鹽水溢流衍生黏附卡鉆的機(jī)理研究

湯明 葉寒 何世明 張光福 鄧富元 姚耕華

摘要：塔里木盆地區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育鹽膏層，地層系統(tǒng)復(fù)雜，在鉆遇異常高壓鹽水層后易發(fā)生溢流，引發(fā)黏附卡鉆。為此，通過(guò)建立黏附卡鉆模型，進(jìn)行了高壓地層鹽水溢流衍生卡鉆方面的機(jī)理研究，開(kāi)展了鉆井液抗鹽污染能力評(píng)價(jià)試驗(yàn)，研究了鉆柱靜止時(shí)間、軸向摩擦力與扭矩、摩擦因數(shù)及壓差對(duì)黏附卡鉆的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到泥餅厚度和摩擦因數(shù)隨鹽水體積分?jǐn)?shù)和時(shí)間的變化規(guī)律，擬合優(yōu)度R2均大于0.9；軸向摩擦力與扭矩均隨鉆柱靜止時(shí)間的延長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)型增加，隨鹽水體積分?jǐn)?shù)的增加而急劇增加，隨摩擦因數(shù)的增加先緩慢增加后快速增加，隨壓差的增大幾乎持續(xù)穩(wěn)定增加。所得結(jié)論可為油田制定防卡對(duì)策和安全鉆井提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：鹽膏層鉆井；黏附卡鉆；鉆井液；鹽水體積分?jǐn)?shù)；溢流；影響因素

Gypsum salt layers are widely developed in the Tarim Basin， and the formation system is complex.After drilling into abnormal high pressure saline aquifers， overflow easily occurs， which often results in adhesive sticking.With the adhesive sticking model built， the mechanism of adhesive sticking derived from brine overflow in high pressure formation was studied， the evaluation test of salt pollution resistance of drilling fluid was carried out， and the influences of drill string rest time， axial friction and torque， friction coefficient and pressure difference on adhesive sticking were identified.The study results show that the variations of mud cake thickness and friction coefficient with brine volume fraction and time are obtained by fitting based on the laboratory test results， and the goodness of fit R2 is all greater than 0.9.The axial friction and torque increase logarithmically with the increase of drill string rest time， increase sharply with the increase of brine volume fraction， increase slowly and then increase rapidly with the increase of friction coefficient， and increase almost continuously and steadily with the increase of pressure difference.The conclusions provide theoretical support for formulating antistick countermeasures and safe drilling in the oilfield.

salt layer drilling;adhesive sticking；drilling fluid；brine volume fraction；overflow；influential factor

0 引 言

塔里木盆地是中石油主力勘探開(kāi)發(fā)區(qū)塊和西氣東輸?shù)闹髁庠吹刂唬哂卸嘤蜌鈱酉?、多不整合面的特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育鹽膏層，地層系統(tǒng)復(fù)雜；經(jīng)常鉆遇異常高壓鹽水層，發(fā)生溢流，溢流壓井后易發(fā)生黏附卡鉆。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近10年期間塔里木油田共發(fā)生鹽水溢流135井次，鹽水溢流卡鉆21井次，卡鉆率15.6%，其中70%為黏附卡鉆且解卡成功率低，已經(jīng)嚴(yán)重制約鉆井提速［1-4］。因此，部分學(xué)者針對(duì)黏附卡鉆形成的機(jī)理及解除方法，進(jìn)行了大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［5-10］。R.MIRI等［11］（2007年）利用兩類人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了在油基鉆井液和合成鉆井液時(shí)的卡鉆概率預(yù)測(cè)模型，可基于實(shí)時(shí)錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行卡鉆概率判斷，避免因卡鉆導(dǎo)致的井下事故。H.JOSHUA等［12］利用隨鉆測(cè)井（LWD）實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)工具卡住的高風(fēng)險(xiǎn)情況，以便在規(guī)劃和執(zhí)行階段解決卡鉆問(wèn)題。趙鴻生［13］依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了巖層、鉆井液以及工藝等因素對(duì)黏附卡鉆的影響，并制定了預(yù)防黏附卡鉆鉆井液方案。仝方超等［14］采用室內(nèi)黏附卡鉆模擬裝置，探究了壓差、接觸面積、摩擦因數(shù)等參數(shù)對(duì)黏卡卡鉆產(chǎn)生的摩阻和扭矩的影響規(guī)律，并制定了預(yù)防黏附卡鉆的工程對(duì)策。楊雪山等［15］建立綜合考慮壓差和鉆具與井壁封閉接觸面影響的黏附卡鉆理論模型，分析了泥餅厚度和滲透率對(duì)黏附卡鉆的影響規(guī)律，研究成果可為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防壓差卡鉆事故和鉆井液設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。ZHU N.等［16］基于多相流理論建立大位移井全瞬態(tài)兩層流巖屑運(yùn)移模型，分別模擬預(yù)測(cè)了鉆井、循環(huán)和接單根時(shí)卡鉆的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，明確了大位移井卡鉆的井眼凈化相關(guān)機(jī)理。

