卡钻-中文版-麦克巴泥浆手册.doc

卡钻（Stuck Pipe）译自麦克巴钻井液手册Copyright by 郝惠军 2011.10.14 于苏20K-P1井简介卡钻是常见的钻井复杂之一，卡钻不但能够造成钻井成本升高，甚至会导致埋钻具或失返性漏失等事故。大部分卡钻事故发生后，通常会在落鱼附近侧钻新井眼。卡钻的预防和处理方法取决于其产生的原因。因此，为了预防和正确有效的处理卡钻，了解各种不同的卡钻成因和现象非常重要。一旦钻具被卡，各种处理措施必须立刻实施，实施的越快，解卡的可能性越大。既然解卡的措施因卡钻的原因而定，因此尽可能早的判断出卡钻的原因是解卡的关键。通常钻具被卡的原因主要分为两种：机械式和压差式。机械式卡钻是由物理性的堵塞造成的。压差式卡钻是由过平衡的泥浆液柱压力产生的压差作用在钻具上，把钻具压在由渗透性地层形成的泥饼上面造成的。机械式卡钻通常发生在钻具活动时，通常伴随着循环困难，但偶尔也会出现即使发生了机械式卡钻，还是可以小范围的活动钻具。压差式卡钻通常在钻具静止时发生，比如接单根或测井，发生压差卡钻后，钻具不能上提下放和旋转，但通常可以建立循环。机械式卡钻可以主要分成以下两类：1 井筒堵塞2 井眼不规则井筒堵塞的原因主要有：l 沉砂l 页岩失稳l 破碎性地层l 水泥块或掉落物井眼不规则的原因主要有：l 键槽l 小井眼l 钻具结构刚性太强l 蠕变性地层l 台肩和狗腿l 套管挤毁压差式卡钻产生的原因主要有：l 高过平衡压力l 虚厚泥饼l 高固含l 高泥浆密度第一部分 卡钻产生的机理和预防措施一、机械式卡钻（一）井筒堵塞1、沉砂当岩屑不能从井底清除时，会沉积在井底，并粘附在钻具上，把钻具包裹起来（图1）。这种情况通常发生在环空返速低的大井眼部分。在斜井段，岩屑在井眼的低边沉积从而堵塞井眼。导致岩屑沉积的主要原因有：l 排量跟不上钻速，导致了岩屑产生的速度大于岩屑上升的速度。l 排量不足。l 泥浆的携岩能力不足。l 大井斜段携岩更加困难，更容易形成岩屑床，难以清除。l 地层垮塌。l 起钻或接单根前没有充分循环清除岩屑。当停泵后岩屑会沉积在钻具上导致卡钻。l 强钻（地面不返浆）时岩屑返不出地面。l 突然出现的不返浆。一些主要的发生沉沙的现场特征：l 接单根或短起后钻头不到底。l 振动筛上返出的岩屑量明显小于根据井眼大小和钻速估算的岩屑量。l 钻进时扭矩和泵压升高。l 起钻时拉力升高。l 低密度固相含量升高，泥浆密度和（或）粘度升高。沉砂卡钻的预防措施：l 根据井眼尺寸、钻速和井斜，保持合理的泥浆流变性。l 在近直井段，用高粘泥浆清理井眼；在大斜度井段，用低粘或高粘泥浆段塞清理井眼；要一直把段塞循环出来，直到振动筛无岩屑为止。l 根据井眼尺寸、井斜和钻速采用合理的水利参数；通常排量越大越能保证井眼清洁。l 在井眼清洁的基础上控制尽量高的钻速。l 使用水力喷射等设备提高清洁效率。l 勤做短起下。l 使用动力钻具，以最大排量循环干扰破坏岩屑床，反复冲刷使其形成层流，难以沉积。2、页岩失稳页岩失稳垮塌后填塞井眼。（1）水敏性页岩。这些页岩在泥浆抑制性不足的情况下易水化膨胀导致垮塌（图2）。钻遇水敏性页岩特征是泥浆的漏斗粘度、动切力、静切力和坂含都有所升高，并且泥浆密度也有可能升高。这些情况也反应在扭矩、拉力和泵压变大。（2）应力敏感性页岩。影响这些应力敏感性页岩的主要因素有盖层压力、原始应力、沉积角度和构造应力。当泥浆密度不足以平衡页岩的坍塌压力时，便会发生垮塌（图3）。3、破碎断裂性地层这些是硬脆性坍塌地层，这些地层坍塌通常发生在其沉积角度较大时（图4）。大量易坍塌的块状页岩在欠平衡下会掉块垮塌，随之泵压、拉力和扭矩也会上升。在钻遇破碎地层前应转换成强抑制泥浆体系，调整泥浆密度压稳地层。