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钻井事故与复杂问题(江汉油田)

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
资源描述:
钻井事故与复杂问题钻井工程是勘探开发石油、天然气的主要手段。而一般钻井工程讲述的是钻井方法、井身结构及固井、井身剖面设计与控制、钻柱设计、钻头使用、钻井液设计与油气井压力控制、钻井水力学与钻进参数的优化配合、完井方法、经济技术指标等各个钻井环节必不可少的内容,为钻井是一项隐蔽的地下工程,存在着大量的模糊性、随机性和不确定性问题,由于对客观情况的认识不清或主观意识的决策失误,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,重者导致全井的废弃。据近年来的钻井资料分析,钻井过程中,处理复杂情况和钻井事故的时间,约占施工总时间的 6~8%,一个拥有百台钻机的油田,一年中就有 6~8 台钻机在做无功的工作,何况资金的消耗并不和时间成比例,而是要大得多,这是多么惊人的浪费。任何一个钻井工作者都不愿意和事故打交道,也不乐意看到诸多复杂问题,但事物是相反相成的,不愿意看到复杂问题和钻井事故,这只能是人们的良好愿望。不懂得复杂问题与钻井事故的预防与处理办法的人,难免不碰到这些问题,而且一旦碰到了会惊慌失措,举止无着,把小病治成大病,大病治成死病。而懂得复杂问题与钻井事故的预防和处理办法的人,一旦遇到这些问题则心中有数,采取正确的措施,往往可以化险为夷,转危为安,这才是一个成熟的钻井工作者必须具备的条件。任何事物的发生与发展都有其主、客观原因,钻井事故与复杂问题的发生与发展也不例外,因此钻井工作者必须对钻井事故与复杂问题发生发展的主要原因要有一个清晰的认识,一旦出现异常情况时,思想上会有正确的判断,行动上也会采取正确的措施,只有这样,在大多数情况下,可以避免事故的发生,把复杂情况带来的损失降至最低限度。造成井下事故与复杂情况有诸多因素:一、地质因素:钻井的对象是地层,就是要揭穿地层深处的奥秘。而地层结构有硬有软,压力系统有高有低,孔隙有大有小,如果对这些情况没有了解,就难免要发生难以预料的问题。首先我们应该了解设计井的地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力及一些特殊地层(如盐膏、软泥岩、沥青)的蠕变应力,作为井身结构和钻井液设计的主要依据。一般的说,在同一个裸眼井段内不能让喷、漏层同时存在,不能让蠕变层与漏层同时存在。如果在井身结构上无法实现上述要求,而且高压层和蠕变层在漏层的下部,那就应对漏层进行预处理,不能盲目向深部钻进。如果高压层或蠕变层下部有低压层或漏失层,那就只好把高压层或蠕变层用套管封掉。其次,对一些特殊地层如在一定温度、压力下发生蠕变的盐岩层、盐膏层、沥青层、富含水的软泥岩层、吸水膨胀的泥页岩层、裂缝发育容易坍塌剥落的泥页岩层、煤层及某些火成岩侵入层都应有较详细的了解,因为这些地层是造成井下复杂问题的主要对象。同时对一些地质现象如断层、裂缝、溶洞、特高渗透层的位置及硫化氢、二氧化碳的存在和含量也应有所了解。以上这些资料对打成一口井来说至关重要,但地质部门所提供的比较详细的资料是油气层资料,而对工程上所需要的重要资料则提供不多,或不够详细,甚至有些数据与实际情况相距甚远,即是已经开发的油田,由于注水开发的结果,地下的压力系统变化很大,也很难以邻井的资料作为主要依据,这就使钻井过程往往不得不打遭遇战,因而复杂情况屡屡发生。二.工程因素:由于钻井作业的隐蔽性、复杂性,所以“安全第一”应作为钻井作业的主导思想。但是由于有些人思想识认的模糊或者为某种片面的局部的利益所驱动,钻井事故和复杂问题的发生创造了条件。由于地质资料掌握不全不准,或者虽有可靠地质资料而未严格的按科学方法进行井身结构设计,使同一段裸眼中喷、漏层并存,治喷则漏,治漏则喷。虽然下了套管但不装井控设备,或者虽然装了井控设备但不讲求质量,一旦钻遇高压层,应急使用时,到处刺漏,造成井喷失控。钻井液体系和性能与地层特性不相适应,甚至片面强调节约钻井液处理剂,使钻井液性能恶化,造成裸眼井段中某些地层的缩径或坍塌。或者钻井液密度不合适,作不适当,下钻速度过快会产生很大的激动压力,易将地层压漏。起钻速度过快会产生很大的抽吸压力,易将油气层抽喷或将结构松软的地层抽塌,特别是在钻头或扶正器泥包的情况下更为严重。