第十章钻井事故的预防及处理.docx
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第十章钻井事故的预防及处理
第十章钻井事故的预防及处理
卡钻就是钻具失去了活动的自由，既不能转动又不能上下活动，这是钻井过程中常见的井下事故.卡钻可以由各种原因造成，如粘吸卡钻、坍塌卡钻、砂桥卡钻、缩径卡钻、键槽卡钻、泥包卡钻、干钻卡钻、落物卡钻、水泥固结卡钻等.各种卡钻产生的机理不同，处理的方法也各异.所以当卡钻事故发生后，首先要弄清卡钻的性质，要像医生看病一样，通过各种现象及可获得的各种信息查出病因，才能对症下药.
卡钻总是发生在钻进、起钻、下钻三个不同的过程中.为了叙述方便起见，我们把各个工序中发生的各类卡钻事故的诊断方法以简明的表格形式列举出来，如表1-1.表1-2.表1.3所示.它可以帮助现场工作人员准确地判明卡钻的性质，同时也可以据此制成计算机软件，进行辅助判断.
表1-1钻进时发生卡钻事故的诊断
判据
运行状态
卡钻类型
粘吸
坍塌
砂桥
缩径
泥包
干钻
落物
卡钻前各种显示
钻进中显示
跳钻
A1
憋钻
A1
A1
A1
A2
扭矩增大
B
B
A2
A2
A2
A3
钻具上下活动时显示
上提有阻短距离内阻力消失
A
上提一直有阻阻力忽大忽小
A
A
A
上提一直有阻阻力越来越大
A
A
下放有较大阻力
B
B
下放有较小阻力
B
泵压显示
泵压正常
B
B
B
泵压逐渐上升
A1
A1
A
A1
A1
泵压逐渐下降
A2
A2
泵压波动忽大忽小
A2
A2
钻井液井口返出量显示
进出口流量平衡
B
B
B
B
B
井口返出量减少
A1
A1
井口不返钻井液
A2
A2
机械钻速变化
机械钻速急剧下降
A
A
机械钻速缓慢下降
A
钻屑显示
返出量增多且有大量坍塌物
B
B
销屑返出量减少
B
B
B
卡前钻具运行状态
钻具静止时间较长遇卡
A
钻具在上下活动中遇卡
A
A
A1
钻具转动中遇卡
A
B
A
A2
初始卡点位置
在钻头附近
A
A
A
A
在钻铤和钻杆上
A
A
A
泵压显示
泵压正常
A
A
A
泵压上升
A
A
泵压下降
A
A
井内循环状
可以正常循环
B
B
B
B
可以小排量循环
A1
A1
A1
井口不返失去循环
A2
A2
A2
注：
1．A项为充分条件，据此可为卡钻事故定性.
2．B项为必要条件，可以帮助判断.
3．角码1，2表示两项可同时存在，也可能只有一项存在.
表1-2起钻时发生卡钻事故的诊断
判据
运行状态
卡钻类型
粘吸
坍塌
砂桥
缩径
键槽
泥包
落物
卡钻前各种显示
钻具运行显示
钻柱静止时间较长
A
钻柱上行突然遇阻
A
A
A
钻柱在一定阻力下可以上行
A1
A1
A
上起遇阻而下放不遇阻
A
A
A
上起遇阻下放也遇阻
A2
A2
B
循环活动正常停泵就有阻力
A2
A2
无阻力时转动正常
B
B
B
无阻力时转动不正常
B
B
A
井口显示
钻柱上行环空液面不下降
B
B
B1
钻井液随时钻柱上行返出井口
B2
钻柱内孔反喷钻井液
A
卡钻后各种显示
初始卡点
在钻头附近
A
A
A
在钻铤顶部
A
在钻铤或钻杆部位
A
A
A
循环时泵压显示
泵压正常
A
A
A
A
泵压下降
B
泵压上升
A1
A1
B
憋泵
A2
A2
井口显示
钻井液进出口流量平衡
A
A
A
B
A
井口返出液量减少
A1
A1
井口不返出钻井液
A2
A2
注：
1．A项为充分条件，据此可以判定卡钻类型.
2．B项为必要条件，可以帮助判断.
3．角码1，2表示两项可同时存在，也可能只有一项存在.
