[科普中国]-缩径卡钻

缩径卡钻的原因

1.砂砾岩的缩径:砂岩、砾岩、砂砾混层、如果胶结不好或甚至没有胶结物,在井眼形成之后,由于其滤失量大,在井壁上形成一层厚的滤饼,而缩小了原已形成的井眼,如图所示。

2.泥页岩缩径:泥页岩井段一般表现为井径扩大,但有些泥页岩吸水后膨胀,也可使井径缩小。如

(1)表层泥页岩,主要成分为钠蒙脱石,具有较高的含水量,在钻进中易出现塑性变形。

(2)未固结的粘土,内摩擦角为零,一旦剪切应力大于胶结强度,便发生塑性变形。

(3)在压力异常带的泥页岩,因其含水量和孔隙压都远远超过正常值,也就容易发生塑性变形。

特别是一些含水软泥岩,就像揉成的面团一样,表现出很强的塑性。这种软泥岩由于在其上部覆盖着致密的盐岩层、石膏层和膏泥岩，下部也存在着同样性质的特殊岩层，在非渗透性的岩层之间，形成了良好的“圈闭”条件，在长期地质沉积过程中，泥岩孔隙中的自由水与周围地层不连通，不能发生运移，被保存下来。随着上覆岩层压力的不断增加，泥岩孔隙中的自由水承受了一部分上覆岩层压力，使岩石骨架颗粒间的距离不随上覆压力的增加而减少，形成了“欠压实”状态。这种存在于盐、膏、膏泥岩间的泥岩层段具有泥质含量高、地层水含量大、孔隙压力高、矿化度高、塑性大、强度低、可钻性好、初始蠕变速率和稳态蠕变速率高的特点。一旦打开一个孔道,在上复地层压力作用下,急速向孔道蠕动,把井眼缩小,甚至会把钻头包住,而失去循环通道。如右图所示。这种地层的蠕动和盐岩层不一样,不受温度的影响,只和上复地层压力有关系,和其本身所含的水量有关系。因为这种地层多是在氧化环境中生成的，所以全国各地所遇到的多是紫红或棕红色软泥岩，但中原地区则发现有灰绿色软泥岩。软泥岩的矿物组分主要有：伊泥石64～71%、绿泥石16～29%、盐2～10%、石膏8～19%、不含蒙脱石。盐、膏含量愈大，表现出的分散性和吸水膨胀性愈强。美国安秋子牧场油田曾测得这种软泥岩的初始蠕变速率约为2.54cm/h.

我国塔里木油田东秋5井在井深2452m和2514m就钻遇这种软泥岩，连续发生两次恶性卡钻，钻井液密度提高到2.20g/cm，才得以过关。这可能是遇到这种地层的井深最浅的地区之一。柴达木盆小梁山地区,钻表层时钻井液密度就要加到2.0以上,否则就要卡钻,可能和这种软泥岩有关.

3.盐膏层缩径

所谓盐膏层是指主要由盐岩（NaCl）和石膏（CaSO4或CaSO4·2H2O）组成的岩层。在盐膏层中，盐岩和石膏的含量不等，而且还含有大量的其它矿物。除常见的石英（SiO2）、长石、碳酸盐岩等矿物外，还常会有各种不同的粘土矿物。根据纯盐层厚度、盐膏层特点及夹层情况，可将盐膏层分为两大类，即纯盐岩层和盐、膏、泥复合层。纯盐岩层又可分为原生沉积盐、次生岩脉盐和残存混合盐三种，原生沉积盐为大段结晶状无机盐（大部分为氯化钠和硫酸钙，也可含有其他复合盐类，如氯化钾、氯化钙和芒硝等），单层厚度较大，岩性比较稳定，夹层常为不易坍的白云岩、石灰岩及层理裂隙不发育的硬泥岩等；次生岩脉盐均在次生缝洞内壁呈垂直或斜交盐晶粒生长，并为同生角砾岩的胶结物；残存混合盐是由原生沉积盐蠕动消失后的残存盐角砾和其他角砾混杂胶结组成；它给钻井造成的主要困难是上部地层的盐溶扩径和下部地层的蠕变缩径。盐、膏、泥复合盐层往往是盐、膏、泥相间，互层多且薄，岩性变化大，并含盐膏软泥岩、碎泥与盐结合物及以盐为胶结物的角砾岩等，往往由盐岩、盐膏、石膏、芒硝、泥岩、含膏泥岩、灰质泥岩、泥页岩等多种岩性组成。其岩性复杂多变，泥岩层理发育，软泥岩含水量高，含盐量7～60%不等。而且，由于沉积环境的不同，产生了富含碳酸盐、硫酸盐的盐岩再加上周期性交互沉积分选差的砂泥岩，形成形形色色的复合盐岩，构成的盐膏岩性质千差万别，蠕变特性差异很大。他给钻井造成的主要困难不仅有盐溶扩径和蠕变缩径，而且还容易造成井壁坍塌。以盐为胎体或胶结物的泥页岩、粉砂岩或硬石膏团块，遇矿化度低的水会溶解，盐溶的结果导致泥页岩、粉砂岩、硬石膏团块失去支撑而坍塌。夹在盐岩层间的薄层泥页岩、粉砂岩，盐溶后上下失去承托，在机械碰撞作用下掉块、坍塌。

