卡钻事故原因分析及处理.doc

卡钻事故原因分析及处理冯宗伟（长城钻探钻井液公司技术中心，北京）摘 要 正确分析钻井过程中发生的卡钻事故原因，根据井下卡钻类型做好相关的防卡预案和解卡措施，是实现安全、快速和低成本钻井的关键。本文分析了钻井过程中所出现卡钻现象原因，并根据不同的卡钻原因将卡钻分成了沉砂卡钻、压差卡钻、键槽卡钻、泥包卡钻、井塌卡钻、缩径卡钻和落物卡钻等七大类，同时按照不同的卡钻类型制定了相应的防卡解卡措施，为保障井下安全提供了一定的技术支持。关键词 钻井液 密度 卡钻 解卡钻井过程中，由于各种原因造成的钻具陷进井内不能自由活动的现象，称为卡钻1。地层原因、钻井液性能不良、操作不当等都可能造成卡钻。必须针对不同情况进行分析，以便有效的解卡。及早地发现井下异常并采取适当措施是防卡的关键。通过对不同卡钻原因的分析和总结，制定相关的防卡解卡措施，以便减小钻井过程中卡钻事故的发生频率，提高钻速，降低钻井成本。1 卡钻事故类型及产生的原因1.1 沉砂卡钻用清水钻进或用粘度小、切力低的钻井液钻进时，由于其悬浮岩屑的能力差，稍一停泵岩屑就会下沉，停泵时间越长，沉砂量就越多，尤其是在钻速较快时更是如此，严重时就可能造成下沉的岩屑堵死环空、埋住钻头与部分钻具，形成卡钻。此时若开泵过猛还会憋漏地层，或卡的更紧。沉砂卡钻的表现是：接单根或起钻卸开立柱后，钻井液倒返甚至喷势很大，重新开泵循环，泵压很高或憋泵，上提遇卡，下放遇阻且钻具的上提或下放越来越困难，转动时阻力很大甚至不能转动。1.2 压差卡钻（泥饼粘附卡钻）凡是使用水基钻井液和有固相钻井液时，钻井液中的自由水在液柱压力大于地层压力所产生的压差作用下，渗入地层，而钻井液的固相部分难以渗入地层，则糊在井壁上形成了一层泥饼。当钻具接触井壁时，尤其是在钻井液密度较高时在压差的作用下形成一个推力，将钻具压在井壁并嵌入泥饼中。如果钻具与井壁泥饼所产生的摩阻力与钻具在钻井液中的重量之和大于钻机安全提升拉力时，则发生卡钻事故。通常称为泥饼粘附卡钻或压差卡钻2。发生粘卡后，钻具不能上提下放或转动，但开泵正常且泵压正常，一般没有大量的沉沙返出，振动筛上比较干净。1.2.1 压差卡钻原因凡是泥饼质量和井身质量差以及井内压差大时都容易发生粘附卡钻。造成粘卡的原因是多方面的，它与泥饼摩阻系数、钻井液密度及钻具与井壁的接触面积等因素有关。1）钻井液因素钻井液性能不好，失水量过大，钻井液净化差，固相含量高，加之地层渗透性好，便会在井壁上形成厚厚的泥饼。如果含沙量高则形成一层“砂饼”，从而提高泥饼的摩阻系数。若遇到漏失层，钻井液中加入了堵漏材料（如锯末、贝壳渣等），这样同样会提高泥饼的厚度和摩阻力；另外，为了平衡高压地层而采用加重钻井液时，高密的钻井液会在非高压层产生很大的压力差，增加了对钻具的横向推力。2）钻井液受污染如遇盐水层或石膏层，钻井液受到盐水和钙的浸污后性能变坏，失水变大，泥饼质量变差，如果处理不及时就会有造成粘卡的危险。3）活动钻具不及时设备故障无法活动或钻具折断后靠在井壁上等原因，使钻具与泥饼相接触的相对静止时间增长，都可能发生粘卡。