謝鑫 (西南石油大學(xué)研究生部)

壓差卡鉆的控制方法

謝鑫 (西南石油大學(xué)研究生部)

壓差卡鉆是鉆井中經(jīng)常出現(xiàn)的卡鉆事故。壓差卡鉆的三種控制方法:調(diào)整鉆具組合,調(diào)整鉆井液性能,控制壓力平衡。調(diào)整鉆具組合包括使用加重鉆桿,使用帶穩(wěn)定的鉆具,控制斜井開槽,減小靜止時(shí)間四種控制方法;調(diào)整鉆井液性能著重對泥餅的性能控制;在控制壓力平衡中,主要采用過平衡。卡鉆控制方法對卡鉆的預(yù)防很有效果。

壓差卡鉆 泥餅 剪切屈服力極限拉力

1 卡鉆機(jī)理

壓差卡鉆是指鉆具在井中靜止時(shí),在鉆井液與地層孔隙壓力之間的壓差作用下,緊壓在井壁泥餅上而導(dǎo)致的卡鉆[1]。卡鉆可以看作是鉆柱不能在井眼中自由活動。(圖1)當(dāng)鉆桿在井中長時(shí)間靜止時(shí),隨著泥餅中鉆井液的濾失,泥餅的孔隙壓力將降低,而且當(dāng)泥餅和地層巖石之間存在足夠的壓力差時(shí),泥餅中的鉆井液將持續(xù)地濾失。當(dāng)濾失停止,泥餅壓力與地層壓力相等時(shí),則在鉆柱和井壁之間產(chǎn)生壓差,從而導(dǎo)致了卡鉆。如圖2所示,泥餅的剪切屈服力可以看作是卡鉆發(fā)生的主要因素。當(dāng)鉆柱拉力大于泥餅的剪切屈服力時(shí),卡鉆就不會發(fā)生;反之,則卡鉆發(fā)生。在圖3中,隨著泥餅的濾失,鉆鋌與井壁接觸面的泥餅壓力將會持續(xù)地降低,泥餅的剪切屈服力將增大,當(dāng)鉆柱傳遞的有效拉力大于泥餅的剪切力時(shí),即泥餅壓力在鉆柱傳遞的極限拉力線以上時(shí),則鉆柱在井眼中可任意移動,即卡鉆沒有發(fā)生;當(dāng)泥餅壓力在鉆柱傳遞的極限拉力線以下時(shí),則鉆柱不能移動,即卡鉆發(fā)生。綜上所述,控制壓差卡鉆的原則就是使鉆柱可傳遞的拉力大于泥餅的剪切力[2]。

圖1 壓差卡鉆示意圖

根據(jù)文獻(xiàn),壓差卡鉆時(shí)的鉆柱會埋入泥餅中,因此鉆柱運(yùn)動阻力,即泥餅的剪切屈服力,可應(yīng)用下式來計(jì)算[3]:

其中,Ac=ψarc·Lep

由式 (1)可知,要減小卡鉆的發(fā)生,其設(shè)計(jì)原則是:降低剪切屈服力,關(guān)鍵在于減小接觸面積和泥餅的摩擦系數(shù)。

2 壓差卡鉆控制方法

2.1 調(diào)整鉆具組合

2.1.1 使用加重鉆桿

鉆鋌的作用是給鉆頭加壓,同時(shí)又由于鉆鋌有著很高的剛度,可以減小井眼的彎曲。但鉆鋌和泥餅的接觸面積很大,因此鉆柱在井中的自由活動有很大的阻力,這個(gè)力很有可能超過了鉆柱可以傳遞的拉力極限,從而造成卡鉆。而使用加重鉆桿,就可以大幅度地減小鉆桿和泥餅的接觸面積,從而使鉆柱在井中自由活動所需的力減小。加重鉆桿之所以能減小接觸面積,關(guān)鍵在于加重鉆桿中部有耐磨帶,同時(shí)加重鉆桿的厚度也比較大,可以有效地抵抗彎曲,從而可以幫助加重鉆桿減小和泥餅的接觸面積。在實(shí)際的鉆井工況中,當(dāng)井斜角偏小或中等的工況下,盡可能少地使用普通鉆桿,并且在鉆柱最頂部的穩(wěn)定器的上面接入加重鉆桿,可以有效地減少鉆柱移動所需要的拉力。在井斜角大的井中,使用常規(guī)的鉆桿加較短的工具接頭,也可以極大地減小鉆桿和泥餅接觸的長度,從而減小鉆柱活動時(shí)需要克服的泥餅剪切屈服力。在當(dāng)前鉆井工程中,接1～3根加重鉆桿到最頂端的穩(wěn)定器之上,就可以取得比較好的卡鉆控制效果。

2.1.2 使用帶穩(wěn)定器的井下鉆具組合

在鉆井過程中,應(yīng)盡可能地不使用光鉆鋌鉆具組合,而要使用帶穩(wěn)定器的鉆具組合。當(dāng)穩(wěn)定器的數(shù)量和間距適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,鉆桿和泥餅將不會接觸,從而避免發(fā)生壓差卡鉆。在定向井中,在穩(wěn)定器的上面接入加重鉆桿,可以更好地減小運(yùn)動需要克服的泥餅剪切屈服力。

