渤海油田鉆柱松扣關(guān)鍵技術(shù)

姜 亮，胡晉陽，陳永鋒，許清海，胡秉磊，尹順利

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中國石油大港油田石油工程研究院，天津 300280）

卡鉆指鉆井、完井、修井過程中，井眼或井筒內(nèi)（文中統(tǒng)稱“井內(nèi)”）的鉆柱由于各種原因不能正常上下移動和正反旋轉(zhuǎn)等自由活動的井下事故。根據(jù)作業(yè)種類不同，卡鉆可分為鉆井卡鉆、完井卡鉆和修井卡鉆；根據(jù)其發(fā)生誘因可分為砂卡、坍塌卡鉆、壓差卡鉆、縮徑卡鉆、泥包卡鉆、鍵槽卡鉆、落物或硬物卡鉆和干鉆卡鉆等。目前，學(xué)者們以卡鉆事故發(fā)生機理為出發(fā)點，從多方面進行探索和研究，分別從工具和技術(shù)兩方面進行突破，來預(yù)防卡鉆事故的發(fā)生。工具方面，對具有高風(fēng)險的入井工具的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進行改進和研發(fā)，研究出水平井分段壓裂可降解橋塞[1]、可高效破巖和清除巖屑的脈沖內(nèi)磨鉆頭[2]、可良好控制PDC鉆頭軸向沖擊力并提高其剪切力的扭振沖擊工具[3]；統(tǒng)計引發(fā)卡鉆事故的多種因素，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)出卡鉆預(yù)測系統(tǒng)[4]，可提前規(guī)避作業(yè)過程中的潛在風(fēng)險點，預(yù)防卡鉆的發(fā)生。還有學(xué)者從優(yōu)化鉆井液性能、井眼軌跡和鉆具組合等技術(shù)措施方面出發(fā)，研究出防卡技術(shù)措施[5]。由于作業(yè)現(xiàn)場地質(zhì)、工程因素復(fù)雜或人為疏忽等原因，卡鉆事故仍會發(fā)生。針對鉆井過程中引起砂橋卡鉆和縮徑卡鉆的各種因素，并考慮模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析法，建立了卡鉆事故安全評價與診斷仿真系統(tǒng)[6]，為卡鉆發(fā)生后第一時間采取正確有效的處理措施提供了依據(jù)；從壓差粘附卡鉆特征和機理出發(fā)，提出了相關(guān)乳化酸浸泡和降壓解卡技術(shù)[7–8]。

雖然越來越多的先進理念和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到卡鉆事故預(yù)防和處理過程中，但應(yīng)用效果取決于事故的輕重和復(fù)雜程度。在前期實施了解卡措施卻無法有效解卡的事故井，尤其鉆井時測井儀器卡鉆、防砂管柱卡鉆等作業(yè)，井眼或井筒廢棄成本非常高。針對渤海油田卡鉆事故發(fā)生的主要誘因，研究解卡作業(yè)時鉆柱松扣相關(guān)技術(shù)，對所涉及的工具選擇、鉆具優(yōu)化和現(xiàn)場操作關(guān)鍵步驟以及各項技術(shù)的優(yōu)缺點進行分析，為現(xiàn)場解卡作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 常規(guī)解卡方式

卡鉆事故的發(fā)生貫穿整個鉆井、完井、修井作業(yè)過程，其中以水平井或定向井鉆井時的卡鉆、完井作業(yè)時防砂管串卡鉆和大修過程中防砂管柱內(nèi)中心管的卡鉆最為嚴重。目前，渤海油田常見的地層結(jié)構(gòu)為砂礫巖、泥頁巖等，鉆井時易發(fā)生井眼縮徑卡鉆（圖1）、泥包卡鉆（圖2）和鍵槽卡鉆（圖3）?？ㄣ@事故發(fā)生后，采用酸浸泡、大力上提、震擊、大排量循環(huán)沖洗等常規(guī)解卡手段解卡效果較差。此外，完井作業(yè)或大修作業(yè)時，因套銑管與井內(nèi)環(huán)空間隙較小、裸眼井段井壁穩(wěn)定性較差等原因?qū)е绿足娍ㄣ@風(fēng)險高，若遇卡井段井斜大，鉆柱內(nèi)的通徑不能滿足長距離電纜輸送化學(xué)切割。為了減少作業(yè)成本、降低作業(yè)風(fēng)險，合理采用松扣技術(shù)是最有效的措施。

圖1 砂礫巖和泥巖縮徑卡鉆

圖2 泥包卡鉆

圖3 狗腿型鍵槽和壁階型鍵槽

2 鉆柱松扣技術(shù)