如果及时活动钻具，使井壁与钻具之间有了一层钻井液，使钻柱四周有液柱压力存在，可以避免卡钻事故的发生。4）井身结构井斜过大，会使钻具的大部分贴在井壁上，增加了粘卡的机会。实践证明，定向井发生粘卡的频率超过了直井。1.3. 键槽卡钻键槽卡钻多发生在硬地层中，井斜和方位变化大时，形成了急弯（狗腿）的地方。钻进时，钻柱紧靠狗腿段旋转，起下钻时钻柱在狗腿井段上下拉刮，在井壁上磨出一条细槽（形如键槽），它比钻杆接头稍大但比钻头直径小，起钻时钻头拉入键槽底部时被卡住。键槽卡钻发生前即可发现钻杆接头偏磨严重，下钻不遇阻，钻进正常，泵压也正常，但起钻到狗腿处常遇卡。随着井深的增加而愈加严重，能下放但不能上提，严重时可卡死。1.4. 泥包卡钻凡是钻头或扶正器泥包而造成的卡钻就叫泥包卡钻。泥包卡钻的种类有：干钻造成钻头泥包，排量不足而引起的钻头泥包，钻井液性能差引起钻头泥包而产生的卡钻。1.4.1 泥包卡钻原因1）钻井液循环在没有钻井液循环的情况下钻进，失去了润滑和冷却钻头的手段而造成钻头迅速泥包，甚至烧死牙轮钻头轴承。在没有钻井液冲洗井壁的情况下，所钻的井眼与钻头一样大，井眼也不规则，很容易造成卡钻。钻头干钻往往是工作中疏忽大意造成的，大体有三种情况：一是钻井泵上水不好，在钻井中出现倒车，转不动，提不起钻具的现象，卡钻后再开泵时开不开；二是在钻进时司钻与副司钻配合不好，副司钻不与司钻取得联系就停泵，司钻也看不见泵压的变化和返出钻井液的情况而造成干钻；三是在钻进过程中钻杆刺坏，短路循环造成干钻，如果司钻经验不足或大意，出现干钻，有时由于灌钻井液阀门坏或没关好而造成短路。总之只要钻头没有钻井液通过，20min左右即可把钻头烧坏，如此时再开泵是开不通的。干钻引起钻头泥包卡钻的现象主要有：转盘负荷增大，上提钻具有阻力；开泵后泵压下降，甚至没有泵压；钻井液返出正常，钻屑没有返出或突然减少；井口不返钻井液，此时恢复循环已晚。出现钻头泥包的征兆后，应立即停止钻进，分析情况并设法恢复循环或起钻检查。干钻卡钻后是开不通泵的，应套铣倒扣处理。2）钻井液性能差当钻遇易水化分散性地层时，若钻井液体系的抑制性较差，导致大量的低密度固相分散到钻井液中，钻井液膨润土含量增加，切力变大，钻井液变稠，流动性差，钻头此时的水力压力破岩作用较弱，钻井液中的大量无用固相容易粘附在钻头周围形成钻头泥包，扶正器泥包，从而容易引起在小井眼处卡钻事故的发生。1.5 井塌卡钻由于地层出现大量的剥落掉块现象造成钻头无法下钻到底，上提遇阻而发生卡钻的现象称为井塌卡钻。一般在严重井塌之前，先有大块泥饼和小块地层脱落，换钻头后下钻不能到底，有时在钻井液中携带出大块未切削的上部岩石，在钻进中突然发生憋泵、上提遇阻、泵压上升、憋泵甚至钻具不能转动等现象，都说明可能是井塌卡钻3。1.5.1 井塌卡钻原因1）地层原因在易吸水膨胀的泥、页岩，胶结不好的砾岩、砂岩等地层中，当使用的水基钻井液性能较差时,滤失量较大，岩石吸附了大量的自由水，岩石吸水后发生膨胀掉块，大量的块状岩石沉积在环型空间内，增加钻具的附加拉力，当附加拉力超过一定程度的时候，钻具就会被卡死在井下，出现卡钻现象。