过大的井段给后期施工带来困难。工程技术人员应严格执行技术划眼，滑动钻进的井段必须进行两到三遍的技术划眼，对滑动钻进时形成台阶进行破坏，减少事故复杂发生的可能性。
2、合理控制钻井液性能
钻井液密度低导致井壁岩石发生剪切破坏而坍塌掉块，若井内钻井液密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。造斜增斜段伴随着钻井液改型开始，合理的钻井液转型是后期定向段井壁稳定工作的一个关键环节。盲目的提密度并不能有效地稳定井壁，定向钻进施工的前48小时内，钻井液处理的关键在于快速的调节钻井液性能，提高钻井液的粘切，降低失水，在井壁形成薄而致密的泥饼，提高地层的承压能力，才能缓慢的提高钻井液密度。减少泥浆中自由水进入井壁，降低泥页岩的水化程填加合理的防塌材料，钻井液中保证防塌剂的比例，有效地做到化学防塌，严格控制钻井液含砂量，钻井液含砂量高，形成的滤饼厚且松，胶结性差，易发生缩径，起钻拔活塞，造成井眼坍塌。
3、优化中完通井钻具组合
不同通井钻具组合，其刚性不同，直接表现在起下钻过程中摩阻的大小，尤其在水平井造斜入窗井段，表现更为明显。众所周知，刚性大的钻具组合，则钻具摩阻较大。因此，根据现场实钻，运用WELLPLAN专业软件，计算各种常用的通井钻具组合，分析其摩阻大小。通井的目的，主要是修整井壁，使岩屑床处于安全范围之内。所以一般情况下，通井钻具应采用完钻时原钻具或者尽可能接近原钻具的刚性。自2011年开始中完通井钻具组合不断进行改进，目前常用的通井钻具组合有以下三种。
3.1第一套钻具组合（苏25-32-14H）
215.9mm牙轮+127mm加重钻杆*1根+210mm扶正器+127mm加重钻杆*2根（18.6m）+127mm钻杆*72根（687.6m）+127mm加重钻杆*21根（195.3m）+127mm钻杆
3.3第三套钻具组合（苏76-4-19H）
215.9mm牙轮+208mm稳定器+127mm加重钻杆*2柱（55.8m）+127mm钻杆*20柱（570.0m）+127mm加重钻杆*5柱（139.5m）+127mm钻杆
3.4应用小结
通井的目的，主要是修整井壁，而不能修改井眼轨迹。修整井眼的主要部件是钻头和稳定器。最佳的通井钻具则是充分发挥钻头和稳定器的作用，同时该钻具在起下钻过程中摩阻最小。根据常用通井钻具组合受力分析，第一套通井钻具起下钻摩阻较小，同时稳定器离钻头有一根钻杆之远，比紧挨钻头修整井壁要好。因为稳定器近钻头，其弧线较短，近乎直线，且钻头尺寸又大于稳定器，因此稳定器修整井壁的效果不太好;而相隔一根钻杆则有所变化，其弦高的增加，导致稳定器紧贴井壁，从而达到修整井壁的目的。为了保险起见，稳定器应选用欠尺寸的稳定器，根据已完钻井通井经验，建议采用直径208mm的稳定器。
第4章 结论
通过在苏里格地区三年多的水平井施工，经过不懈的努力，不断的总结经验、教训，对苏里格地区的地质结构和地层特点有了比较深入的了解。对复杂情况的影响因素、发生规律和处理方法有了更完整的理解和掌握，采用的水平井钻井工艺技术逐步成熟，井漏、井塌、划眼等复杂情况大幅度减少，水平井施工事故复杂率大幅下降。同时，水平井施工速度大幅提高。
参考文献：
[1]李爽，李玉斌，段宪余，等.水平井技术在苏10区块的应用.特种油气藏[J].2011，18（3）：84-86.
[2]李东立.水平井事故的预防措施[J].内蒙古石油化工，2007，（9）：57-58.
[3] 熊友明，刘理明，张林，等.我国水平井完井技术现状与发展建议[J].石油钻探技术，2012，40（1）：1-6.
[4] 韩伟超.苏里格地区水平井事故复雜的预防处理，长江大学，2013
[5]土林，付建红，饶富培，等.大位移井井壁稳定机理及安全密度窗口分析[J].石油矿场机械，2008，37（9）：46-48.
[6]楼一珊，刘刚.大斜度井泥页岩井壁稳定的力学分析[J].江汉石油学院学报，1997，19（1）：61-64.
[7] 陈勉，金衍.深井井壁稳定技术研究进展与发展趋势[J].石油钻探技术，2005，33（5）：28-33.
