卡鉆跡象實(shí)時(shí)自動(dòng)偵測(cè)技術(shù)（上）
時(shí)間：2019-08-24 11:03
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作者:譯 李智鵬 許京國(guó)
當(dāng)發(fā)生卡鉆時(shí)，需要 查明卡鉆的機(jī)理和 原因，以便實(shí)施相 應(yīng)的解卡程序和補(bǔ) 救措施。少數(shù)情況一小時(shí)內(nèi)即可 使鉆具解卡，嚴(yán)重卡鉆時(shí)，如果 完全解卡的話，可能需要幾天時(shí) 間。越早的查明卡鉆的機(jī)理，就 可越快地采取正確的應(yīng)對(duì)措施， 鉆具解卡的幾率就越高。事實(shí)上， 50% 的卡鉆 4 小時(shí)內(nèi)就可解卡； 而不到 10% 的卡鉆 4 小時(shí)后即可 解卡。如圖 1 所示，如果這一統(tǒng) 計(jì)數(shù)據(jù)能告訴我們一些情況的話， 那就是時(shí)間在解卡過(guò)程中起到了 關(guān)鍵影響。在最壞的情況下，當(dāng) 解卡失敗時(shí)，鉆井工程師需要考 慮另一種行動(dòng)方案，即實(shí)施側(cè)鉆 作業(yè)，并向該方案追加額外費(fèi)用。 通過(guò)理解卡鉆的機(jī)理及其先 導(dǎo)征兆，人們也可根據(jù)鉆井作業(yè) 期間透露出的跡象和趨勢(shì)提前預(yù) 測(cè)卡鉆。倘若做得好的話，這種 預(yù)測(cè)可為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員提供更多 機(jī)會(huì)，避免發(fā)生嚴(yán)重的卡鉆事故。 本文詳述了卡鉆機(jī)理、傳統(tǒng)做法， 此類事故的預(yù)防、診斷和補(bǔ)救方 法，識(shí)別卡鉆的先期跡象和征兆， 以及之前發(fā)表的預(yù)測(cè)該地區(qū)發(fā)生 卡鉆事故的著作。作為一種預(yù)測(cè) 卡鉆事故的方法，本文還展示了 一個(gè)鉆井?dāng)?shù)據(jù)異常的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢 測(cè)模型，給出了模型的驗(yàn)證測(cè)試 結(jié)果，并從數(shù)據(jù)和物理學(xué)角度對(duì) 測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了討論。
研究機(jī)理做好預(yù)防迅速處治
不管鉆具能否下放、旋轉(zhuǎn)或 循環(huán)泥漿，當(dāng)其無(wú)法從井中起出 時(shí)，被認(rèn)為是鉆具被卡死，或發(fā) 生了卡鉆事故。換句話說(shuō)，只要 鉆具不能以最大允許的抗拉強(qiáng)度 從井中起出，就會(huì)被視為卡鉆。 這是由于不同類型的卡鉆所致， 例如壓差卡鉆時(shí)，通常循環(huán)不能 中斷；發(fā)生鍵槽卡鉆時(shí)，事故期 間一般仍能下放鉆具。因此，卡 鉆事故通常會(huì)根據(jù)卡鉆的機(jī)理進(jìn) 行分類，也就是，阻止鉆具起出 井筒的力或工具，卡鉆主要分為 三大類：井眼阻塞與橋接類卡鉆， 井筒幾何形狀類卡鉆和壓差卡鉆。 因井眼阻塞、橋接或井筒幾 何形狀導(dǎo)致的機(jī)械卡鉆幾乎占到 了卡鉆事故的 68%~70%，剩余 30%~32% 是因壓差卡鉆所致。 當(dāng)鉆遇漏層時(shí)，由于鉆井液未能 將巖屑帶走脫離井底，導(dǎo)致井眼 阻塞，因此發(fā)生井漏后很容易造 成卡鉆或鉆具被卡住。接單根期 間，當(dāng)鉆具靜止一段時(shí)間后開始 移動(dòng)時(shí)也很容易發(fā)生卡鉆。圖 2和圖 3 分別給出了三種最常見的 卡鉆機(jī)理以及卡鉆前最常見的鉆 井作業(yè)。 即將發(fā)生卡鉆時(shí)的第一個(gè)響 應(yīng)動(dòng)作最為關(guān)鍵，即使事故初期 鉆具移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的可能性有限， 隨著時(shí)間的推移，事故會(huì)退變?yōu)?鉆具在任何方向都無(wú)法移動(dòng)。