2）钻井液性能钻井液的性能不好，井壁泥饼质量差，导致失水量大，大量的钻井液滤液进入地层岩石，长时间的浸泡加之钻井液的抑制性差等原因容易引起泥页岩地层发生水化膨胀，改变井壁岩石应力状态，导致井眼不稳定，井壁出现掉块、垮塌，严重时容易造成卡钻。3）钻井液密度钻进时，在井眼的形成过程中，岩石的原始应力状态遭到破坏，当钻井液密度小于设计密度时，钻井液液柱压力小于地层坍塌应力，井壁地层压力得不到及时的平衡，在岩石应力作用下岩石原始结构发生改变，破坏井壁的稳定性，引起卡钻。4）施工原因在井眼不稳定地层，起钻时未及时灌好钻井液以及抽吸作用使得井内压力平衡得到破坏，井下产生负压差，在负压差作用下井壁产生坍塌而造成卡钻。1.6 缩径卡钻缩径卡钻常发生在膨胀性地层和渗透性、孔隙度良好的井段。由于钻井液性能不好，失水量大，在井壁易形成胶状疏松的泥饼，当泵排量小，钻井液上返速度低时，易在泥饼上面沉积较多的粘土颗粒、岩屑及加重剂，致使井径缩小。主要表现是：遇阻的位置固定，循环时泵压增大，上提困难，下放容易，起出的钻杆接头的上部经常有松软泥饼。1.7 落物卡钻由于操作不小心，将卡瓦牙、吊钳牙或其他小工具掉落井内，卡于井壁与钻具之间而造成落物卡钻。2 各种类型卡钻事故的预防措施2.1 沉砂卡钻的预防为了预防沉砂卡钻，应确保钻井液的性能满足清岩和悬浮岩屑的要求，随时做好设备和循环系统的检查维护，在因故停止钻进时，避免停止井内循环；缩短接单根时间，在发现泵压升高及岩屑返出量较小时要控制钻速，加大排量洗井，停泵前要将钻具提离井底并随时活动钻具5-6。2.2 井塌卡钻的预防预防井塌卡钻的主要措施有：使用低失水、高矿化度和适当粘度的防塌钻井液，在破碎易塌地层适当增大钻井液密度；起钻时要灌好钻井液，随时保证钻井液柱的高度，避免抽泣作用引起的井壁坍塌。2.3 压差卡钻（泥饼粘附卡钻）的预防压差卡钻的预防措施主要是调节好钻井液性能，尽可能降低钻井液密度，提高钻井液的润滑性能，降低泥饼的粘滞系数；并要加强活动钻具或采用加扶正器的方法使钻具居中78。2.4 键槽卡钻的预防为了防止键槽卡钻的发生，必须首先要保证井眼质量，避免出现狗腿段；起钻时或再次下钻时应在键槽井段反复划眼，及时破坏键槽的形成，并在起钻到键槽井段时要低速慢起，严禁使用高速提升7。2.5 缩径卡钻的预防采用低密度、低固相、低失水的优质钻井液，或将油混入其中，并在下钻遇阻井段划眼以扩大缩径处的直径，常活动钻具即可有效地预防缩径卡钻。2.6 落物卡钻的预防这种卡钻的原因是显而易见的，只要严格执行操作规程，加强责任心就可避免其发生。2.7 其他预防卡钻并非无法避免，只要做好以下几点，就可以避免卡钻事故的发生。1）保持良好的联系。要求井队成员定时通报井眼的情况，要确保不断记录井眼状况，并在交接班时把情况交接清楚。统计数据表明大多数卡钻事故发生在交接班前后、这个时间发生的卡钻事故要比平时高出两倍半。2）制定应急措施。要始终掌握钻遇的地层情况，并估计到可能出现的问题，提前做好各种复杂情况的应变计划，一旦出现问题就不会使你措手不及。