然而已有的模型未考慮井壁形成的泥餅厚度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，認(rèn)為泥餅厚度是一定的或者只考慮了瞬態(tài)情況，同時(shí)也沒(méi)考慮鉆井液被鹽水污染的卡鉆情況。為此，筆者通過(guò)建立泥餅厚度動(dòng)態(tài)變化的黏附卡鉆模型，開(kāi)展高壓地層鹽水溢流衍生卡鉆方面的機(jī)理研究，可為預(yù)防高壓鹽水層溢流衍生黏附卡鉆，減少井下復(fù)雜情況的出現(xiàn)，提高鉆井生產(chǎn)時(shí)效，降低鉆井成本，助力塔里木油田油氣資源的高效勘探開(kāi)發(fā)等提供理論支持。

1 鉆井液抗鹽污染試驗(yàn)

以塔里木盆地A井地面返出鹽水為例。根據(jù)權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)化驗(yàn)分析報(bào)告可知，返出鹽水以氯化物為主，含Na+、K+、Ca2+；其中氯根1.89×105 mg/L、Na+含量7.21×104 mg/L、K+含量2.07×104 mg/L、Ca2+含量4.68×104 mg/L。收集A井鉀聚磺水基（1.8×103 kg/m3）井漿20 L，根據(jù)此區(qū)塊高壓鹽水成分配置鹽水，其中氯化物加量比例NaCl∶KCl∶CaCl2=3.5∶1∶2.3；水基熱滾條件為150 ℃×16 h，鹽水體積分?jǐn)?shù)以2.5%遞增，從0～10%，分別測(cè)熱滾后酸堿值、表觀黏度、塑性黏度、API失水、摩擦因數(shù)等參數(shù)。鉆井液污染試驗(yàn)情況如圖1所示。通過(guò)試驗(yàn)明確了不同鹽水體積分?jǐn)?shù)污染鉆井液對(duì)鉆井液流變性能和泥餅厚度的影響情況［17-20］。

現(xiàn)場(chǎng)鉆井液抗鹽污染流變性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著鹽水體積分?jǐn)?shù)的增加，水基鉆井液體系的表觀黏度和塑性黏度不斷降低，流變性能變差或被破壞，剪切力銳減，API濾失量呈上升趨勢(shì)，泥餅變厚，容易造成黏附卡鉆等事故。當(dāng)鹽水體積分?jǐn)?shù)超過(guò)2.5%時(shí)，稀釋起主要作用，黏切驟降，濾失量大大增加；當(dāng)鹽水體積分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)，其黏度和動(dòng)切力比不含鹽水的現(xiàn)場(chǎng)鉆井液降低25%以上，泥餅厚度增加到未污染泥餅厚度的4倍以上；鹽水體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%后，API失水高達(dá)38 mL，泥餅增厚，泥餅?zāi)Σ烈驍?shù)小幅減小，鉆井液體系瓦解，懸浮能力嚴(yán)重下降，難以滿足安全鉆井的需要?？梢?jiàn)水基鉆井液對(duì)鉆井液流變性和泥餅厚度的影響不容忽視。因此，在現(xiàn)場(chǎng)鉆井過(guò)程中，特別是在鉆遇高壓鹽水層之前，可以利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件來(lái)測(cè)試不同的鹽水體積分?jǐn)?shù)對(duì)鉆井液流變性和泥餅厚度的影響，從而及時(shí)判斷鹽水侵污量并采取相應(yīng)的措施。

