定向井卡鉆類型分析與解決對(duì)策

劉功波

摘 要：定向井施工中由于井下情況的復(fù)雜性以及定向井技術(shù)還欠完善， 卡鉆事故經(jīng)常發(fā)生。 處理卡鉆事故需要很長(zhǎng)時(shí)間， 鉆井周期將被延誤， 嚴(yán)重時(shí)可能使該井報(bào)廢。預(yù)防卡鉆首要工作是必須維持鉆井液循環(huán)暢通；保持鉆柱完整；不能把鉆具連接螺紋扭得過(guò)緊。另外， 在現(xiàn)場(chǎng)施工中， 應(yīng)清楚各工藝流程及參數(shù)， 以預(yù)防為主， 遵循安全、 快速、靈活、經(jīng)濟(jì)原則。3） 事故發(fā)生后處理措施要得當(dāng)。分解施工段點(diǎn)要清晰；要把握各種時(shí)機(jī)， 包括施工時(shí)機(jī)， 敲震時(shí)機(jī)等。

關(guān)鍵詞：定向井施工； 卡鉆；典型類型； 預(yù)防方法；處理措施

定向鉆井作為一種新的鉆進(jìn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文總結(jié)了定向井鉆井中容易發(fā)生卡鉆典型類型， 分別是鍵槽卡鉆、壓差卡鉆、沉屑卡鉆、坍塌卡鉆、落物卡鉆。并對(duì)卡鉆原因進(jìn)行了分析， 提出了相應(yīng)預(yù)防方法和處理措施， 為定向井施工提供借鑒。

1 鍵槽卡鉆

在定向鉆進(jìn)中， 鉆具會(huì)對(duì)接觸到的井壁產(chǎn)生劇烈摩擦。 特別是在井斜曲率和井斜較大的井段，這種磨蝕作用就更加突出。 鉆具在這段井眼承受一個(gè)垂直于鉆桿中心線的彎曲應(yīng)力， 使起下鉆受阻， 同時(shí)鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也增大。經(jīng)多次起下鉆， 井眼就會(huì)拉出鍵槽， 鉆具嵌入鍵槽就會(huì)導(dǎo)致卡鉆。 定向井造斜曲率越大， 鉆具與井壁摩擦越劇烈， 鍵槽越容易形成。

1.1 特征： a） 通常發(fā)生在井身質(zhì)量差， 全角變化率大的井段。b） 只發(fā)生在起鉆過(guò)程， 且卡點(diǎn)固定。c） 鉆桿接頭偏磨嚴(yán)重。d） 開(kāi)泵循環(huán)正常。e） 啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤困難， 但只要下放鉆柱脫離鍵槽則轉(zhuǎn)動(dòng)自如。

1.2 預(yù)防措施 a） 定向井鉆進(jìn)時(shí)， 盡量簡(jiǎn)化井身軌跡， 多增斜， 少減斜， 保持井眼軌跡平滑。 b） 用套管封易產(chǎn)生鍵槽井段。c） 起鉆遇阻， 絕不能強(qiáng)提， 應(yīng)反復(fù)上下活動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向；活動(dòng)無(wú)效， 應(yīng)倒劃眼。d） 接隨鉆震擊器。

1.3 處理措施：a） 大力下壓， 或在全壓的情況下， 用泵壓產(chǎn)生脈動(dòng)， 使鉆具產(chǎn)生抖動(dòng)以解卡。 b） 用下?lián)羝飨聯(lián)艋虿捎锰足娊饪?。c） 如果鍵槽處地層為石灰?guī)r、白云巖地層， 可用抑制性鹽酸解卡。

2 壓差卡鉆

壓差卡鉆也稱為粘附卡鉆。 在定向鉆井中， 鉆具由于受到壓力差的作用， 會(huì)貼靠井壁一側(cè)并粘附于井壁上， 使鉆具運(yùn)動(dòng)困難而發(fā)生壓差卡鉆。

2.1 發(fā)生條件

如果井身增斜率不大（ 3。/ 100 m 左右） ， 方位角的變化率也不大， 則井筒將近似于直井筒。在滲透性地層， 此時(shí)彎曲段鉆具主要受到 3 種作用力， 即重力在垂直于鉆具方向分力 P1， 泥漿液柱壓力 P2 和地層壓力 P3。當(dāng)重力分力 P 1 與泥漿液柱壓力 P2 之和大于地層壓力 P3 時(shí)， 就有一個(gè)在單位面積上的壓差

在這個(gè)壓差作用下， 鉆具緊緊壓向井壁，當(dāng)鉆具上下運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)， 在壓差作用下， 就會(huì)有一個(gè)和運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦阻力 F。 鉆具上提時(shí)， 若摩阻力 F 和鉆具重力之和大于鉆機(jī)提升力Q， 則鉆具上提遇卡；鉆具下放時(shí)， 若 F 大于鉆具自重力G ， 則鉆具下放受阻；若轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 轉(zhuǎn)盤扭矩M 小于鉆具與井壁摩阻力 F ， 則鉆具不能轉(zhuǎn)動(dòng)， 此時(shí)鉆具完全卡死。

2.2 特點(diǎn)：a） 鉆具在井內(nèi)一旦靜止， 即有可能發(fā)生卡鉆。 b） 鉆具既不能轉(zhuǎn)動(dòng)也不能上提下放， 活動(dòng)范圍較小或根本不能活動(dòng)。 c） 雖然發(fā)生卡鉆， 但泥漿循環(huán)通暢， 泵壓也不升高。

