钻井井下复杂问题预防与处理.docx

1、钻井井下复杂问题预防与处理绪论 1 钻井井下复杂问题分类 1 2 井下复杂问题分析 1 3井下复杂问题处理原则 4第一章 井喷涌 6 11井喷涌的原因与征兆 6 111 井喷涌原因 6 112 井喷涌征兆 7 12 井喷的 预防措施 8 121工程技术措施 8 122地层压力预测和监测 1013常用的井控设备 1114井喷的处理 13 141关井 13 142井底常压法压井 13 143非常规压井 18第2章 井漏 19 21技术要点与有关计算 19 211地层漏失压力 19 212地层破裂压力 20 213钻井液动压力 21 22井漏的预防 22 23井漏的处理 23 231漏层位置的判断

2、23 232井漏的处理方法 25第三章 井塌 30 31井塌原因 30 311井塌常见粘土矿物 30 312井塌的内在原因 31 313井塌的外在原因 31 314深井与浅井在井塌原因上的差异 33 32井塌的特征与危害 34 321井塌的特征 34 322井塌的危害 34 33易井塌地层的分类与预防 35 331易井塌地层的分类 35 332井塌的预防 36 34井塌的处理 37 341一般性井塌的处理 37 342出现新井眼的处理 38 343井塌卡钻的处理 39钻井井下复杂问题分类钻井井下复杂问题的内容涉与到井下复杂情况、井下事故等.石油钻井中,通常把井斜超标填井、井漏、井涌、起下钻遇阻

3、划眼、钻头泥包等井下问题称为钻井井下复杂情况,钻管具仍然保持连接状态并且具有活动能力.这类问题通过实施针对性的工艺和技术措施即可解除,处理相对较为简单.通常把卡钻、井喷、钻管具与工具落井、卡电缆与仪器以与固井水泥留在套管内等井下问题称为钻井井下事故,钻管具失去连接或不能活动、或失去对井眼的控制能力等.这类问题必须采用专门技术和工艺、使用专用工具和设备以与多方技术配合处理,才能恢复到正常状态.井喷等重大钻井井下事故需成立专门抢险指挥机构、组成专门抢险队伍处理才能完成.一般情况下,只要处理措施和方法正确得当,钻井井下复杂情况将逐步好转并恢复正常状态.如果处理方法不当,将使问题更加复杂甚至转化为钻井

4、井下事故.如井漏就可能引起井塌,井塌就可能引起卡钻；井身质量不好就可能产生键槽,键槽就可能造成卡钻；钻具刺漏就可能导致钻头泥包或干钻,甚至会造成钻具断落或卡钻.在井喷与卡钻、钻具断落与卡钻、井塌与卡钻都可能同时存在.井下复杂情况往往是井下事故的先导,井下事故往往是井下复杂情况继续恶化的必然结果.一切形式的其他卡钻都可能引起粘吸压差卡钻,都会产生连锁反应.一旦钻具失去了活动自由,就陷入十分被动的局面,所以在钻井工作中,要注意井下出现的各种变化,把精力放在消除复杂问题上.钻井井下复杂问题虽然不能直观,但通过各种现象,可以查其端倪,寻其规律.利用现有的条件,根据泵压、悬重、钻井液进出口流量、机械钻速

5、的变化,以与钻具上下活动转动时的阻力变化情况,可把钻井井下复杂问题分析判断出来.现把发生井下情况的各种特征列于表01中,把发生井下事故的各种特征列于表02中.利用表01基本上可以把井下复杂情况判断清楚,利用表02基本上可以把发生的事故类型判断清楚.1、井下复杂问题原因分析钻井工程是勘探开发石油天然气的主要手段之一.而一般钻井工程讲述的是钻井方法、井身结构设计、井眼轨道设计与轨迹控制、钻柱设计、钻头使用、钻井液设计与油气井压力控制、钻井水力学与钻井参数的优化配合、固井工程与完井方法等各个钻井环节必不可少的内容.我们把这些称之为常规钻井技术.但是钻井工程存在着大量的隐蔽性、模糊性、随机性和不确定性