表1-3下钻时发生卡钻事故的诊断
判据
运行状态
卡钻类型
粘吸
坍塌
砂桥
缩径
落物
卡钻前各种显示
钻柱运行显示
钻柱静时间较长
A
下行突然遇阻
A
下行不遇阻上行遇阻
A
下行遇阻上行也遇阻
A1
A1
下行遇阻阻力越来越大
A2
A2
下行遇阻阻力点相对固定
B
下行遇阻阻力点不固定
B
B
循环时可下行停泵有阻力
A3
A3
无阻力时转动正常
B
无阻力时转动不正常
B
B
A
井口显示
下钻柱时井口不返钻井液
A1
A
钻柱内孔反喷钻井液
A1
B
卡钻后各种显示
初始卡点位置
在钻头附近
A
A
在钻铤或钻杆上
A
A
A
循环泵压变化
泵压正常
B
B
B
泵压上升
A
A
钻井液井口返出情况
钻井液进出口流量平衡
A
A
A
钻井液出口流量减少
A1
A1
井口不返钻井液
A2
A2
注：
1.A项为充分条件，据此可以判定卡钻类型.
2．．B项为必要条件，可以帮助判断.
3．角码1，2，3表示其中一项存在即可作为主要判据，也可能有其中两项同时存在的情况.
在卡钻事故中，粘吸卡钻算是最简单的一种.但在一种卡钻事故发生之后，往往又会诱发另一种卡钻.如在缩径卡钻、键槽卡钻、落物卡钻发生之后，由于钻柱失去了自由活动的能力，又会发生粘吸卡钻.粘吸卡钻发生之后，由于处理不当，又会诱发坍塌卡钻.所以在一种卡钻发生之后，要采取适当的措施防止另一种卡钻的发生，致使其形成复合式卡钻，这样处理起来就增加了难度.
当卡钻事故发生之后，首先要考虑的问题是为顺利解除事故创造条件.
（1）必须维持钻井液循环畅通
要防止钻头水眼或环空堵塞.因为一旦循环失灵，就失去了注解卡剂的可能，也很容易诱发井塌和砂桥的形成，而且如想从钻杆水眼内下爆炸松扣工具也很难下到预定位置.
（2）要保持钻柱完整
因为如把钻柱提断或扭断，断点以下的钻柱便失去钻井液循环，由于钻屑和井壁塌落物的下沉，有可能堵塞钻头和钻柱水眼，或者在环空形成砂桥.同时如果鱼顶正好处于大井径位置，打捞钻具时，寻找鱼头也非常困难.
（1）不能把钻具连接螺纹扭得过紧
任何卡钻事故的发生，都有可能走到套铣倒扣的那一步，如果扭力过大，一则可能使母螺纹胀大损坏，使钻具从中间脱开.二则扭力过大，造成了倒扣的困难，必然要迫使你去做许多无效的工作，甚至使事故无法继续处理下去.
计算限制扭转圈数的公式如下：
N=
（圈）
（1-1）
式中N----限制扭转圈数
H----卡点深度，即卡点以上钻柱长度，m；
D----卡点以上钻柱外径，cm；
G-----剪切系数，8*104MPa；
---限制剪切力，
=
，
；
----钢材屈服强度，
；
----钻柱危险断面处所受的实际拉应力，
；
q------钻柱在钻井液中的重量.N/m；
F----管体切面积，cm2；
S---安全系数，取1.5
现将常用的API标准钻杆限制转数列于表1-4，国产钻杆的限制扭转圈数列于表1-5，供现场工作人员使用参考.
