壓裂施工后卡管柱的原因分析及處理

孫厚俊，李　娟

中國石油大慶油田有限責任公司井下作業分公司 （黑龍江 大慶 163112）

在壓裂施工后常出現各種原因造成的作業管柱被卡，壓裂后管柱活動不開，不僅延誤油水井及時排液投產，影響措施效果，而且在事故處理過程中，如采取措施不當，易造成井下事故復雜化，被迫進行大修處理，延長了作業時間，增加了作業成本[1]。中國石油大慶油田2015年壓裂施工3 600余口，壓裂后發生卡管柱事故的井有28口，占0.77%；2016年壓裂施工3 400余口，壓裂后發生卡管柱事故的井有27口，占0.78%。雖然事故井數減少，但占比增加。分析了壓裂施工后卡管柱事故的類型及原因，總結歸納了作業隊常規處理方法。通過壓裂后卡管柱事故井的處理事例，分析了卡管柱原因，給出施工建議，以減少壓裂后卡管柱事故的發生。

1　壓裂后卡管柱類型及其原因

壓裂后卡管柱是指在整個壓裂施工過程無異常現象，壓裂后用與管柱重量相同的提升力或在管柱懸重的基礎上再增加100 kN的提升力而不能提起管柱的現象。在油水井壓裂施工中，壓裂后常見的卡管柱故障主要有3種：砂卡管柱、封隔器問題卡管柱和套管問題卡管柱[2]。

1.1　砂卡管柱

砂卡管柱主要是由于地層砂或壓裂砂沉積在封隔器頂部或井下管柱的油套環空內造成的。壓裂后造成砂卡管柱的主要原因：一是壓裂施工后未按要求使用噴嘴進行限流放噴，由于壓裂后地層壓力高于井筒壓力，無控制放噴使壓裂液返排時地層與井底間壓差過大，導致地層出砂；二是壓裂施工后未按設計要求時間擴散壓力，未達到擴散時間就進行放噴易造成壓裂液未完全破膠，或是固砂劑膠結不好，返排出的壓裂液帶出壓裂砂并在井筒內沉積；三是壓裂過程中層間竄槽，攜砂液竄入正壓層上或下的層段內，由于被竄入層段仍在改造井段內，壓裂過程中監測不到，造成壓裂施工過程正常的假象，但壓裂砂已沉積在井下管柱油套環空內將管柱卡住。

1.2　封隔器問題

大慶長垣地區一般使用K344類型的封隔器作為壓裂改造的下井工具，壓裂施工過程中，根據改造層位的數量，下井的封隔器會經過幾次的座封、解封，特別是施工時經過高壓憋放的封隔器極易造成封隔器膠筒的彈性形變失效，靠自身彈力無法正常解封。

受外界因素影響，不能及時進行壓裂施工，造成封隔器在井下浸泡時間過長；封隔器從生產車間到施工現場搬運的過程中受損；封隔器在下井過程中被套管毛刺刮壞。在井下高溫高壓條件下，封隔器膠筒出現脫膠現象，起管柱時封隔器容易撕裂堆積或膠筒翻卷，造成封隔器與套管摩擦力增大而拔不動管柱。

1.3　套管問題

大慶油田壓裂施工的老井較多，套管長期承受地層壓力并遭受油水侵蝕，已產生不同程度的形變。當形變積累到一定程度，就會使套管局部產生錯位、斷裂、縮徑和改變截面形狀，如果壓裂施工促使該變化進一步加劇，則套管變形更加嚴重，壓裂后起管柱必然受卡。壓裂使用的封隔器直徑在114～116 mm之間，與套管內壁的間距僅為4～5 mm，套管變形可能造成壓裂管柱被卡死拔不動，嚴重時作業隊無法進行處理，只能上大修處理。下壓裂管柱過程中作業司機時刻關注指重表示數變化，對于套管輕微的變形，可通過指重表示數的跳動顯現出來，如及時發現并進行處理可防止壓裂后套管變形嚴重而卡管柱。

2　作業隊常規處理方法

壓裂后發生卡管柱無法及時排液投產，導致壓裂液浸泡地層時間過長，再次對地層造成傷害。同時，如卡管柱嚴重還需進行大修處理，不僅作業成本高，而且施工周期長，嚴重影響生產。在處理壓裂后卡管柱事故時，如不能建立循環通道，則可判定為砂卡或部分封隔器未解封卡管柱，需活動管柱解卡；如在上提管柱的過程中受卡，則可判定為套管變形卡，一般需管柱倒扣解卡。作業隊針對性地制定處理方案，可有效提高卡管柱事故的處理效率[3]。