6、问题.由于对客观情况的认识不清或主观意识的决策失误,往往会产生许多复杂情况甚至造成严重的事故,轻者耗费大量人力、物力和时间,重者导致全井废弃.表01 井下复杂情况诊断诊断现象井漏井塌砂桥溢流泥包缩径键槽钻具刺漏卡牙轮刺水眼掉水眼堵水眼转动情况扭矩正常BBBB扭矩增大AAA1A1A1憋钻A2A2A2钻具上下活动情况上提有阻AAAA上提无阻BBBBB下放有阻AAA下放无阻ABBBBB泵压变化情况正常BBB上升AAA1缓慢下降AA突然下降AA憋泵A2井口流量变化正常BBBBBB增大A减小A1A1A1不返A2A2A2机械钻速加快B减慢ABA注：1、表中A项为该类复杂情况的充分条件,据此可为井下复杂情况

7、定型.2、表中B项为该类复杂情况的必要条件,可作为辅助判断的依据.3、A1、A2表示同一判据中的这两项可能同时存在,也可能只有一项存在.4、以上各类复杂情况,除键槽外,都指正钻或停钻后活动情况.表02 井下事故诊断 诊断现象钻具断落卡钻严重井塌井喷钻头落井落物在钻头上在钻头下转盘转动情况扭矩正常B扭矩增大BA1扭矩减小AA跳钻A1憋钻A2A2不能转动A钻具活动情况上提遇阻AAA下放遇阻AAA3悬重变化正常BBB下降AB泵压变化正常BB上升A下降AA钻井液井口返出量变化情况正常BBB增大BAB减小A1不返钻井液A2注：1、表中A项为该类的充分条件,据此可为该类事故定性.2、表中B项为该类事故的必

8、要条件,可作为辅助判断的依据.3、A1、A2、A3表示同一判据中的这三项可能同时存在,也可能只有一项获两项存在.2、井下复杂问题处理原则钻井井下复杂问题的预防与处理是一个复杂性系统问题,是钻井技术系统的重要组成部分.因此,预防与处理钻井井下复杂问题,应按系统工程和价值工程原则,采取定性与定量相结合的方法进行系统的技术经济分析,综合各方面成功的经验做法进行科学的决策、设计和施工.认真搞好全井的设计是安全钻井和避免井下问题的关键,是一个系统原则问题,而且是复杂性系统原则问题.在钻井前,应该详细了解已钻井的情况,如果是探井,应尽量掌握地震等资料.一方面在钻井前尽量掌握地下各种信息；另一方面,在钻进中

9、也要借助各种方法和仪器掌握地下各种信息.多年的经验证明,最重要的还是生产一线的钻井队长、钻井工程师、钻井监督,经验要丰富,技术要过硬.这样,钻井遇到复杂情况,才能有过硬的应变能力.具体讲,处理井下复杂问题应遵守以下四条基本原则：（1）安全原则井下复杂问题多种多样,处理的手段和使用的工具也多种多样.但这些工具和方法在正常钻井过程中接触不多也不很熟悉.而且往往要采取一些强化措施如处理井下事故中拉、压、扭转都要比正常钻进时所用的力量要大得多.这些措施往往又强化到设备和工具所能承受的极限程度,稍有不慎就会造成新的事故,甚至由井下事故引发人身事故.处理事故过程中,工序复杂,起下钻具次数频繁也增加了发生新

10、事故的机会.如果造成事故套事故的局面,处理的难度就大了,甚至无法继续进行处理.所以在处理井下事故与复杂情况的过程中,必须从设备、工具、技术方案、技术措施、人员素质各个方面进行综合考虑.（2）快速原则一旦发生井下复杂问题,其情况会随着时间的推移而更趋恶化.如果井内失去循环,就增加了井塌、油漆上窜的可能,井塌又进一步加剧了卡钻,油气上窜又进一步加剧了井喷的可能.所以在安全第一的原则下,不许抓紧时间进行处理,要迅速的决策,迅速的组织,迅速的施工,工程衔接要有条不紊.随着井下情况的变化与人们认识的加深,部分修改或全部修改原定方案的事是常有的,所以在确定第一方案的同时要有第二至第三方案的考虑,早作准备.

