各种卡钻事故分析

44钻 井 事 故 与 复 杂 问 题卡 钻 事 故 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，当卡钻事故发生之後, 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。 2 要保持钻柱完整:因为如把钻柱提断或扭断。3 不能把钻具连接螺纹扭得过紧，为倒扣解卡留一条后路。第一节 粘吸卡钻 一 粘吸卡钻的原因井壁上有泥饼的存在是造成粘吸卡钻的内在原因,在裸眼井段内,不但砂岩有泥饼,泥页岩也有泥饼,而且要比砂岩井段的泥饼厚得多。这是因为泥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石表面,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,靠近井壁的流速几乎等於零,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泥饼。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, 泥页岩也是亲水物质,可以被水浸润, 只要是水基钻井液,即使滤失量等於零,这个浸润过程也无法停止。由於水的浸润,泥页岩表面的离子表现出极性, 具有未平衡的自由的一部分力场,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,吸附层的一部分水份被挤回钻井液中,井壁上就形成了一层比较厚的成份比较复杂的泥饼, 这些泥饼的性能比砂岩井段的泥饼更差。由此我们可以得出结论,只要有泥饼存在,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,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。当钻柱被井壁泥饼粘吸之後,紧靠井壁一边钻柱的一侧(粘吸面上)所受的是通过泥饼传来的地层孔隙压力,另一侧所受的是钻井液液柱压力,如果後者大於前者,即有正压差存在,可把钻柱压向井壁,进一步缩小吸附面之间的间隙,增强了吸附力,另一方面加大了钻柱与井壁之间的摩阻力。更重要的是电吸附作用，现在使用的大多数水基钻井液是负离子体系，在井壁上形成一个负离子力场，而钻具在钻井液中电离一部分铁离子，形成正离子力场，在钻具静止时，正负相吸，便牢牢地粘附在一起，形成了卡钻。 二 粘吸卡钻的象征 1 粘吸卡钻是在钻柱静止的状态下发生的。因此,卡钻前钻具上下活动、转动均不会有阻力(正常摩阻力除外)。 2 粘吸卡钻後的卡点位置是在钻铤或钻杆部位。 3 粘吸卡钻前後,钻井液循环正常,进出口流量平衡,泵压没有变化。(4)粘吸卡钻後,如活动不及时,卡点有可能上移。 三 粘吸卡钻的预防 1使用油基钻井液、油包水钻井液,或者阳离子体系钻井液,还可以使用聚二醇乳化钻井液,这种钻井液的润滑性类似于油浆。 2水基钻井液,绝大部分是阴离子体系钻井液,这种钻井液,随着井斜的增加或钻井液密度的提高,粘吸卡钻的可能性越来越大,最好的办法就是不让钻柱静止。因此,要求钻井设备必须正常运转,如果部分设备发生故障,不能转动的话,要上下活动;不能上下活动的话,要争取转动。每次活动都要达到无阻力为止。 3 对水基钻井液来说,要求有较好的润滑性、较小的滤失量、适当的粘度和切力,必要时要加入润滑剂、活性剂、塑料球等以减少滤饼的摩阻系数。4 应搞好钻井液的固控工作,把无用的固相尽量清除干净。5 如果没有高压层、坍塌层存在,要使用最低的钻井液密度,做到近平衡压力钻进。6 钻井液加重时,要用优质的加重材料,并要均匀加入。 7 设计合理的钻柱结构,特别是下部钻柱结构。增加支撑点,减少接触面,如使用螺旋式钻铤、加重钻杆等。 8 如果钻头在井底,无法上提和转动,那就只好将钻柱悬重的二分之一至三分之二压在钻头上,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。9 除必要停止的几分钟外,要使钻具一直处於活动状态中。 10 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。）11仪表必须灵敏可靠,以防做出错误的判断。 12要保持良好的井身质量。 13 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。14无论是钻进还是起下钻过程,要详细记录与钻头相对应的高扭矩大摩阻的井段,并分析所在地层的岩性,因为这些地层往往是容易卡钻的地层。 