钻井设备发生故障,被迫停止钻具的活动或钻井液的循环,是发生井下事故的最普通最常见的因素。管理工作薄弱,有章不循,有表(看,遇 事不思,盲目决断,但求省力,不顾后果,起钻猛提,下钻猛压,遇卡硬转,遇漏硬憋,这是造成井下事故的常 见现象。发现井下复杂情况,不当机立断,正确处理,而是优柔寡断,无所举措,丧失时机,把本来不复杂的问题弄得复杂化了,把本来不应该发生的事故却人为的造成了。由于自然灾害或组织工作不善,停工时间过多,钻井周期过长,产生复杂情况的机会就越多。尤其在裸眼井段内长时间停止循环,其恶果是显而易见的。工程上的因素,大多是人为的因素,因此通过过细地做工作是可以避免的。反之,如复杂情况处理得不当,会导致事故的发生。小事故处理得不当,会酿成更大的事故,甚至会造成部分井眼或全部井眼的报废。我们说,钻井工程是隐蔽工程,具有一定的模糊性和不确定性,每前进一步都有一定的风险,而处理井下复杂情况与井下事故更是如此,因井下情况千差万别,看不见,摸不着,全靠人们凭经验和知识去判断,不同的人会有不同的认识,可能做出不同的结论,然而正确的结论只能是一个。但是井下情况又并非完全不可知。由于现代仪器仪表的发展,许多井下情况可以测知或预测,如利用井下测量仪器可以知道井眼的轨迹,利用 以预知下部地层中有无高压层存在,利用泵压、悬重、扭矩、钻井液进出口流量的变化,可以显示井下发生的许多复杂问题。因而人们在复杂情况发生的初期,就可以利用现有的资料和长期工作中积累的经验加以分析判断,从中得出比较切合实际的认识。作为钻井工作者来说,在复杂情况面前必须有这种思维意识,需要利用从各种渠道得来的信息,去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里地进行分析,使自已的认识比较地符合客观实际,才能有针对性的做出正确的决策。孙子兵法也说:“知彼知已,百战不殆。 ”对我们钻井工作来说,知彼就是要知道井下情况,知已就是要知道自已拥有的各种手段(设备、工具、人员素质等)。孙子又说:“多算胜,少算不胜。 ”这里的所谓算就是筹划,只要筹划周密,条件具备,就能取胜,筹划不周,条件缺乏,就不能取胜,钻井如作战,处理井下事故与复杂问题更是如此。知已容易知彼难,所以我们必须想尽一切办法弄清井下情况,并且要十分熟悉自已拥有的各种手段的性能及使用方法。每走一步,都要考虑可能会出现的问题及相应的处理办法,力争多算,力戒盲目,这就是说,对于各种可能出现的的问题要有预案。如果利用现有的资料,尚不足以弄清井下情况,还可以进行必要的侦察,如电测、井下照相、打铅印等,同时要对每次处理过程中的特殊现象如遇阻、遇卡、扭矩变化、泵压变化、钻井液性能变化、工具钻具上的擦痕(下井前就要检查工具、钻具上是否有旧擦痕及其所在位置)进行仔细地观察,这些都可以给我们带来极有价值的信息,帮助我们消除不正确的认识,确定下一步的处理方案。井下的情况复杂多变,人们的思想认识也应随机应变,不能固守一种模式,一种概念,在一条路上走到底。有些胜利的取得在于再竖持一下的努力之中,而另一些胜利的取得则在于另辟蹊径的权变之中。面对已经发生的情况,需要的是镇定的情绪,冷静的头脑,瞻前顾后,综合考虑,切忌头脑发热,手忙脚乱,贸然采取一些不计后果的危险措施。也要反对麻木不仁,无所举措,丧失将事故消灭于萌芽状态之中的良机。处理井下事故与复杂情况应遵守以下四条原则:1 安全的原则:井下事故与复杂情况多种多样,处理的手段和使用的工具也多种多样,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拉、压、扭转都要比正常钻进时所用的力量大得多,这些措施往往又强化到设备和工具所能承受的极限强度,稍有不慎就会造成新的事故,甚至由井下事故引发设备事故或人身事故。处理事故,工序复杂,起下钻具次数频繁,也增加了发生新事故的机会。如果造成事故摞事故的局面,处理的难度就更大了,甚至无法继续进行处理,致使前功尽弃。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详细地考虑,不但要考虑如何进攻,而且要考虑如何退守,凡事要留有馀地,留有后路,不能做偷鸡不成反蚀一把米的傻事.2 快速的原则:孙子兵法有云:“兵闻拙速,未闻巧久。 ”一旦发生井下事故或复杂问题,其情况会随着时间的推移而恶化,所以在安全第一的原则下,必须抓紧时间进行处理,要迅速的决策,迅速的组织,迅速的施工,工序衔接要有条不紊。