2.3 影響壓差卡鉆的因素

a） 鉆具與井壁接觸面積 A 越大， 則鉆具與井壁的摩擦力越大， 對(duì)鉆具的擠壓力越大， 鉆具越易發(fā)生卡鉆。 對(duì)于定向井， 接觸面積的大小與井身形狀，井徑大小， 鉆具外徑和泥餅厚度有關(guān)。泥餅越厚， 則鉆具嵌入越深， 接觸面積越大。特別是在修設(shè)備、接單根等長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)鉆具的過(guò)程中， 由于鉆具與井壁的接觸面積增大， 此時(shí)發(fā)生卡鉆的可能性也增大。b） 泥漿密度越高， 泥漿液柱壓力越高， 壓差越大， 則卡鉆越易發(fā)生。 在使用高密度泥漿的深井或超深井， 壓差作用明顯， 應(yīng)通過(guò)優(yōu)化加重泥漿的密度來(lái)降低壓差。c） 泥餅?zāi)Σ烈驍?shù)越大， 則鉆具與井壁間的擠壓力越大， 鉆具發(fā)生卡鉆的可能性越大。故應(yīng)保證泥漿的清潔凈化， 泥餅應(yīng)薄而致密， 另外應(yīng)提高泥漿和泥餅的潤(rùn)滑性能。d） 井身的垂向深度越大， 井身彎曲段井斜角越大， 則越容易發(fā)生卡鉆。

3 沉屑卡鉆

在定向井鉆進(jìn)中一旦鉆具靜止， 孔內(nèi)大量的巖屑就會(huì)沉積于孔底， 將鉆具嵌埋住而卡鉆。通常， 鉆進(jìn)速度越快， 單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的鉆屑也越多； 若動(dòng)力鉆具排量受限， 泥漿粘度較小， 懸浮鉆屑效果較差，則會(huì)導(dǎo)致鉆屑返排困難； 此時(shí)若鉆具發(fā)生靜止， 例如進(jìn)行測(cè)斜作業(yè)或接單根等， 靜止時(shí)間一長(zhǎng)， 大量鉆屑由于缺乏機(jī)械擾動(dòng)作用而逐漸沉積形成巖屑床， 下部鉆具即被埋住而發(fā)生卡鉆。預(yù)防方法是使用固相控制工藝來(lái)凈化泥漿， 以減少泥漿中的固相成份；另外鉆進(jìn)中應(yīng)選擇合適的排量， 避免巖屑床的形成。常用的解卡方法是： 將解卡液注入井內(nèi)浸泡一段時(shí)間， 再起拔鉆具進(jìn)行解卡。常用的解卡劑有柴油、快 T 等。

4 坍塌卡鉆

定向井井壁失穩(wěn)發(fā)生坍塌掉塊， 塊狀物或顆粒物會(huì)在造斜點(diǎn)或井底堆積， 在造斜點(diǎn)會(huì)發(fā)生類似于架橋方式卡鉆， 在井底則會(huì)發(fā)生類似于沉屑方式卡鉆。 井壁失穩(wěn)坍塌原因。 a） 地質(zhì)方面的原因。地應(yīng)力聚集一旦超過(guò)巖石本身的破裂強(qiáng)度， 井身巖石則會(huì)發(fā)生破裂掉塊； 井壁地層是有孔隙的， 里面存在著高壓的油氣水等， 若泥漿液柱壓力小于地層孔隙壓力， 孔隙壓力則要釋放， 隨之發(fā)生井壁坍塌。 b） 井身巖體物理化學(xué)方面的原因。 蒙脫石含量高的泥頁(yè)巖易發(fā)生吸水膨脹， 綠泥石含量高的泥頁(yè)巖易吸水裂解剝落。 井眼形成后， 地應(yīng)力重新分配， 泥頁(yè)巖吸水后強(qiáng)度下降較快。c） 鉆井工藝方面的原因。泥漿液柱壓力小于地層壓力易導(dǎo)致孔壁坍塌； 起下鉆過(guò)快所導(dǎo)致的壓力激動(dòng)也是地層坍塌的一個(gè)重要原因。預(yù)防方法是選取恰當(dāng)?shù)哪酀{， 密度合適， 足以平衡地層壓力； 高粘高切低濾失量， 便于保護(hù)井壁， 攜帶巖屑。 另外起下鉆合適， 避免壓力激動(dòng)；泥漿循環(huán)排量不可過(guò)大。 若發(fā)生坍塌， 可加大泥漿排量和返速， 將坍塌塊帶出。

5 落物卡鉆

地面物體從井口落入井內(nèi)， 在鉆桿與井壁之間的環(huán)隙上卡住， 則會(huì)形成落物卡鉆。 在造斜段下部，鉆具受控而偏向于井壁一側(cè)， 在另一側(cè)則形成較大的環(huán)空間隙， 且越接近于鉆頭， 環(huán)空間隙越小。 落物下降直至進(jìn)入環(huán)空尺寸與落物本身尺寸大小處即發(fā)生卡鉆。 為避免落物進(jìn)入井中， 鉆探施工中孔口處應(yīng)有相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施。 一旦落物進(jìn)入井內(nèi)， 可用邊震動(dòng)邊強(qiáng)力起拔的方法提鉆， 另外還有相應(yīng)的打撈裝置對(duì)落物進(jìn)行打撈。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳翔， 楊凱華， 蔣國(guó)盛. 定向鉆進(jìn)原理與應(yīng)用[M]. 武漢： 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社， 2015.