水平井卡钻事故处置技术方法及预防措施探究.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.057水平井卡钻事故处置技术方法及预防措施探究（河南省资源环境调查二院，河南 洛阳 471000）摘要 沁水盆地马必区块大多存在褶曲、断层、陷落柱。因构造应力作用造成局部地层破碎，施工中存在井漏、垮塌风险。特别是在 15 号煤层气藏开发的过程中，多次出现水平井卡钻事故，给钻井施工单位带来巨大的经济损失。结合具体案例，总结出水平井卡钻事故的处理技术方法以及预防措施，为该区块水平井施工提供借鉴。关键词 水平井；钻井施工；卡钻事故；处理方法；预防措施中图分类号TE28.3文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0179蛳 051研究背景沁水盆地位于山西隆起南部，盆地似椭圆形，长轴沿北东方向延伸，南北长 300 km，东西宽150 km，面积 4.2104km2，煤层气资源相当丰富咱1暂。山西组 3 号煤层厚 5.76.4 m，含气量 22.027.2 m3/t，吸附饱和度 87%98%，原始储集层压力 5.24 MPa，煤层原始渗透率 0.5110-15m2；产气能力 2 8003 519 m3/d，日产水 2.83.63 m3。太原组 15 号煤层厚 2.05.2 m，含气量 19.025.2 m3/t，吸附饱和度71%76%，原始储集层压力 6.09 MPa，煤层原始渗透 0.06710-15m2；产气能力 5591 967 m3/d，日产水 1.4658 m3。15 号煤层气藏中含微量硫化氢，解析出的气体具明显硫化氢味咱2暂。15 号煤层气藏与 3号煤层气藏相比，临界解析压力低，排采时需要将地层压力降至很低才能产气，需要的抽排时间长，产气能力低。从煤层气储量角度看，15 号煤层气藏探明煤层气储量仅占探明储量的 18%咱3暂，所占比例较小。因此，各开发公司前期主要开发层系为 3 号煤层气藏。但是，随着 3 号煤层气藏的开发，钻井区域越来越少，个别公司逐步转向 15 号煤层气藏开发咱4暂。在对 15 号煤层气藏开发时，水平井钻井过程中，煤层存在坍塌、掉块等复杂问题咱缘暂。特别是在地质构造带附近施工的水平井，多次出现卡钻、埋钻等事故。尤其在井组间距较近的情况下，压裂施工出现串井现象，影响了钻井工程施工进度及成井质量，给施工单位带来了巨大的经济损失咱远暂。2工程概况马必区块在沁水盆地南部，地处山西省东南部，行政区划隶属于晋城市的沁水县、阳城县和临汾市的安泽县、翼城县和浮山县。MB02-A4-54L 井组位于沁水县龙港镇柿庄村附近，该井组共布置 8口水平井，井号分别为 MB02-A4-54L-01、MB02-A4-54L-02、MB02-A4-54L-03、MB02-A4-54L-04、MB02-A4-54L-05、MB02-A4-54L-06、MB02-A4-54L-07、MB02-A4-54L-08。采用单排部署井，井间距为 4 m，是为开发 3 号与 15 号煤层而布置的开发井。本文以 MB02-A4-54L-05 为例，介绍该井发生卡钻事故的经过及处置方法，分析产生卡钻事故的原因，总结预防措施。3卡钻事故发生及处置过程3.1基本概况MB02-A4-54L-05 设计井深 2600.00m，目的煤层为太原组 3 号煤，于 2022-05-24T21:00:00 施工一开，2022-05-25T11:00:00 施工二开。于 2022-05-30 二开钻进至 1 450.00 m 着陆，井斜 85.78毅，方位 355.21毅，垂深 1 293.69 m。MB02-A4-54L-05 井结构如图 1 所示。图 1MB02-A4-54L-05 井结构3.2事故发生经过3.2.1水平段施工2022-05-31，水平段施工自 1 553.00 m 至分级箍封隔器免钻可捞式芯塞一开井眼：311.15 mm表层套管：244.50 mm二开井眼：215.9 mm生产套管：139.7 mm二开井眼：215.9 mm生产套管：139.7 mm能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41792023 年 8 月Aug.,2023曹东风，等水平井卡钻事故处置技术方法及预防措施探究1 579.00 m 顶板出煤，施工过程中返出掉块，最大直径 10 cm。