钻井事故与复杂问题

钻井事故及复杂情况预防处理第一章卡钻事故钻具失去了活动的自由，既不能转动又不能上下活动，这就是钻井过程中常见的井下事故。卡钻定义：卡钻类型：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、水泥固结卡钻等第一节粘吸卡钻一、粘吸卡钻的原因二、粘吸卡钻的特征三、粘吸卡钻的预防四、粘吸卡钻的处理五、处理粘吸卡钻应注意的问题一、粘吸卡钻的原因：井壁是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，人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，泥页岩也有泥饼，而且要比砂岩井段的滤饼厚得多。这是因为滤饼形成有三种原因：第一是吸附，钻井液中的固相颗粒吸附在岩石表面，无论砂岩、泥岩都有这个特性。第二是沉积，钻井液在流动过程中，靠近井壁的流速几乎是零，钻井液中的固相颗粒便沉积在井壁上。泥页岩井段的井径要壁砂岩井段的井径大得多，沉积作用显著。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，泥页岩虽然滤失性小，但它亲水，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。只要有滤饼存在，就有粘吸卡钻的可能。泥页岩井段的井径往往不规则，和钻柱接触面积少，所以粘吸卡钻的机会比较少。粘吸卡钻示意图压差是不可避免的，压差卡钻也是不可避免的。但是某些类型井的钻井液如油基钻井液在同样大的压差下却不卡钻。当钻柱被井壁滤饼粘吸之后紧靠井壁一边，钻柱的一侧所受的是地层孔隙压力，另一侧受钻井液液柱压力，如后者大于前者，即有正压差存在，可把钻柱压向井壁一边，进一步缩小吸跗面之间的间隙，增强了吸附力，并进一步扩大了钻柱与井壁的接触面积。它的发展过程如下图钻井液地层泥饼钻柱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。表示在钻柱不能活动的情况下，除已经接触的滤饼面积外，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的接触面积。表示由于井径不规则的原因，从纵向看，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，但有一部分钻柱与井壁之间的间隙很小，使钻井液无法循环，时间长了，会被钻屑和固体颗粒充填，形成新的滤饼，增加钻柱被吸长度。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。粘吸卡钻是在钻柱静止的状态下才能发生的，至于静止多长时间会发生卡钻，是和钻井液体系、性能、钻具结构、井眼质量有密切关系，但必须有一个静止的过程。粘吸卡钻后的卡点位置不会是钻头，而是钻铤或钻杆部位。粘吸卡钻前后，钻井液循环正常，进出口流量平衡，泵压没有变化。粘吸卡钻后，如活动不及时，卡点可能上移，甚至直移直套管鞋附近。二、粘吸卡钻的特征三、粘吸卡钻的预防一般的要求，钻柱静止时间不许超过3-5分钟。如果钻头在井底，无法活动和转动，那就只好将钻具悬重的1/2—2/3压在钻头上，以求把下部钻柱压弯，减少钻柱与井壁泥饼的接触面积，减少总的粘附力。在正常钻进时，如水龙头、水龙带发生故障，绝不能将方钻杆坐在井口进行维修，如果一旦发生卡钻，将失去下压和转动钻柱的可能。在钻柱中要带上随钻震击器，因为在粘卡发生的最初阶段，震击解卡是很有效的。四、粘吸卡钻的处理1.强力活动下压可以把全部钻柱的重量压上，也可以进行适当的转动，最重要是要在安全限度内以最大力量进行活动，不能限制过死。上提拉力不要超过自由钻柱悬重100-200kN，下压力量根据井深及最内一层套管的下深而定，可以把自由钻柱重量的二分之一甚至全部压上去，使裸眼内钻柱弯曲，减少与井壁的接触点，防止卡点上移。