南海東部表層鉆井鉆具安全保障分析與建議

焦陽

中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518000

鉆具安全是鉆井作業永恒的主題，但由于表層建井所鉆遇地層普遍可鉆性好、開路鉆進鉆井液的特殊性和作業時效性要求高，導致表層鉆井機械鉆速快、攜砂效率差，鉆具安全面臨巨大挑戰。面對風險和挑戰，鉆具安全控制技術亟需一套行之有效的系統性解決方案。筆者通過積累南海東部地區的多口井作業經驗，剖析了多口井的成功處理卡鉆案例，形成了表層鉆井保障鉆具安全方法和技術沉淀，對后期探井表層鉆井作業和開發井表層批鉆作業具有重大指導意義。

1 南海東部表層鉆井鉆具安全難點分析

1.1 地層巖性復雜

南海東部海域位于珠江口盆地，表層建井一般開路鉆進至粵海組或者韓江組地層，普遍發育含礫粗砂巖、粗砂巖與泥巖互層，地層滲透性好，極易發生井下漏失和井口失返，嚴重影響攜砂效率和井眼清潔。地層夾層多，鉆進過程中扭矩波動大，極易蹩停頂驅造成鉆具無法正?；顒?，如果鉆具組合中有馬達，還容易由于蹩鉆頭而造成憋泵，甚至憋開泥漿泵安全閥造成無法使用泥漿泵進行“循環”而發生沉砂卡鉆（沉砂卡鉆是指巖屑在井底沉降、堆積造成的卡鉆[1]）。

1.2 鉆井液體系單一

由于表層鉆井期間沒有建立井口，無法正常循環，所以受到鉆井液材料供應、配置時間、成本費用的限制，無法選用常規的鉆井液體系，普遍選擇使用海水-般土漿體系鉆進。海水-般土漿體系的鉆井液動、靜切力均不如常規鉆井液，攜帶和懸浮巖屑的性能差，尤其在砂巖多的地層中鉆進時，給井眼清潔帶來了極大的挑戰，嚴重影響鉆具安全。

1.3 環空返速低

南海東部表層建井一般采用一開36″井眼（入泥60～80m）+二開26″/17.5″/16″井眼（入泥800～1300m）的井身結構。二開鉆進出于對機械鉆速和井斜控制的要求會在鉆具組合中加入馬達和隨鉆測斜儀，進而限制了鉆進排量在4200～5000升/分鐘之間，造成鉆進期間鉆桿區域的環空返速僅有0.25～0.62m/s（此為標準井徑下的數據，考慮擴徑影響返速會更低），根本不足以很好地清潔井眼，加之表層地層普遍可鉆性好、機械鉆速快，二開進尺多，這些因素都為井眼清潔增加了困難。

2 應對措施及案例

針對上述南海東部表層鉆井特點，形成了一系列鉆具安全保障措施，并得到了良好應用，下面介紹本地區幾個典型措施和應用案例。

2.1 應對措施及案例

2.1.1 動態調整井身結構

某1井為一口淺水探井，設計二開16″井段中完深度1500m。鉆進至1000m過程中多次出現返出減少和失返現象，由于是開路鉆進，結合巖性預測和鉆井參數，判斷1000m以上地層發育含礫粗砂巖和粗砂巖，地層滲透性好造成井下漏失。井下漏失造成井眼清潔不徹底，給鉆具安全帶來了巨大風險。結合1000m以下地層依舊發育粗砂巖的巖性特點、開路鉆進無法準確量化返出量的弊端、現場的堵漏材料需求量大和供應困難等不利因素，常規堵漏方法已無法支持鉆進至設計中完深度，需要考慮提前中完。二開提前中完會給三開作業增加以下風險：1）壓力窗口減小，不滿足井控要求；2）裸眼井段變長、暴露時間變多，井壁失穩風險變大；3）裸眼井段變長，電纜測井阻卡風險變大。此時需評估臨井地層承壓能力、本井地層壓力預測、二開套管鞋封固質量、三開作業鉆井液性能：

三開井段設計中完深度4000m，1000m以下地層可以滿足三開井控要求，見表1和見圖1。

圖1 某1井壓力預測

表1 某1井的臨井地層承壓能力

固井水泥漿上返200m能夠保障套管鞋固井質量，按照極端情況下1000m為漏點考慮，至少需鉆進至1200m方可下套管、固井且需關注1000m以下地層鉆進過程中返出情況；三開鉆井液體系為PDF-PLUS/KCL，抑制、潤滑、控失水等性能強，可以保障井壁穩定性和電測作業。綜合考慮以上因素后，鉆進中實時決策1292m為中完深度，提前208m中完，縮短了二開作業時間，避免了長時間海水浸泡帶來的井壁失穩和井下漏失帶來的井眼清潔困難，規避了鉆具安全的風險。

2.1.2 鉆井液體系改良

深水探井作業成本高，對風險的控制要求更為嚴格，表層作業對般土漿的需求量很大，由于鉆井液池容積的限制，般土漿的配制速度跟不上作業進度（般土漿水化需要時間），因此必須改良鉆井液體系，般土和增粘劑配合使用：某2井和某3井均為深水探井，二開開路鉆進分別是26″井段入泥855m、17-1/2″井段入泥777m，除常規的鉆完一柱掃10m3稠般土漿外，實施了每鉆進半柱額外掃10m3胍膠（一種鉆井液增粘劑[2]）液攜砂的方案（見圖2），在般土漿來不及水化的同時增加了稠漿的泵入量，提高了攜砂效率，進一步保障了鉆具安全[3]。