2022-06-01，水平段施工至 1 969.00 m，定向仪器无信号，解码困难，决定起钻检查。起钻过程在 1 312.00 m、1 245.00 m 和 1 215.00 m 遇卡，接顶驱倒划眼通过。下钻时在 1 570.00 m 泥岩位置遇阻，上下活动钻具时发生卡钻情况，泵压升至 20 MPa，扭矩憋停，通过上提下砸解卡，振动筛返出大量煤屑及掉块，反复划眼至返砂正常后继续下钻至井底。针对地层极不稳定上部出现垮塌的情况，现场对泥浆性能及时进行了调整，并加强量测，钻井过程中时刻关注钻井参数变化，出现异常情况及时做出响应。3.2.2卡钻事故发生2022-06-04T13：40：00 钻进至 2 512.00 m 时，复合钻进时扭矩增大，顶驱不断憋停（正常扭矩11 kN m，憋停扭矩 14.0 kN m）。此时，停止钻进，待扭矩、泵压、返砂等正常时继续钻进。14：00 继续控时钻进至 2 515.00 m 时，观察振动筛返出掉块，立即停止钻进。随后进行划眼循环作业（上提最大至 90 t，钻具悬重 56 t）。划眼循环约 20 min，钻具下放至 2 498.50 m 时遇阻卡，泵压瞬间由 16 MPa 升至 24 MPa，顶驱憋停（扭矩 18 kN m）。判断井下发生了垮塌，卡钻事故发生，振动筛返出大量煤屑及掉块。提拉钻具施加拉力 100900 kN，钻具伸长1.40 m，顶驱能旋转 3 圈。经卡点位置计算，结合在1 553.001 579.00 m 顶板出煤发生过卡钻情况，判断此次卡点位置在 1 500 m 左右。卡钻时工程技术参数如图 2 所示。图 2卡钻时工程技术参数3.3卡钻事故处理3.3.1上提下砸钻具试图解卡技术措施：上提钻具（施加拉力 100900 kN）；尝试旋转顶驱；保证泥浆泵运转，建立泥浆循环系统；泥浆中添加润滑、解卡等材料。卡钻发生后，钻头位置在 2 498.50 m，泥浆能够循环，泵压波动在 2024 MPa，顶驱不能旋转，反复上提下砸，活动间距 1.50 m。2022-06-05T00:00:00，经过上提下砸，顶驱突然可以转动，但不断憋停（20 kN m）。随着钻具活动空间的逐渐增大，振动筛持续返出大量煤屑及大掉块。07:00，经过反复活动钻具（1090 t），钻头位置上提至 2 485.00 m。此后，继续采用缓慢上提，保证顶驱旋转，保证建立循环，持续活动钻具至 20:00。期间振动筛持续返出大量煤屑及大掉块，扭矩不断憋停，泵压波动较大（1420 MPa），全烃值居高不降，井下煤层极不稳定，不大钩高度050 m大钩负荷0800 kN钻压0250 kN顶驱转速 0100/（r/min）顶驱扭矩 030/（kN m）泵冲 10120/（st/min）泵冲 20120/（st/min）立压040 MPa总池积0100 m3全烃0100%瞬时钻时 010/（min/m）出口流量0100%时间池深/m2 511.002 512.002 513.002 514.00g/cm3m3min/mmin/mminmL/s%MPakNst/minst/minkN mr/minkNkNmmm2 515.072 510.9322.41170.790.007.7612.80920525.4520.9297.470 326.8629.702 514.2668.181.1750.335.649.681802023 年 8 月Aug.,2023断发生垮塌。待返砂减少泵压正常后，逐步将钻具提至 2 461.00 m。此时，井口以上有一立柱钻具，观察泵压、返砂、扭矩均正常后，甩下一立柱钻具。随后接顶驱，泵压、扭矩及返砂情况均正常。20:20，泵压、扭矩及返砂情况均正常，继续上下活动钻具。上提至 3.00 m 时，泵压突然增大至 26 MPa，扭矩20kN m 憋停，井口失返，活动距离 2.20 m（1090t），立即拆凡尔，使用单凡尔顶通无果，判断井下再次发生垮塌，造成卡钻。采用单凡尔憋压（510 MPa），憋扭矩（20 kN m），不断上提下砸（1001 000 kN），无效果。