表1-4API钻杆限制扭转圈数
钢级
外径mm
自由钻柱长度，m
1000
2000
300
4000
5000
6000
7000
S135
60．3
21．0
42．0
62．0
80．0
97．0
111
121
73．0
17．0
34．0
51．0
66．0
79．5
91．0
99．7
88．9
14．0
28．0
41．8
54．0
65．0
74．8
81．8
102
12．5
24．7
36．6
47．0
57．0
65．5
71．5
114
11．0
22．0
32．5
42．0
50．8
58．0
63．5
127
10．0
19．7
29．0
38．0
45．7
52．3
57．3
140
9．00
17．9
26．5
33．7
41．5
47．6
52．0
168
7．50
14．9
22．0
28．0
34．5
39．5
43．2
G105
60.3
16．4
32．3
47．0
59．8
70．0
76．3
77．2
73.0
13．5
26．5
38．6
49．2
57．5
62．7
63．4
88.9
11．1
21．8
31．7
40．5
47．2
51．5
52．0
102
9．70
19．0
27．9
35．4
41．5
45．1
45．5
114
8．60
16．9
24．8
31．5
36．9
40．0
40．5
127
7．80
15．2
22．3
28．3
33．2
36．0
36．5
140
7．00
14．0
20．0
25．7
30．2
32．7
33．5
168
5．80
11．6
16．7
21．3
25．1
27．2
27．5
X95
60．3
14．8
28．9
41．7
52．7
60．0
63．3
59．2
73．0
12．2
23．9
34．5
43．5
49．7
52．3
48．8
88．9
10．1
19．6
28．3
35．7
40．8
42．9
40．1
102
8．80
17．2
24．8
30．9
35．7
37．5
35．1
114
7．90
15．2
22．0
27．5
31．7
33．4
31．2
127
7．10
13．7
19．8
24．5
28．6
30．0
28．0
140
6．40
12．5
18．0
22．5
26．0
27．3
25．5
168
5．30
10．4
15．0
18．7
21．6
22．7
21．2
E
60．3
11．6
22．4
31．5
38．0
39．2
31．7
73．0
9．60
18．5
26．0
31．4
32．4
26．0
88．9
7．90
15．2
21．4
25．7
26．6
21．5
102
6．90
13．3
18．7
22．5
23．3
18．8
114
6．10
11．8
16．6
20．0
20．7
16．7
127
5．50
10．6
15．0
18．0
18．6
15．0
140
5．10
9．70
13．6
16．3
16．9
13．7
168
4．20
8．00
11．3
13．6
14．0
11．3
D
60．3
8．40
15．7
20．5
20．5
73．0
7．00
13．0
16．9
17．0
88．9
5．70
10．7
13．9
14．0
102
5．00
9．30
12．1
12．2
114
4．50
8．30
10．8
10．9
127
4．00
7．50
9．70
9．80
140
3．60
6．80
8．80
8．90
168
30．.
5．60
7．30
7．40
使用时要注意：
1本表所列数据为一级钻杆的限制扭转圈数，如使用的是二级钻杆、三级钻杆，情况就比较复杂，由使用者作适当的调整.
2当大钩悬重等于自由钻具在钻井液中的重量时，式（1-1）有效.
3当大钩悬重小于自由钻具在钻井液中的重量时，式（1-1）可以应用，但受压部分钻具的限制扭转圈数要适当减少，因为受压部分钻具与井壁摩擦，扭矩不容易传下去.
4当大钩悬重大于自由钻具在钻井液中的重量时，不能应用式（1-1），而应将式（1-1）改写为：
（1-2）
式中W为大钩悬重（
），其他符号与式（1-1）同，此时不能应用表1-4、表1-5所列数据，而应按式（1-2）进行计算.
5有些钻井手册，把式（1-1）简化为N=KH，称K为扭转系数.我们知道，式（1-1）是一个曲线方程，而N=KH是一个直线方程，简化后，将会导致很大的错误.从表1-4、表1-5中我们也可以发现，井越深，负荷越大，这种误差也越大.
表1-5国产钻杆限制扭转圈数
钢级
外径mm
自由钻柱长度，m
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
D75
60．0
16．7
32．8
47．8
63．6
71．5
78．3
80．0
73．0
13．7
27．0
39．3
52．3
58．8
64．4
65．7
88．9
11．2
22．1
32．2
42．9
48．2
52．8
53．9
102
9．80
19．3
28．1
37．4
42．0
46．1
47．0
114
8．80
17．3
25．1
33．5
37．6
41．2
42．1
127
7．90
15．5
22．6
30．0
33．8
37．0
37．8
D65
60．0
14．4
28．3
40．6
51．1
58．0
60．1
54．4
73．0
11．9
23．2
33．4
42．0
47．7
49．5
44．7
88．9
9．70
19．0
27．4
34．5
39．1
40．5
36．7
102
8．50
16．6
23．9
30．0
34．0
35．4
32．0
114
7．60
14．8
21．4
26．9
30．5
31．7
28．6
127
6．80
13．3
19．2
24．1
27．4
28．4
25．7
D55
60．0
12．0
23．6
33．3
40．6
43．1
38．1
73．0
10．0
19．4
27．4
33．4
35．4
31．3
88．9
8．20
15．9
22．5
27．4
29．0
25．7
102
7．00
13．9
19．6
23．9
25．3
22．4
114
6．40
12．4
17．5
21．4
22．7
20．0
127
5．70
11．1
15．7
19．2
20．4
18．0
第一节粘吸卡钻
粘吸卡钻，有人也叫压差卡钻，是钻井过程中最常见的卡钻事故（图1-1）.最容易卡住的是钻铤，由于钻具失去了活动的自由，卡点可以逐渐上移，直至套管鞋附近.