须知,抓住了时机就会化难为易,做到事半功倍,丧失了时机就会变易为难,只能落得个事倍功半,甚至劳而无功。但是随着井下情况的变化及人们认识的加深,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甚至第三方案的考虑,预作准备。 “凡事预则立,不预则废。 ”要争取以最快的速度见到实际的效果。对从事作业的人员来说,旷日持久,劳师无功,必然会影响工作情绪,一个士气低落的队伍是难以打攻坚战的。时间就是金钱,时间就是制胜的法宝,可惜这一点往往被人们所忽视。 3 灵活的原则:处理井下事故和复杂情况是一个多变的过程,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,灵活机动,捕捉战机,非常重要。要做到这一点最关键的是实时的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,及时地调整方案,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,又不违犯客观规律;既要大胆思考,又要符合逻辑思维程序;这样才能做到“运用之妙,存乎一心。 ”4 经济的原则:由于井下事故的复杂性,处理的难易程度相差很大。在现今技术水平下,有的事故没有处理成功的可能性;有的事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、占用钻机时间、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,此路不通,另走他路。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到最低限度。钻井复杂情况主要有:井涌、井漏、轻度井塌、砂桥、泥包、缩径、键槽、地层蠕变、地应力引起的井眼变形、钻井液污染及有害气体的溢出。钻井事故主要有卡钻、井喷、严重井塌、钻具或套管断落、固井失效、井下落物及划出新井眼丢失老井眼等。以下将分章论述各种井下事故与复杂情况的发生原因、现象、预防措施和处理办法。并引证一些现场发生的事故实例,使大家加深认识。井下事故与复杂情况虽然不能直观,但通过各种现象,可以察其端倪,寻其规律。我们利用现有的条件,根据泵压、悬重、钻井液进出口流量、机械钻速的变化、及钻具上下活动、转动时的阻力变化情况,把发生井下复杂情况的各种现象列于表 1 中,利用表 1 基本上可以把井下复杂情况判断清楚。把发生井下事故的各种现象列于表 2 中,利用表 2 基本上可以把发生的井下事故类型判断清楚。井下复杂情况有时是单一的,有时是复合的,但发生的初期总是单一的。若处理不当,就会产生连锁反应,如井漏就可能引起井塌;井塌就可能引起卡钻;钻具剌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。井下事故也是一样,有时是单一的,有时是复合的。如井喷与卡钻、钻具断落与卡钻、井塌与卡钻都可能同时存在。井下复杂情况与井下事故之间并没有一条不可逾越的鸿沟,复杂情况往往是事故的先导,事故往往是复杂情况继续恶化的必然结果。如井漏可以导致井塌,井塌可以导致卡钻,井身质量不好就可能产生键槽,键槽就可能造成卡钻,一切形式的其他卡钻都可能引起粘吸卡钻,凡此等等,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。所以在日常工作中,要注意井下出现的各种变化,把精力放在消除复杂问题上,而处理事故则是不得已而为之的事。表 1 井下复杂情况诊断井漏井塌砂桥溢流泥包缩径键槽钻具剌漏钻头牙轮卡钻头水眼剌钻头水眼掉钻头水眼堵扭矩正常 B A 1 B 钻 2 A A A A 放无阻 A A B B A 泵 B A B B B 减小 1 2 2 慢 A B A B 项为该类复杂情况的充份条件,据此可为井下复杂情况定性。 项为该类复杂情况的必要条件,可作为辅助判断的依据。 、2 表示同一判据中的两项可能同时存在,也可能只有一项存在。表 2 井下事故诊断落物事故类型判据钻具断落 卡钻严重井塌 井喷钻头落井 在钻头上 在钻头下扭矩正常扭矩增大 B 1扭矩减小 A 2别钻 3转盘转动情况 不能转动 A 放遇阻 A 悬重变化 下降 A 降 A B B 减小 返 项为该类事故的充份条件,据此可为该类事故定性。 项为该类事故的必要条件,可做为辅助判断的依据。