壓差卡鉆的形成機理及控制方法探析

【摘要】本文主要是分析了壓差卡鉆的形成機理，探討其控制方法，包括使用加重鉆桿、使用帶穩(wěn)定器的井下鉆具組合、控制大井斜角井中的開槽、減小鉆柱靜止時間和控制壓力平衡。

【關(guān)鍵詞】壓差卡鉆；機理；泥餅

一、卡鉆機理分析

壓差卡鉆是指鉆具在井中靜止時，在鉆井液與地層孔隙壓力之間的壓差作用下，緊壓在井壁泥餅上而導(dǎo)致的卡鉆?？ㄣ@可以看作是鉆柱不能在井眼中自由活動。當鉆桿在井中長時間靜止時，隨著泥餅中鉆井液的濾失，泥餅的孔隙壓力將降低，而且當泥餅和地層巖石之間存在足夠的壓力差時，泥餅中的鉆井液將持續(xù)地濾失。當濾失停止，泥餅壓力與地層壓力相等時，則在鉆柱和井壁之間產(chǎn)生壓差，從而導(dǎo)致了卡鉆。

泥餅的剪切屈服力可以看作是卡鉆發(fā)生的主要因素。當鉆柱拉力大于泥餅的剪切屈服力時，卡鉆就不會發(fā)生；反之，則卡鉆發(fā)生。隨著泥餅的濾失，鉆鋌與井壁接觸面的泥餅壓力會持續(xù)地降低，泥餅的剪切屈服力將增大，當鉆柱傳遞的有效拉力大于泥餅的剪切力時，即泥餅壓力在鉆柱傳遞的極限拉力線以上時，則鉆柱在井眼中可任意移動，即卡鉆沒有發(fā)生；當泥餅壓力在鉆柱傳遞的極限拉力線以下時，則鉆柱不能移動，即卡鉆發(fā)生。綜上所述，控制壓差卡鉆的原則就是使鉆柱可傳遞的拉力大于泥餅的剪切力。要減小卡鉆的發(fā)生，其設(shè)計原則是降低剪切屈服力，關(guān)鍵在于減小接觸面積和泥餅的摩擦系數(shù)。

二、壓差卡鉆控制方法探討

1、調(diào)整鉆具組合

1.1使用加重鉆桿

鉆鋌的作用是給鉆頭加壓，同時又由于鉆鋌有著很高的剛度，可以減小井眼的彎曲。但鉆鋌和泥餅的接觸面積很大，因此鉆柱在井中的自由活動有很大的阻力，這個力很有可能超過了鉆柱可以傳遞的拉力極限，從而造成卡鉆。而使用加重鉆桿，就可以大幅度地減小鉆桿和泥餅的接觸面積，從而使鉆柱在井中自由活動所需的力減小。加重鉆桿之所以能減小接觸面積，關(guān)鍵在于加重鉆桿中部有耐磨帶，同時加重鉆桿的厚度也比較大，可以有效地抵抗彎曲，從而可以幫助加重鉆桿減小和泥餅的接觸面積。

在實際的鉆井工況中，當井斜角偏小或中等的工況下，盡可能少地使用普通鉆桿，并且在鉆柱最頂部的穩(wěn)定器的上面接入加重鉆桿，可以有效地減少鉆柱移動所需要的拉力。在井斜角大的井中，使用常規(guī)的鉆桿加較短的工具接頭，也可以極大地減小鉆桿和泥餅接觸的長度，從而減小鉆柱活動時需要克服的泥餅剪切屈服力。在當前鉆井工程中，接1～3根加重鉆桿到最頂端的穩(wěn)定器之上，就可以取得比較好的卡鉆控制效果。

1.2使用帶穩(wěn)定器的井下鉆具組合。

在鉆井過程中，應(yīng)盡可能地不使用光鉆鋌鉆具組合，而要使用帶穩(wěn)定器的鉆具組合。當穩(wěn)定器的數(shù)量和間距適當?shù)臅r候，鉆桿和泥餅將不會接觸，從而避免發(fā)生壓差卡鉆。在定向井中，在穩(wěn)定器的上面接入加重鉆桿，可以更好地減小運動需要克服的泥餅剪切屈服力。由于使用單個穩(wěn)定器往往造成卡鉆，因此，應(yīng)避免單個穩(wěn)定器的使用，穩(wěn)定器使用時要多個密集地使用。