多数沉积岩的密度是随埋藏深度的增加而增加,而盐岩层的密度却不随埋藏深度的增加而增加。多数沉积岩的三轴应力是不相等的,水平应力小于垂直应力,而且不同方向的水平应力也不相等,而盐岩层的三轴应力是相等的,就等于它的上覆岩层压力。多数沉积岩的极限强度随约束力的增加而增加,盐岩层则不然,其极限强度随约束力的增加而有少量的增加,但随温度的上升而显著下降。多数沉积岩没有延展性,而盐岩在一定的温度条件下,表现出延展性,而且随着温度的上升而迅速增加。大于三千米的深度,约束力的影响几乎被温度的影响所抵消,实际上,盐岩层的强度随深度的增加而减小。盐岩层在一定的温度和压力下会发生明显地变形,称之谓蠕变,它是时间、加载条件和其本身的物理特性的函数。

盐岩在100℃以前,蠕变量很小,由于钻井液中水的溶解作用,井径不会缩小,反而扩大。从100℃到200℃,蠕变速率急剧增加。200℃以上,盐岩层几乎完全变成塑性体,在一定的压力下,很容易产生塑性流动。温度对盐岩层蠕变的影响如图所示。

压力也是影响盐岩蠕变的主要因素。在钻井时,如果钻井液液柱压力小于盐层压力,盐层将向井内蠕动,其闭合速率取决于温度和压差的大小。

有人做过如下的实验:某井用Φ215.9mm钻头钻穿5352～5446m盐层之后,在不同钻井液密度下进行了三次井径对比测量,结果如下:

第一次测量:井浆密度1.73g/cm,计算压差26MPa,起钻后8小时和12小时各测一次井径,在12小时内井径缩小58mm。

第二次测量:井浆密度调整为1.83g/cm,计算压差21MPa,起钻后8小时和12小时各测一次井径,12小时内井径缩小12mm。

第三次测量:井浆密度调整为2.07g/cm,计算压差7MPa,起钻后8小时和12小时各测一次井径,12小时内井径扩大1.52mm。30小时后再测一次井径,井径增大0.51mm。这种扩径可能是由于钻井液中水的溶蚀而成。

压差与蠕变速率的关系如图所示

盐岩层蠕变和其本身的物理特性有关,即与盐的成因、纯度、杂质种类（如Ca、Mg、Na、K、Cl、SO4等）和数量、颗粒尺寸、压实程度、自由水和气泡等有关,钠盐层强度低于钾盐层，复合盐层强度低于单纯盐层，如果复合盐层中含有光卤石（KCl.MgCl2.6H2O）对井壁的稳定影响非常严重。埋藏深度愈大，强度下降愈严重。在相同的温度、压差条件下,不同的盐层其蠕变速率不一样。如胜利油田郝科一井,从井深3416.5m～4150m共钻穿盐层60层229m,在井浆密度1.92g/cm3的情况下,只有一层(3563～3567m)在钻进时发现有蠕变缩径现象,因思想上早有准备,当扭矩增大时,立即提起钻头划眼,来回划眼三个多小时,才得以通过此层,其余各层都顺利通过。

在盐层中钻进,井眼缩径速率还和井径大小有关系,即缩径速率和井眼直径成反比,也就是说,10in井眼的缩径速率是5in井眼的两倍。

随着埋藏深度的增加,温度、压力也相应地增加,盐岩层逐渐失去了自持能力,如没有一定的钻井液液柱压力与之相抗衡,一旦钻孔形成,它就向钻孔蠕动,而使井眼缩小,如发现不及时,就会立刻造成卡钻。

4.深部沉积的石膏层：一般认为在上覆岩层压力下把结晶水挤掉,成为无水石膏。当钻开时,石膏又吸水膨胀,减弱强度,缩小井径。无水石膏密度为2.9g/cm,含水石膏密度为2.3g/cm,即无水石膏变为含水石膏时体积要膨胀26%。其他盐类如芒硝、氯化镁、氯化钙等也具有类似性质。