、2、3 表示同一判据中的三项可能同时存在,也可能只有两项或一项存在。第一章 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。卡钻可以由各种原因造成,如粘吸卡钻、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。各种卡钻产生的机理不同,处理的方法也各异,所以当卡钻事故发生后,首先要弄清卡钻的性质,要像中医看病一样,通过各种现象及可能获得的各种信息察出病因,才能对症下药。卡钻总是发生在钻进、起钻、下钻三个不同的过程中。为了叙述方便起见,我们把各个工序中发生的各类卡钻事故的诊断方法以简明的表格型式列举出来,如表 1 1 1示。它可以帮助现场工作人员准确地判明卡钻的性质,同时也可以据此制成计算机软件,辅助经验尚不丰富的人员进行判断。。表 1 钻进时发生卡钻事故的诊断卡钻类型判据 运行状态粘吸 坍塌 砂桥 缩径 泥包 干钻 落物跳钻 1 1 矩增大 B B 2 3上提有阻短距离内阻力消失 A 放有较小阻力 1 1泵压逐渐下降 2泵压显示 泵压波动忽大忽小 2进出口流量平衡 B B B B 1 口不返钻井液 2机械钻速急剧下降 A 械钻速缓慢下降 出量减少 B B 钻具在上下活动时遇卡 A A 具在转动中遇卡 A B A A A 钻铤或钻杆上 A A A 压下降 A 1 1卡钻后显示钻井液循环情况 失去循环 2 1. A 项为充份条件,据此可为卡钻事故定性。2. B 项为必要条件,可以帮助判断。3. 角码 1、2 表示两项可同时存在,也可能只有一项存在。表 1 起钻时发生卡钻事故的诊断卡钻类型判据 运行状态粘吸 坍塌 砂桥 缩径 键槽 泥包 落物钻柱静止时间较长 1 钻柱在一定阻力下可以上行 1 2 上行遇阻下行也遇阻 2 3 B 阻力时转动不正常 B B B 2卡钻前显示井口显示 钻柱内孔反喷钻井液 2卡点位置 在钻铤或钻杆上 A A A A 泵压上升 1 泵 2钻井液进出口流量平衡 A A A B 1 口不返钻井液 2注: 1. A 项为充分条件,据此可以判定卡钻类型。2. B 项为必要条件,可以帮助判断。3. 角码 1、2、3 表明三项可能同时存在,也可能只有一项存在。表 1 下钻时发生卡钻事故的诊断卡钻类型判据 运行状态粘吸 坍塌 砂桥 缩径 落物钻柱静止时间较长 下行不遇阻上行遇阻 1 2 下行遇阻阻力点不固定 B 3 钻柱运行显示无阻力时转动不正常 B B 1 口显示 钻柱内孔反喷钻井液 在钻头附近 A 钻铤或钻杆上 A A A 压上升 A 1 口不返 2注: 1. A 项为充份条件,据此可为卡钻事故定性。2. B 项为必要条件,可以辅助判断。3. 角码 1、2、3 表示其中一项存在即可做为主要判据,也可能有其中两项同时存在的情况。卡钻事故中,粘吸卡钻算是最简单的一种。但在一种卡钻事故发生之后,往往又会诱发另一种卡钻,如在缩径卡钻、键槽卡钻、落物卡钻发生之后,由于钻柱失去了自由运动的能力,又会发生粘吸卡钻。粘吸卡钻发生之后,由于处理不当,又会诱发坍塌卡钻。所以在一种卡钻发生之后,要采取适当的措施防止另一种卡钻的发生,不要使其形成复合式卡钻,处理复合式卡钻的难度要大得多。当卡钻事故发生之后,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:要防止钻头水眼或环空堵塞,因为一旦循环失灵,就失去了注解卡剂的可能,也很容易诱发井塌和砂桥的形成,而且要想从钻杆水眼内下爆炸松扣工具也很难下到预定位置。2 要保持钻柱完整:因为如把钻柱提断或扭断,断点以下的钻柱便失去钻井液循环,由于钻屑和井壁坍塌落物的下沉,有可能堵塞钻头和钻柱水眼,或者在环空形成砂桥。同时如果鱼顶正好处于大井径位置,打捞钻具时,寻找鱼头也非常困难。3 不能把钻具连接螺纹扭得过紧:任何卡钻事故的发生,都有可能走到套铣倒扣的那一步,如果扭力过大,一则可能使母螺纹胀大,使钻具从中间脱开,二则扭力过大,造成了倒扣的困难,必然要迫使你去做许多无效的工作,甚至使事故无法继续处理下去。σ 1—钢材屈服强度 σ 2-—钻柱危险断面处所受的实际拉应力=F,q—每米钻柱在钻井液中的重量(N/m)体切面积()S—安全系数,取 现将常用的 准钻杆限制扭转圈数列于表 1国产钻杆的限制扭转圈数列于表 1为现场工作人员使用时的参考。