定向井卡鉆類型分析與解決對策

劉功波

摘 要：定向井施工中由于井下情況的復雜性以及定向井技術還欠完善， 卡鉆事故經常發生。 處理卡鉆事故需要很長時間， 鉆井周期將被延誤， 嚴重時可能使該井報廢。預防卡鉆首要工作是必須維持鉆井液循環暢通；保持鉆柱完整；不能把鉆具連接螺紋扭得過緊。另外， 在現場施工中， 應清楚各工藝流程及參數， 以預防為主， 遵循安全、 快速、靈活、經濟原則。3） 事故發生后處理措施要得當。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。

關鍵詞：定向井施工； 卡鉆；典型類型； 預防方法；處理措施

定向鉆井作為一種新的鉆進技術得到了迅速發展。本文總結了定向井鉆井中容易發生卡鉆典型類型， 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， 提出了相應預防方法和處理措施， 為定向井施工提供借鑒。

1 鍵槽卡鉆

在定向鉆進中， 鉆具會對接觸到的井壁產生劇烈摩擦。 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力， 使起下鉆受阻， 同時鉆具轉動力矩也增大。經多次起下鉆， 井眼就會拉出鍵槽， 鉆具嵌入鍵槽就會導致卡鉆。 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） 通常發生在井身質量差， 全角變化率大的井段。b） 只發生在起鉆過程， 且卡點固定。c） 鉆桿接頭偏磨嚴重。d） 開泵循環正常。e） 啟動轉盤困難， 但只要下放鉆柱脫離鍵槽則轉動自如。

1.2 預防措施 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） 用套管封易產生鍵槽井段。c） 起鉆遇阻， 絕不能強提， 應反復上下活動，轉動方向；活動無效， 應倒劃眼。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， 用泵壓產生脈動， 使鉆具產生抖動以解卡。 b） 用下擊器下擊或采用套銑解卡。c） 如果鍵槽處地層為石灰巖、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， 會貼靠井壁一側并粘附于井壁上， 使鉆具運動困難而發生壓差卡鉆。

2.1 發生條件

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。當重力分力 P 1 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

在這個壓差作用下， 鉆具緊緊壓向井壁，當鉆具上下運動或旋轉時， 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；若轉盤轉動時， 轉盤扭矩M 小于鉆具與井壁摩阻力 F ， 則鉆具不能轉動， 此時鉆具完全卡死。

2.2 特點：a） 鉆具在井內一旦靜止， 即有可能發生卡鉆。 b） 鉆具既不能轉動也不能上提下放， 活動范圍較小或根本不能活動。 c） 雖然發生卡鉆， 但泥漿循環通暢， 泵壓也不升高。

2.3 影響壓差卡鉆的因素

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。泥餅越厚， 則鉆具嵌入越深， 接觸面積越大。特別是在修設備、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， 此時發生卡鉆的可能性也增大。b） 泥漿密度越高， 泥漿液柱壓力越高， 壓差越大， 則卡鉆越易發生。 在使用高密度泥漿的深井或超深井， 壓差作用明顯， 應通過優化加重泥漿的密度來降低壓差。c） 泥餅摩擦因數越大， 則鉆具與井壁間的擠壓力越大， 鉆具發生卡鉆的可能性越大。故應保證泥漿的清潔凈化， 泥餅應薄而致密， 另外應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， 則越容易發生卡鉆。

3 沉屑卡鉆

在定向井鉆進中一旦鉆具靜止， 孔內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， 單位時間內產生的鉆屑也越多； 若動力鉆具排量受限， 泥漿粘度較小， 懸浮鉆屑效果較差，則會導致鉆屑返排困難； 此時若鉆具發生靜止， 例如進行測斜作業或接單根等， 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生卡鉆。預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

定向井井壁失穩發生坍塌掉塊， 塊狀物或顆粒物會在造斜點或井底堆積， 在造斜點會發生類似于架橋方式卡鉆， 在井底則會發生類似于沉屑方式卡鉆。 井壁失穩坍塌原因。 a） 地質方面的原因。地應力聚集一旦超過巖石本身的破裂強度， 井身巖石則會發生破裂掉塊； 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， 隨之發生井壁坍塌。 b） 井身巖體物理化學方面的原因。 蒙脫石含量高的泥頁巖易發生吸水膨脹， 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。泥漿液柱壓力小于地層壓力易導致孔壁坍塌； 起下鉆過快所導致的壓力激動也是地層坍塌的一個重要原因。預防方法是選取恰當的泥漿， 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；泥漿循環排量不可過大。 若發生坍塌， 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， 在鉆桿與井壁之間的環隙上卡住， 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， 在另一側則形成較大的環空間隙， 且越接近于鉆頭， 環空間隙越小。 落物下降直至進入環空尺寸與落物本身尺寸大小處即發生卡鉆。 為避免落物進入井中， 鉆探施工中孔口處應有相應的防護設施。 一旦落物進入井內， 可用邊震動邊強力起拔的方法提鉆， 另外還有相應的打撈裝置對落物進行打撈。

參考文獻：

[1]吳翔， 楊凱華， 蔣國盛. 定向鉆進原理與應用[M]. 武漢： 中國地質大學出版社， 2015.