5.原已存在的小井眼:钻头使用后期,外径磨小,形成一段小井眼,刮刀钻头尤为显著。有些取心钻头,其外径小于正常钻进的钻头,或者在使用后期外径磨小,也会形成一段小井眼。如下钻不注意,或扩、划眼过程中发生溜钻,也会造成卡钻。其性质和缩径卡钻一样。

6.弯曲井眼:有些井由于下部钻具结构刚性不够,形成弯曲井眼。当下部钻具结构改变,刚性增强,或者下入外径较大长度较长的套铣工具或打捞工具时,在弯曲井眼处容易卡住。

7.地层错动,造成井眼横向位移。如图,由于所钻地层有断层和节理存在,当钻井液滤液浸入断层面或节理面后,引起孔隙压力的升高,产生了沿断层面或节理面的滑动,导致了井眼的横向错动。如这一现象发生在下钻之前,则下钻时将会在错动处遇阻;如这一现象发生在下钻之后,则在起钻至错动位置时会发生遇阻遇卡,其情形就和缩径差不多,但却不是缩径,严重的错动将会立即把钻具卡住。如1986年孤东油田七区某井,固完井,射完孔,下好油管,准备替喷投产,井下情况正常。八小时后,发现油管被卡,用作业机硬拔,起出的下部油管弯曲达600mm以上,证明是地层错动所造成。

8.将大一级的钻头下入小一级的井眼中。这本来是不应该发生的事,但由于工作人员的疏忽,不仔细检查,如将215.9mm钻头下入212.7mm的井眼中,将247.65mm钻头下入244.5mm的井眼中。这些事听起来是笑话,但确是实实在在发生过的事。

9.钻井液性能发生了较大的变化:如钻遇石膏层、盐岩层、高压盐水层,滤失量增加,粘度、切力增加,滤饼增厚。或者为了堵漏,大幅度地调整钻井液性能,都很容易形成假滤饼,使某些井段的井径缩小。

缩径卡钻的表征

1.阻卡点固定在井深某几点:因为小井径总是个别井段,所以下钻遇阻时,提离该点,则无遇阻现象,起钻遇阻时,则下放不会遇阻,而且遇阻点相对固定在某一井深。有时会有若干个遇阻点,但每个遇阻点的井深相对固定。

2.多数卡钻是在钻具运行中造成,而不是在钻具静止时造成。只有少数卡钻是在钻进时造成,如钻遇蠕动的盐岩、含水软泥岩、沥青层就很容易在钻进过程中缩径卡钻。

3.开泵循环钻井液时,泵压正常,进出口流量平衡,钻井液性能不会发生大的变化。但钻遇蠕动速率较大甚至是塑流状态的盐岩、沥青层、含水软泥岩时,泵压要逐渐升高,甚至会堵塞环空失去循环。

4.离开遇阻点则上下活动、转动正常,阻力稍大则转动困难。

5.下钻距井底不远遇阻,可能有两种情况,一种是沉砂引起遇阻,一种是上一只钻头在使用后期直径磨小,形成了小井眼。

6.如钻遇蠕变性的盐岩层、沥青层、含水软泥岩层,往往是机械钻速加快,转盘扭矩增大,并有别钻现象,提起钻头后,放不到原来井深,划眼比钻进还困难。若蠕变速率较小,泵压没有多大变化。若蠕变速率较大,可以发现泵压逐渐上升,直至憋泵。

7.缩径卡钻的卡点是钻头或大直径工具,而不可能是钻杆和钻铤。1

缩径卡钻的预防1.下入钻头、扶正器或其它直径较大的工具时,应仔细丈量其外径,不能把大于正常井眼的钻头或工具下入井内。使用打捞工具时,其外径应比井眼小10～25mm。

2.起出的旧钻头和扶正器,应检查其磨损程度,如发现外径磨小,肯定已钻成了一段欠尺寸井眼。下入新钻头时应提前若干米划眼,不能一次下钻到底。划眼井段的多少依据实际情况来定,一般为1-3个单根。总的原则是下放钻具时不允许有30kN以上的遇阻。既使是毫无遇阻显示,最后一个单根也必须划眼下放。

3.在用牙轮钻头钻进的井段,下入金刚石、PDC及足尺寸的取心钻头时要特别小心,遇阻不许超过50kN。

4.取心井段必须用常规钻头扩眼或划眼。特别是连续取心的井段,软地层每100m硬地层每50m左右应用.常规钻头扩、划眼一次。

5.改变下部钻具结构,增加了钻具的刚性,如增加扶正器数量或加大钻铤外径以及下入外径较大的套铣工具和打捞工具时应控制速度慢下。绝不允许在阻力超过50kN的情况下强行下入。