表 1 杆限制扭转圈数自由钻柱长度, 外径,000 3000 4000 5000 6000 700062.3 8.4 15.7 20.5 20.573.0 7.0 13.0 16.9 17.088.9 5.7 10.7 13.9 14.0102 5.0 9.3 12.1 12.2114 4.5 8.3 10.8 10.9127 4.0 7.5 9.7 9.8140 3.6 6.8 8.8 8.9.0 5.6 7.3 7.4表 1 国产钻杆限制扭转圈数自由钻柱长过度, 外径000 2000 3000 4000 5000 6000 使用时要注意:况就比较复杂,由使用者作适当的调整。(1效。式(1以应用,但自由钻具长度应以中和点以上的钻具长度来计算。不能直接应用式(1而应将式(1改写为:……………………………………………(12215/式中 W 为大钩悬重,,其它符号与式(1,此时不能应用表 1 1列数据,而应按式(1行计算。式(1化为 N= K 为扭转系数。我们知道,式(1一个曲线方程,而 N=一个直线方程,简化后,将会导致很大的错误。从表 1 1我们也可以发现,井越深,负荷越大,这种误差也越大第一节 粘吸卡钻粘吸卡钻,也叫压差卡钻,是钻井过程中最常见的卡钻事故(图 1。最容易卡住的是钻铤,由于钻具失去了活动的自由,卡点可以逐渐上移,直至套管鞋附近。一、粘吸卡钻的原因: 井壁上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,其中的固相颗粒吸附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,基于这种思维,他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,不但砂岩有滤饼,泥页岩也有滤饼,而且要比砂岩井段的滤饼厚得多。这是因为滤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于零,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滤饼。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,泥页岩也有滤失性,而且是亲水物质,可以被水浸润,只要是水基钻井液,即使滤失量等于零,这个浸润过程也无法停止。由于泥页岩含有大量的微细裂纹,这些微细裂纹有些是地应力造成的,有些是在钻头破碎岩石的过程中造成的,一旦泥页岩表面被水浸润之后,在这些微细裂缝中形成一层吸附膜,可以发生有效的分裂作用,降低泥页岩的坚固度而促使它破碎、剥落,所以泥页岩井段的井径大多大于钻头直径。但在泥页岩相对稳定之后,由于水的浸润,泥页岩表面的分子、原子或离子表现出极性,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滤饼,这些滤饼的性能比砂岩井段的滤饼更差。由此我们可以得出结论,只要有滤饼存在,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。当钻柱被井壁滤饼粘吸之后,紧靠井壁一边钻柱的一侧(粘吸面上)所受的是通过滤饼传来的地层孔隙压力,另一侧所受的是钻井液液柱压力,如果后者大于前者,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,并进一步扩大了钻柱与井壁的接触面积。它的发展过程如图 1示。图 1-2(a)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。图 1-2(b)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。图 1-2(c)表示在钻柱不能活动的情况下,除已接触的滤饼面积外,在接触面的两边形成了一部份钻井液不能循环的死区,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接触的面积。图 1-2(d)表示,由于井径不规则的原因,从纵向上看,一部份钻柱与井壁滤饼接触,一部份钻柱与井壁滤饼接触不了,但有一部份钻柱与井壁之间的间隙很小,小到钻井液无法循环到此,随着时间的延长,这部份间隙之间也要被钻屑和固体颗粒所充填,形成新的滤饼,增加了钻柱被吸附的长度。同时由于压差的作用,又增加了钻具与滤饼之间的摩阻力,所以,在粘吸卡钻发生的初期阶段,尚可用提、压、转、震击等办法争取解卡。