为了平衡机械应力，斜井比直井需要更高的泥浆密度。虽然套管设计的首要因素是保证钻井安全，但是必要时可调整井深结构把复杂地层封固。毋庸置疑，合理的泥浆性能是保证井眼清洁的关键。一旦垮塌发生，应立刻做出反应：1停钻2高粘泥浆洗井3提高泥浆粘度增强携岩能力4提高泥浆密度5完善钻井措施，提高携岩能力，减少卡钻可能性。4、不整合地层。这种地层是不能仅靠过平衡来稳定的。比如不整合砂层和砾岩层。问题经常发生在当泥饼不够致密时，不整合砂层会“流进”井筒内，填埋钻具（图5）。通常这种类型的地层多见于浅层或产层。扭矩和拉力增大是发生这种问题的现象。还有一种现象就是固控设备因为固相过多而过载，而钻速并不快时。钻遇这些地层时，泥饼质量必须要好，能够帮助液柱压力作用在井壁上稳定地层。可以加入随钻封堵材料，有助于封堵地层而且能增强泥饼结构强度。为了避免对泥饼的破坏，避免过高的排量和任何不必要的划眼。用高粘泥浆清理井眼，保证井眼清洁和形成泥饼。5、水泥块或落鱼。当水泥块或落鱼掉进井筒内时，会卡在钻具的边缘。这种情况通常会发生在套管鞋处水泥石不稳，或裸眼段水泥塞掉落的水泥块（图6）。另一种水泥卡就是插旗杆（图7）。金属落鱼卡（图8）。预防措施：l 足够的侯凝时间l 与邻井保持足够的距离l 在理论塞面上至少两根开泵，边冲边下。l 固井后下钻时如果见到坐封负荷时，在开泵循环之前提起两根。l 替完浆后清理钻具内水泥浆。l 井筒内无钻具时将井口覆盖l 保证钻机设备运行正常。（二）井眼不规则机械式卡钻的第二种类型是井眼不规则。井径和井斜角与钻具组合的几何尺寸、刚性有关。通常，井斜角或方位变化越大，机械卡钻的风险越大。“S”形井眼由于提高了摩擦力和拉力，导致了机械卡钻的风险更大。井眼不规则的影响因素主要有以下方面：1、键槽键槽主要产生于钻具对狗腿处内侧地层的摩擦。钻具被其本身旋转和移动产生的弹性形变压在井壁上，只能在很窄的槽内移动。狗腿段越长，狗腿度越大，侧边载荷越大，键槽形成的就越快（图9）。键槽卡钻通常发生在当钻具被拉进键槽的窄缝时，因此只有在钻具活动时才会发生键槽卡钻。发生键槽卡钻后紧接着就又演变成压差卡钻，键槽卡钻通常可以通过震击器解开，尤其是在上提时。2、小井眼研磨性强的地层不但磨损钻头，而且钻头和扶正器保径变小后导致小井眼。一只钻头在这种地层钻进时间过长导致小井眼出现，下入满眼钻具是在小井眼卡钻的主要原因（图10）。3、刚性钻具组合。柔性钻具组合打出井眼后起出，井眼轨迹较直，但是当下入刚性钻具组合后新钻的井眼就像“小井眼”。弹性钻具组合能够像蛇一样在狗腿处弯曲，但是刚性的却不行。因此刚性钻具在造斜段或方位变化较大的井眼中易发生卡钻（图11）。4、蠕变性地层上覆岩层压力或构造力挤压塑性盐层或软泥页岩进入到井眼内，把钻具卡在小井眼中。应力的大小取决于蠕动速率，且其大小还随着区块的变化而不同，但是通常来讲，2000m以下的地层，和121以上的盐层其挤压应力非常大（图12）。5、台肩和小狗腿这些形成于硬/软相间的地层。软地层被抑制性差泥浆冲蚀，产生扩径，但是硬地层没有被冲蚀。特别是在造斜率较大的井段上提钻具时，扶正器侧翼容易卡在台肩或小狗腿中（图13）。6、套管挤毁。套管挤毁后会把钻具卡住。当地层的坍塌压力大于套管抗挤强度时，套管会被挤毁。这种情况多发生于塑性蠕变的地层。盐层在压力和温度的作用下会发生塑性形变从而挤毁套管。如果套管没有被固好，底部套管的接头会由于钻具的旋转而倒开。如果发生这种情况，倒开扣的下部套管会落入井中卡住钻具（图8）。（三）结论与建议建议采取以下措施来降低井眼不规则造成卡钻的风险：l 如果可能产生键槽时，用键槽扩眼器扩眼。l 如果钻遇研磨性地层时，使用带硬质合金的扶正器和钻头。l 每次旧钻头和扶正器入井前测量直径。