6.下钻遇阻绝不可强压。一般的规律是遇阻后上提的力量要比下压的力量大,所以下压力量越小,上提解卡越主动。当然也可以用渐进法进行试验,如果上提时的阻卡力不超过下压遇阻的力量或者超过的不多(在一倍以内),还可以逐步增加下压的力量,有些井段,增加一点力量或者多活动几次就可以过去了。但如果发现上提时阻卡力增加很多,就不能盲目下压了,应立即循环钻井液,向下划眼,消除阻力。

7.起钻遇阻绝不能硬提。因为下压解卡的力量往往比上提时的阻力大得多。如果上提遇阻而下放很松快,也可以采取渐进法进行试验,逐步加大上提力量,有些井段,上下活动几次就可以起出来了。如果发现下压解卡力大于上提阻卡力很多,就不能再加大力量上提了，应循环钻井液,采取倒划眼的办法起出。

这里所说的渐进法就是每次增加的力量不可过多,以30-50kN为宜。一般的要求,起、下钻遇阻不许超过50-100kN,采取渐进法增加力量的最大限度也不许超过200kN。当钻具悬重较轻时,上提力量不能超过钻具重量的三分之一。

8.控制钻井液滤失量及固相含量。使渗透层井段结成薄而韧的滤饼,减少滤饼缩径现象。尤其不能使钻井液性能发生大幅度的变化,如急剧地增加粘度、切力及滤失量,会形成更多的假泥饼。

9.钻遇特殊岩层如盐岩层、沥青层及含水软泥岩层,必须提高钻井液密度,增大钻井液的液柱压力,以抗衡围岩的蠕动或塑流。确定控制盐层蠕变需要的钻井液密度所广泛采用的规则如图所示,这些曲线是根据静态塑性原理应用有限元法得出的。

钻开盐岩层，可以使油包水乳化钻井液、NaCl超饱和盐水钻井液、混合盐超饱和盐水钻井液，其化学组分有NaCl、KCl、MgCl2、MgSO4等。各种盐类在不同温度下在水中的溶解度如下表所示。1

|| || 各种盐类在水中的溶解度

由表可知，温度愈高，溶解度愈大。钻井时，井下温度高于地面温度，在地面呈饱和状态时，在井下则为欠饱和；在井下呈饱和状态时，到地面则为过饱和，就要析出多余的盐份。为了保持钻井液性能的稳定，就需要加一种盐抑制剂，防止钻井液中过饱和的盐份在地面结块。比较好的盐抑制剂有次氮基乙酸酰胺[N(CH2CONH2)3]、亚铁氰化钠、亚铁氰化钾[K4Fe(CN)2]、氯化镉和NTA等。其中NTA是一种合成的氮氚三乙酸胺的衍生物，加入到过饱和盐水里，能够把氯化钠晶体析出速度减到最小程度或制止氯化钠晶体的析出。加在欠饱和盐水里，也能阻止氯化钠晶体的溶解。当这些化学药品出现在氯化钠晶体的表面时，表面重结晶被阻止，这些重结晶往往是结块的主要原因。一般加量为0.2～0.4%。另外可以加SMP、SPC等以提高抗温、搞污染能力。如果褐煤类产品与磺化酚醛树脂联合使用，能很好的控制体系的滤失性和流变性。加入磺化沥青、超细碳酸钙，可以增强体系的造壁性。加入SP-80、DH-1、RH-3或原油等可以提高钻井液的润滑性，降低滤饼摩阻系数。加入7～8%的氯化钾对泥页岩的膨胀和坍塌能起到很好的抑制作用。加入Na2SiO3、K2SiO3等能够抑制石膏的溶解和膨胀，具有很强的抗钙侵能力。

对于盐岩层,地质设计上可能有预告,可以提前采取转化钻井液体系增加钻井液密度的措施,但是对于沥青层.含水软泥岩层,其分布情况无规律可循,因此也无法预告,往往会打遭遇战。遇到这种地层(包括盐岩层),有几个明显地变化,可资参考:

(1)钻速加快;

(2)扭矩增大;

(3)上提钻头有阻卡力;

(4)提起钻头后放不到井底;

(5)划眼困难,有别钻现象,其速度比钻进还慢,经反复划眼仍不能恢复正常钻进。

因此在盐层中钻进，如遇快钻时,进尺不可超过0.5m,应当机立断,立即上提。如上提有阻力,在安全的条件下,尽最大可能上提,绝不可消极等待,此时等待就等于死亡。关键的问题是及早发现,及早处理,不能等到转盘扭矩很大甚至不能转动时再想提也提不起来了,这种教训在胜利油田和中原油田曾发生过多次。钻完一个方钻杆,应提起平稳划眼,修整井壁。