一．粘吸卡钻的原因
井壁上有滤饼的存在是造成粘吸卡钻的内在原因，因为大多数钻井液是固、液两相流体，或者是固、液、气三相流体，其中的固相颗粒附着在井壁上就形成了滤饼.有人认为滤饼是由于钻井液的滤失造成的，没有滤失量就不会有滤饼，基于这种思维.他们总认为钻井液在砂岩中的滤失量大，才会形成滤饼，粘吸卡钻只能发生在砂岩发育井段.其实不然，在裸眼井段内，不但砂岩有滤饼，泥页岩也有滤饼，而且要比砂岩井段的滤饼厚得多.这是因为滤饼的形成有三种原因：
第一是吸附，钻井液中的固相颗粒吸附在岩表面，无论砂岩、泥岩都有这种特性.第二是沉积，钻井液在流动过程中，靠近井壁的流速几科等于零，钻井液中固相颗粒便沉积在井壁上.泥页岩井段的井径要比砂岩井段的井径大得多，沉积作用更为显著，所以泥页岩井段容易形成厚滤饼.第三是滤失作用，它加速了钻井液中固相颗粒在渗透性岩层表面的沉积.同时我们也注意到，泥页岩虽然滤失性小，但它是亲水物质，可以被水浸润，只要是水基钻井液，即使滤失量等于零，这个浸润过程也无法停止.由于泥页岩含有大量的微细裂纹，这些微细裂纹有些是地应力造成的，有些是在钻头破碎岩石的过程中造成的，一旦泥页岩表面被水浸润之后，在这些微细裂缝中形成一层吸附膜，可以发生有效的分裂作用，降低泥页岩的坚固度而促使它破碎、剥落，所以泥页岩井段的井径大多大于钻头直径.但在泥页岩相对稳定之后，由于水的浸润，泥页岩表面的分子、原子或离子表现出极性，具有未平衡的自由的一部会力场，这部分力场的方向指向钻井液，能够吸附钻井液中的大量的带异性电荷的粒子.在吸附平衡建立之前，吸附物在钻井液中的浓度逐渐变小，而在泥页岩表面上的浓度逐渐加大.如果增大钻井液中的某些粒子的浓度，也就增大它们在单位时间内吸附到泥页岩表面的数目，这是一个累积的过程.加之，又在钻井液液柱压力和钻柱旋转动力的作用下，吸附层的一部分水分被挤回钻井液中，井辟上就形成一层比较厚的成分比较复杂滤饼，这些滤饼的性能比砂岩井段的滤饼更差.由此我们可以得出结论，只要有滤饼存在，就有粘吸卡钻的可能.砂岩井段可以卡钻，泥页岩井段也可以卡钻.无数的现场事实证明，这个结论是正确的.不过，泥页岩井段的井径往往是不规则的，和钻柱的接触面积比较少，所以粘吸卡钻的机会比较少一些.
地层孔隙压力和钻井液液柱压力的压差存在，是形成粘吸卡钻的外在原因.外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用.把粘吸卡钻称之谓压差卡钻是本末倒置的说法.在同一裸眼井段中，地层的孔隙压力梯度不会是同一的，而钻井液液柱压力总是要平衡该井段中的最高地层孔隙压力，对那些压力梯度相对低的地层必然会形成一个正压差.如此说来，压差是不可避免的，压差卡钻也是不可避免的了.但是某些类型的钻井液如油基钻井液在同样大的压差下却不卡钻，这是因为它的内因不同罢了.
当然，我们并不忽视压的作用，压差可使粘吸卡得更结实，它起到雪上加霜的作用.当钻柱被井壁滤饼粘吸之后紧靠井壁一边，钻柱的一侧（粘吸面上）所受的是通过滤饼传来的地层孔隙压力，另一侧所受的是钻井液液柱压力，如果后者于前者，即有正压差存在，可把钻柱压向井壁一边，进一步缩小吸附面之间的间隙，增强了吸附力，并进一步扩大了钻柱与井壁的接触面积.它的发展过程如图1-2所示.