3）不断了解井下情况。扭矩、摩阻、岩屑、泵压的变化都能表明井下情况是否良好。记录全部的数据，及时发现井下变化趋势，将有助于判明井眼已出现或即将出现的问题。4）保持良好的钻井液性能。保持钻井液性能参数在指定的范围内，特别是密度、流变性、低密度固相以及失水等。当钻井液性能发生变化时，要及时找出发生变化的原因，并对井下情况作适当的调整。5）不断地活动钻具。在裸眼井段中，任何时候都要尽可能保持钻具的运动。6）保持井眼干净。钻进时要尽快把岩屑携带出来，以保证井眼干净。一定要牢记，在大肚子井眼和定问井中,要用更高的环空返速来有效地净化井眼。在起钻前必须将钻屑循环干净。7）采取措施要及时果断。一旦发生卡钻，要尽快地采取行动进行解卡，而不能让问题变得更复杂。3 各类卡钻事故的处理方法卡钻事故发生后，首先要根据上提、下放、转动、开泵循环情况，以及了解到的井眼情况和卡钻前的各种现象进行分析，准确判断出卡钻的原因，再采取相应的措施，但不管哪种性质的卡钻，都要设法调整钻井液的性能，及时清除岩屑，清洗井眼，一般常用下述几种方法进行解卡。3.1 上提、下放和转动钻具解卡在循环钻井液洗井的同时配合活动钻具，若卡的不严重时可以得到解决，但活动钻具要针对不同的类型的卡钻来进行，如果是沉砂卡钻或井塌卡钻则不要上提钻具，以免卡得更死，那么可以下放和旋转钻具，并设法憋开循环，用倒划眼的方法慢慢上提解卡。起钻遇卡（键槽、缩径或泥包卡钻）时，可提到原悬重后猛放钻，切不可猛力上提，以免将钻头卡的更死。对于压差卡钻，可以采取猛提猛放和转动钻具的方法使较轻的粘附卡钻得以解脱。3.2 浴井解卡在采用上述办法无效时，对于压差卡钻、泥包卡钻、缩径卡钻、沉砂卡钻等情况可采用浴井解卡。这种方法既是向井内泡油、泡盐水、泡酸或采用清水循环等方式，泡松粘稠的泥饼，降低粘滞系数，减少与钻具的接触面积，减少压差，从而活动钻具解卡。在浴井之前，首先要弄清卡点的深度，这可以根据弹性材料受拉时的拉力与伸长量的关系实测出卡点的位置，先用大钩以一定的力上提钻具，测出钻具受此拉力时的伸长量，可根据下式计算出卡点的井深5：式中：L卡点以上钻杆长度，mE钢材弹性模量，取 20.610Ma钻杆的绝对伸长量，cmF净拉力负荷，K 钻杆截面积，cm知道卡点深度后，计算出所需的泡油量，并将其注入卡钻井段，使粘附等卡钻解除。一般要求注入的原油量要返至卡点以上100米。卡点以下钻具全部泡上原油，并使钻杆内的油面高于管外油面，泡油量可按以下式计算：=-）+0.785H（2）式中：V0泡油量，m3 KhD井径附加系数，一般取 1.2-1.5dp钻杆外径，mdb钻杆内径，mH1环空泡油高度，mH2钻杆内注油高度，mdpi钻杆内经，m打入原油后，每隔1014min 替入少量的钻井液，使原油上返，以加强原油的渗透浸泡作用。在油浴期间要配合活动钻具，浸泡612h后如不能解卡，可替出原油重新浸泡或在原油中加入一定量的柴油，可提高浸泡效果。有时用碱液或清水作浸泡剂可获得很好的解卡效果。在石灰岩地层中，可以用低浓度的盐酸溶解解卡。