此时钻头位置 2 458.00 m。3.3.2打捞定向仪器上提下砸钻具无效果后，现场技术人员就此情况进行了沟通，鉴于钻具卡死，且无法建立循环，决定先打捞定向仪器。2022-06-06，组织打捞所需物料进场。2022-06-07T12:00:00，下入 准22 mm 油杆及 准50 mm 小钻杆至 1 660.00 m 时遇阻，经多次尝试无法继续下放。研究分析认为，一是水平段过长，摩阻较大，无法顺利下至预定位置；二是打捞钻具组合不够优越。决定起甩打捞管串，调整打捞串组合，继续打捞定向仪器。起至井口后发现打捞矛落井，落鱼矛头 0.25 m。现场技术人员决定调整打捞串组合，打捞落鱼矛头。2022-06-08T07:30:00，下入准25 mm 油杆及 准36 mm 油杆至 2 082.00 m 遇阻，经过多次尝试无法继续下放。现场判断遇阻原因是摩阻及轨迹爬坡影响所致，决定起甩打捞管串，放弃打捞仪器。下步进行井下切割钻具作业。定向仪器打捞矛如图 3 所示。图 3定向仪器打捞矛3.3.3井下切割钻具技术2022-06-08T17:00:00，现场专业技术人员根据钻杆材质、内径、井深、井身轨迹等参数设计并制作井下切割钻具工具。井下切割工具设计如图 4 所示。图 4井下切割工具设计（1）设计思路。考虑到挽救井下钻具。由于水平段太长、摩阻力太大，尽可能将切割工具送至水平段较深的位置进行第 1 次切割钻具咱苑暂。考虑到计算卡点位置在 1 2901 450 m。第 1 次切割后，钻具仍不能解卡，将切割工具送到 1 350 m 位置，进行第 2 次切割作业，切割解卡后进行下步施工。考虑到计算误差，实际卡点位置靠上，第 2 次切割后，钻具仍不能解卡。将切割工具送到 1 200 m 位置，进行第 3 次切割作业，切割解卡后进行下步施工。（2）材料及辅助工具。切割工具使用直径55 mm、壁厚 5 mm 钢管制造，长 93 mm。辅助工具包括普通及加重油杆 2 400 m、吊卡 2 支；U 型环和绳套；电缆线 2 000 m；扎丝足量；绝缘胶布等。（3）作业过程。准备工作。连接下井仪器：电缆头+切割工具+引鞋；用检测仪器检测切割工具、电缆线；用绝缘胶布缠绕切割工具，并每隔 30 cm做一防摩环；将使用工具放置在钻井平台；检查各受力部件与部位，检查下井工具是否安全。下井作业。按操作规程将工具下入井内；下入过程中检查油杆是否有损坏；不准转动油杆、不准损坏电缆线；切割工具进入水平段时应放慢速度；尽可能将切割工具下至最深位置。切割作业。由专业技术人员作业指挥，所有人员按指挥信号进行作业；切割结束后，建立泥浆循环，结合上提拉力，确定钻杆炸断状况。（4）切割结果。6 月 9 日 14:30 下入切割管串至 2 092.15 m 遇阻。经计算，将切割管串上提至 2 087.65 m（避开钻杆接箍位置）进行了切割钻具作业。6 月 10 日 03:00，起甩切割管串完毕，井下切割工具残留部分出井。更换吊卡后，开始上下活动钻具（4001 200 kN），将扭矩增至 21 kN m后，扭矩释放，钻具解卡。6 月 10 日 09:30 钻具起至井口。卡钻事故处理结束。4侧钻施工事故处理完成后，考虑到以下原因：一是井下情况较为复杂，煤层稳定性较差，持续掉块，且水平段煤层揭露及泥浆浸泡时间长，不稳定因素较多，水平段侧钻风险大。二是 M1 施工过程中，在 1 570.00 m遇阻严重，返出大量煤屑及掉块，处理卡钻期间不断返出大量煤屑及掉块，煤层不断发生垮塌，可使用的水平段较短。于是，现场技术人员沟通后决定填井侧钻。填井井段 1 400.001 550.00 m；M2 侧钻点为 1 450.00 m；下水泥塞管柱至 1 550.00 m；注入准55 mm5 mm7617能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41812023 年 8 月Aug.,2023水泥浆后，起钻至 1 400.00 m 循环出多余水泥浆。待候凝后，在侧钻点做承压实验 100 kN，继续下步施工。5井下复杂情况原因分析5.1该区域位置地层复杂，极容易坍塌MB02-A4-54 井组位于褶曲、断层位置，构造较复杂。因构造应力作用，造成局部地层破碎。