2 黏附卡鉆數(shù)學(xué)模型

壓差是液柱壓力與地層孔隙壓力之間的差值，它是形成黏附卡鉆的外在因素，而泥餅與鉆柱間的摩擦屬于內(nèi)因［21］。在鉆井液被鹽水污染的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析鉆具嵌入泥餅產(chǎn)生的軸向摩擦力隨靜止時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的黏附卡鉆模型。依據(jù)黏附卡鉆的現(xiàn)場(chǎng)情況以及考慮簡(jiǎn)化計(jì)算［22-23］，做出以下假設(shè)：①鉆柱截面為圓形或圓環(huán)形；②摩擦因數(shù)在某一井段為常數(shù)；③忽略鉆柱的溫度變化；④影響泥餅厚度的因素為過(guò)剩的鉆井液壓力和卡鉆時(shí)間。

根據(jù)上述假設(shè)，卡鉆井段的軸向摩擦力和扭矩為：

3 黏附卡鉆實(shí)例分析

以塔里木盆地A井為例進(jìn)行計(jì)算分析黏附卡鉆。該井在鉆至5 136和5 798 m處均發(fā)生黏附卡鉆，以第一次卡鉆為例進(jìn)行計(jì)算分析?？ㄣ@井段發(fā)生溢流時(shí)存在高壓鹽水層，在定向鉆井過(guò)程中，突然憋泵，泵壓由22 MPa升至26 MPa 倒劃眼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)溢流0.9 m3，鹽水體積分?jǐn)?shù)5%，卡鉆井段壓10 MPa?？ㄣ@發(fā)生在四開(kāi)井段（5 092～5 850 m），四開(kāi)鉆具組合：241.3 mm鉆頭×0.34 m+630×NC50轉(zhuǎn)換接頭×0.5 m+177.8 mm無(wú)磁鉆鋌×9 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×9 m+241.3 mm穩(wěn)定器×1.8 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×9 m+241.3 mm穩(wěn)定器×1.8 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×126 m+177.8 mm隨鉆震擊器×10 m+177.8 mm螺旋鉆鋌×27 m+127.0 mm加重鉆桿×S135I×141 m+127.0 mm斜坡鉆桿×S135I×6 196.56 m。

A井軸向摩擦力隨鉆柱靜止時(shí)間變化如圖5所示。由圖5可以看出，A井的軸向摩擦力隨鉆柱靜止時(shí)間的增加呈對(duì)數(shù)型增加。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，到達(dá)4 h時(shí)，軸向摩擦力增加到1 000 kN，超過(guò)鉆機(jī)最大載荷。A井扭矩隨鉆柱靜止時(shí)間變化如圖6所示。由圖6可以看出：扭矩的變化趨勢(shì)同圖5類似，隨鉆柱靜止時(shí)間增加呈對(duì)數(shù)型增加；到2 h時(shí)，達(dá)到DB70鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩上限35 kN·m；到4 h時(shí)，鉆具無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)也無(wú)法上提下放，鉆具卡死。由于鉆遇高壓鹽水層溢流，溢流壓井后開(kāi)井活動(dòng)鉆具，壓井作業(yè)期間鉆具靜止了10 min，并且在壓井過(guò)程中鉆井液密度由2.23 g/cm3提高到2.49 g/cm3，造成井底壓差變大，導(dǎo)致黏附卡鉆。隨即上提、下放活動(dòng)鉆具，活動(dòng)范圍400～2 600 kN（原懸重168 t），間斷施加扭矩40 kN·m，未解卡；上提活動(dòng)鉆具至2 600 kN，鉆具突然斷裂，懸重由168 t下降到33 t，起鉆完發(fā)現(xiàn)，21號(hào)單根在距離母扣2.71 m處斷裂，魚(yú)頂深度187.01 m。經(jīng)過(guò)活動(dòng)鉆具、下卡瓦打撈筒打撈、兩次對(duì)扣、測(cè)卡點(diǎn)、爆炸松扣、頂驅(qū)強(qiáng)行倒扣、反扣鉆具倒扣（共作業(yè)12次），套銑、倒扣分別作業(yè)3次和4次，然后下震擊器打撈，最終耗費(fèi)1 015.13 h，起鉆撈獲全部落魚(yú)。

