5種定向井卡鉆及預(yù)防措施

尹邦勇,劉 剛 ,陳 紅

(四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊,四川自貢643000)

5種定向井卡鉆及預(yù)防措施

尹邦勇,劉 剛 ,陳 紅

(四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊,四川自貢643000)

總結(jié)了目前定向井鉆井中容易發(fā)生卡鉆的5種典型類型,分別是鍵槽卡鉆、壓差卡鉆、沉屑卡鉆、坍塌卡鉆、落物卡鉆。并對卡鉆原因進行了分析,提出了相應(yīng)的預(yù)防方法和處理措施,為定向井施工提供借鑒。

定向井;卡鉆;預(yù)防;處理

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世紀(jì)80年代以來,定向鉆井作為一種新的鉆進技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1-2]。但是,在實際定向井施工中,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時間,鉆井周期將被延誤,嚴(yán)重時可能使該井報廢。

本文總結(jié)了目前定向井施工中發(fā)生卡鉆的5種典型類型,分別是鍵槽卡鉆、壓差卡鉆、沉屑卡鉆、坍塌卡鉆、落物卡鉆;并對每一種卡鉆原因進行了分析,提出了相應(yīng)的預(yù)防方法和處理措施。

1 鍵槽卡鉆

在定向鉆進中,鉆具會對接觸到的井壁產(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垂直于鉆桿中心線的彎曲應(yīng)力,使起下鉆受阻,同時鉆具轉(zhuǎn)動力矩也增大。經(jīng)多次起下鉆,井眼就會拉出鍵槽,鉆具嵌入鍵槽就會導(dǎo)致卡鉆[3]。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)生在起鉆過程,且卡點固定。

c) 鉆桿接頭偏磨嚴(yán)重。

d) 開泵循環(huán)正常。

e) 啟動轉(zhuǎn)盤困難,但只要下放鉆柱脫離鍵槽則轉(zhuǎn)動自如。

1.2 預(yù)防措施

a) 定向井鉆進時,盡量簡化井身軌跡,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,絕不能強提,應(yīng)反復(fù)上下活動,轉(zhuǎn)動方向;活動無效,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,使鉆具產(chǎn)生抖動以解卡。

b) 用下?lián)羝飨聯(lián)艋虿捎锰足娊饪ā?/p>

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,會貼靠井壁一側(cè)并粘附于井壁上,使鉆具運動困難而發(fā)生壓差卡鉆[4]。

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。在這樣的井段,鉆具因重力的作用,將躺在井眼的下半部,鉆具與井壁在很長的井段上保持很大的接觸面積。在滲透性地層,此時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,受力情況如圖1。

當(dāng)重力分力P1與泥漿液柱壓力P2之和大于地層壓力P3時,就有一個在單位面積上的壓差ΔP,即

圖1 彎曲段鉆具受力分析

在這個壓差作用下,鉆具緊緊壓向井壁,如圖2。

當(dāng)鉆具上下運動或旋轉(zhuǎn)時,在壓差作用下,就會有一個和運動方向相反的摩擦阻力F。鉆具上提時,若摩阻力F和鉆具重力之和大于鉆機提升力Q,則鉆具上提遇卡;鉆具下放時,若F大于鉆具自重力G,則鉆具下放受阻;若轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時,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,此時鉆具完全卡死。

圖2 卡鉆時鉆具與泥餅接觸面示意

2.2 特點

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)動也不能上提下放,活動范圍較小或根本不能活動。

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

鉆具與井壁的摩擦力F可用下式計算,即

式中,μ為泥餅?zāi)Σ烈驍?shù);P為井壁對鉆具的支撐力;ΔP為單位面積上重力分力P1與泥漿液柱壓力P2之和與地層壓力P3之差;A為鉆具與井壁間的接觸面積。

將式(1)、(3)代入式(2)得

又知:

將式(5)、(6)代入(4)式得

式中,G為鉆具重力;α為井身彎曲段井斜角;γ為泥漿密度;H為井身垂向深度。

分析式(7)可得,影響壓差卡鉆的因素有4個。

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,對鉆具的擠壓力越大,鉆具越易發(fā)生卡鉆。對于定向井,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、接單根等長時間不活動鉆具的過程中,由于鉆具與井壁的接觸面積增大,此時發(fā)生卡鉆的可能性也增大[5-6]。

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)通過優(yōu)化加重泥漿的密度來降低壓差。

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

在定向井鉆進中一旦鉆具靜止,孔內(nèi)大量的巖屑就會沉積于孔底,將鉆具嵌埋住而卡鉆。通常,鉆進速度越快,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的鉆屑也越多;若動力鉆具排量受限,泥漿粘度較小,懸浮鉆屑效果較差,則會導(dǎo)致鉆屑返排困難;此時若鉆具發(fā)生靜止,例如進行測斜作業(yè)或接單根等,靜止時間一長,大量鉆屑由于缺乏機械擾動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[7]。如圖3所示。