该井组共计 8 口水平井，共发生卡钻异常情况 32 次。其中，29 次采取措施后解卡，3 次切断钻具；出煤造成侧钻 14 次，其中填井侧钻 4 次，划槽降斜 3 次。5.2煤层暴露时间长，造成井壁不稳MB02-A4-54L 井组共计 8 口水平井，前 5 口井平均设计井深 2 600.00 m 左右，水平段深度平均约 1 150.00 m，施工工期长，煤层暴露时间长，造成井壁不稳定，增大了施工难度与风险。后 3 口井，水平段长度设计减少，煤层暴露时间减少，发生掉块、坍塌等复杂情况也明显减少，降低了卡钻事故发生的概率。5.3泥浆性能不良，造成井壁不稳MB02-A4-54L 井组前几口井按设计泥浆密度为 1.051.12 g/cm3，现场根据实际情况增加至1.20 g/cm3仍不太乐观，后期将泥浆密度增加至1.25 g/cm3有所好转。另外，掉块、坍塌复杂情况发生时，泥浆 pH 值下降至 78；失水达 2040mL/30min、粘度 4045 s（需要添加正常量 2 倍的增粘剂）。泥浆参数失常，几乎很难控制。5.4井眼轨迹控制不好由于地层情况复杂，MB02-A4-54L 井组定导向施工困难，着陆姿态差，轨迹起伏大。钻进过程中出煤层顶底板较多，造成井眼不平滑，摩阻增大，井壁不稳定，特别是出煤后，泥浆粘度急剧下降，失水急剧增加，增加了卡钻事故发生的概率。6卡钻事故预防措施针对 MB02-A4-54L 井组出现的复杂情况，结合处理措施及以往经验，提出以下预防措施。（1）沁水盆地马必区块褶曲、断层、陷落柱较发育，构造较复杂。因构造应力作用，造成局部地层破碎，施工中存在井漏、垮塌风险。钻遇煤层前要做好充分的防漏、防塌准备工作，必要时可提前添加足量的防塌、润滑及降失水剂，防止后期增加其它地质风险。（2）加强泥浆管理。本区域地层施工建议钻遇煤层前适当提高钻井液密度，随时调整泥浆（根据实钻情况逐步提高泥浆密度至 1.25 g/cm3以上；提高泥浆粘度至 45 s；控制降低失水至 5 mL/30 min；及时加入原液消泡剂控制气泡），防止地层不稳定造成坍塌、掉块卡钻。（3）加强井眼轨迹控制。二开水平段钻遇不稳定易破碎煤层井段，井眼轨迹尽量在煤层中上部（或控制轨迹在煤层稳定段）钻进，以避免井眼垮塌卡钻。控制轨迹平滑，避免反复来回扭转方位增降井斜。煤层段钻进过程中要密切观察返出岩屑状态和钻井参数变化，如果振动筛有掉块返出，及时调整泥浆性能，携带出井下煤层掉块，若结合录井判定为碎裂煤段时，最好退回到稳定段侧钻。（4）保证井筒内净化。由于水平井斜度大、位移大，二开次井壁裸眼段长，钻屑受重力作用下沉，附着在井壁，使问题复杂化。因此，应保证泵量及泥浆的携砂能力，将钻屑携带至地面；在滑动钻进时，经常旋转钻具，搅动钻屑，钻具的旋转有助于泥浆产生紊流，能够净化井筒；科学使用泥浆固化设备，减少钻屑二次入井。（5）控制钻井速率。尽量减少钻井过程中泥浆静止的时间，接单根等其它停泵时间，钻屑下沉，附着在井壁，增加了风险。钻进速率较快的地层，应有意识地控制钻速，避免因产生钻屑过多堆积在井筒内，造成堵塞。（6）多拉井壁。水平段井眼不规则，泥浆流动不稳，不能很好地将钻屑携带至地面。水平段每钻进300 m 左右，应短起下钻具一次。这样有利于井壁的光滑及稳定，并能有效净化井筒内的钻屑，降低卡钻事故发生的概率。（7）在钻进过程中尤其是在煤层中钻进时，应精心操作，观察并记录好各参数，如有任何异常都及时发现、及时处理。（8）出现问题时不慌不乱，要沉着冷静，把各种存在的风险都考虑进去，采取正确的处理方式，做到不在解决问题中出现新问题。（9）加强各类钻具及井口工具管理，钻具和定向仪器等各类工具入井前要仔细检查并丈量，井口工具及时检修保养。7结论由于地层条件复杂，MB02-A4-54L 井组施工中出现很多井下复杂情况。现场技术人员采取了很多手段预防复杂情况出现，并能够在出现复杂情况能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41822023 年 8 月Aug.,2023（上接第 50 页）5 MPa 时，巷道围岩变形量变化幅度很小并趋于一致，逐渐稳定。综合考虑巷道围岩变形量及充填成本情况，确定充填体强度为 5 MPa。