除 了時(shí)間成本損失外，這就是為什 么這類事故中時(shí)間是關(guān)鍵的另一 個(gè)原因。因此，正確判斷和報(bào)告 卡鉆事故，確保在正確的地點(diǎn)和 時(shí)間采取正確的應(yīng)對(duì)措施至關(guān)重 要。根據(jù)最初的判斷所采取的措 施可能是能否解卡、或鉆具被埋 和選擇側(cè)鉆、或棄井幾種選項(xiàng)之 間的決定性因素。錯(cuò)誤的初始判 斷容易導(dǎo)致局面失控，最終鉆具 會(huì)丟棄在井內(nèi)或被埋。因此，了 解卡鉆的不同機(jī)理、先導(dǎo)征兆、 以及如何判斷卡鉆的每種類型至 關(guān)重要。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹一下卡鉆 的機(jī)理，針對(duì)每種卡鉆普遍采用 的預(yù)防措施和處治方法做出簡(jiǎn)述。
井眼阻塞與橋接類卡鉆
當(dāng)鉆具周圍的環(huán)空井眼被巖 屑或井壁垮塌塞住時(shí)，就會(huì)出現(xiàn) 井眼阻塞和橋接，致使鉆具移動(dòng) 受阻、循環(huán)受限或遇阻，這被認(rèn) 為是最成問(wèn)題的卡鉆機(jī)理，也被 認(rèn)為是卡鉆后解卡幾率最低或最 難解卡的井下工況。井眼阻塞或 橋接的主要原因是井眼凈化不佳， 也就是當(dāng)巖屑、水泥塊或落物未 被完全清除出井眼，從而使這些 物質(zhì)沉降并卡在環(huán)空井眼內(nèi)，導(dǎo) 致其壓實(shí)在鉆具周圍。 橋接是指大一點(diǎn)的巖屑或塌 屑搭接在鉆具與井壁之間的環(huán)空， 致使鉆具移動(dòng)受阻的卡鉆情形； 而阻塞或充填是指較小的巖屑因 其堵住了鉆具與井壁之間的環(huán)空 而使鉆具遇卡的情形。大斜度井 或水平井鉆進(jìn)期間，由于重力的 因素，更多的巖屑沉降并堆積在 井眼的低側(cè)，這使得清除這些巖 屑更加困難。因此，相比直井， 大斜度井或水平井的井眼凈化更 為關(guān)鍵，也更具挑戰(zhàn)。所以，在 鉆大斜度井時(shí)，為了保持有效的 井眼凈化，需要考慮更多的因素。 井眼阻塞另一個(gè)潛在的原因 就是井筒不穩(wěn)定。井筒不穩(wěn)定會(huì) 指引起井壁脫落或井眼坍塌。當(dāng) 鉆具因井眼坍塌導(dǎo)致卡鉆時(shí)，如 果說(shuō)有機(jī)會(huì)解卡的話，那就需要 進(jìn)行充分的井眼凈化，將塌屑循 環(huán)清除出井眼，才有可能使鉆具 解卡。井筒不穩(wěn)定會(huì)造成最嚴(yán)重 的卡鉆工況，如果情況如此，鉆 井工程師會(huì)選擇打撈或側(cè)鉆。這 可能是由于化學(xué)或機(jī)械應(yīng)力的頁(yè) 巖、疏松的砂巖、或裂縫和斷層 所致。 影響井筒穩(wěn)定的因素還包括： 巖石強(qiáng)度、各向異性應(yīng)力或非均 質(zhì)應(yīng)力、泥漿密度、泥漿失水、 井眼軌跡、以及井筒幾何形狀等。 井筒幾何形狀將在下一節(jié)進(jìn)一步 討論。圖 4、圖 5 分別列舉了不 同原因所致井眼阻塞與橋接的井 下工況。其中圖 4 示意的是因井 眼凈化差造成井眼阻塞所致鉆具 遇卡的情形；圖 5 示意的是因井 眼坍塌及凈化不佳所致鉆頭卡死 的情形。 由于井眼阻塞與井眼凈化差 有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此最好的 方法是通過(guò)有效的井眼凈化來(lái)防 止井眼阻塞，而這是通過(guò)實(shí)施以 下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。保持泥漿良好 的流變性能，特別是塑性粘度、 屈服點(diǎn)和凝膠強(qiáng)度，確保足夠的 泥漿排量和水力學(xué)特性，以保持 必要的環(huán)空流速將巖屑攜帶至地 面；確保井眼循環(huán)凈化時(shí)鉆具上 提、下放和旋轉(zhuǎn)自如；確保鉆具 的偏心距，盡可能使鉆具位于井 筒的中心，確保鉆具周圍環(huán)空流速均勻、相近；控制機(jī)械鉆速， 避免鉆進(jìn)期間產(chǎn)生過(guò)多巖屑和固 體顆粒，超出循環(huán)系統(tǒng)攜帶和處 置巖屑的能力；定期進(jìn)行循環(huán)短 起下作業(yè)，因?yàn)檫@能凈化井眼、 擦拭膨脹的粘土、劃眼問(wèn)題井段。 至于如何處治井眼阻塞，可 以考慮采取以下措施使鉆具脫困： 首先嘗試泥漿循環(huán)，在鉆具尚未 卡死時(shí)盡可能使環(huán)空暢通，重獲 正常循環(huán)；施加向下的力，直至 恢復(fù)循環(huán)；嘗試旋轉(zhuǎn)鉆具；在大 井斜情況下，先泵入低粘漿液， 接著泵入加重的漿液；低粘液會(huì) 擾亂巖屑床，使其流動(dòng)起來(lái)，隨 后加重的漿液會(huì)將巖屑帶至地 面；在井斜較小的情況下，只需 使用加重的漿液即可將巖屑攜帶 至地面。