图1-2a表示钻柱接触井壁滤饼，发生吸附作用，此时有一个较小的接触面积.
图1-2b表示在压差作用下，进一步将钻柱压向井壁，扩大了与滤饼接触的面积，吸附力量进一步加强.
图1-2c表示在钻柱不能活动的情况下，除已接触的滤饼面积外，在接触面的两边形成了一部分钻井液不能循环到的死区，随着时间的延长，大量岩屑和钻井液中的固相颗粒沉淀于此，又形成新的滤饼，进一步扩大了钻柱与滤饼接触的面积.
图1-2d表示，由于井径不规则的原因，从纵向上看，一部分钻柱与井壁滤饼接触，一部分钻柱与井壁滤饼不接触，但有一部会钻柱与井壁之间的间隙很小，小到钻井液无法循环到此，随着时间的延长，这部分间隙也要被钻屑和固体颗粒所充填，形成新的滤饼，增加了钻柱被吸附的长度.
所以，在粘吸卡钻发生的初期阶段，尚可用提、压、转、震击等办法争取解卡.如果解不了卡，同时发现卡点有上移的情况，就不必再用强力进行活动了.
按照压差卡钻的理论，摩阻力和钻柱与滤饼的接触面积成正比，和压差成正比，和滤饼的摩阻系数成正比，可以表达为：
（1-3）
式中F-----为摩阻力，
A-----为钻柱与滤饼的接触面积，cm2;
P1----为钻井液液柱压力，
；
P2----为地层孔隙压力，
；
K----为滤饼摩阻系数，一般取值在0.05~0.25之间；
---为单位换算系数.
例如：
某井发生压差卡钻，钻柱与井壁滤饼接触的长庆为400m，平均接触宽度为3.5cm，液柱压差（p1-p2）为3.5MPa，摩阻系数0.05，财摩阻力F=0.1*0.05*3.5*400*100*3.5=2450kN
但问题并不这么简单，各个井段的地层孔隙压力不一样，接触面积更是未知数，井下的滤饼摩阻系数不等于地面做的滤饼摩阻系数，因此式（1-3）虽然在理论是成立的，而在实际使用时却没有多少意义.
就压差卡钻理论而言，没有压差就不会卡钻.但泥页岩井段没有压差，为什么照样卡钻？
应该说，压差越大，越容易卡钻（图1-3），在大多数情况下，确是如此.由于有些高压差的井可不卡钻，而低压差的井反而卡钻，于是有人把注意力放在滤饼质量上，认为薄而韧的滤饼不容易卡钻，厚而松的滤饼容易卡钻，但现场又发现许多相反的情况，这又如何解释呢？
纵观粘吸卡钻这个问题，的确有许多矛盾存在，前面提到的一些看法，不能说没有一定的道理，但都没有抓着主要矛盾.主要矛盾不是压差，不是滤饼质量，而是滤饼的性质，是滤饼力场的指向和大小.
以往，钻井工程中所有的水基钻井液，都是将粘土分散在水中形成的负电分散体系.粘土颗粒的分散依靠其本身所带的负电荷，我们所使用的分散剂，其主要作原理就是增强粘土颗料的负电电位，强化这种负电的水化效应.因此，这些处理剂本身大都带有很强的负电基团，几乎全都是阴离子型的.这种钻井液在井壁上所形成的滤饼有很强的负电力场，具有一定的自由表面能储量，它力图吸附异性离子以降低这个表面能储量到最小值，这是矛盾的一个方面.矛盾的一个方面.矛盾的另一方面则是钻柱，具有很强的正电荷，形成一个正电力场，也具有一定的自由表面能储量，它也力图吸附异性离子以降低这个表面储量到最小值.两者之间，不谋而合，于是就产生了相互吸附作用.但它们两者之间的吸附力与两者的电荷量成正比，而与两者距离的平方成反比.同时我们也注意到，每个极性粒子的场力作用范围都有一定值，在此范围以外不发生相互吸附现象.因此，钻柱在运动状态时，滤饼与钻柱之间有一层水分子或胶体离子相隔，保持一定的距离，此时，在两者之间发生的只有摩阻力而无吸附力.但是，钻柱在静止时，由于任何井都有一定的斜度，钻柱因其自身重量所产生的水平分力压向井壁的下侧，驱走了中间的隔离层，使钻柱与滤饼之间的距离缩小，当缩小到两者之间的极性分子互相起作用的范围内时，便发生了吸附作用，这就是发生
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