另外,在造斜點處,由于鉆具與造斜段孔壁之間持續(xù)而劇烈的摩擦,則會導(dǎo)致該點處井徑的擴大。在井斜角超過60°時,該造斜點屬攜巖能力薄弱區(qū),易形成巖屑床。若泥漿上返流速不大,此時鉆屑易在該緩沖區(qū)淤積而逐漸“架橋”卡住鉆具。如圖4所示。

圖3 沉屑卡鉆

圖4 架橋卡鉆

對沉屑卡鉆和鉆屑架橋卡鉆,通常的預(yù)防方法是使用固相控制工藝來凈化泥漿,以減少泥漿中的固相成份;另外鉆進中應(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)浸泡一段時間,再起拔鉆具進行解卡。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,塊狀物或顆粒物會在造斜點或井底堆積,在造斜點會發(fā)生類似于架橋方式卡鉆,在井底則會發(fā)生類似于沉屑方式卡鉆[8]。如圖5。

井壁失穩(wěn)坍塌有多方面原因。

a) 地質(zhì)方面的原因。地應(yīng)力聚集一旦超過巖石本身的破裂強度,井身巖石則會發(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巖易發(fā)生吸水膨脹,綠泥石含量高的泥頁巖易吸水裂解剝落。井眼形成后,地應(yīng)力重新分配,泥頁巖吸水后強度下降較快。

c) 鉆井工藝方面的原因[9]。泥漿液柱壓力小于地層壓力易導(dǎo)致孔壁坍塌;起下鉆過快所導(dǎo)致的壓力激動也是地層坍塌的一個重要原因;另外,泥漿循環(huán)排量大,返速高呈紊流態(tài),極易沖蝕井壁形成坍塌。

圖5 坍塌卡鉆

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,便于保護井壁,攜帶巖屑。另外起下鉆合適,避免壓力激動;泥漿循環(huán)排量不可過大。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。落物下降直至進入環(huán)空尺寸與落物本身尺寸大小處即發(fā)生卡鉆。如圖6。

圖6 落物卡鉆

為避免落物進入井中,鉆探施工中孔口處應(yīng)有相應(yīng)的防護設(shè)施。一旦落物進入井內(nèi),可用邊震動邊強力起拔的方法提鉆,另外還有相應(yīng)的打撈裝置對落物進行打撈。

6 結(jié)論

1) 總結(jié)了定向井卡鉆的5種類型,并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和處理方法。但是,大部分卡鉆事故不是單一類型,而是多種類型的復(fù)合。因此,在現(xiàn)場處理中應(yīng)該綜合各種處理方法。

2) 預(yù)防卡鉆的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緊。另外,在現(xiàn)場施工中,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)濟原則[10]。

3) 事故發(fā)生后處理措施要得當(dāng)。分解施工段點要清晰;要把握各種時機,包括施工時機,敲震時機等。

[1] 吳 翔,楊凱華,蔣國盛.定向鉆進原理與應(yīng)用[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2009.

[2] 石油勘探開發(fā)規(guī)劃研究院工藝室.定向井的泥漿問題[J].石油勘探與開發(fā),1978(1):53-58.

[3] 袁杜安,李念節(jié).氣藏叢式定向井卡鉆原因及對策[J].西部探礦工程,2000(4):71-72.

[4] 常喜順,張金成.陜北油田定向井卡鉆原因分析及處理對策[J].西部探礦工程,2007(1):66-68.

[5] 蔡雨田.塔河油田水平井卡鉆事故的分析及處理[J].石油鉆探技術(shù),2000(4):20-21.

[6] 李旭揚.定向井鉆柱提升載荷系數(shù)的探討[J].石油礦場機械,2003,32(01):7-10.

[7] 杜旭東,張 慧,曾玉斌,等.定向井常用鉆具組合[J].石油礦場機械,2009,38(05):44-47.

[8] 萬緒新.水平井鉆井液優(yōu)化的幾點思考[J].石油鉆探技術(shù),1999,27(2):28-29.

[9] 祝效華,童 華,劉廣川.氣體鉆井鉆具斷裂機理分析[J].石油礦場機械,2008,37(1):5-8.

[10] 吳 翔,賀冰心,王 艷.提高定向鉆孔造斜彎曲強度的技術(shù)方法[J].地質(zhì)與勘探,2000,36(2):55-57.

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,主要從事鉆井技術(shù)應(yīng)用工作,E-mail:tkqs10000@163.com。