四 粘吸卡钻的处理 粘吸卡钻发生之後,可以采取如下办法处理： 1强力活动:粘吸卡钻随着时间的延长而益趋严重,所以在发现粘吸卡钻的最初阶段,就应在设备(特别是井架和悬吊系统)和钻柱的安全负荷以内尽最大的力量进行活动,上提不超过薄弱环节的安全负荷极限,下压可以把全部钻柱的重量压上,也可以进行适当的转动。用这种办法解除粘卡事故的事例很多。如果强力活动若干次(一般不超过10次)无效,就没有必要再强力活动了。此时应在适当的范围内活动未卡钻柱,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。但必须注意,钻柱只能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:如果钻柱上带有随钻震击器,应立即启动上击器上击或启动下击器下击,以求解卡。 3 浸泡解卡剂:浸泡解卡剂是解除粘吸卡钻的最常用最重要的办法, 解卡剂种类很多,广义上讲,包括原油、柴油、煤油、油类复配物、盐酸、土酸、清水、盐水、碱水等,他们的密度是自然密度,难以调整。狭义上讲, 是指用专门物料配成的用于解除粘吸卡钻的特殊溶液, 有油基的,也有水基的,他们的密度可以根据需要随意调整。如何选用解卡剂, 要视各个地区的具体情况而定,低压井可以随意选用,高压井只能选用高密度解卡剂。高密度解卡剂的特点是: 有良好的流变性能,其粘度、切力、屈服值可以随意调节。 有良好的悬浮性,可以加重到所需要的密度。 由于和钻井液密度相近,注入井内时所需泵压小,而且有利于巩固井壁,有助于长期浸泡,不会发生井涌、井喷等事故。 由于和井内的钻井液密度相近,在替入过程和浸泡过程都很少窜槽,也不会因密度不同而自动上下置换。 浸泡解卡剂的施工步骤是: (1)测求卡点位置: 现场常用的办法是根据钻柱在一定的拉力下的弹性伸长来计算。依虎克定律可知,自由钻柱的伸长和拉力及钻柱的长度成正比,和钻柱的横截面积及钢材的弹性系数成反比,於是就成立下式: l=LP/EF移项後得 L = EFl/P(1-1)式中 L-自由钻柱的长度(m) P-自由钻柱所受的超过其自身悬重的拉力(kN) F-自由钻柱的横截面积(cm2) l-自由钻柱在P力作用下的伸长(cm) E-钢材的弹性系数(2.1104 kN/cm2) 因为, 一定的钻柱,其横截面积F为定值,钢材的弹性系数E也是定值,可以把式(1)改写为下式:L = Kl/P(1-2) 式中 K=EF,称为计算系数,为了使用方便,将常用的钻杆、钻铤的计算系数K值列於表1-1和表1-2中。 表1-1 常用钻杆计算系数K值外径mm壁厚mm截面积cm2K备注外径mm壁厚mm截面积cm2K备注60348268.411176API114.39.47431.506552API711211.892490API10.00032.806720苏80013.102740中国10.92235.477449API730551211.692455API11.00035.707470中国700014.503050苏127.07.51828.225926API900018.003800中、苏9.00033.367010中国919518.433870API9.19634.027150API889645216.713509API11.00040.098420中国800020.304250苏139.79.00036.957770中国900022.504750中、苏9.16937.607900API9，34723.364905API11.00042.778980API1100026.805660中、苏141.38.00033.507160苏1140527.775830API9.00037.507980苏10160665519.854169API10.00041.108780苏838224.555155API11.00045.009570苏900026.185520中国168.278.00040.508610苏1100031.316600中国8.38242.118822API11430688323.234878API9.00045.009620苏800026.705710苏10.00049.6010610苏856028.435970API11.00054.2011570苏900029.706230中、苏 表1-2 