渤海油田鉆柱松扣關鍵技術

姜 亮，胡晉陽，陳永鋒，許清海，胡秉磊，尹順利

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，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（文中統稱“井內”）的鉆柱由于各種原因不能正常上下移動和正反旋轉等自由活動的井下事故。根據作業種類不同，卡鉆可分為鉆井卡鉆、完井卡鉆和修井卡鉆；根據其發生誘因可分為砂卡、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，學者們以卡鉆事故發生機理為出發點，從多方面進行探索和研究，分別從工具和技術兩方面進行突破，來預防卡鉆事故的發生。工具方面，對具有高風險的入井工具的結構、材質進行改進和研發，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]；統計引發卡鉆事故的多種因素，基于神經網絡，研發出卡鉆預測系統[4]，可提前規避作業過程中的潛在風險點，預防卡鉆的發生。還有學者從優化鉆井液性能、井眼軌跡和鉆具組合等技術措施方面出發，研究出防卡技術措施[5]。由于作業現場地質、工程因素復雜或人為疏忽等原因，卡鉆事故仍會發生。針對鉆井過程中引起砂橋卡鉆和縮徑卡鉆的各種因素，并考慮模糊數學理論和層次分析法，建立了卡鉆事故安全評價與診斷仿真系統[6]，為卡鉆發生后第一時間采取正確有效的處理措施提供了依據；從壓差粘附卡鉆特征和機理出發，提出了相關乳化酸浸泡和降壓解卡技術[7–8]。

雖然越來越多的先進理念和科學技術應用到卡鉆事故預防和處理過程中，但應用效果取決于事故的輕重和復雜程度。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，井眼或井筒廢棄成本非常高。針對渤海油田卡鉆事故發生的主要誘因，研究解卡作業時鉆柱松扣相關技術，對所涉及的工具選擇、鉆具優化和現場操作關鍵步驟以及各項技術的優缺點進行分析，為現場解卡作業提供技術指導。

1 常規解卡方式

卡鉆事故的發生貫穿整個鉆井、完井、修井作業過程，其中以水平井或定向井鉆井時的卡鉆、完井作業時防砂管串卡鉆和大修過程中防砂管柱內中心管的卡鉆最為嚴重。目前，渤海油田常見的地層結構為砂礫巖、泥頁巖等，鉆井時易發生井眼縮徑卡鉆（圖1）、泥包卡鉆（圖2）和鍵槽卡鉆（圖3）。卡鉆事故發生后，采用酸浸泡、大力上提、震擊、大排量循環沖洗等常規解卡手段解卡效果較差。此外，完井作業或大修作業時，因套銑管與井內環空間隙較小、裸眼井段井壁穩定性較差等原因導致套銑卡鉆風險高，若遇卡井段井斜大，鉆柱內的通徑不能滿足長距離電纜輸送化學切割。為了減少作業成本、降低作業風險，合理采用松扣技術是最有效的措施。

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

鉆柱松扣包括倒扣和爆炸松扣。目前對鉆柱松扣技術的研究，多側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，作業時井下鉆柱并不帶有倒扣器，發生卡鉆事故后，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部含有齒輪，對大修作業中的出砂井、注聚井以及防砂管柱內中心管的解卡并不適用。

2.1 倒扣技術

倒扣是處理卡鉆事故及打撈井下落魚的關鍵技術[10–11]，根據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：基于胡克定律的數學公式法和下電纜測卡儀電測法。由于井內測井儀器或服務工具昂貴，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學公式法來測定卡點深度。

2.1.1 反扣鉆具倒扣技術

卡鉆事故發生后，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盤驅動或頂驅驅動方式均為正轉，故反扣鉆具倒扣技術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，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（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。倒扣打撈作業時，只要不超過打撈鉆具的安全系數即可，且倒扣扭矩大，成功率高，缺點是反扣打撈工具抓住落魚后，由于井口動力驅動源如方鉆桿、頂驅等常為右旋螺紋，若倒扣不成功，工具脫手較為困難，該技術適用于油管、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雜。

（2）若井內落魚出現砂埋，則不宜使用倒扣器，倒扣作業時應避免大負荷上擊作業。

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

（4）倒扣作業前需確定卡點位置，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。

（5）倒扣時，逐圈緩慢反轉鉆柱，若倒扣扭矩較大且反轉圈數與回轉圈數差值較小，可適當上下活動鉆柱以傳遞扭矩，若扭矩逐漸降低，重復上述步驟繼續倒扣和傳遞扭矩，期間可根據上提懸重、扭矩及泵壓等參數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，當該值超過鉆柱上扣扭矩的80%時，打撈工具難以脫手，甚至導致更多鉆具或工具落井；

2.1.2 正扣鉆具倒扣技術

無論海上油田還是陸地油田，作業時很少備有反扣鉆具，當卡鉆事故發生后，大多數情況需使用原鉆柱進行倒扣后，再根據井況制定下步計劃。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（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。該技術節約資源、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，缺點是倒扣作業時鉆柱倒開風險較大；不宜用于大斜度井、井眼軌跡復雜的井。

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注意事項：

（1）倒扣作業前，須了解卡點及其以上的井斜和井眼軌跡復雜程度等參數，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。

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

（3）倒扣過程中，可根據上提懸重、泵壓變化和復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。

（5）倒扣成功起鉆時，應鎖緊轉盤，防止鉆柱正轉，從而導致打撈工具脫手，落魚再次落井。

2.2 爆炸松扣技術

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，采用爆炸松扣技術效果較好。

爆炸松扣是在被卡鉆柱施加反扭矩時，在鉆柱內下入導爆索，利用火藥爆炸瞬間產生的彈性勢能，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，應注意事項如下：

（1）根據鉆柱上提懸重，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的中和點，并施加正向扭矩逐段緊扣，緊扣扭矩最大值應小于井內鉆柱最弱點抗扭強度的80%。

（2）將工具串下至預設位置，對鉆柱施加反向扭矩，期間可通過上下活動將反轉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設位置；若炸點位置井斜及摩阻較大，可采取每反轉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圈數見表2。

表2 不同尺寸鉆柱所轉圈數數據表

3 結論

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

（2）反扣鉆具倒扣打撈技術倒扣扭矩大、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、井眼軌跡復雜的井。

（3）爆炸松扣技術適用于井斜和狗腿度大以及井眼軌跡復雜的井，該技術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。