鉆柱松扣包括倒扣和爆炸松扣。目前對鉆柱松扣技術(shù)的研究，多側(cè)重于機械或液壓倒扣器[9]以及卡點計算方面的研究。通常情況下，作業(yè)時井下鉆柱并不帶有倒扣器，發(fā)生卡鉆事故后，通過原鉆柱倒扣、爆炸松扣或者爆炸切割將卡點以上鉆柱安全取出來，再根據(jù)井況選擇是否采用倒扣器進行打撈。無論機械倒扣器還是液壓倒扣器，其外徑尺寸較大且內(nèi)部含有齒輪，對大修作業(yè)中的出砂井、注聚井以及防砂管柱內(nèi)中心管的解卡并不適用。

2.1 倒扣技術(shù)

倒扣是處理卡鉆事故及打撈井下落魚的關(guān)鍵技術(shù)[10–11]，根據(jù)倒扣的鉆具螺紋旋向不同，分為反扣鉆具倒扣與正扣鉆具倒扣。倒扣時，中和點位置的絲扣軸向受力平衡，既不受拉也不受壓，故該位置是倒扣時最易開扣的地方，利用原鉆柱倒扣或重新下入打撈工具進行倒扣前，需對卡點位置進行測量。

卡點深度測定方法主要有兩種：基于胡克定律的數(shù)學(xué)公式法和下電纜測卡儀電測法。由于井內(nèi)測井儀器或服務(wù)工具昂貴，前期解卡無效后利用原鉆柱倒扣，倒扣前常選擇電纜測卡儀來精確測定卡點深度；而大修作業(yè)時的砂卡、硬物卡等卡鉆事故，測定不同上提拉力下的鉆柱伸長量后，多采用方便快捷的數(shù)學(xué)公式法來測定卡點深度。

2.1.1 反扣鉆具倒扣技術(shù)

卡鉆事故發(fā)生后，利用原鉆柱倒扣，若卡點以上鉆柱長度仍較長，可采取反扣鉆具倒扣，盡可能多的取出卡點以上鉆柱。由于海上修井機、模塊鉆機或者鉆井平臺所用的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動或頂驅(qū)驅(qū)動方式均為正轉(zhuǎn)，故反扣鉆具倒扣技術(shù)鉆具組合從下到上通常為：反扣打撈工具+反扣鉆柱+安全接頭+正扣鉆柱+方鉆桿或頂驅(qū)，其中安全接頭可由倒扣器代替，但倒扣扭矩需在倒扣器安全范圍之內(nèi)（圖4a）。

通過對渤海油田近十年使用的反扣打撈工具進行分析，可退式卡瓦打撈筒應(yīng)用效果最好，表1為常用反扣打撈工具的適用情況。

表1 不同反扣打撈工具適用范圍

因井內(nèi)遇卡鉆柱多為右旋螺紋，反扣打撈鉆具對于井深、井斜及摩阻等限制較少。倒扣打撈作業(yè)時，只要不超過打撈鉆具的安全系數(shù)即可，且倒扣扭矩大，成功率高，缺點是反扣打撈工具抓住落魚后，由于井口動力驅(qū)動源如方鉆桿、頂驅(qū)等常為右旋螺紋，若倒扣不成功，工具脫手較為困難，該技術(shù)適用于油管、鉆桿、套管及防砂管柱等各類右旋螺紋連接的落魚。

若倒扣打撈失敗，可在安全接頭處脫手打撈鉆柱，安全接頭可由倒扣器來代替，需注意以下幾點：

（1）若井內(nèi)落魚進行過大扭矩憋扭，須慎重使用倒扣器，若落魚絲扣連接強度高于倒扣器或者上部鉆柱屈服的強度，此時倒扣會使井況更加復(fù)雜。

（2）若井內(nèi)落魚出現(xiàn)砂埋，則不宜使用倒扣器，倒扣作業(yè)時應(yīng)避免大負荷上擊作業(yè)。

（3）若魚頂有斷口不齊、形狀不整或魚頭破壞等現(xiàn)象，需利用平底磨鞋修整魚頭后再進行打撈。

（4）倒扣作業(yè)前需確定卡點位置，使倒扣上提拉力處于中和點位置，且有效的倒扣扭矩和拉力處于鉆柱安全范圍內(nèi)。

（5）倒扣時，逐圈緩慢反轉(zhuǎn)鉆柱，若倒扣扭矩較大且反轉(zhuǎn)圈數(shù)與回轉(zhuǎn)圈數(shù)差值較小，可適當(dāng)上下活動鉆柱以傳遞扭矩，若扭矩逐漸降低，重復(fù)上述步驟繼續(xù)倒扣和傳遞扭矩，期間可根據(jù)上提懸重、扭矩及泵壓等參數(shù)來判斷倒扣是否成功。

（6）反扣打撈工具為公錐或母錐時，需嚴格控制倒扣扭矩，當(dāng)該值超過鉆柱上扣扭矩的80%時，打撈工具難以脫手，甚至導(dǎo)致更多鉆具或工具落井；

2.1.2 正扣鉆具倒扣技術(shù)