常用钻铤的计算系数K值外径内径截面积2K备注外径内径截面积2K备注8893810506710640API165075001696035616中国9503200628113190苏171557152052043096法国10505000670014070中国71441908040066法国5080659513850API177869902099244083罗马尼亚108.038.080.2216846苏71442082143724API1210550912019152中国75002046042966中国5715881618619API80001979941578苏131060001065022365中国184071442262647514API146057151418429986API197071442641055462API70001289027069中国76202585854302API71441274526795API90002412050562苏75001231725865苏203071442842159684API152457151567532917API75002800958819中国7144142329883API76202786958525API159057151722836179API88902622255066罗马尼亚71441578533149法国100002457951616苏75001544032424中国222071443479773073法国165057151880039495API76.20342.4572915法国71441740036540API76203648276614API 如果井内用的是复合钻柱,则根据钻具的外径和壁厚的不同,自上而下把钻柱分为若干段,在一定的拉力P的作用下,分别计算每段自由管柱的伸长值。 这里必须说明,表1、表2所列数据都是新管子的数据,其中的计算系数K也未考虑接头及加厚部份的影响。钻杆接头占钻杆总长的4.55.6%,加厚部份占钻杆总长的0.81.0%,计算的结果肯定会有误差。如127mm9.19mm的钻杆考虑接头与加厚部份的影响与不考虑其影响,两者计算的结果,每千米相差49m。也就是说,我们平常计算的卡点位置比实际卡点位置要深好多米。 (2)计算解卡剂用量: 解卡剂总用量等于预计要浸泡的环空容量和钻柱内容量两部份。环空容量为钻头至卡点位置的环空容量,还要增加一定的附加量,这是因为:(a)计算的卡点位置不一定准确,实际的卡点位置比计算的卡点位置要高;(b)计算环空容积时,往往不知道井径的实际数据,而以钻头直径作为计算的依据,实际井径往往比钻头直径大1020%。以216mm钻头为例,井径扩大15%,容积要增加32%;(c)解卡剂与钻井液之间往往发生窜混现象,窜混的解卡剂很难起到解卡的作用,我们希望把这一部份替到卡点以上,窜混程度的大小,取决于解卡剂在环空的流态、流速和流程的长短以及和井浆密度的差别,所以计算的浸泡液面应高于卡点;(d)我们希望解卡剂能把卡钻井段的钻井液全部顶替干净,但事实上不可能,井径越大,井段越长,滞留的井浆越多,它占据了一定的环空容积,从这方面来看,可以减少解卡剂的用量。所以解卡剂的附加值究竟以多大为合适,要视具体情况而定,一般以20%为宜。 钻柱内容量的计算要考虑两个问题:(a)若解卡剂密度小于钻井液密度,为了保证钻柱内外压力平衡,钻柱内的解卡剂液面不能低于环空的解卡剂液面,否则,管内解卡剂会自动外流;(b)为了防止钻头水眼或环空砂堵,必须定期(一般为0.51.0小时)活动管内外液体,每次要顶入钻井液0.30.5m3,按浸泡68小时计,管内须多留解卡剂3.64.8m3;(c)如果解卡剂与井浆密度相近,则不考虑压差问题,管内留足顶替时所需要的解卡剂即可。因此,解卡剂总用量可用下式计算Q=Q1+Q2+Q3=0.785KH(D2-d12)+0.785d22H+Q3 (1-3)式中 Q解卡剂总用量(m3) Q1粘卡段环空容量(m3) Q2粘卡段管内容量(m3) Q3预计顶替量(m3) K-附加系数(一般取1.2) H-粘卡段钻柱长度(m) D-钻头直径(m) d1-钻铤或钻杆外径(m) d2-钻铤或钻杆内径(m) 如果使用的是复合钻柱, 阶梯式井眼,则应按不同的井径,不同的管柱内外径分段进行计算累加後即可得总用量。 (3)计算注解卡剂时的最高泵压: 如果解卡剂密度与井浆相近,泵压不会有大的变化,可不必计算。如果解卡剂密度低于井浆,在顶替时会有压差存在,最高泵压即为循环泵压与管内外液柱压差之和。如解卡剂总用量小于钻柱内容积, 则解卡剂完全泵入钻柱时即达最高泵压。若解卡剂总用量大于钻柱内容积,则解卡剂到达钻头时即达最高泵压。可用下式求得。P = P1+P2 = P1+0.01(1-2)h(1-4)式中 P最高泵压(MPa) P1循环泵压(MPa) P2解卡剂与井浆的液柱压差(MPa) 1井浆密度(g/cm3) 2解卡剂密度(g/cm3) h解卡剂在钻柱内的液柱高度(m) (4) 安全校核如果使用的是与井浆密度相近的解卡剂, 或者确信井下没有较高压力层及浅气层存在, 则不必进行安全校核。