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坍塌卡钻发生的原因及处理对策

发布时间:2020年09月15日
来源:石油人公众号(2020-09-13)

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,处理风险最大,甚至有全井或部分井眼报废的可能,所以在钻井施工过程中应尽量避免这种事故的发生。

地层坍塌的原因:

1、地质方面的原因

A、原始地层应力的存在。我们知道,地壳是在不断运动的,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,当遇到适当的条件时,就会表现出来。此时,地层中任何一点的岩石都受到来自各个方向的应力作用。当地层被钻穿之后,钻井液液柱压力代替了被钻掉的岩石所提供的原始应力,当钻井液液柱压力不能平衡地层的侧向压力时,裸露地层就向井眼内剥落或坍塌。

B、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度左右的倾角稳定性最差。

C、岩石本身的性质。沉积岩中最常见的是泥页岩、砂岩、砾岩、石灰岩等。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。钻井过程中易坍塌的地层有:未胶结或胶结不好的砂岩、砾岩、砂砾岩;破碎的凝灰岩、玄武岩;节理发育的泥页岩;断层形成的破碎带;未成岩的地层,如煤层、流砂层等。

2、物理化学方面的原因:

钻井多是在沉积岩中进行的,而沉积岩中70%以上是泥页岩。泥页岩都是亲水物质,不同的泥页岩其水化程度及吸水后的表现有很大的不同,泥页岩吸水后,强度直线下降,这是泥页岩井段坍塌的主要原因。

3、工艺方面的原因:

地层的性质及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。例如:钻井液液柱压力不能平衡地层压力;井斜的影响;钻具组合的影响;泥浆液面下降的影响等。

井壁坍塌的征兆:

A、在钻进过程中发生坍塌:如果是轻微的坍塌,则使泥浆性能不稳定,密度、黏度、切力、特别是含砂量要升高,返出岩屑增多,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,转盘扭矩增大,钻头提起后,泵压正常,但钻头放不到井底。如果坍塌层在上边,则泵压升高,钻头提离井底后,泵压不降,且上提下放都的阻力,甚至井口泥浆返出流减少或不返泥浆。

B、起钻时发生井塌:正常情况下,起钻时是不会发生井塌的,但在发生井漏后,或在起钻过程中未灌泥浆或少灌泥浆,则随时有发生井塌的可能。井塌发生后,上提遇卡,下放遇阻,而且阻力越来越大,钻具可以转动,但扭矩增加,开泵泵压上升,悬重下降,井口流量减少甚至不返泥浆,停泵后有回压。起钻时钻杆内返喷泥浆。

C、下钻发生井塌:井塌发生后,由于泥浆的悬浮作用,塌落的岩屑没有集中,下钻时可能不遇阻,但井口不返钻井液,或者钻杆内返喷泥浆。如果塌落的岩屑集中,则下钻遇阻,当钻头未进入塌层之前,开泵泵压正常,当钻头进入塌层之后,则泵压升高,悬重下降,井口反出量减少或不返泥浆,但钻头一提离塌层,则一切恢复正常。向下划眼时,虽然阻力不大,但泵压忽大忽小,有时会突然升高,悬重也随之下降,井口返量也呈现忽大忽小的状态,有时甚至不返泥浆。从返出的岩屑中可发现带棱角的岩块和经长期研磨而失去棱角的岩屑。

D、划眼情况不同:如果是缩径造成的遇阻,经一次划眼即恢复正常,如果是坍塌造成的则划眼时经常蹩泵、别钻,钻头提起后放不到原来的位置,甚至越划越浅。搞得不好,还会划出一个新眼。

井壁坍塌的预防:

A、采取适当的工艺措施:设计合理的井身结构。表层套管应封掉上部的松软地层,因为这些地层容易坍塌,对钻井液液柱压力的反应最敏感;要用套管封隔已知的漏层。因为钻遇这些地层,往往是钻井液有进无出,必然引起上部地层的大段坍塌;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。

B、要尽量减少套管鞋下口袋长度,因为较长的口袋是下部岩屑的储藏所,同时也容易引起水泥环脱落。

C、调整泥浆性能使其适应所钻地层: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黏度和切力;对于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黏度、切力和较小的失水量,这样,一方面减少或防止地层的坍塌,另一方面也可以把坍塌的岩块携带到地面,防止岩屑沉淀堆集成砂桥;要控制钻井液的PH值在9左右,可以减弱高碱性对泥页岩的强水化作用;采用钻井液内混油的办法,如混入原油、柴油、白油等,因为泥页岩都是亲水的,而非亲油的,混入油类后会降低黏土的吸附力,因而可以抑制泥页岩因亲水而膨胀;适当提高钻井液的矿化度,使之与泥页岩中的水矿化度相当或稍高,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;促进有得于泥页岩稳定的离子交换作用,泥页岩中的Na离子是引起黏土水化的主要根源,如果在钻井液中加入钾、Ca等离子,与泥页岩中的Na离子进行交换,就可以有效的降低泥页岩的膨胀压。