3.3 上击、下击解卡在钻进中若遇上垮塌、粘性、膨胀性等易卡地层，可在钻杆与钻铤之间或在钻铤之间接上震击器，一旦遇卡，便立即下击或上击解卡。起钻中遇卡，如缩径、键槽等引起的卡钻经活动不能解除时，可以在卡点处倒开钻具，再接下震击器，对扣后，下击解卡。然后循环洗井，慢慢上提钻柱，如仍有卡的现象时，可以转动钻具倒划眼轻轻上提910。下钻过程中遇阻，未能及时发现而导致卡钻，或较轻的泥饼粘附卡钻时，均可用上击器向上击震解卡。3.4 倒扣套铣解卡遇到严重的卡钻时用以上方法不能解除且不能循环时，现场常用倒扣、套铣的方法来取出井内全部或部分钻具。倒扣是使转盘倒转，将井内正扣钻杆倒出。每次能倒出的钻杆数量决定于井内被卡钻具丝扣松紧是否一致，通常希望从卡点处倒开。对卡点以下的钻具要下套铣筒将钻具外面的岩屑或落物碎屑等铣掉，然后再倒出钻具，这是一种比较复杂的处理办法，费时较长。其倒扣、套铣的步骤如下10：将卡点以上钻具重量全部提起，使卡点附近钻具不受拉力和压力，然后倒转转盘，将钻杆丝扣倒开，起出井外。如果倒出的钻具还不到卡点处，可用反扣钻杆下接反扣公锥，下到井内钻具处造扣，然后上提，使卡点处钻具不受力，再反转转盘倒扣，如此反复进行直到将卡点以上钻具全部倒出，再进行套铣。套铣时使用套铣筒，要选择铣鞋，铣筒的外径比井眼的小，其内径要比钻杆接头外径大，如套铣119mm的钻杆时可用165mm的套铣筒，套铣筒的长度一般为50m左右，也有更长的，接在钻杆下面下入井内，套住井内钻具后再进行套铣，套铣一个套铣筒的长度后起钻，再下入反扣钻杆及反扣公锥进行倒扣，如此反复进行，直到把井内全部钻具倒出。3.5 爆炸倒扣套铣这是处理卡钻事故的一种新倒扣方法。首先测出卡点的位置，然后用电缆将导爆索从钻具内孔送到卡点以上第一个接头丝扣处，在导爆索中部对准接头的同时，将钻具卡点以上的全部重量提起，并给钻具施加一定的倒扣力矩，点燃爆索爆炸时产生剧烈的冲击波及强大的震动力，足以使接头部分发生弹性变形，及时把扣倒开，这与钻杆接头卸不开时用大锤敲打钻杆母接头后就可卸开的原理是一样的。同时，由于导爆索爆炸产生大量的热，使钻杆接头处受热，熔化其中的丝扣油，并产生塑性变形，也有助于卸开丝扣。这种方法具有安全、可靠、速度快、钻具一般不易破坏，不需要反扣钻具和打捞工具等优点，同时加快处理卡钻的速度，但要严格的控制药量，并合理操作，倒扣后铣套、打捞。3.6 爆炸、侧钻新井眼。当采用上述各种方法均无效时，或卡点很深，用倒扣方法处理很浪费时间，会使井眼情况严重恶化时，可将未卡部分钻具用炸药炸断起出，然后在留在井内的钻具顶上打水泥塞，再另侧钻一新井眼。4 结论坚持预防为主、安全第一的理念，在复杂的地质环境下对可能产生的卡钻事故做好提前预防,对现场钻井液工程师来说，要控制好钻井液性能，保证钻井施工不受钻井液性能的影响，将卡钻事故遏制在萌芽状态，使钻井施工顺利，提高钻井效率，降低成本。当井下发生卡钻事故时,要保持清醒的头脑,不能盲目的采取措施,要对卡钻产生的具体原因进行具体分析,选择最优的解卡方法对其进行处理，将钻井损失降到最低。