11、要争取以最快的速度见到实际的效果.（3）灵活原则处理井下复杂问题是一个多变的过程,很难有一个一成不变的方案.有时井下情况变了,人们的思想认识也要随着改变.要做到灵活机动,这一点最关键的是实时地掌握现场的第一手信息,特别是关键时刻的关键信息,有些信息稍纵即逝,很难捕捉到,有些信息一般人认为无所谓,而聪明的工作者却可据此得出符合实际的认识,与时地调整方案,加速了处理过程.所以我们既要重视过去的经验,又不拘泥于过去的经验；既要灵活机动,又不违反客观规律；既要大胆思考,又要符合逻辑思维程序.（4）经济原则由于井下问题的复杂性,处理的难易程度相差很大,在目前技术水平下游的事故没有处理成功的可能性；有的事

12、故虽有处理成功的可能性,但难度很大,需要耗费相当多的物资和时间；有的事故初期看来处理难度不大,但在处理过程中,井下情况却变得越来越复杂；有的事故用不同的方案进行处理会有不同的经济效果.因此面对不同的情况,从各种处理方案的安全性、有效性、工艺的难易程度、工具材料费用、占用钻时间、环境影响等方面进行综合评估,在经济上合得来则干,合不来则止.发生事故本已造成了经济损失,处理事故的原则是把这种损失降低到最低限度.近年来,钻井技术已经有了很大的发展,如计算机技术、随钻测试技术、井下动力钻具、高效钻头、顶部驱动装置、钻井液技术等,不但提高了钻井速度,降低了成本,也减少了钻井的风险性.待将来钻井工程实现全过

13、程的机械化、自动化,即实现闭环控制的时候,钻井事故与复杂情况将会大大减少.随着钻井信息技术的发展和利用,将有可能测定钻头处的钻进参数、水力参数、地层特性、井眼走向、并有可能预测地层孔隙压力、漏失压力,这样一来钻井工程中的许多模糊性变得不模糊了,许多不确定性可以确定了,有助于避免钻井事故的发生,钻井管理工作将从避免风险转移到风险管理了.随着钻井技术的发展,处理井下事故的技术也必然会有飞速的发展,事故的处理将会更安全更迅速.但不管具体作业如何变化,而总的思路总的原则是不会变化的.二、井漏井漏是在钻井、完井与其他井下作业过程中,各种工作液包括钻井液、完井液、水泥浆、修井液等在压差的作用下,流尽地层的

14、一种井下复杂情况.在沈井钻井施工中,井漏现象经常发生,若严重的漏失得不到与时的发现和处理,不仅损失大量的生产时间,还可能引发井塌、井喷和卡钻等恶性事故,甚至导致部分井断或全井断的报废.所以井漏问题是钻井工程中最常见的技术难题之一.井漏发生的原因主要有三个方面：一是地层原因,即在地层沉积、地下水溶蚀或构造活动过程中形成了原始漏失通道,钻开漏失通道后便会发生漏失.二是钻井施工钻井液当量循环压力大于地层抗破能力即地层被压实、胶结等形成的结构强度,或大于地层孔隙、裂缝、溶洞中流体的压力,且漏失通道的开口尺寸大于钻井液中固相的粒径,把钻井液压入了漏失通道而发生漏失.三是施工过程中由于开泵过猛、下钻过快等

15、人为因素造成新的漏失通道而发生漏失.人为漏失通道主要指的是诱导裂缝,大部分是垂直裂缝,其长度可达几十米至几百米,对井漏产生重要影响.技术要点与有关计算从技术角度来讲,钻井完井过程中井漏的发生主要与钻井液东压力、地层漏失压力和地层破裂压力油罐,当井筒中钻井液液柱作用于井壁地层的动压力动超过地层中有其与其他也提水的压力即地层的孔隙压力孔时；或当动大于地层抗破能力即破裂压力破是地层破裂形成新的漏失通道时,就会产生井漏.因此,压力孔、颇、动大小的变化,直接影响井漏的发生.准确掌握地层的漏失压力、抗破能力、钻井液性能与人为造成的激动压力等因素,对于制定并采取恰当的防漏、堵漏方案和措施具有重要意义.211