如果井下有较高压力层及浅气层存在,而使用的又是低密度的解卡剂(如原油、柴油、煤油、清水、酸液、碱液),则必须进行安全校核。因为低密度解卡剂完全替入环空後, 环空液柱压力降低,而且随着解卡剂液柱的上移,对不同层位的压力层会有不同的影响。所以应对各压力层特别是浅气层要进行压力平衡校核,以策安全,避免因浸泡解卡剂而诱发井涌,井喷等事故。五 处理粘吸卡钻应注意的问题1注入解卡剂前,最好做一次钻井液循环周试验,确证钻具没有剌漏现象,方可注入。 2注解卡剂前,特别是注低密度解卡剂前,必须在钻柱上或方钻杆上接回压阀或旋塞。在施工过程中,如地面管线.阀门发生问题,可以防止液体倒流, 3 要保持钻头水眼和环空不被堵塞: 在卡钻之後,特别是注入解卡剂之後,如钻柱上没有回压阀或回压阀失灵,就不能随意放回水。注入解卡剂经过一定时间的浸泡之後,井壁泥饼剥落,井内积砂下沉,如果开泵过猛,把泥饼和砂子聚集在一起,很容易将环空堵塞,失去循环。所以在浸泡期间,一定要定期开泵顶钻井液,一方面是为了让解卡剂向上移动,另一方面也是为了检查钻头水眼和环空是否畅通。浸泡解卡後,一定要小排量开泵顶通,然後逐步提高排量循环,在解卡剂未全部替出井口之前,绝不能停泵。 4如果一次浸泡,解卡剂用量过大,有引起井涌、井喷的危险时,可以分段浸泡,先浸泡被卡钻柱的下部若干小时,然後一次性的将解卡剂顶到卡点位置,浸泡被卡钻柱的上部。这种办法曾多次成功的解除了长井段粘吸卡钻事故,而且又节约了解卡剂用量。 5解卡剂在井内浸泡的时间,随地层特性和钻井液性能而异,少则十几分钟,多则几十小时。浸泡一次不行,可以浸泡二次三次。浸泡这种解卡剂不行,可以选择其它种类的解卡剂。同时,浸泡和震击联合作用,效果会更好。只要确信是粘吸卡钻,不到山穷水尽的地步,不要轻易爆炸或倒扣。 6浸泡解卡後,接着又发生粘吸卡钻的事是常有的,所以在浸泡解卡後,不能掉以轻心,要不断的活动钻柱,最好是转动,这样也有利于排除解卡剂。 7有时可能是复合卡钻,解卡剂浸泡的结果,只能使卡点降低,而不能彻底解卡。此时就不得不走别的路子,如震击、套铣等。在倒开原钻柱之前,最好先下一只爆炸筒把钻头水眼炸掉或把钻铤炸裂,这样在任何情况下,都有可能恢复循环,多一条路比少一条路要好。 8钻具断落後,很容易形成粘卡。所以打捞时所下的工具应能密封鱼头部位。下公、母锥打捞时不能用带排屑槽的公、母锥,下捞矛时应带封堵器,下捞筒时应装有密封件,以便捞着後能循环钻井液,能注入解卡剂。第二节 井壁失稳与坍塌卡钻坍塌卡钻是井壁失稳造成的,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。 一 地层坍塌的原因 （一） 地质方面的原因: 1原始地应力的存在:我们知道,地壳是在不断运动之中,于是在不同的部位形成不同的构造应力(挤压、拉伸、剪切),当这些构造应力超过岩石本身的强度时,便产生断裂而释放能量。但当这些构造应力的聚集尚未达到足以使岩石破裂的强度时,它是以潜能的方式储存在岩石之中,待机而发,当遇到适当的条件时,就会表现出来。当井眼被钻穿以后,钻井液液柱压力代替了被钻掉的岩石所提供的原始应力,井眼周围的应力将被重新分配,当某一方向的地层应力超过岩石强度极限时就会引起地层破裂,何况有些地层本来就是破碎性地层或节理发育地层。虽然井筒中有钻井液液柱压力,但不足以平衡地层的侧向压力,所以,地层总是向井眼内剥落或坍塌。 2地层的构造状态:处于水平位置的地层其稳定性较好,但由于构造运动,发生局部的或区域的断裂、褶皱、滑动和崩塌、上升或下降,使得本来水平的沉积岩变得错综复杂起来,大多数地层都保持一定的倾角,随着倾角的增大,地层的稳定性变差,60左右的倾角,地层的稳定性最差。 3岩石本身的性质:由于沉积环境、矿物组分、埋藏时间、胶结程度、压实程度不同而各具特性,以下的这些岩石是容易坍塌的:未胶结或胶桔不好的砂岩、砾岩、砂砾岩;破碎的凝灰岩、玄武岩;节理发达的泥页岩;断层形成的破碎带;不成岩的地层,如煤层、流沙、粘土、淤泥等。泥页岩的组分也是一个很重要的因素,泥页岩中一般含有2030%粘土矿物,若粘土的主要成分是蒙脱石则易吸水膨胀;若粘土的主要成分是高岭石、伊利石,则膨胀性小,但容易脆裂;而伊利石-蒙脱石混层,离子间强键减少,一部分比另一部分水化能力强,导致非均匀膨胀,进一步减弱了泥页岩的结构强度,实践证明,伊利石-蒙脱石混层是难以对付的地层。 4泥页岩孔隙压力异常:泥页岩是有孔隙的,在成岩过程中,由于温度、压力的影响,使粘土表面的强结合水脱离成为自由水,如果处于封闭的环境内,多余的水排不出去,就在孔隙内形成高压。一些生油岩生成的油气运移不出去,也会在孔隙和裂缝中形成高压。