1.3控制大井斜角井中的開槽

卡槽的形成是由于在大斜度井中，鉆具接頭和鉆柱管體本身旋轉(zhuǎn)，從而摩擦井壁，使井壁出現(xiàn)凹陷而產(chǎn)生凹槽。由于凹槽很接近接頭和管體的外徑，從而增大了接觸面積，增加了鉆具活動的阻力。開槽的出現(xiàn)雖然不能避免，但可以減小由于開槽而產(chǎn)生的卡鉆風險。在鉆具中使用加重鉆桿和使用較小的工具接頭，可以有效地減小卡槽的幾何尺寸，從而減小了卡鉆的風險。

1.4減小鉆柱靜止時間

壓差卡鉆并不會很快地發(fā)生，只有當泥餅的不斷濾失使得泥餅的剪切屈服力足夠大的時候才會發(fā)生卡鉆。因此，應(yīng)盡可能縮小鉆柱靜止時間，當鉆柱靜止時間小于鉆柱極限傳遞拉力與泥餅壓力線的交點時間時，卡鉆就不會發(fā)生。

2、調(diào)整鉆井液的性能

泥餅性能對卡鉆的發(fā)生有很大的影響，良好的泥餅性能應(yīng)滿足以下條件：厚度薄，減小接觸面積；泥餅致密，濾失小。從而使鉆柱活動阻力和泥餅剪切屈服力減小，使鉆柱可以靜止的時間增大。有效的泥餅?zāi)芸刂乒滔囝w粒進入地層，同時將濾失量控制在比較小的范圍。而泥餅性能的調(diào)整方法主要是使用合適的封堵劑和降濾失劑。

封堵孔喉是重晶石的作用之一，它是鉆井液中主要的孔隙堵塞成分。在以下的幾種情況，還應(yīng)該使用其他的堵塞顆粒：在低密度鉆井液中重晶石含量很少；在高滲透率的地層中，重晶石相對巖石孔喉還是很小，不能堵塞喉道；泥餅可能出現(xiàn)的再次生長。同時，碳酸鈣也是常用的堵塞成分。如果在鉆井液中使用膠質(zhì)材料，可以使用較小直徑顆粒堵塞孔喉，從而取得比較好的堵塞效果。使用CMC等降濾失劑，減小鉆井液的濾失量，減小泥餅的厚度，形成薄而致密的泥餅，從而減小鉆柱自由運動的阻力。

在輕密度鉆井液和高的機械鉆速工況下，最初的泥餅是由鉆井液中的顆粒組成的；在高密度鉆井液和低的機械鉆速下，泥餅的形成與重晶石有關(guān)。研究表明，泥餅表面只會吸附與表面孔隙相適應(yīng)的顆粒。每一次穩(wěn)定器的旋轉(zhuǎn)都會摩擦泥餅表面，新的暴露在鉆井液中的泥餅將吸附更小的粒子，從而降低了泥餅的滲透率，減小了泥餅的剪切屈服力。這時，雖然較大的顆粒也會出現(xiàn)在鉆井液中，但是它不會吸附在泥餅上，從而確保泥餅有較低的滲透率。在高的機械鉆速下，泥餅?zāi)鼙豢焖俚啬サ?，從而很快形成致密的泥餅。因此，在低密度鉆井液中，除了重晶石，其他的粒子也是不可少的。在鉆井液中加入潤滑成分，減小摩擦系數(shù)，也可以減小卡鉆的發(fā)生。

3、控制壓力平衡

在鉆井過程中，過平衡是為了控制井底的地層壓力和保持鉆桿的穩(wěn)定性。但是，適當?shù)亟档瓦^平衡，可以減小泥餅與鉆柱之間的有效應(yīng)力，也可以降低泥餅的剪切屈服力，降低鉆柱與泥餅的接觸面積。而適當?shù)亟档豌@井液的密度，就可以達到控制壓力過平衡的程度。降低過平衡的壓差，便可以降低鉆柱自由活動時的阻力，從而降低卡鉆。

對于壓差卡鉆的控制要從多個方面出發(fā)，用加重鉆桿代替鉆鋌，可以有效地控制卡鉆的發(fā)生；減少光鉆鋌的使用，在不影響正常鉆進的前提下，使用穩(wěn)定器；要調(diào)整好泥餅的性能，將過平衡鉆井的壓力控制在合理的范圍內(nèi)。

參考文獻

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