圖2 某3井鉆半柱掃胍膠，鉆一柱掃稠般土漿

2.1.3 提高環空返速

某1井為一口淺水探井，二開16″井段第一趟鉆具使用馬達提高機械鉆速、必要時控制軌跡和隨鉆測斜儀監測軌跡，作業過程中鉆進至1000m后發生卡鉆，解卡后起出第一趟鉆具，第一趟鉆具在鉆壓15klbs，轉速200r/min條件下，機械鉆速可以達到200m/h，1000m處井底位移25m左右?？紤]到本井二開余下待鉆井段不足300m，結合地層可鉆性好、機械鉆速快和實鉆井眼軌跡可控等因素，第二趟鉆具組合中取消了馬達和隨鉆工具，采用了常規鉆具組合下鉆鉆進，鉆進排量由第一趟的4200Lpm提高到5500Lpm，環空返速由第一趟的0.61m/s提高到0.8m/s，提高比例達31%，提高了攜砂效率，安全完成后續鉆進。

2.1.4 沖洗鉆具解卡

某4井、某5井在17-1/5″井段鉆進中發生卡鉆，某1井在16″井段鉆進中發生卡鉆，均使用沖洗鉆具成功解卡。鉆具組合為5-1/2″沖洗頭或6″牙輪鉆頭+5″或5-1/2″鉆桿，下鉆至鉆具遇卡處，大排量沖洗沉砂，成功解卡，之后井眼墊滿稠般土漿，起出沖洗鉆具，再起出遇卡鉆具。解卡步驟如下（以某1井為例）：1）將被卡鉆具重量轉移至二級張力器（額定張力610klbs）；2）調節二級張力器液缸長度，使用卸扣連接二級張力器鏈條和手動吊卡，將手動吊卡扣在第23柱鉆桿中單根上（第24柱鉆桿下單根公扣低于轉盤面1.0m，井口小平臺處第23柱鉆桿中單根公扣低于30″導管頭頂部1.5m）；3）使用鉆臺氣動絞車懸掛手動吊卡，調整手動大鉗位置位于第23柱鉆桿上單根和中單根鉆桿接箍上，連接導向鋼絲繩及尾繩；4）使用手動大鉗卸松第23柱鉆桿上單根；5）調節二級張力器液缸，提帶被卡鉆具，逐步調節二級張力器液缸上提懸重至130klbs（被卡鉆具總重量）；6）鉆臺反轉卸松鉆具，卸開井口小平臺處第23柱鉆桿上單根以上鉆具，拆、卸轉盤面上第24柱鉆桿立柱并立回井架，拆、甩第23柱鉆桿上單根；7）制定沖洗解卡方案：組合沖洗鉆具，下鉆（下鉆期間控制遇阻量5klbs以內，遇阻后提活鉆具，開泵下鉆），沖洗被卡鉆具來解卡；8）下沖洗鉆具（鉆具組合：6″牙輪鉆頭（無噴嘴）+變扣接頭+5-1/2″鉆桿）至757m，遇阻5klbs，前期每下鉆3柱，上下活動沖洗鉆具；9）接頂驅開泵下鉆自757m至962m（被卡鉆具鉆頭以下6m），開泵參數：FLW 3800～4780L/min，每下鉆1柱，向上活動沖洗鉆具并在井底墊10m3胍膠液或稠般土漿；10）泵入70m3胍膠液，循環清潔井眼環空；11）調整二級張力器液缸下行0.90m，觀察被卡鉆具下移。調整二級張力器液缸上行0.45m，觀察被卡鉆具上移，二級張力器液缸張力由85klbs上升至130klbs（被卡鉆具總重量130klbs），繼續調整張力器液缸上行，觀察被卡鉆具上移，二級張力器液缸張力保持130klbs，判斷解卡；12）泵入140m3稠般土漿，填充井眼環空；13）起沖洗鉆具至轉盤面；14）接頂驅回接被卡鉆具，上提鉆具至懸重130klbs，鉆具明顯上行，提活鉆具，起出被卡鉆具。

2.2 其他問題

某1井16″井段鉆完一柱倒劃眼過程中發生憋壓，泥漿泵安全閥打開，復位泥漿泵安全閥后開泵憋壓，無法建立循環，發生沉砂卡鉆，解卡后發現出井馬達的定子下部殼體發生松扣，松扣長度達27mm。分析原因是鉆遇夾層時扭矩波動大，蹩扭矩造成馬達震動、定子下部殼體松扣，致使轉子可下行距離遠超最大允許量8mm，倒劃眼過程中轉子下行導致馬達內部憋壓，無法開泵，因此發生沉砂卡鉆。由于鉆具原因造成無法開泵循環，會給井下鉆具安全帶來重大風險，也會大大提高處理卡鉆等井下復雜情況的難度，降低處理事故的成功率，提高馬達等復雜鉆具的穩定性和對復雜工況的適應性，有利于保障鉆具安全。

3 結束語

針對南海東部表層鉆井，可以選擇優化井身結構、改良鉆井液體系、提高環空返速的方式來預防卡鉆，保障鉆具安全；當前使用馬達鉆進的情況越來越多，地層夾層蹩扭矩容易導致馬達脫扣，需要關注鉆進操作中蹩扭矩的情況，蹩扭矩時需及時減小鉆壓和活動鉆具。建議在車間裝配馬達時，馬達絲扣上扣前涂抹絲扣膠，提高卸扣扭矩，避免馬達在使用過程中發生脫扣；16″及以上大井眼發生卡鉆，使用小尺寸沖洗鉆具解卡是有效的，建議選擇6″以下尺寸（含6″）的牙輪鉆頭（無噴嘴）或者沖洗頭+5-1/2″以下尺寸（含5-1/2″）的鉆桿。