钻井时,如果钻井液液柱压力小于地层孔隙压力,孔隙压力就要释放。如果孔隙或裂缝足够大且有一定的连通性,这些流体就会涌入井内,如果泥页岩孔隙很小,渗透率很低,当压差超过泥页岩强度时,也会把泥页岩推向井内。若泥页岩孔隙里是高压气体,泥页岩就会被崩散,落入井内。 5.高压油气层的影响:泥页岩一般是砂岩油气层的盖层和底层,或者与砂岩交互沉积而成为砂岩的夹层,如果这些砂岩油气层是高压的,在井眼钻穿之后,在压差的作用下,地层的能量就沿着阻力最小的砂岩与泥页岩的层面而释放出来,使交界面处的泥页岩坍塌入井。 (二) 物理化学方面的原因: 石油天然气钻井是在沉积岩中进行,而沉积岩的百分之七十以上是泥页岩,泥页岩都是亲水物质,一般都含有蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物,泥页岩中的粘土含量、粘土成分、含水量及水分中的含盐量对泥页岩的吸水及吸水后的表现有密切关系,泥页岩粘土含量越高、含盐量越高、含水量越少则越易吸水水化。蒙脱石含量高的泥页岩易吸水膨胀,绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解、剥落。值得注意的是井眼钻开之后不仅引起原始地应力的重新分配,而且由于钻井液滤液的浸入,粘土内部又发生新的变化,产生新的应力,如孔隙压力、膨胀压力等,削弱了粘土的结构。泥页岩吸水后,强度将直线下降,这是造成坍塌的主要原因。 泥页岩与水的作用机理主要是: 1.水化膨胀: (1) 表面水化:粘土表面带有负电荷,可吸收水分子。首先水以单分子层吸附在粘土表面上,降低了粘土体系的表面能,并把单层分开使其间距增大,当四层水进入蒙脱石的晶层间时,其体积可增加一倍,这样就减少了颗粒间的引力,使粘土的抗剪强度下降。同时水分子上所粘结的氢原子与粘土硅层表面的氧原子化合为水分子,更增强了粘土的表面水化作用。粘土的水化能力和粘土颗粒的表面积成正比,表面积越大,水化程度越高。(2) 离子水化:粘土中的阳离子可与钻井液中的阳离子进行交换,这种可交换的阳离子表面形成水化膜而引起离子水化。交换能力大的钠蒙脱石才能同时发生表面水化和离子水化。滤液中的OH-会促使粘土表面层中的H+解离,也可靠H+直接吸附于粘土表面,使粘土表面负电荷增多,水化能力增强,膨胀压力增大,所以,高pH值不利于防塌。 (3) 渗透水化:主要是由于泥页岩中电解质的浓度高于钻井液中电解质的浓度,水分子由电解质浓度较低的钻井液渗入电解质浓度较高的泥页岩中。同理,如果钻井液中的电解质浓度高于泥页岩的电解质浓度,则泥页岩中的水分向钻井液渗透, 从而使泥页岩脱水。通常钻井使用的是淡水钻井液或低矿化度钻井液,水分总是由钻井液向地层渗透,当两者离子浓度相差很大时,渗透水化可以形成很高的渗透压,并且渗透水化是在泥页岩内部进行,它对井壁稳定有很大的破坏作用。 当泥页岩出现屈服时,其渗透率将明显增加,致使水力流动速率和钻井液压力渗透速率提高,因此,由流体渗透诱发的泥页岩破坏是一个自行加速的过程,要靠外界的压力来平衡这个渗透压进而消除渗透作用是很困难的,只有用化学的方法,使钻井液与泥页岩的矿化度相同或化学位相同,才能制止渗透作用的进行。 2.毛细管作用 泥页岩中有许多层面和纹理,在构造力的作用下又形成了许多微细裂纹,这些连接薄弱的地方容易吸水,是良好的毛细管通道。毛细管压力与孔隙半径成反比、与表面张力成正比。原来并不怎么水化膨胀的泥页岩,也可因毛细管水的大量浸入发生物理崩解。有的泥页岩很少含微晶高岭石,与水作用后膨胀程度较小,膨胀压力也不是很大,然而井塌还是比较严重,这是因为毛细管水进入泥页岩像润滑剂那样削弱岩石颗粒之间和泥页岩层面之间的联结力,在侧压力作用下,岩石向井内运移, 3.流体静压力 如果钻井液的液柱压力高于泥页岩的孔隙压力,钻井液滤液会在正压差的作用下进入地层,增大地层的孔隙压力,而且引起地层层面水化,强度降低,裂缝裂解加剧。滤液进入越深,裂缝的裂解越严重,泥页岩的剥落、坍塌越厉害。但流体静压力又是井壁围压的一种平衡力,也是一种反膨胀力。所以流体静压力对井壁稳定来说,既有正面效应,也有负面效应,我们应当尽量发挥它的正面效应,克服它的负面效应。比较理想的办法是降低钻井液的滤失量,提高滤液的粘度,滤液的粘度越大,越有利于封堵微细裂缝,阻止或减缓毛细管作用和渗透作用的进行。 综上所述,我们知道,只要使用水基钻井液,只要有水的存在,就有泥页岩的水化膨胀坍塌问题。泥页岩的水化膨胀压力是时间的函数,泥页岩吸水后要经过一段时间膨胀压力才会显著上升。当膨胀压力达到一定程度后就形成一次坍塌,坍塌之后,又有新的泥页岩表面暴露出来,和钻井液中的水接触,又重复前一过程,又形成第二次第三次坍塌,如此反复不已。