由于使用單個(gè)振擊器往往造成卡鉆,因此,應(yīng)避免單個(gè)振擊器的使用,振擊器使用時(shí)要多個(gè)密集地使用。

2.1.3 控制大井斜角井中的開槽

卡槽的形成是由于在大斜度井中,鉆具接頭和鉆柱管體本身旋轉(zhuǎn),從而摩擦井壁,使井壁出現(xiàn)凹陷而產(chǎn)生凹槽。由于凹槽很接近接頭和管體的外徑,從而增大了接觸面積,增加了鉆具活動的阻力。開槽的出現(xiàn)雖然不能避免,但可以減小由于開槽而產(chǎn)生的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。在鉆具中使用加重鉆桿和使用較小的工具接頭,可以有效地減小卡槽的幾何尺寸,從而減小了卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.4 減小鉆柱靜止時(shí)間

由圖1可知,壓差卡鉆并不會很快地發(fā)生,只有當(dāng)泥餅的不斷濾失使得泥餅的剪切屈服力足夠大的時(shí)候才會發(fā)生卡鉆。因此,應(yīng)盡可能縮小鉆柱靜止時(shí)間,當(dāng)鉆柱靜止時(shí)間小于鉆柱極限傳遞拉力與泥餅壓力線的交點(diǎn)時(shí)間時(shí),卡鉆就不會發(fā)生。

2.2 調(diào)整鉆井液的性能

泥餅性能對卡鉆的發(fā)生有很大的影響,良好的泥餅性能應(yīng)滿足以下條件:

◇厚度薄,減小接觸面積;

◇泥餅致密,濾失小。

從而使鉆柱活動阻力和泥餅剪切屈服力減小,使鉆柱可以靜止的時(shí)間增大。有效的泥餅?zāi)芸刂乒滔囝w粒進(jìn)入地層,同時(shí)將濾失量控制在比較小的范圍。而泥餅性能的調(diào)整方法主要是使用合適的封堵劑和降濾失劑[4]。封堵孔喉是重晶石的作用之一,它是鉆井液中主要的孔隙堵塞成分。在以下的幾種情況,還應(yīng)該使用其他的堵塞顆粒:

◇在低密度鉆井液中重晶石含量很少;

◇在高滲透率的地層中,重晶石相對巖石孔喉還是很小,不能堵塞喉道;

◇泥餅可能出現(xiàn)的再次生長。

同時(shí),碳酸鈣也是常用的堵塞成分。如果在鉆井液中使用膠質(zhì)材料,可以使用較小直徑顆粒堵塞孔喉,從而取得比較好的堵塞效果。使用CMC等降濾失劑,減小鉆井液的濾失量,減小泥餅的厚度,形成薄而致密的泥餅,從而減小鉆柱自由運(yùn)動的阻力[5]。

在輕密度鉆井液和高的機(jī)械鉆速工況下,最初的泥餅是由鉆井液中的顆粒組成的;在高密度鉆井液和低的機(jī)械鉆速下,泥餅的形成與重晶石有關(guān)。研究表明,泥餅表面只會吸附與表面孔隙相適應(yīng)的顆粒。每一次穩(wěn)定器的旋轉(zhuǎn)都會摩擦泥餅表面,新的暴露在鉆井液中的泥餅將吸附更小的粒子,從而降低了泥餅的滲透率,減小了泥餅的剪切屈服力。這時(shí),雖然較大的顆粒也會出現(xiàn)在鉆井液中,但是它不會吸附在泥餅上,從而確保泥餅有較低的滲透率。在高的機(jī)械鉆速下,泥餅?zāi)鼙豢焖俚啬サ?從而很快形成致密的泥餅。因此,在低密度鉆井液中,除了重晶石,其他的粒子也是不可少的。在鉆井液中加入潤滑成分,減小摩擦系數(shù),也可以減小卡鉆的發(fā)生。

2.3 控制壓力平衡

在鉆井過程中,過平衡是為了控制井底的地層壓力和保持鉆桿的穩(wěn)定性。但是,適當(dāng)?shù)亟档瓦^平衡,可以減小泥餅與鉆柱之間的有效應(yīng)力,也可以降低泥餅的剪切屈服力,降低鉆柱與泥餅的接觸面積。而適當(dāng)?shù)亟档豌@井液的密度,就可以達(dá)到控制壓力過平衡的程度。降低過平衡的壓差,便可以降低鉆柱自由活動時(shí)的阻力,從而降低卡鉆。

3 結(jié)論

◇用加重鉆桿代替鉆鋌,可以有效地控制卡鉆的發(fā)生;

◇減少光鉆鋌的使用,在不影響正常鉆進(jìn)的前提下,使用穩(wěn)定器;

◇要調(diào)整好泥餅的性能,將過平衡鉆井的壓力控制在合理的范圍內(nèi)。

符號說明

Ac——接觸面積,m2

Pm——鉆井液壓力,MPa

Pff——地層壓力,MPa

Dh——井眼直徑,m

tmc——泥餅厚度,m

μ——摩擦系數(shù),m

Lep——鉆柱埋入泥餅的長度,m

F——泥餅剪切屈服力,103kN

[1]Fred E,Dupriest,William C,et al.Design methodology and operationalpractices eliminate differential sticking:SPE 128129[R].

[2]Adriana Murillo,Johanna Neuman,Robello Samuel.Pipe sticking prediction and avoidance using adaptive fuzzy logic and neural network modeling:SPE 120128[R].

[3]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué).北京:石油工業(yè)出版社.

[4]蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問題.北京:石油工業(yè)出版社.

[5]劉希圣.鉆井工藝原理.北京:石油工業(yè)出版社.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.014

2010-05-20)