D、保持钻井液液柱压力:起钻时连续灌浆,保持井内液面不降;停式或测井时应有专人观察井口,即时往井内灌泥浆;钻柱或套管柱下部装有回压阀时要定时向管柱内灌浆,防止回压阀挤坏,而使泥浆倒流,把井壁抽塌;如果管柱内外压力不平衡,停泵后立管有回压,不能放回水,也不能接方钻杆接单根,因为这样会使环空泥浆倒流,致使环空液柱压力降低。

E、减少压力激动:控制起钻速度,特别是钻头泥泡或扶正器泥泡的情况下,上提钻柱时,井口液面不降或外溢,通俗叫法拔活塞,这是很危险的,应立即停止起钻,接方钻杆开泵循环钻井液,消除泥泡,如果消除不了,应该边循环边起,待起出小井径段后,再正常起钻;下钻后或钻方钻杆后不宜开泵过猛,排量应由小到大,待泵压正常后,再进行下步动作,复杂井、深井等应分段循环。

F、要有意识地保护薄弱地层:对于结构薄弱或有裂缝的地层,钻进时要控制循环压力,起下钻通过这些地层时要严格控制速度,减少对地层的外力干扰。

G、不可长期停止循环:如因故停钻,泥浆在井内静止的时间不可过长。

H、负压钻进时,尤其要注意液柱压力,液柱压力不能小于裸眼井段某些地层的坍塌压力,否则,应将这些地层用套管封隔。

坍塌卡钻的处理:

坍塌卡钻以后可能有两种情况,一种是可以小排量循环,一种是根本建立不起循环。往往有这种情况,在发生严重井塌之后,不能循环但能转动,上下也有一定的活动距离,但活动距离越来越小,转动扭矩越来越大,说明砂子越挤越死,最终非卡死不可。此时就不应以转动来求解脱,要严格控制扭矩,为倒扣留一条后路。此时应分析坍塌的是钻具上部还是下部,如果塌的是钻具下部,最好把钻具提卡,立即倒扣,如果倒得好,可以把卡点以上的钻具全部倒出。要知道,坍塌发生后的初期阶段掩埋的钻具并不多,且砂子比较疏松,但随着时间的延长,砂子越集越多,越集越实,卡点会迅速上移,而且上部钻具粘卡我危险性越来越大,因此,只要确定是钻具下部坍塌,就应及早倒扣。倒扣的时间越旱,可能倒出的钻具越多,给下步处理留下的困难越小。

但是坍塌卡钻的部位往往是上部松软地层,下部钻具并未埋死,可是钻具失去活动以后,就有粘卡的可能,形成上部坍塌卡下部粘卡的复式卡钻,此时就不应盲目倒扣,因为你倒出的钻具不可能很多,如果钻头水眼被堵死,可能形成一卡到底的局面,而且下部粘卡井段,你要套铣的不是塌块,而是地层,井越深,地层越硬,套铣越困难,最后不得不被迫放弃。此时就应该为下部容易处理假造条件,首先下炸弹把钻头炸掉或把钻铤炸裂,为以后恢复循环假造条件,当上部井眼套通之后只要能恢复循环,就可以按粘吸卡钻处理了,如果不事先进行爆炸,在套铣过程中,钻头水眼肯定会被堵死,以后要想循环是不可能的。也有人提出不爆炸而进行射孔是否能行?实践证明,钻铤上是射不开孔的,即使能射开,射孔的孔眼也很容易堵死,没有一点实用价值。也有人设计了通开水眼的工具和办法,但那只能是局部通开,一向般100米左右,而且工序繁琐,非常浪费,不如爆炸来得一劳永逸。

下一步只能是套铣倒扣了,在松软地层宜采用长筒套铣,目前为了加快处理速度都是采用反扣套铣筒内接反扣公锥或倒扣接头,使套铣与倒扣一趟钻完成。较硬地层,宜减少套铣筒长度,尽量减少套铣过程中的失误。套铣至扶正器时,宜下震击器震击解卡,因为大量事实证明,扶正器以下很少有砂子堆积,没有必要去做磨铣扶正器的工作。如果要套铣扶正器,也不能全面套铣,应套铣扶正条根部,因为扶正器上的硬质合金,镶装在扶正条的表面,其根部并无硬质合金,是比较容易套铣的。这就是“避实击虚、避硬吃软”的办法。剥离的扶正条仍在井内,等钻铤倒出后,再磨铣打捞。

[责任编辑:dc]

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