如果解不了卡,同时发现卡点有上移的情况,就不必再用强力进行活动了,因为此时的卡钻已由吸附力和摩阻力两种作用形成,如图 1示,吸附力和摩阻力随着压差的增大而增大。摩阻力和钻柱与滤饼的接触面积成正比,和压差成正比,和滤饼的摩阻系数成正比,可以表达为F=1……………………………………………………………………(1—摩擦力,—为钻柱与滤饼的接触面积,;钻井液液柱压力,2—为地层孔隙压力,—为滤饼摩阻系数,一般取值在 单位换算系数例如:某井发生压差卡钻,钻柱与井壁滤饼接触的长度为 400m,平均接触宽度为 柱压差(P 1 阻系数取 摩阻力F=00×100×450各个井段的地层孔隙压力不一样,接触面积更是未知数,井下的滤饼摩阻系数并不等于地面做的滤饼摩阻系数,因此式(1然在理论上是成立的,而在实际使用时却没有多少意义。有人根据粘吸卡钻的统计资料绘制了一个预测压差卡钻的危险性曲线,如图 1示,它适用于直井和水基钻井液。曲线说明,当井内压差超过 ,发生压差卡钻的可能性迅速增加。如果地层的渗透率较低,这个临界值将会高一些;如果地层的渗透率较高,这个临界值还会低一些,以上的结论是在钻井液性能合适的前提下做出的。如果钻井液固相含量高、流变性能差,将导致较低的临界值。在定向井中,曲线形式相同,只是整个曲线向左偏移,压差的临界值较低。但是把粘吸卡钻只简单地理解为由压差形成,起码是不全面的,不能忽视滤饼的粘吸作用。为什么有些高压差的井可以不卡钻,而低压差的井反而卡钻呢?于是有人把注意力放在滤饼质量上,认为薄而韧的滤饼不容易卡钻,厚而松的滤饼容易卡钻,但现场又发现许多相反的情况,这又如何解释呢?纵观粘吸卡钻这个问题,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。自古以来,钻井工程中所用的水基钻井液,都是将粘土分散在水中形成的负电分散体系。粘土颗粒的分散依靠其本身所带的负电荷,我们所使用的分散剂和稳定剂,其主要作用原理就是增强粘土颗粒的负电电位,强化这种负电的水化效应。因此,这些处理剂本身大都带有很强的负电基团,几乎全都是阴离子型的,这种钻井液在井壁上所形成的滤饼有很强的负电力场,具有一定的自由表面能储量,它力图吸附异性离子以降低这个表面能储量到最小值,这是矛盾的一个方面。矛盾的另一方面则是钻柱,在钻井液中,钻柱的表面要游离一部分铁离子,具有很强的正电荷,形成一个正电力场,也具有一定的自由表面能储量,它也力图吸附异性离子以降低这个表面能储量到最小值。两者之间,不谋而合,于是就产生了相互吸附作用,两者之间的吸附力与两者的电荷量成正比,而与两者距离的平方成反比。同时我们也注意到,每个极性粒子的场力作用范围都有一定值,在此范围以外不发生相互吸附现象。因此,钻柱在运动状态时,滤饼与钻柱之间有一层水分子或胶体离子相隔,保持一定的距离,此时,在两者之间发生的只有摩阻力而无吸附力。但是钻柱在静止时,由于任何井都有一定的斜度,钻柱因其自身重量所产生的水平分力而压向井壁的下侧,驱走了中间的隔离层,使钻柱与滤饼之间的距离缩小,当缩小到而者之间的极性分子互相起作用的范围内时,便发生了吸附作用,这就是发生粘吸卡钻的主要原因。根本的出路在于改变滤饼的性质,把滤饼表面吸附的负离子改变为正离子,把负作用力场改变为正作用力场,这个问题就可以解决了。如果用阳离子体系钻井液,钻井液中带正电荷离子与粘土表面的负离子相吸附,就可以形成带正电的滤饼。同时我们也知道,阳离子的吸附作用与电荷量成正比,即与正电价数成正比。对于同价的阳离子而言,吸附作用与其原子量的大小成正比。所以高价阳离子聚合物钻井液将是钻井液发展的方向,也是解决粘吸卡钻的根本途径。同时,含有高价阳离子的滤液浸入地层后,能够中和粘土表面的负电荷,降低粘土颗粒的负电位,甚至可以转化成正电位,从而削弱它们的水化作用,也有利于稳定井壁和保护产层。只要消除了滤饼粘吸的主因,压差也就很难起作用了,油基钻井液为什么不卡钻,就是因为主因不同,它是中性的.二、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),至于静止多长时间才会发生粘卡,这和钻井液体系、性能、钻具结构、井眼质量有密切关系,少则二、三分钟,多则几十分钟,但必须有一个静止过程。
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本文标题:钻井事故与复杂问题(江汉油田)
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