16、地层漏失压力地层漏失压力即漏层压力,是指示井筒中钻井液进入地层漏失通道时所需的最低压力,其值等于地层孔隙压力与钻井液在地层漏失通道中发生流动的阻力致贺.漏失压力月底,钻井中漏失的可能性越大.1）地层漏失压力的影响因素（1）地层孔隙中流体压力的大小.地层漏失压力随地层孔隙压力的降低而下降.（2）底层天然漏失通道的大小、形态和连通性.通道越大、形态越规则、连通性越好,地层漏失压力就越低.一般处于构造轴部、高点、断鼻构造、鼻状构造、断层附近、断层上盘的底层或碳酸盐岩、风化壳等地层,孔、洞、裂缝比较发育,地层漏失压力也比较低.（3）钻井液流变性能.钻井液进入漏失通道的流动阻力时随钻井液塑性粘度、动切力

17、的增大而增大,漏压力也随之增高.因此,可以通过调整钻井液流变性能来提高地层的漏失压力.但钻井液粘切又不宜太高,若流动性太差,会是钻井液在环孔的流动阻力变大即使钻井液的动压力增大而造成漏失.（4）地层漏失通道中流体的流变性.当地层漏失通道中存在油、气、水等流体时,井筒中的钻井也必须克服地层中流体发动流动的阻力,才能进入漏失通道.地层中流体的流动阻力时随其粘稠度的增高而增大,因此,地层中流体的流变性会影响地层的漏失压力.（5）漏失层井壁形成内、外泥饼的质量.当钻开砂、砾岩等孔隙性地层时,钻井液便会很快在井壁上形成内、外泥饼,如在此类地层发生井漏,则钻井液进入漏失通道时就必须克服内、外泥饼所产生的阻

18、力,内、外泥饼越致密,质量越好,阻力就越大,即漏失压力亦越大.22 井漏的预防对付井漏应以预防为主,防堵结合,尽可能避免因人为的失误而引起的井漏,一口井自设计、开钻之前,应把能搜集到的与井漏有关的资料如地层岩性、孔隙压力、破裂压力、漏失压力以与已钻邻井的漏失情况如漏失井深、层位、漏失时的钻井液密度、性能与工程技术堵漏措施等尽量搜集齐全,并做好以下方面的工作.（1）根据地层孔隙压力梯度和地层破裂压力梯度曲线,正确进行井身结构和套管程序设计.同一裸眼井段内,不能有喷、漏层并存.当同一井眼中存在多套孔隙压力、破裂压力、坍塌压力地层时,则应下套管将低破裂压力地层与高压地层加以分隔.（2）在设计和选用钻

19、井液密度时,应是钻井液所产生的井液柱压力低于裸眼井段地层的最低破裂压力或漏失压力,但要高于地层的孔隙压力,又要防止井漏的发生.对于地漏失压力地层,可依据漏失压力大小,选用低固相聚合物钻井液、水包油钻井液、油包水钻井液、充气钻井液、泡沫钻井液等进行近平衡或欠平衡压力钻进.（3）在可钻性好的地层中钻进,钻速较快,钻井液排量跟不上,会使岩屑浓度过大,憋漏地层,应控制钻速,或者每打完一单根,划眼12次,延长钻井液携砂时间,既可控制密度的上升、减少钻井液循环压力,又可减轻高渗透砂层缩径引起的复杂情况.（4）穿过高渗透地层时,应适当提高钻井液的粘度和切力,降低滤失量,保持钻井液不仅有好的造壁性,提高地层的

20、漏失压力,而且又有适当的对井壁的冲刷作用,防止虚厚泥饼的形成,降低钻井液流动阻力,保证起下钻的畅通,减少漏失的可能.（5）在易漏地层中钻进,采用较低排量和较小的泵压,控制钻速和起下钻、接单根市的下放速度,防止产生激动压力,压漏地层.（6）在易缩径地层中钻进时,应采用抑制性钻井液,防止井径缩小而增加环空流动阻力.（7）如下部有高压层,而上部有低压层,又不可能用套管封隔时,在钻开高压层之前,应对裸眼井段进行破裂压力试验,找准漏失层位,并采取相应措施提高地层的承压能力.（8）在已开发区钻调整井时,可以通过停止注水、老井排液泄压、加强低压层注水等调整地层压力,防止井漏.（9）随钻井液密度敏感性很高的地