经过理论计算和数值模拟分析不同煤柱宽度、不同充填强度与巷道围岩变形量的关系，最终确定合理的充填体-保护矿柱共同体宽度为 8 m。其中包括充填强度为 5 MPa、宽度为 5 m 的上区段运输巷道充填体和下区段 3 m 的煤柱。4工程实践支护效果对比与 10207 工作面回风顺槽实测巷道变形量对比，具体结果如表 3 所示。通过对比发现，将原来直接留设煤柱的方式改为充填上区段运输巷道留小煤柱沿空掘巷，并在原来支护方式的基础上补打巷帮锚杆和基角锚杆，巷道围岩变形可得到明显控制。其中顶板下沉量减低了 17.82%；左帮移近量减少了 29.39%；右帮变形量降低了 64.73%；底鼓量减少了 65.64%。因此，采用充填体+煤柱共同体及补打帮锚杆和基角锚杆方案，可以有效解决下区段回采巷道围岩变形严重的问题。表 3巷道变形对比分析单位：mm5结论（1）充填上区段巷道留小煤柱沿空掘巷围岩控制的原理是，通过利用一定宽度及强度的充填体来换取一定宽度的煤柱，以提高煤炭采出率。力学分析时可将充填体看成一定强度的煤柱，在采空区和沿空掘巷之间形成一个充填体-保护矿柱共同体。（2）根据理论分析，结合数值模拟运算，得出沿空掘巷下区段回采巷道顶底板及两帮在不同宽度煤柱和不同充填强度下围岩变化规律及共同体塑性破坏特征，最终确定采用 5 MPa 充填强度和 8 m宽度的充填体-保护矿柱共同体对围岩协同控制最为合理。（3）通过 10207 工作面回风顺槽实测巷道变形量对比发现，充填体-保护矿柱沿空掘巷工艺及补打帮锚杆和基角锚杆的方案，可以使下区段回采巷道围岩变形得到一定的控制，在提高回收率的同时解决了沿空留巷围岩变形量大难以支护的难题。参考文献1司利军，王军.浅谈推广沿空掘巷的必要性和可行性 J.煤炭工程，2003（10）：49-51.2华心祝，刘淑，刘增辉，等.孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用 J.岩石力学与工程学报，2011（8）：1646-1651.3张农，李学华，高明仕.迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用 J.岩石力学与工程学报，2004（12）：2100-2105.4张东升，王红胜，马立强.预筑人造帮置换窄煤柱的二步骤沿空掘巷新技术 J.煤炭学报，2010（10）：1589-1593.5赵景礼.厚煤层全高开采新论 M.北京：煤炭工业出版社，2004.作者简介宋祖光（1987-），男，工程师，长期从事矿山安全评价、检测与项目监督检查质量管理等工作。收稿日期：2023-02-14后，及时有效地解决各种问题，积累了丰富的经验。总的来说，开钻前专业技术人员应该认真比对周围地层情况，制定好应对措施；钻井中应根据实际情况及时调整钻井、泥浆参数，注重每个细节；完井后及时做好总结，为下口井做好准备，从而降低水平井卡钻事故的发生概率。参考文献1郭敬民，孙恩慧，汪巍，等.深度挖掘水平井资料预测地层倾角新方法 J.西南石油大学学报（自然科学版），2022（1）：66-78.2刘彦勇.水平井施工常见隐患与对策探讨 J.西部探矿工程，2021（8）：119-120.3罗改芬，高荣华，马赞，等.水平井故障诊断技术研究与应用 J.辽宁化工，2021（9）：1425-1426.4唐梓朔.水平井地质导向出层问题判断方法研究 J.内蒙古石油化工，2021（9）：116-120.5董明达.水平井超长水平段钻具解卡技术及应用试验 J.江汉石油职工大学学报，2021（3）：70-72.6郭辉.阜康白杨河矿区煤层气定向井卡钻事故分析和处理 J.煤矿机械，2019（12）：157-160.7郑清武.水平井卡钻事故燃爆切割处理方法分析 J.石油和化工设备，2019（8）：108-110.作者简介曹东风（1970-），男，高级工程师，大学本科，长期从事钻探工作。收稿日期：2022-12-05围岩控制方案顶板下沉量底鼓量左帮移近量右帮移近量留宽煤柱+顶板锚杆+帮锚杆134.2383.3201.8203.0充填体-保护矿柱共同体+顶板锚杆+帮锚杆+基角锚杆（30毅）110.28131.7142.571.6能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4183