2.1　砂卡管柱處理

壓裂后發生砂卡管柱，應立即使用水泥車進行循環，將油套環空內的砂子循環沖洗至地面，如能建立循環通道，可解除砂卡，進行下步施工。如循環不通，可使用憋放法進行洗井，在管柱的承壓范圍內，逐步提高從作業管柱與套管環空注入循環液的壓力，然后進行泄壓，再加壓，反復幾次。

如不能建立循環通道，應進行活動管柱。一是在管柱可承受的負荷內，通過不斷的上提、下放管柱，使井筒內砂子疏松，從而解除壓裂管柱砂卡。二是緩慢上提管柱至一定負荷，猛然下放管柱迅速卸掉載荷進行解卡，利用瞬間沖擊力使油套環空內砂子松動解卡或使被卡部位發生相對位移解除被卡狀態。

2.2　封隔器卡管柱處理

壓裂施工后因下井封隔器問題造成的卡管柱事故，可在設備及下井管柱承受的負荷內采用最大提升力處理受卡管柱。解卡時將管柱上提至一定負荷，使管柱在拉伸狀態下懸吊一段時間，使拉力逐漸傳遞到管柱下部，再迅速下放管柱進行解卡[4]。在解卡的過程中用泵車配合從作業管柱與套管環空加壓，迫使封隔器收縮解封，解卡效果會更好。

2.3　套管問題卡管柱處理

由于壓裂施工后造成套管縮徑和改變截面形狀，對于變形不嚴重、夾持力不大的卡管柱，可在管柱承受的負荷內大力上提管柱，使管柱被卡部分提出套管變形段。對于夾持力過大，或是套管錯斷引起的卡管柱，在管柱承受的負荷內不能上提管柱解卡的情況下，需倒扣解卡或交大修施工處理。

2.4　管柱倒扣解卡

當井下管柱被卡嚴重，活動管柱超過24 h無法解卡時，可將被卡管柱卡點以上部分倒扣起出，然后下調查管柱查清楚管柱被卡類型。如砂卡進行沖砂，交替使用沖砂、打撈直至解除砂卡，撈出全部管柱。如封隔器問題造成的卡管柱，就使用強度更高的鉆桿管柱進行打撈，然后繼續活動管柱，活動解卡無效時進行倒扣解卡，直至撈出全部管柱。在處理的過程中，沖砂、打撈、倒扣往往交替使用，管柱倒扣過程中有時將工具內部倒開，作業隊受設備能力限制無法進行下步施工而被迫轉大修施工。

無論哪種解卡方式一般都可見效，活動管柱前應先進行管柱上扣，以防活動過程中管柱脫扣；檢查大繩是否達到使用極限；派專人看護好地錨，防止發生事故。每活動5～10 min應停一段時間，以防井下管柱疲勞斷脫。

3　壓裂卡管柱事故處理實例

3.1　事故發生經過

事故井為采油一廠采出井，射開井段1 104.0～1 204.2 m，設計壓裂高臺子油層5個層位。作業隊于2016年9月10日就位，起抽油桿，起原井管柱，探砂面無砂柱。9月11日下入管柱，其結構為：Φ62 mm絲堵+Φ62 mm壓裂油管1根+K344-115封隔器+大砂量噴砂器+短節+K344-115封隔器+大砂量噴砂器+短節+K344-115封隔器+大砂量噴砂器+短節+K344-115封隔器+大砂量噴砂器+短節+K344-115封隔器+K344-115封隔器+大砂量噴砂器+短節+K344-115封隔器+Φ62 mm壓裂油管122根。

9月12日進行壓裂施工，壓裂5層1縫，壓裂施工過程無異常，按施工設計關井擴散完壓力40 min后活動管柱，活動范圍0～1 m，未活動開。

3.2　事故處理情況

壓裂施工后管柱未活動開，判斷為管柱受卡。隨即使用泵車進行循環，建立循環通道，發現循環液中有壓裂砂，但循環通道可建立，反應出至少最上一級封隔器是處于解封狀態，且其上部油套環空內無砂子沉積。分析可能原因為其余的封隔器未解封或兩級封隔器之間的作業管柱與套管環空內砂卡。使用緩慢上提、快速下放及上提管柱后懸吊等方法進行活動管柱，在活動管柱中泵車配合從套管加壓，迫使封隔器收縮解封，依舊未將壓裂管柱活動開。在經過嘗試各種活動解卡無效的情況下，活動管柱28 h后，2016年9月14日該井進行管柱倒扣解卡，倒扣起出Φ62 mm壓裂油管117根。截至9月22日，經過8次套銑沖砂，7次打撈，共打撈出Φ 62 mm壓裂油管4根，Φ55.5 mm工作筒1個，K344-115型封隔器1級，壓裂油管短節2根，井內余下Φ 62 mmN80外加大油管1根，油管短節28 m共10節，K344-115型封隔器6級，大砂量噴砂器5級，Φ62 mm絲堵1個，倒扣時將噴砂器卸開，魚頂為大砂量噴砂器上接頭。因噴砂器中有滑套及鋼球，作業隊處理較為復雜，上大修進行處理。