（注意钻柱只能是在受压的状态下静止，不许在受拉的状态下静止）。2.震击解卡带有震击器，下击器下击，以求解卡，这比单纯的上提、下压的力量要集中。3.浸泡解卡剂浸泡解卡剂是解除粘吸卡钻最重要的办法，用专门物料配成的用于解除粘吸卡钻的特殊溶液，有油基和水基的，高压井只能选用高密度解卡剂。求卡点位置最准确的办法是利用测卡仪测量。但现场常用的办法是根据钻柱在一定拉力下的弹性伸长来计算。依据虎克定律：l=LF/ES卡点的计算公式：LK四、粘吸卡钻的处理ePL:卡点深度米e:连续提升时钻杆平均伸长厘米K：钻具的伸长系数P：为提拉悬重的差值吨五、处理粘吸卡钻应注意的问题使用什么样的解卡剂，压迫根据具体情况定，最好是使用可以调整密度的油基解卡剂。注入解卡剂前，最好做一次钻井液循环周试验，确保钻具没有刺漏现象，方可注入。注解卡剂前特别是注低密度解卡剂前，必须在钻杆上或方钻杆上接回压阀或旋塞。要保持钻头水眼和环空不被堵塞。粘吸卡钻发生后，要根据现场的具体情况采取相应的措施，具体问题要具体分析具体对待，不能一概而论。第二节井壁失稳与坍塌卡钻坍塌卡钻是卡钻事故中性质最为恶劣的一种事故。因为处理这种事故的工序最复杂，耗费时间最多，风险性最大，甚至有全井或部分井眼报废的可能，所以在钻井过程中应尽力避免这种事故的发生。一、地层坍塌的原因1.地质方面的原因⑴原始地层应力⑵地层的结构状态⑶岩石本身的性质⑷泥页岩孔隙压力异常⑸高压油气层的影响2.物理化学方面的原因⑴水化膨胀⑵毛细管作用⑶流体静压力3.工艺方面的原因⑴钻井液液柱压力基于平衡理论，首先必须采取适当的钻井液密度，形成适当的液柱压力，这是对付薄弱地层、破屑地层及应力相对集中的地层的有效措施。但增加钻井液的密度液有两重性，一方面钻井液密度高了有利于增加对井壁的支撑力，另一方面它会导致滤液进入地层，增大地层的孔隙压力，增大粘土的水化面积和水化作用从而降低地层内部的结构力。另外钻井液密度的确定，也受其他因素的影响。如①钻井液液柱压力不恩能够超过产层的孔隙压力，因为设计钻井液的密度的主要目的是保护油气层；②钻井液液柱压力不能超过地层的破裂压力；③受机械钻速的制约，钻井液液柱压力越低，机械钻速越快，所以现在提倡负压钻进，地层稳定会带来很大的经济效益，地层不稳定，将会带来井塌的恶果。•⑵钻井液的性能和流变性钻井液的循环排量大返速高呈紊流，容易冲蚀井壁地层，引起坍塌，但是如果钻井液循环排量小返速低呈层流状态，某些松软地层极易缩径。而且在已经发生井塌的情况下不得不增大排量和返速，否则不足将塌块带出。高粘高切低滤失的钻井液有助于防塌，液有利于携带岩屑，但不利于提高钻速。•⑶井斜与方位的影响在同一地层条件下，直井比斜井稳定，而斜井的稳定性又和方位有关系，位于最小水平应力方向的井眼稳定，位于最大水平主应力和最小水平主应力方向中分线的井眼稳定，而位于最大水平主应力方向的井眼不稳定。⑷钻具组合为了保持井眼垂直或稳斜钻进，下部钻具采用刚性结构，但如钻铤直径太大，扶正器过多，下部钻具与井壁之间的间隙小，起下钻时容易生产压力激动，导致井壁不稳。⑸钻井液液面下降液柱压力降低，引起井塌原因是：第一、起钻时未灌钻井液和灌入的数量不足。第二、下钻具和套管时，下部装有回压阀，未及时向管内灌注钻井液，回压阀挤毁，环空液体倒流。第三、在注入低密度解卡剂，管内外形成很大压差，地面管线或阀门发生故障，会时环空液体倒流。第四、突发性井漏，井内液面迅速下降。⑹压力激动开泵过猛，下钻速度过快，易生产压力激动，使瞬间的井内压力大于地层破裂压力而压裂地层。⑺井喷引起井塌井喷后，一方面由于油气的混入，使钻井液液柱压力降低，另一方面由于高速油气流的冲刷，破坏了井壁滤饼，液破坏了井眼周围结构薄弱的岩层，所以井喷时总是夹带着大量的砂石喷出地面，当冲落的砂石达到一定的数量，油气流无力将其举升到地面时，就堵塞了环空，有些井喷自动停喷。