所以加快钻井速度,争取在泥页岩大规模坍塌之前把井完成是最经济最有效的办法。 (三) 工艺方面的原因 地层的性质及地应力的存在是客观事实,不可改变。所以人们只能从工艺方面采取措施防止地层坍塌,如果对坍塌层的性质认识不清,工艺方面采取的措施不当,也会导致坍塌的发生。 1.钻井液液柱压力设计不当:基于压力平衡的理论,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、破碎地层及应力相对集中地层的有效措施。但钻井液密度的确定,也受其它因素的影响,(a)钻井液液柱压力不能超过产层的孔隙压力,(b)钻井液液柱压力不能超过地层破裂压力。 (c)受机械钻速的制约,钻井液密度越低机械钻速越快,这是公认的事实。2.钻井液的性能和流变性和地层不相适应:钻井液的排量大、返速高、呈紊流状态容易冲蚀井壁岩石,引起坍塌,特别是在某一井段长期循环,很容易形成大井径。但是,如果钻井液排量小、返速低、呈层流状态,某些松软地层又极易缩径。高粘高切低失水钻井液有助于防塌,也有利于携带岩屑,但不利于提高钻速。 3.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角有关系,位于最小水平主应力方向的井眼较稳定,而位于最大水平主应力方向的井眼最不稳定。 4.钻具组合不当:为了保持井眼垂直或稳斜钻进,下部钻具往往采用刚性组合,但如钻铤直径太大、扶正器过多,下部钻具与井眼之间的间隙太小,起下钻时很容易产生压力激动,导致井壁不稳。 5.钻井液液面下降:如起钻时不灌钻井液或少灌钻井液或者发生井漏。都会使环空液柱压力下降,使某些地层失去支撑力而发生坍塌。6.压力激动:起钻速度过快,易产生抽吸压力,抽吸力和钻井液粘度、切力、下部钻具结构和起钻速度有直接关系,一般情况下相当于减少钻井液密度0.10-0.13g/cm3。但是在钻头泥包的情况下,抽吸力是相当大的,使井内压力低于地层坍塌应力,促使地层过早地发生坍塌。 7.井喷引起井塌:井喷後,一方面由于油气的混入,钻井液液柱压力降低,一方面由于高速油气流的冲刷,破坏了井壁泥饼,也破坏了井眼周围结构薄弱的岩层。 在钻井过程中,轻微的井塌是经常出现的,从电测井径的数据也可以看出,井径扩大的现象是普遍存在的,而扩大的井段主要是泥页岩井段,不过,这种轻微的坍塌不会给钻井施工造成困难。但是若遇到裂缝发育而吸水性又强的泥页岩,在短期内就会形成大规模的坍塌,裸露一层,剥蚀一层,连续不断,以致使钻井工作无法进行,甚至埋死钻具,造成坍塌卡钻,这就是非常严重的问题了。 二 井壁坍塌的象征 1在钻进过程中发生坍塌:如果是轻微的坍塌,则使钻井液性能不稳定,密度、粘度、切力、含砂量要升高,返出钻屑增多,可以发现许多棱角分明的片状岩屑。如果坍塌层是正钻地层,则钻进困难,泵压上升,扭矩增大,钻头提起後,泵压下降至正常值,但钻头放不到井底。如果坍塌层在正钻层以上,则泵压升高,钻头提离井底後,泵压不降,且上提遇阻下放也遇阻,甚至井口返出流量减少或不返。 2起钻时发生井塌:正常情况下,起钻时不会发生井塌。但在发生井漏後,或在起钻过程中未灌钻井液或少灌钻井液,则随时有发生井塌的危险。井塌发生後,上起遇阻,下放也遇阻,而且阻力越来越大,但阻力不稳定,忽大忽小。钻具也可以转动,但扭矩增加。开泵时泵压上升,悬重下降,井口流量减少甚至不返,停泵时有回压,起钻时钻杆内反喷钻井液。 3下钻前发生井塌:井塌发生後,由于钻井液的悬浮作用,塌落的碎屑没有集中,下钻时可能不遇阻,但井口不返钻井液,或者钻杆内要反喷钻井液。如果塌落的碎屑集中,则下钻遇阻,当钻头未进入塌层以前,开泵正常,当钻头进入塌层以後,则泵压升高,悬重下降,井口返出流量减少或不返,但当钻头一提离塌层,则一切恢复正常。向下划眼时,虽然阻力不大,扭矩也不大,但泵压忽大忽小,有时会突然升高,悬重也随之下降,井口返出的流量也呈显忽大忽小的状态,有时甚至断流。从返出的岩屑中可以发现新塌落的带棱角的岩块和经长期研磨而失去棱角的岩屑。4划眼困难:如果是缩径造成的遇阻(岩层蠕动除外),经一次划眼即恢复正常,如果是坍塌造成的遇阻,划眼时经常憋泵。钻头提起后放不到原来的位置,越划越浅,比正常钻进要困难得多。搞得不好,还会划出一个新井眼,丢失了老井眼,使井下情况更加复杂化了。 三 井壁坍塌的预防 (一)采取适当的工艺措施1.设计合理的井身结构:(1)表层套管应封掉上部的松软地层,因为这些地层最容易坍塌,对钻井液液柱压力的反应最灵敏。 (2) 明显的漏层如古潜山风化壳、石灰岩裂缝溶洞,其上部应用套管封隔。一般钻入风化不许超过三米。(3) 在同一裸眼井段内不能让喷、漏层并存。因为在这种情况下,防喷则漏,防漏则喷,无论喷、漏,都会引起地层坍塌。 