大修共施工25天，10月23日至30日，經過沖砂、3次打印、7次套銑、11次打撈，共撈出Ф62 mm外加大油管短節3段，封隔器2級，噴砂器1級。10月31日至11月7日，經過沖砂、11次套銑、22次打撈，共撈出Ф62 mm外加大油管短節6段，封隔器2級，噴砂器2級。11月8日至14日，經過沖砂、10次套銑、20次打撈，共撈出Ф62 mm外加大油管短節5段，封隔器2級，噴砂器2級，Ф62 mm外加大尾管1根，絲堵1個。

3.3　事故原因分析

通過作業隊及修井隊的處理過程，分析該井卡管柱的原因。

1)該井設計為坐壓多層管柱，使用K344-115型封隔器7級，壓裂過程中高壓力使封隔器膠筒彈性形變減弱，封隔器不收縮而卡管柱。后續處理過程中證實有兩級封隔器未解封，如圖1所示。

2）處理過程中打撈出的與最上一級封隔器下端相連的油管短節被壓裂砂損傷，從受損程度看應是層間竄槽所致，如圖2所示。壓裂砂留存在作業管柱與套管環空內，導致壓裂管柱被卡活動不開。

3）處理過程中發現最上一級封隔器以上作業管柱與套管環空存砂，壓裂施工過程中套壓平穩，沒有壓竄跡象，分析原因為壓裂施工停止后，封隔器解封，地層壓力高于油套環空壓力，壓裂砂流向壓力較低的油套空間并沉積。

圖1　封隔器未解封圖片

圖2　油管短節損傷圖片

3.4　預防措施

通過對壓裂后卡管柱事故的處理與原因分析，查找井下作業壓裂施工各工序中存在可能造成壓后卡管柱的一些因素，制定預防措施，減少卡管柱事故的發生[5]。

1）封隔器膠筒在多次高壓力下彈性形變減弱，容易不收縮而卡管柱。對于一次性改造層段較多，需要使用較多數量封隔器的井，建議施工單位及時與設計部門聯系，由一趟管柱壓裂改為兩趟管柱壓裂，從源頭上消減封隔器問題帶來卡管柱的風險。

2）壓裂油管及工具下井前應嚴格檢查，油管的本體及絲扣符合下井質量要求，下井工具規格型號、質量符合設計要求，不能有損傷。按照設計進行通井或套管刮削，去除套管毛刺，防止封隔器下入過程中被刮壞。

3）準確丈量壓裂油管長度，嚴格按照設計要求組配壓裂管柱，不允許將改造層段的下封隔器下移，防止壓裂時封隔器頂部沉砂過多，不能徹底替擠到地層中，造成砂卡管柱[6]。

4）事故井處理過程中作業管柱與套管環空內沉砂較多，不排除壓裂后無控制放噴造成地層出砂。壓裂后應按照施工設計保證擴散時間，有利于裂縫閉合及固砂劑的膠結。嚴格使用噴嘴進行放噴，防止快速泄壓，使地層與井筒間的壓差增大，造成地層出砂而卡管柱。

4　結論與建議

減少壓裂后事故井的發生，主要依靠事前預防。每道工序、每個環節應嚴格按照施工設計要求和相關的標準操作，并按照事故井的預防措施進行施工。

1）壓裂后發生砂卡管柱，應用循環洗井或憋放法盡快建立循環通道；循環通道不能正常建立時用大力上提、慢提快放、懸吊管柱的方法活動管柱，迫使油套環空內砂子松動或封隔器收縮解卡。

2）需要進行倒扣解卡時，倒扣之后使用強度更高的鉆桿管柱進行打撈，繼續活動管柱進行解卡，活動管柱解卡無效時，再倒扣解卡。處理過程中，沖砂、打撈、套銑、倒扣往往交替使用，直至解卡。

參考文獻：

[1]俞克東,尤曉東,鞏繼云.封隔器卡鉆事故處理方法探討[J].石油工業技術監督,2013,29（5）：58-60.

[2]羅英俊,萬仁溥.采油技術手冊[M].3版.北京:石油工業出版社,2005.

[3]王勝啟,高志強,曲兆峰,等.井下作業監督案例匯編[M].北京:石油工業出版社,2010.

[4]聶海光,王新河.油氣田井下作業修井工程[M].北京:石油工業出版社,2002.

[5]中國石油勘探與生產分公司工程技術與監督處.鉆井監督手冊(上冊)[M].北京:石油工業出版社,2005.

[6]唐秉祥,吳自強.水力壓裂卡鉆原因分析及解卡方法探討[J].發展,2011(9):144-145.