無論海上油田還是陸地油田，作業(yè)時很少備有反扣鉆具，當(dāng)卡鉆事故發(fā)生后，大多數(shù)情況需使用原鉆柱進行倒扣后，再根據(jù)井況制定下步計劃。正扣鉆具倒扣的鉆柱組合為倒扣打撈工具+安全接頭+正扣鉆柱+方鉆桿或頂驅(qū)（圖4b），倒扣扭矩一般不超過正常上扣扭矩的70%，故在井深較淺、井斜和摩阻較小的井應(yīng)用效果良好，尤其油管、防砂管柱等上扣扭矩較小的落魚。該技術(shù)節(jié)約資源、無需額外動用反扣鉆具、可以迅速處理海上小型平臺的卡鉆事故，缺點是倒扣作業(yè)時鉆柱倒開風(fēng)險較大；不宜用于大斜度井、井眼軌跡復(fù)雜的井。

圖4 反扣鉆具、正扣鉆具倒扣鉆柱組合

采用正扣鉆具倒扣時應(yīng)注意事項：

（1）倒扣作業(yè)前，須了解卡點及其以上的井斜和井眼軌跡復(fù)雜程度等參數(shù)，若打撈工具具備震擊能力，則先進行大力活動、震擊解卡，若解卡無效，上提鉆柱至中和點，再進行倒扣作業(yè)。

（2）對于井深、井斜較大、井眼軌跡復(fù)雜的作業(yè)井，若倒扣扭矩始終難以傳遞至卡點附近，可適當(dāng)上下活動鉆柱以傳遞扭矩。

（3）倒扣過程中，可根據(jù)上提懸重、泵壓變化和復(fù)探遇阻位置等手段綜合判斷倒扣情況；

（4）若非必要，盡可能避免上下活動鉆柱來傳遞扭矩，以防落魚多處開扣，增加打撈次數(shù)。

（5）倒扣成功起鉆時，應(yīng)鎖緊轉(zhuǎn)盤，防止鉆柱正轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致打撈工具脫手，落魚再次落井。

2.2 爆炸松扣技術(shù)

受井斜、狗腿以及井眼軌跡影響，倒扣時絲扣開扣點位置不確定，難以采用倒扣將卡點以上鉆柱取出，這種情況下，采用爆炸松扣技術(shù)效果較好。

爆炸松扣是在被卡鉆柱施加反扭矩時，在鉆柱內(nèi)下入導(dǎo)爆索，利用火藥爆炸瞬間產(chǎn)生的彈性勢能，將炸點附近螺紋倒開的松扣方法。對于水平段較長或大斜度井，需開泵輔助下入爆炸松扣工具串，應(yīng)注意事項如下：

（1）根據(jù)鉆柱上提懸重，施加不同拉力，逐段上提鉆柱，使卡點以上鉆柱自上而下或自下而上處于相應(yīng)的中和點，并施加正向扭矩逐段緊扣，緊扣扭矩最大值應(yīng)小于井內(nèi)鉆柱最弱點抗扭強度的80%。

（2）將工具串下至預(yù)設(shè)位置，對鉆柱施加反向扭矩，期間可通過上下活動將反轉(zhuǎn)扭矩盡可能傳遞至炸點處。因為只有炸點位置處具有充分的反扭矩，才能確保炸后開扣位置在預(yù)設(shè)位置；若炸點位置井斜及摩阻較大，可采取每反轉(zhuǎn)2～3圈、上下活動鉆具6～8次來充分傳遞扭矩。

（3）對自由段鉆柱緊扣和施加反扭矩時，不同鉆柱尺寸所旋轉(zhuǎn)圈數(shù)見表2。

表2 不同尺寸鉆柱所轉(zhuǎn)圈數(shù)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

（1）各類卡鉆事故發(fā)生后，若前期解卡措施無法有效解卡，鉆柱松扣技術(shù)是最優(yōu)選擇。

（2）反扣鉆具倒扣打撈技術(shù)倒扣扭矩大、倒扣成功率高，對井深、井斜及摩阻限制較小，但若倒扣失敗，脫手難度較大；正扣鉆具倒扣技術(shù)工作扭矩需小于正常上扣扭矩的70%，適用于井深較淺、井斜和摩阻小的井，倒扣前可根據(jù)井況決定是否先緊扣再倒扣，但不宜用于斜度大、井眼軌跡復(fù)雜的井。

（3）爆炸松扣技術(shù)適用于井斜和狗腿度大以及井眼軌跡復(fù)雜的井，該技術(shù)實施前需對鉆柱逐段進行緊扣，施加反扭矩時可通過上下活動的方式來傳遞扭矩。