2. 调整泥性能使其适应钻进地层:(1) 对于未胶结的砾石层、砂层,应使钻井液有适当的密度和较高的粘度和切力。(2) 对于应力不稳定的裂缝发育的泥页岩、煤层、泥煤混层,应使钻井液有较高的密度和适当的粘度和切力,并尽量减少滤失量。要知道,在钻遇应力不稳定地层之前不把钻井液密度提上去,以防止井壁失稳,一旦坍塌发生之後,再去抑制失稳的地层所需的钻井液密度要高得多。(3) 要控制钻井液的pH值在8.59.5之间,可以减弱高碱性对泥页岩的强水化作用。(4)必要时,可以采取混油的办法,如混入原油、柴油或白油。因为泥页岩都是亲水的,而非亲油的,混入油类后会降低粘土的吸附力,因而可以抑制膨胀。 (5)适当的提高钻井液的矿化度,使之与泥页岩的矿化度相当或稍高,减少渗透压,降低井壁处泥页岩的含水量和孔隙压力,使泥页岩强度增加。(6)促进有利于泥页岩稳定的离子交换作用,Na+是引起粘土水化的主要根源,如果在钻井液中引进K+、Ba+2、Ca+2、Fe+3、Al+3、Si+4等离子,与泥页岩中的Na+进行交换,就可以有效地降低泥页岩的膨胀压,并能与泥页岩组分发生化学反应,来增强泥页岩的胶结力。 3 .保持钻井液液柱压力: (1) 起钻时要连续的或定时的向井内灌入钻井液,保持井口液面不降或下降不超过5m。 (2)停工时,因为有渗透性漏失,测井时,电缆也占有一定的体积,因此都必须定时的向井内补充钻井液。 (3) 钻柱或套管柱下部装有回压阀时,要定期地向管柱内灌入钻井液,每次必须灌满,防止回压阀挤毁,而使钻井液倒流,把井壁抽垮。 (4) 如管内外压力不平衡,停泵後立管有回压,不能放回水,也不能卸方钻杆接单根。因为,这样会使环空液体倒流,环空液柱压力下降。 4.减少压力激动 (1)控制起钻速度,特别是在钻头或扶正器泥包的情况下,上起钻柱时,井口液面不降或外溢,这是很危险的情况,应停止起钻,循环钻井液,采取措施,消除泥包。如果消除不了,应边循环边起钻,起过小井径井段後,再正常起钻。(2)下钻后及接单根后开泵不宜过猛,应先小排量开通,待泵压正常后再逐渐增加排量,中间不可停泵。如果小排量顶不通,泵压上升,井口不返钻井液,证明是地层漏失,不可继续挤入,一般的经验数据是漏失量不可超过5m3。 5.对於结构薄弱或有裂缝的地层,钻进时要限制循环压力,以免压漏地层。起下钻通过该层时要严格控制速度,减少对地层的外力干扰。6.如因故停钻,钻井液在井内静止的时间不可过长。如渤海湾地区的明化镇、馆陶组地层,钻井液在裸眼内静止超过三天,十有八九会发生井塌。 (二) 使用具有防塌性能的钻井液 1 .油基钻井液 油基钻井液是以油为分散介质以氧化沥青为分散相而配成的特种钻井液。由于油基钻井液不含水(或含少量的水),不会使泥页岩水化膨胀,也不受盐、钙等的污染,所以钻出的井眼比较规则。 2 .油包水乳化钻井液 油包水钻井液与油基钻井液有相同的作用，而且在井壁与钻井液之间形成一层半透膜,当钻井液中的矿化度大于地层水的矿化度时,地层中的水向钻井液渗透,它不仅避免了钻井液中的水对泥页岩的浸润,还可以利用反渗透压力和泥页岩的吸附压力相抗衡,使水很少进入井壁。 3. 硅酸盐钻井液 硅酸盐钻井液是稳定泥页岩的优良水基钻井液。现场用的硅酸盐钻井液基本上是在低固相聚合物钻井液中溶入可溶性硅酸盐组成。水溶性硅酸盐浸入泥页岩后,与泥页岩孔隙流体中的多价离子(Ca+2、Mg+2)迅速发生化学作用而形成不溶性沉淀物,中性-酸性孔隙流体可以与硅酸盐形成胶状物,这种沉淀物和胶状物可以封堵泥页岩的裂缝和裂纹,阻止钻井液滤液的浸入和压力渗透,因而能稳定裂缝性地层。硅酸盐屏障物的另一个特征是它能形成高效渗透膜,当钻井液中的矿化度大于泥页岩的矿化度时,可使泥页岩脱水,改善泥页岩的稳定性。在这种情况下,钻井液的矿化度将会降低,这可通过加入盐类来补充。 4 钾基钻井液 有人认为K+比其它可交换阳离子有更强的吸附能力,极易把粘土表面的其它阳离子(Na+、Ca+2)置换出来而吸附在粘土表面,这样,就使粘土变成了钾粘土。钾粘土具有较低的负电位,降低了吸附其它阳离子和水化的能力。但也有另一种看法,认为K+具有较小的水化离子半径和较低的水化能,而使粘土层片进一步拉拢,增强了层间的联结力,使粘土不易膨胀分解。现在常用的钾基钻井液有:氯化钾-聚合物钻井液、钾褐煤钻井液、四钾钻井液、硝基腐植酸钾钻井液、钾盐树脂聚合物钻井液、钾基聚磺钻井液等。 5. 低失水高矿化度钻井液 根据泥页岩水化膨胀的特性,我们认为具有低失水高矿化度的钻井液可以减少泥页岩的水化膨胀压力,高粘度的滤液可以增大水在泥页岩中的流动阻力,以减少进入泥页岩中的水量。pH值应保持在89.5之间,因为高pH值会促使泥页岩水化。要有适当的密度,用以抗衡地层的侧压力。