l 每次起钻之前划眼一根或一柱至井底。l 优化钻具组合设计和刚性。l 下入刚性钻具之前先划眼。l 如果钻遇蠕变地层，使用欠饱和盐水泥浆清洗盐层段，或使用高密度泥浆平衡蠕变压力。l 使用PDC钻头打盐层，勤划眼。l 在盐层下高抗挤强度的套管。l 在大段盐层可下入内尾管增强套管抗挤强度。l 使用油基泥浆或合成基泥浆钻盐层可保证井径大小不变，因此可保证固井质量。l 钻具通过造斜点和狗腿时减慢下钻速度。l 尽量减小狗腿度和方位变化。l 避免在软硬相间地层长时间循环泥浆，防止出现小狗腿。二、压差式卡钻压差卡钻的定义是泥浆液柱压力和地层压力之间的差值作用在钻具上，把钻具压在由渗透性地层形成的泥饼之上所形成的卡钻。许多卡钻都可以归类为压差卡钻，其中有的也叫“粘卡”。压差卡钻通常发生在钻具静止时，比如接单根或测井，卡后可以开泵循环，但不能上下活动或转动钻具。要发生压差卡钻，必须满足以下两个条件：a) 泥浆静液柱压力必须大于地层压力；b) 必须是渗透性地层。图14说明了压差卡钻的机理。在这个例子中，压差是3.5MPa（500psi）。在A图中，钻具居中的话是不会卡的，压差均匀地作用在各个方向。在B和C图中，钻具贴在一侧井壁的泥饼上，形成卡钻。从C图中可以看出，液柱压力穿过泥饼和钻具的接触面，这个压力把钻具紧紧的压在井壁上。图上的虚线段ab代表了接触面的大小，其大小取决于钻具进入泥饼的深度、井眼尺寸和钻具的外径。钻具埋入泥饼的深度与泥饼的厚度有关，泥饼的厚度则取决于跟泥浆中的固相含量和滤失量。在这个例子中，每平方英寸有500磅的压力。如果一个20英尺长、直井6英寸的钻具在7 5/8英寸的井眼中，埋入深度1/8英寸，ab线段长3.75英寸，则压差计算为：(500 psi) (3.75 in.) (20 ft) (12 in./ft) = 450,000 lb（204.3t）为了计算能够解卡的垂直拉力，这个压力值还要乘以摩阻系数。摩阻系数在水基泥浆中为0.20.35，油基中为0.10.2.在这个例子中，真正解卡所需拉力为45,000 lb（20.4t，摩阻系数为0.1的情况下）。预防措施l 所有的压差卡钻条件是不可能被完全消除的，但是可以通过以下措施把风险尽量减少：l 尽可能的走泥浆密度下限。l 减少钻具和井壁的接触面积，在满足钻压、轨迹的要求下，尽可能少使用钻铤。l 为了减少接触面积，使用小螺旋钻铤，再通过加重钻杆和扶正器补足钻铤的重量。l 减小泥饼厚度。可通过降低滤失量和固相含量实现。l 保持低滤失量。l 控制钻速，以限制钻屑和密度的升高。l 尽量降低泥饼摩阻系数。l 保持钻具始终活动。l 下震击器。l 注意低压地层，这种地层经常发生压差卡钻。可在泥浆中加入随钻封堵材料，例如超细等。低压地层必须在井身结构上专打。第二部分 卡钻情况的判断卡钻通常是可以解卡的。但是第一时间判断卡钻的原因是关键。1当下钻时，钻头未出套管鞋就被卡l 如果能循环，可能是套管被挤毁；l 如果不能循环，而且泥浆中有大量水泥，很有可能是水泥卡或被水泥污染的泥浆卡。2当下钻时，钻头进入裸眼（钻具一直在活动）时卡，但钻具可以转动l 如果卡在井底，而且钻具上提和下放都遇阻，说明很有可能被卡在键槽中。能循环但是泵压高。l 如果卡在近井底处，很肯能是小井眼或狗腿。能循环但泵压高。l 如果不能循环，泥浆中有水泥污染，很肯能还是水泥卡。3如果在接单根或测井时卡l 如果钻具能转动并能高泵压循环，说明可能是岩块、水泥块或落鱼卡。l 如果钻具不能转动但能正常循环，有可能是压差卡钻。4当压井时发生卡钻，很可能是压差卡。5当起钻时卡钻，可以转动，可以循环，小幅度活动钻具，有可能是落鱼卡。6当起钻时突然卡钻，不能上提下放，但能正常循环，而且通常能转动，可能是键槽卡。