為了預(yù)防黏附卡鉆，根據(jù)中石油現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)定鉆機(jī)額定載荷和額定扭矩的80%作為安全上限，保持在該上限內(nèi)一般不會(huì)發(fā)生黏附卡鉆。當(dāng)軸向摩擦力和扭矩分別達(dá)到最大余量和扭矩上限時(shí)，鉆柱處在靜止時(shí)間第一階段（0～1.5 h），且軸向摩擦力為800 kN，扭矩為35 kN·m；當(dāng)超過(guò)鉆機(jī)最大安全余量和扭矩上限時(shí)，鉆柱處在靜止時(shí)間第二階段（＞1.5 h）。因此，建議在鉆井作業(yè)中將A井鉆柱靜止時(shí)間控制在第一階段內(nèi)，不超過(guò)1.5 h，并且在關(guān)井和壓井期間要不間斷活動(dòng)鉆具。

4 黏附卡鉆影響因素分析

同樣以塔里木盆地A井為例，設(shè)定環(huán)空外徑241.3 mm，環(huán)空內(nèi)徑127 mm，鹽水體積分?jǐn)?shù)5 %，壓差10 MPa，摩擦因數(shù)0.2，鉆具嵌入泥餅深度為2 mm，鉆柱靜止4 h內(nèi)。通過(guò)控制變量法改變以下因素：①鹽水體積分?jǐn)?shù)為0%、2.5%、5.0%、7.5%及10%；②鉆具與泥餅之間的摩擦力因數(shù)為0.18、0.19、0.2、0.21及0.22；③卡鉆井段的壓差為4、6、8、10及12 MPa。分別求解以發(fā)現(xiàn)在不同條件下軸向摩擦力和扭矩的變化規(guī)律。

4.1 鹽水體積分?jǐn)?shù)的影響

軸向摩擦力、扭矩與鹽水體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系分別如圖7、圖8所示。通過(guò)圖7、圖8可以看出，軸向摩擦力和扭矩隨鹽水體積分?jǐn)?shù)的增加均增加。在不同的鹽水體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)不同的增速，在0～2.5%內(nèi)，增加較緩；在2.5%～7.5%內(nèi)，增加變陡；在7.5%～10%內(nèi)，增加變緩，但增加趨勢(shì)比0～2.5%范圍內(nèi)陡。當(dāng)鹽水體積分?jǐn)?shù)在2.5%～7.5%內(nèi)，稀釋占據(jù)主導(dǎo)作用，黏度以及剪切力下降，濾餅增厚，鉆具與泥餅接觸弧長(zhǎng)更長(zhǎng)，隨之軸向摩擦力增大，扭矩增大，在此范圍內(nèi)，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)最大。當(dāng)鹽水體積分?jǐn)?shù)大于7.5%之后，鉆井液性能變差或被破壞，隨著鹽水體積分?jǐn)?shù)增加，可破壞的程度不大，因此變化變緩。在靜止0.01～1 h內(nèi)，軸向摩擦力和扭矩變化最大，但均在鉆機(jī)安全范圍以內(nèi)；在靜止1～4 h內(nèi)，均有黏附卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；為預(yù)防黏附卡鉆，保持鉆機(jī)負(fù)載在安全線以內(nèi)，建議控制鹽水體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)6%。