21、层,如石灰岩裂缝、溶洞,钻井液密度稍高则漏,少地则盆,堵漏困难时,调整钻井液密度使液柱压力与地层压力平衡,钻穿漏层,下套管封隔.（10）加重钻井液时应梯次增加钻井液密度,使易漏岩井壁对钻井液液柱压力有一个逐渐适应的过程.（11）使用深井高密度钻井液或在小井眼中钻进时,在保证悬浮加重剂的前提下,应尽可能降低钻井液的动切力和静切力,以减少环空流动阻力.（12）在钻井液结构性较强的情况下,下钻时应分段循环,破坏钻井液的胶凝结构.每次开泵都要先小排量后逐渐加大排量,同时转动钻具破坏钻井液结构力,防止把地层憋坏.（13）如果没有高压层,而且又没有地层坍塌的可能,可以用泡沫钻井液、充气钻井液、空气等进行钻

22、井.（14）下钻时不要在易漏层段开泵.（15）下钻时如发现连下三柱钻杆井口不返钻井液,应立即停止下钻,并上提钻具,接上方钻杆转动后慢慢开泵循环,直到正常方可继续下钻.（16）下钻遇阻时,须循环钻井液划眼,使之畅通,防止硬压造成漏失.（17）钻遇高压油气层发生溢流时,要按照有关的井控规定,合理控制套压,防止憋漏地层.23 井漏的处理 钻井或完井过程中一旦发生漏失就必须进行与时处理,首先要找准漏失的位置,然后根据井漏的情况,采取不同的处理方法.对于井下压力系统、地层结构复杂的井段,只能进行堵漏处理,对于压力系统单一、地层结构强度大的井,可以采用降低井底压力等办法进行处理.2.3.1漏层位置的判断1

23、综合分析法漏层位置的判断有时是比较困难的,必须根据该地区的地质特性,各地层的压力梯度,邻井的井漏情况,钻井参数的变化,漏速、漏失量等多项参数,进行综合分析判断.若钻井液密度没有增加时产生的漏失应作以下判断.！根据起下钻速度、泵压、排量的变化和可能造成激动压力的大小分析原来曾漏过的层位是否会重漏.2根据地层压力和破裂压力的资料对比,在最低压力点,如已钻过的油、气、水层与套管鞋附近可能会发生井漏.3根据地质剖面图和岩性对比,裂缝发育的层位往往会发生井漏.4和邻井相同井段进行对照分析,邻井已发生井漏的层位发生井漏可能性较大.5如果钻井液性能没有发生变化,在正常钻进中发生井漏,则漏失层即钻头刚钻达的位

24、置.6如果钻进中有放空现象,放空后即发生井漏,则漏失层即放空井段.7下钻时如果钻头进入砂桥,或放入坍塌井段,开泵时泵压上升,地层憋漏,则漏层即在砂桥或坍塌井段.8下钻时观察钻井液返出情况,每下一立柱,井口应返出与钻具体积相同的钻井液量,当钻具下入后,井口没有钻井液返出,说明有可能发生了漏失,漏失的位置应在钻头以下. 如在钻井时不发生漏失,而在加重钻井液时或替加重钻井液过程中发生了漏失,应作如下判断：首先应分析上部井段发生过漏失但经静止或适当降低密度后停止漏失的层位,进而分析该井已钻的地层剖面,哪里有断层、不整合面、生物岩灰和火成岩侵入体与高渗透的厚层砂岩等.一般来说,开放性的断层和不整合面在钻

