5种定向井卡钻及预防措施

尹邦勇,刘 刚 ,陈 红

(四川盐业地质钻井大队,四川自贡643000)

5种定向井卡钻及预防措施

尹邦勇,刘 刚 ,陈 红

(四川盐业地质钻井大队,四川自贡643000)

总结了目前定向井钻井中容易发生卡钻的5种典型类型,分别是键槽卡钻、压差卡钻、沉屑卡钻、坍塌卡钻、落物卡钻。并对卡钻原因进行了分析,提出了相应的预防方法和处理措施,为定向井施工提供借鉴。

定向井;卡钻;预防;处理

Abstract:Pipe-sticking accident occurred frequently in direction well construct.This paper summarizes five typical pipe-sticking in drilling operations today,they are key seating sticking,differential pressure sticking,sand settling sticking,collapse sticking,lost item sticking.The reasons of the five types of pipe-sticking were analysis to give reference of the corresponding methods of prevention and treatment measures,which will help doing better in drilling operations.

Key words:direction well;pipe-sticking;methods of prevention;treatment measure

自20世纪80年代以来,定向钻井作为一种新的钻进技术得到了迅速发展[1-2]。但是,在实际定向井施工中,由于井下情况的复杂性以及定向井技术还欠完善,卡钻事故经常发生。处理卡钻事故需要很长时间,钻井周期将被延误,严重时可能使该井报废。

本文总结了目前定向井施工中发生卡钻的5种典型类型,分别是键槽卡钻、压差卡钻、沉屑卡钻、坍塌卡钻、落物卡钻;并对每一种卡钻原因进行了分析,提出了相应的预防方法和处理措施。

1 键槽卡钻

在定向钻进中,钻具会对接触到的井壁产生剧烈摩擦。特别是在井斜曲率和井斜较大的井段,这种磨蚀作用就更加突出。钻具在这段井眼承受一个垂直于钻杆中心线的弯曲应力,使起下钻受阻,同时钻具转动力矩也增大。经多次起下钻,井眼就会拉出键槽,钻具嵌入键槽就会导致卡钻[3]。定向井造斜曲率越大,钻具与井壁摩擦越剧烈,键槽越容易形成。

1.1 特征

a) 通常发生在井身质量差,全角变化率大的井段。

b) 只发生在起钻过程,且卡点固定。

c) 钻杆接头偏磨严重。

d) 开泵循环正常。

e) 启动转盘困难,但只要下放钻柱脱离键槽则转动自如。

1.2 预防措施

a) 定向井钻进时,尽量简化井身轨迹,多增斜,少减斜,保持井眼轨迹平滑。

b) 用套管封易产生键槽井段。

c) 起钻遇阻,绝不能强提,应反复上下活动,转动方向;活动无效,应倒划眼。

d) 接随钻震击器。

1.3 处理措施

a) 大力下压,或在全压的情况下,用泵压产生脉动,使钻具产生抖动以解卡。

b) 用下击器下击或采用套铣解卡。

c) 如果键槽处地层为石灰岩、白云岩地层,可用抑制性盐酸解卡。

2 压差卡钻

压差卡钻也称为粘附卡钻。在定向钻井中,钻具由于受到压力差的作用,会贴靠井壁一侧并粘附于井壁上,使钻具运动困难而发生压差卡钻[4]。

2.1 发生条件

如果井身增斜率不大(3°/100 m左右),方位角的变化率也不大,则井筒将近似于直井筒。在这样的井段,钻具因重力的作用,将躺在井眼的下半部,钻具与井壁在很长的井段上保持很大的接触面积。在渗透性地层,此时弯曲段钻具主要受到3种作用力,即重力在垂直于钻具方向分力P1,泥浆液柱压力P2和地层压力P3,受力情况如图1。

当重力分力P1与泥浆液柱压力P2之和大于地层压力P3时,就有一个在单位面积上的压差ΔP,即

图1 弯曲段钻具受力分析

在这个压差作用下,钻具紧紧压向井壁,如图2。

当钻具上下运动或旋转时,在压差作用下,就会有一个和运动方向相反的摩擦阻力F。钻具上提时,若摩阻力F和钻具重力之和大于钻机提升力Q,则钻具上提遇卡;钻具下放时,若F大于钻具自重力G,则钻具下放受阻;若转盘转动时,转盘扭矩M小于钻具与井壁摩阻力F,则钻具不能转动,此时钻具完全卡死。

图2 卡钻时钻具与泥饼接触面示意

2.2 特点

a) 钻具在井内一旦静止,即有可能发生卡钻。

b) 钻具既不能转动也不能上提下放,活动范围较小或根本不能活动。

c) 虽然发生卡钻,但泥浆循环通畅,泵压也不升高。

2.3 影响压差卡钻的因素

钻具与井壁的摩擦力F可用下式计算,即

式中,μ为泥饼摩擦因数;P为井壁对钻具的支撑力;ΔP为单位面积上重力分力P1与泥浆液柱压力P2之和与地层压力P3之差;A为钻具与井壁间的接触面积。

将式(1)、(3)代入式(2)得

又知:

将式(5)、(6)代入(4)式得

式中,G为钻具重力;α为井身弯曲段井斜角;γ为泥浆密度;H为井身垂向深度。

分析式(7)可得,影响压差卡钻的因素有4个。

a) 钻具与井壁接触面积A越大,则钻具与井壁的摩擦力越大,对钻具的挤压力越大,钻具越易发生卡钻。对于定向井,接触面积的大小与井身形状,井径大小,钻具外径和泥饼厚度有关。泥饼越厚,则钻具嵌入越深,接触面积越大。特别是在修设备、接单根等长时间不活动钻具的过程中,由于钻具与井壁的接触面积增大,此时发生卡钻的可能性也增大[5-6]。

b) 泥浆密度越高,泥浆液柱压力越高,压差越大,则卡钻越易发生。在使用高密度泥浆的深井或超深井,压差作用明显,应通过优化加重泥浆的密度来降低压差。

c) 泥饼摩擦因数越大,则钻具与井壁间的挤压力越大,钻具发生卡钻的可能性越大。故应保证泥浆的清洁净化,泥饼应薄而致密,另外应提高泥浆和泥饼的润滑性能。

d) 井身的垂向深度越大,井身弯曲段井斜角越大,则越容易发生卡钻。

3 沉屑卡钻

在定向井钻进中一旦钻具静止,孔内大量的岩屑就会沉积于孔底,将钻具嵌埋住而卡钻。通常,钻进速度越快,单位时间内产生的钻屑也越多;若动力钻具排量受限,泥浆粘度较小,悬浮钻屑效果较差,则会导致钻屑返排困难;此时若钻具发生静止,例如进行测斜作业或接单根等,静止时间一长,大量钻屑由于缺乏机械扰动作用而逐渐沉积形成岩屑床,下部钻具即被埋住而发生卡钻[7]。如图3所示。

另外,在造斜点处,由于钻具与造斜段孔壁之间持续而剧烈的摩擦,则会导致该点处井径的扩大。在井斜角超过60°时,该造斜点属携岩能力薄弱区,易形成岩屑床。若泥浆上返流速不大,此时钻屑易在该缓冲区淤积而逐渐“架桥”卡住钻具。如图4所示。

图3 沉屑卡钻

图4 架桥卡钻

对沉屑卡钻和钻屑架桥卡钻,通常的预防方法是使用固相控制工艺来净化泥浆,以减少泥浆中的固相成份;另外钻进中应选择合适的排量,避免岩屑床的形成。常用的解卡方法是:将解卡液注入井内浸泡一段时间,再起拔钻具进行解卡。常用的解卡剂有柴油、快 T等。

4 坍塌卡钻

定向井井壁失稳发生坍塌掉块,块状物或颗粒物会在造斜点或井底堆积,在造斜点会发生类似于架桥方式卡钻,在井底则会发生类似于沉屑方式卡钻[8]。如图5。

井壁失稳坍塌有多方面原因。

a) 地质方面的原因。地应力聚集一旦超过岩石本身的破裂强度,井身岩石则会发生破裂掉块;井壁地层是有孔隙的,里面存在着高压的油气水等,若泥浆液柱压力小于地层孔隙压力,孔隙压力则要释放,随之发生井壁坍塌。

b) 井身岩体物理化学方面的原因。蒙脱石含量高的泥页岩易发生吸水膨胀,绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解剥落。井眼形成后,地应力重新分配,泥页岩吸水后强度下降较快。

c) 钻井工艺方面的原因[9]。泥浆液柱压力小于地层压力易导致孔壁坍塌;起下钻过快所导致的压力激动也是地层坍塌的一个重要原因;另外,泥浆循环排量大,返速高呈紊流态,极易冲蚀井壁形成坍塌。

图5 坍塌卡钻

预防方法是选取恰当的泥浆,密度合适,足以平衡地层压力;高粘高切低滤失量,便于保护井壁,携带岩屑。另外起下钻合适,避免压力激动;泥浆循环排量不可过大。若发生坍塌,可加大泥浆排量和返速,将坍塌块带出。

5 落物卡钻

地面物体从井口落入井内,在钻杆与井壁之间的环隙上卡住,则会形成落物卡钻。在造斜段下部,钻具受控而偏向于井壁一侧,在另一侧则形成较大的环空间隙,且越接近于钻头,环空间隙越小。落物下降直至进入环空尺寸与落物本身尺寸大小处即发生卡钻。如图6。

图6 落物卡钻

为避免落物进入井中,钻探施工中孔口处应有相应的防护设施。一旦落物进入井内,可用边震动边强力起拔的方法提钻,另外还有相应的打捞装置对落物进行打捞。

6 结论

1) 总结了定向井卡钻的5种类型,并提出了相应的预防措施和处理方法。但是,大部分卡钻事故不是单一类型,而是多种类型的复合。因此,在现场处理中应该综合各种处理方法。

2) 预防卡钻的首要工作是必须维持钻井液循环畅通;保持钻柱完整;不能把钻具连接螺纹扭得过紧。另外,在现场施工中,应清楚各工艺流程及参数,以预防为主,遵循安全、快速、灵活、经济原则[10]。

3) 事故发生后处理措施要得当。分解施工段点要清晰;要把握各种时机,包括施工时机,敲震时机等。

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Study of Direction Well Pipe-sticking Problems

YIN Bang-yong,LIU Gang,CHEN Hong
(Sichuan Salt Industy Geology Drilling Group,Zigong643000,China)

TE92

B

1001-3482(2010)11-0068-04

2010-05-05

尹邦勇(1984-),男,四川成都人,主要从事钻井技术应用工作,E-mail:tkqs10000@163.com。