要有适当的矿化度,使其与地层水的矿化度相平衡。增加矿化度常用的盐类有氯化钠、氯化钾、氯化钙、碳酸钙、硫酸钙、硫酸铵等,和其它处理剂配合可以组成不同类型的高矿化度低失水钻井液,如铁铬盐-CMC盐水钻井液、褐煤石膏钻井液、褐煤氯化钙钻井液等。 6. 含有各种堵塞剂的钻井液 在钻井液中加入各种堵塞材料,减小或防止渗透作用和毛细管作用,以降低钻井液滤液向井壁岩石的渗透速度。堵塞剂的加量一般为515%,在钻井过程中还要随时补充。常用的堵塞剂有氧化沥青、超细碳酸钙、稻壳粉、暂堵剂等。 7. 阳离子和部分水解聚丙烯酰胺钻井液:阳离子已经发展为KCl的替代物,可用能在粘土表面上发生多层吸附的带正电功能性基团的聚合物来代替K+,这样的多功能基团聚合物比单一的K+更难被交换下来。低分子量的阳离子聚合物能渗透到泥页岩内部抑制粘土的水化膨胀,高分子量的阳离子聚合物可以贴附在泥页岩的表面阻止泥页岩分散。 四 井塌的处理 1下钻过程,如发现井口不返钻井液,或者钻杆内反喷钻井液,这是井塌的象征,应立即停止下钻。开泵循环通井或划眼,待井下情况正常後,再恢复下钻工作。 通井、划眼,如果在较硬地层中进行,一般不会发生意外,如在软地层中进行,就很容易划出新井眼而失去老井眼, 在软地层中不能用钻头去划眼,无论是何种钻具组合,只要用钻头,准能划出新井眼。如果是地层较硬,非用钻头不行的话,那也不必担心划出新井眼,因为硬地层是划不出新井眼的。 为了避免钻出新井眼而又能快速划眼下放消除障碍,我们设计了一种划眼工具,如图1-1所示,它是由接头1、刀片2、导引杆3、和马蹄形端部4组成。划眼时,导引杆始终处于老眼中,它没有切削作用,不会钻出新井眼。马蹄形端部可以防止突然憋泵。刀片可以破碎已垮塌的地层,把大块钻成小块,通过循环的钻井液带出地面。 2起钻过程,如发现井口液面不降,或钻杆内反喷钻井液,这是井塌的象征,应立即停止起钻。开泵循环钻井液,待泵压正常,井下畅通无阻,管柱内外压力平衡後,再恢复起钻。如果恢复循环无望,而钻具尚能活动,应当机立断,立即起钻。虽然此时起钻有不少阻力,钻杆内依然反喷钻井液,也丝毫不能等待,只要在设备和钻具的安全负荷以内,就应尽最大的可能上起。中途决不可试着去开泵,只要连续上起,在大多数情况下是可以把钻具起完的。万一起不完,能多起一柱是一柱,也减少了套铣倒扣的工作量。 3如果已经发生井塌,循环钻井液时岩屑又带不出来,可采取如下办法:(1)使用高屈服值和高屈服值/塑性粘度比值的钻井液洗井,使环空保持平板层流状态。 (2)使用高浓度携砂液洗井,携砂剂的主要成分是经过处理加工的温石棉再加一些添加剂制成,能提高钻井液粘度、切力,一般加量为35%。 (3)加大钻头水眼,提高钻井液排量, 洗井时可加入一段高粘高切的稠钻井液(1015m3左右),清扫井底和井筒。(4)起钻前,在坍塌井段注入一段高粘高切钻井液,进行封闭,延缓坍塌,并使塌块不能集结成砂桥。五寻找老井眼的办法:如果已经钻出了新井眼失去了老井眼,那只有想办法找回,否则将会前功尽弃。 要找回老井眼,必须知道在什么井段出的新井眼,位置越准确,找回老井眼越容易,新眼钻的越少,找回老井眼越容易。一般新眼不超过15m就比较好找,如果超过15m也能找回,但要多费一些时间。 如何确定钻出新井眼的位置,这是问题的关键,要从以下几种情况分析入手:(a)在什么井段开始启动转盘的?尽管不是连续划眼,但只要启动转盘就有钻出新眼的可能，新井眼只能产生于启动转盘之后；(b)井塌以后各井段堵塞的程度不一样,有些井段可以不加压下放,而在新井眼却不可能。因此虽然启动过转盘,但仍有不加压可以下放的现象,必是老井眼无疑；(c)在老井眼的坍塌井段,钻头进入砂桥,泵压会突然上升,提过砂桥则泵压恢复正常,而在新井眼中却不可能出现这种现象； (d)钻井液颜色的变化:钻出新井眼以后,由于地层造浆加剧,改变了钻井液颜色,因此新井眼的出现应在钻井液改变颜色之前;(e)岩屑的变化:坍塌的岩屑和新钻出的岩屑其成分和形状是截然不同的,因此新井眼的出现应在发现新钻屑之前。如果在通井划眼过程中,详细观察并记录了以上所说的五种情况,就可以比较准确地确定开始形成新井眼的位置。如果已经知道是钻出了新井眼,就不要再钻了,新井眼钻的越多,给寻找老井眼带来的麻烦越多。 在大致确定了新老井眼的分岔位置之后,还需要了解该井段的井径大小,这可通过电测来确定。最好用双轴井径仪测量，在新老井眼分岔位置，必然有一段椭圆形井眼，其长轴方向最大的位置，即是新井眼开始的位置。在井径和分岔位置确定之后，就可以用下述工具寻找老井眼了。如图1-2所示。钻具结构为： 通井工具(或公锥)弯钻杆钻杆 通井工具(或公锥)弯钻杆扶正器钻杆这里所说的通井工具是如图1-1所示的领眼式通井器,而绝不是任