10.如上提遇阻,倒划眼无效,如此时起出的钻具超过井深的一半,可以接如图所示的扩孔器于钻柱中间,下钻至遇阻位置扩眼,消除阻卡后再起钻。扩孔器类似于一般的螺旋扶正器,只是着重于在翼片上、下两个斜肩面上加焊硬质合金,使其具有破坏地层的能力。

11.如果井下情况比较复杂,可在钻铤顶部接一扩孔器,这样倒划眼的效果会更好一些,因为牙轮钻头很难发挥倒划眼作用。

12.在钻柱中接随钻震击器,无论上提遇卡还是下放遇卡,都可以立即启动震击器,震击解卡。

13.在复杂井段钻进,要简化钻具结构。如不接扶正器,缩小钻铤外径,减少钻铤数量等。

14.在钻进过程中,要有计划的进行通井,即定深进行短程起下钻。

15.在起下钻过程中,要详细记录阻卡点,对于较复杂的井段,要主动地进行划眼,以消除阻卡现象。

16.对于易产生蠕变地层,可使用偏心PDC钻头,钻出较大的井眼,给地层蠕变留下一定的余地,如图1-30所示.其偏心度C-O越大,钻出的井眼也越大,这样在蠕变速率不太大的的下,可以允许你有时间起出钻头.

17.可以在钻头以上的适当部位接扩眼器,距离以近钻头一点为好。这种扩眼器既能正划眼又能倒划眼,在地层发生蠕变时,可以利用它起出危险井段,这些措施只能在钻井液液柱压力与地层蠕变应力基本平衡的情况下即井眼缩小率每小时不大于2%时才可使用。1

缩径卡钻的处理1.遇卡初期,应大力活动钻具,争取解卡。在下钻过程中遇卡,应在钻具和设备的安全负荷限度以内大力上提,但绝不能多压。在起钻过程中遇卡,应大力下压,甚至将全部钻具的重量压上去,但绝不能多提。在钻进过程中遇卡,只能多提或强扭,下压是没有意义的。在这种时候,捕捉战机是非常重要的,要敢于用大力,可能三下五除二就解决问题了。如果大力活动数次(一般不要超过10次),不能解卡,就不要强干了。此时应循环钻井液,在适当的拉力压力范围内定期活动钻柱,最好每10～15分钟活动二、三次,保持钻柱不被粘卡,再进行第二步的工作。

2.用震击器震击解卡:如钻柱上带有随钻震击器,在起钻过程遇卡的时候,应启动下击器下击。在下钻过程遇卡或钻头在井底遇卡的时候,应启动上击器上击。

如果钻柱上未带随钻震击器,要设法接入震击器,因为震击是缩径卡钻中最有效最经济的解卡办法。如果是起钻遇卡,而且有足够的钻柱重量,可以在井口接地面下击器下击。如果是下钻遇卡或在井底遇卡,最好是把钻柱从卡点以上倒开,把上击器接到距卡点较近的位置,然后连续上击。

在活动钻具及震击的过程中,要随时注意钻具的活动范围,在钻柱的某一部位打一个记号,如果该记号随钻柱的下击而下移,或随钻柱的上击而上移,说明震击活动有效,解卡有望。如果在同样的拉压范围内,发现钻柱的活动范围越来越小,说明已有粘卡发生,此时继续震击的效用就不大了。

3.如果发现是缩径与粘吸的复合式卡钻,那就应先浸泡解卡剂,然后再进行震击。

4.如果缩径是盐层蠕动造成的,而且还能维持循环的话,可以泵入淡水或淡水钻井液至盐层缩径井段以溶化盐层,同时配合震击器震击。

5.如果是泥页岩缩径造成的卡钻,可以泵入油类和清洗剂或润滑剂,并配合震击器进行震击。

6.如果大力活动钻具与震击均无效,那就只好走爆松倒扣和套铣、倒扣的道路。最好是从钻头附近或钻铤顶部倒开,井下留的落鱼越少越好。因为缩径卡钻的卡点在钻头或扶正器位置,如落鱼较少时,可争取一次套铣到卡点位置,即可解卡。如果落鱼较长,一次套铣不到卡点位置,那就只好分段套铣、倒扣了。

7.如果经测算,套铣、倒扣在时间上经济上不合算;或者在套铣、倒扣过程中发生了其它问题,使套铣、倒扣工作无法继续进行,那就只有侧钻一条路可走了。缩径卡钻的处理程序如图所示。1