4.2 摩擦因數(shù)的影響

軸向摩擦力與扭矩隨摩擦因數(shù)的變化關(guān)系分別如圖9、圖10所示。從圖9、圖10可以看出，軸向摩擦力、扭矩隨摩擦因數(shù)的增加而增加，在摩擦因數(shù)為0.20之后，軸向摩擦力、扭矩增加變陡。軸向摩擦力、扭矩均在摩擦因數(shù)為0.20～0.21這個(gè)區(qū)間達(dá)到上限，但軸向摩擦力比扭矩先超過(guò)上限。在鉆柱靜止1 h內(nèi)軸向摩擦力、扭矩均在安全線以內(nèi)，為了預(yù)防在鉆柱靜止4小時(shí)內(nèi)發(fā)生黏附卡鉆，建議控制摩擦因數(shù)不超過(guò)0.20。

4.3 壓差的影響

圖11、圖12為不同壓差下，軸向摩擦力和扭矩的關(guān)系變化情況圖。從圖11、圖12可見(jiàn)，由于卡鉆井段壓差對(duì)鉆柱作用于泥餅側(cè)向力的影響，軸向摩擦力和扭矩隨壓差的增大幾乎是穩(wěn)定持續(xù)增大。壓差每增加1 MPa，摩擦力增加100 kN左右，扭矩增加4 kN·m左右。當(dāng)壓差超過(guò)8 MPa時(shí)，軸向摩擦力超過(guò)鉆機(jī)最大安全余量，接近10 MPa時(shí)，扭矩超過(guò)鉆柱扭矩上限，發(fā)生黏附卡鉆。因此，為預(yù)防黏附卡鉆，建議控制壓差不超過(guò)10 MPa。

綜上所述，在鉆井液被鹽水污染的情況下，當(dāng)鉆柱長(zhǎng)時(shí)間靜止后，泥餅厚度增加，隨之鉆桿與泥餅接觸弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，軸向摩擦力和扭矩也增加。為預(yù)防黏附卡鉆，建議如下：添加SPNH、SMP-3、EFD-2處理劑進(jìn)行維護(hù)，控制鹽水體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)6%；適當(dāng)加大鹽層鉆井潤(rùn)滑劑添加量，摩擦因數(shù)不超過(guò)0.20；合理調(diào)控鉆井液密度，降低壓差，使壓差不超過(guò)10 MPa。

5 結(jié) 論

（1）采用室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)評(píng)價(jià)不同鹽水體積分?jǐn)?shù)污染下的鉆井液流變性能，基于試驗(yàn)結(jié)果擬合得到泥餅厚度和摩擦因數(shù)隨鹽水體積分?jǐn)?shù)和時(shí)間的變化規(guī)律方程，其擬合優(yōu)度R2均大于0.9。

（2）建立了考慮泥餅厚度動(dòng)態(tài)變化的黏卡卡鉆模型，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)A井實(shí)鉆情況相符；摩擦力、扭矩均隨鉆柱靜止時(shí)間的延長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)型增加；人為設(shè)定了鉆機(jī)額定載荷和扭矩的80%為安全上限，并根據(jù)鉆機(jī)最大安全余量和扭矩上限設(shè)定了鉆柱靜止的安全時(shí)間。

（3）系統(tǒng)評(píng)價(jià)了不同參數(shù)對(duì)黏附卡鉆的影響規(guī)律，具體的變化規(guī)律：軸向摩擦力和扭矩隨鹽水體積分?jǐn)?shù)的增加而急劇增加；軸向摩擦力和扭矩隨摩擦因數(shù)的增加先緩慢增加后快速增加；軸向摩擦力和扭矩隨壓差的增加幾乎持續(xù)穩(wěn)定增大。防黏附卡鉆建議：現(xiàn)場(chǎng)在鉆遇高壓鹽水層之前，先進(jìn)行抗污染試驗(yàn)，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施；對(duì)鹽水侵污鉆井液添加適量處理劑進(jìn)行維護(hù)；鹽層鉆井適當(dāng)加大潤(rùn)滑劑添加量；合理調(diào)控鉆井液密度，降低壓差；關(guān)井和壓井期間不間斷活動(dòng)鉆具。

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第一湯明，副教授，生于1985年，2016年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣井控、井壁穩(wěn)定和鉆井工藝等方面的基礎(chǔ)研究和教學(xué)工作。地址：（610500）四川省成都市。Email：tm4432@126.com。

通信作者：何世明，Email：hesming@sina.com。