二、井壁坍塌的特征在钻进过程中发生坍塌起钻时发生井塌下钻时发生井塌划眼情况不同三、井壁坍塌的预防1.采取适当的工艺措施（1）设计合理的井身结构（2）尽量减少套管鞋以下的大井眼预留长度（3）调整钻井液性格使其适应钻进地层（4）保持钻井液柱压力（5）减少压力激动2.使用具有防塌性能的钻井液（1）油基泥浆（2）油包水泥浆（3）硅酸盐泥浆（4）钾基钻井液（5）低滤失高矿化度钻井液（6）含有各种堵塞剂的钻井液（7）阳离子和部分水解聚丙烯酰胺钻井液四、井塌问题的处理如发生有井塌现象，开泵时均须用小排量顶通，然后逐渐增加排量，中间不可停泵。如小排量顶不通，泵压上升，井口不返钻井液，证明是地层漏失，不可继续挤入钻井液，一般经验数据是漏失量不可超过5方，如恢复无望，钻具能活动，应立即起钻。液面如不在井口，应灌满钻井液，中途决不可试着去开泵。五、坍塌卡钻的处理控制井口流量与出口流量的基本平衡。在循环稳定之后，逐渐提高钻井液的粘度和切力，以提高它的携砂能力，然后逐渐提高排量，争取把坍塌的岩块带到地面。这一步走好后，即使发生了粘吸卡钻，也好处理。但有时候会有这样情况，小排量可以循环，一增加排量就发生漏失，返出量不增加停泵后，钻井液返吐不止，这时应倒扣。第三节砂桥卡钻砂桥卡钻也是沉砂卡钻，其性质和坍塌差不多，其危害比粘吸卡钻更甚。砂桥卡钻示意图一、砂桥形成的原因在软地层用清水钻进，清水悬浮能力差，岩屑下沉，一旦停止循环时间较长，极易形成砂桥。表层套管下得太少，松软地层暴露太多，这种地层总有渗透性漏失，钻井液渗入以后，破坏了地层的原有结构，一旦液柱压力稍有减少，就会发生局部坍塌，而形成砂桥。在钻井液中加入絮凝剂过量，细碎的砂粒和混入钻井液中的粘土絮凝成团，停止3—5分钟，既形成网状结构，搭成砂桥。有些井机械钻速快，钻井液排量跟不上，钻井液中的岩屑浓度过大，一部分岩屑附于井壁，排不出来，一旦停泵，就容易形成砂桥。改变井内原有的钻井液体系，或急剧地改变钻井液性能时，破坏井内原有形成的平衡关系，会导致井壁泥饼的剥落和原已粘附在井壁上的岩屑的滑动，而形成砂桥。井内钻井液长期静止之后，由于切力太小，钻屑向下滑落，如果钻具下入过猛，开泵过猛，就帮助岩屑挤压在一起，泵压越高，挤压越紧，形成坚实的砂桥。有些井，施工时间长，钻井液性能不足以抑制地层的坍塌，使泥页岩井段的井径变得很大，而砂岩井段却保持钻头直径。开泵循环时把岩屑挤压在一起，形成砂桥。用解卡剂浸泡解除粘吸卡钻时，容易把井壁泥饼泡松泡垮，增加了解卡中的固相含量，排解卡剂时，如开泵过猛，泵量过大，极容将岩屑与泥饼挤压在一起，形成砂桥。下钻时井口不返钻井液或者钻杆内反喷钻井液：钻头进入砂桥后，由于砂桥隔断了循环通路，被钻具体积排出的钻井液不能从井口返出，而被迫进入钻头水眼从钻杆内返出，或者被挤入松软地层中。在砂桥未完全形成以前，下钻时可能不遇阻，或者阻力很小，而且随着钻具的继续深入，阻力逐渐增加，所以钻具的遇阻是软遇阻，没有固定的突发性阻点。有时发生钻具下入而悬重不增加的现象，是因为钻具增加的重量被砂桥的阻力所抵消的缘故。起钻时若发生砂桥，则环空液面不降，而钻具水眼内的液面下降很快。钻具进入砂桥后，在未开泵以前，上下活动与转动自如，如要开泵循环，则泵压升高，悬重下降，井口不返钻井液或返出很少。在钻进时，如钻井液排量小，或携砂能力不好，在开泵循环过程，钻具上下活动转动均无阻力，一旦停泵则钻具提不起来，特别是无固相钻井液，这种情况发生的较多。二、井眼中有砂桥的象征最好不用清水钻进。优化钻井液设计钻进时要根据地层特性选用适合的泵量，既保护井眼清洁又不能冲蚀井壁。在胶结不好的地层井段不要划眼，起下钻、循环钻井液时，钻头或扶正器处于该井段时不要彻底转动钻具，保护泥饼。下钻时发现井口不返钻井液或钻杆水眼内反喷，应停止下钻。井径扩大率控制在10%—15%以内。三、砂桥卡钻的预防在地层松