井筒幾何形狀類卡鉆
討論的第二類是因井筒幾何 形狀導(dǎo)致的卡鉆，這類卡鉆包括 因井眼形狀不規(guī)則、狗腿或鍵槽 等因素，上提鉆具時(shí)，井底鉆具 組合（BHA）與井筒之間出現(xiàn)嚴(yán) 重摩阻或阻力過(guò)大導(dǎo)致的卡鉆現(xiàn) 象。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng) BHA 上提或 下放至井筒形狀極不規(guī)則的井段 時(shí)，卡鉆發(fā)生了；這可能是由于 幾個(gè)原因造成的，Mitchell 先生 2011 年在他的“無(wú)事故鉆井”一 書中將其分為四種情形狗腿、巖 石壁架、井眼縮徑、擠壓地層。 大多數(shù)井筒幾何形狀類卡鉆 都是因狗腿所致，因?yàn)檫@類卡鉆 可能會(huì)導(dǎo)致鉆具越卡越死，如遭 遇鍵槽、巖石壁架，或因高扭矩 和側(cè)向載荷的情形；狗腿還可能 給固井、下套管、測(cè)井帶來(lái)麻煩， 甚至還可能導(dǎo)致采油設(shè)備故障。 值得注意的是，狗腿也增加了其 它類型卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，不論是壓差 卡鉆還是井眼阻塞類卡鉆。圖 6 示意了鍵槽是如何被切成狗腿的， 因高狗腿度、高鉆具張力和旋轉(zhuǎn)、 長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的幾種鍵槽。 Mitchell 在其書中還指出了 另一種類型的卡鉆，這就是“剛 性組件卡鉆”，這類卡鉆通常在 鉆定向井時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到，圖 7 示 意了一個(gè)強(qiáng)制鉆具進(jìn)入狗腿所引 起的側(cè)向載荷，導(dǎo)致鉆具卡死的 情形。 圖 6 圖 7
P+E 在嚴(yán)重狗腿的情況下，用來(lái) 保持造斜角的 BHA 可能會(huì)被向 下壓入或擠入狗腿，致使側(cè)載荷 過(guò)高，從而導(dǎo)致鉆具卡死，無(wú)法 上提。當(dāng)鉆具相比張力更易于壓 縮時(shí)，特別容易發(fā)生這種情況。 如果能合理的設(shè)計(jì)下井的剛性鉆 具，細(xì)心考慮井眼的狗腿井段， 這類卡鉆可以適當(dāng)?shù)氐玫娇刂啤?如果遵循以下程序，因井筒 幾何形狀導(dǎo)致的卡鉆一般可以得 到預(yù)防：應(yīng)避免尖利的狗腿，鉆 進(jìn)時(shí)如果懷疑有狗腿，應(yīng)考慮劃 眼短起下，以消除鍵槽或盡力使 鍵槽處圓滑，讓鉆具能順暢通過(guò)； 如果起下鉆期間懷疑有狗腿或鍵 槽，可在鉆具中增加一個(gè)鍵槽擦 除器，安排一次短起下擦除鍵槽； 在鉆鹽層時(shí)，如果無(wú)法避開鹽層， 鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)格外小心；在這種情況 下，應(yīng)采用高比重泥漿鉆進(jìn)，只 要壓力梯度允許，泥漿比重應(yīng)盡 可能高一點(diǎn)；要仔細(xì)定位 BHA， 在縮徑井段起下 BHA 時(shí)，應(yīng)使 用帶刀翼的扶正器。 因井筒幾何形狀導(dǎo)致卡鉆的 幾種解卡方法：在鉆具卡死之前， 以鉆具移動(dòng)相反的方向震擊鉆具； 如果鉆具未解卡，泵入一定量的 潤(rùn)滑或解卡劑可以幫助降低井筒 與遇卡部件之間的摩擦力；如果 遇卡鉆具處于碳酸鹽地層，泵入 酸液可能有助于溶解 BHA 周圍 的巖石；如果鉆具在鹽層遇卡， 可以泵入淡水溶液溶解卡點(diǎn)周圍 的鹽層。
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