25、进时易发生漏失,待滤饼形成后,漏失的可能性减小.而高渗透性的厚砂岩、生物岩灰、火成岩侵入体发生漏失的可能性最大,埋藏越浅,漏失的可能性越大；但最有可能的是技术套管鞋以下的第一个砂岩层.当然也有特殊情况,上部不漏下部漏,松软地层不漏而中硬地层漏,这是因为脆性底层在地应力作用下容易形成裂缝,而这些裂缝中的矿物充填程度或油气水充填程度不饱满而容易形成漏失,而压实程度较小的具有塑性的地层反而不容易形成裂缝.2.3.2 井漏的处理方法1小漏的处理方法小漏指进多出少而未失去循环的渗透性漏失,或由于钻井过程中因操作不当造成压力激动,作用在地层的压力超过破裂压力,形成诱导裂缝而产生漏失,遇到这种情况,应采取如

26、下办法.（1）若漏失量不大,漏失井段不长,可继续钻劲,强行穿过漏层；若还继续漏失,且漏失量很大,则应停止钻劲,提起钻头至安全为止,最好是进入技术套管,让下部钻井液静止824h.因为起钻静止一段时间后,一方面消除了压力激动,裂缝往往会自动闭合,自然缓解井漏,地层又可以承受压裂前可承受的压力；另一方面,漏进裂缝之中的钻井液,因其具有触变形,随着静切力增加,起到了粘结和封堵裂缝的作用,从而消除了井漏.（2）在钻井液中加入小颗粒与纤维物质如云母片、石棉绒、超细碳酸钙、暂堵剂等堵漏材料,在边钻的过程中进行随钻堵漏.（3）调整钻井液性能,如降低密度,提高或降低粘度和切力,减小钻井液液柱压力和流动阻力,使钻

27、井液对井底的压力与地层的漏失压力相平衡的情况下进行钻进.采用此法必须具备以下条件：1已下过技术套管,裸眼井段不长；2裸眼井段不存在严重缩径、垮塌的地层；3裸眼井段没有比漏层更具有更高压力的地层4漏层以下不会钻遇比漏层压力更高的油气水层.（4）对于低漏失压力地层,且没有高压汽油地层和井壁垮塌的地层如灰岩、玄武岩地层等,可依据漏失压力大小,选用充气钻井液、泡沫钻井液等进行欠平衡压力钻井.2大漏的处理方法大漏时钻井液只进不出,井眼内钻井液液面很快下降,极易引发井下复杂情况： 如果裸眼井段很长,上部松软地层或易垮地层很可能会发生缩径或井塌；在漏层局部井段形成砂桥,造成卡钻；钻井液液面很快下降,液柱压力

28、急剧下降,易诱发井涌、井喷.所以,钻开油气层段后,对大漏应有足够的重视,并有充分的预防措施和准备：要做好坐岗观察,一旦漏失,与时发现,与时采取措施；在没有井喷危险的情况下,应立即停钻停泵,上提钻头至技术套管内,如未下技术套管,应一直起完,中间不可停顿,更不可试图开泵循环；在上起的同时,要不间断地从环空灌入钻井液在没有钻井液的时候也可以灌入清水,以维持必要的液柱压力,防止井壁过早的坍塌,并尽量最大可能起出钻具.对于大量的漏失进行堵漏的方法有：桥塞堵漏桥塞堵漏时利用不同形状、尺寸的惰性材料,以不同的配方混合于钻井液中直接注入漏层的一种堵漏方法.主要是利用固体颗粒度堵塞缝隙孔道,其中刚性颗粒在漏失孔

29、道中起架桥和支撑作用,改变刚性颗粒的大小,可以在不同尺寸的裂缝孔道中起到架桥和支撑作用.柔性颗粒易于架桥和填充,又易变形,因而使用的粒度X围可大一些,最大粒度可以大于裂缝宽度.不规则的纤维材料在压差的作用下,随着漏失过程的进行,纤维物质在漏失滇聚结,和充填的各种匹配粒子一起在裂缝中与井壁表面上形成非常致密的骨架结构滤饼,从而很快阻止了钻井液的漏失.桥塞材料来源广泛,只要是不与钻井液起化学作用又有足够强度的固体颗粒如核桃壳、橡胶粒、贝壳、锯末、花生壳、稻壳、石棉粉、云母片、超细碳酸钙、氧化沥青都可以用作桥塞材料.这些材料可按不同比例复配出多种用途的堵漏剂,如复合堵漏剂、单向压力封闭剂等.高失水浆液堵漏这种堵漏