谢鑫 (西南石油大学研究生部)

压差卡钻的控制方法

谢鑫 (西南石油大学研究生部)

压差卡钻是钻井中经常出现的卡钻事故。压差卡钻的三种控制方法:调整钻具组合,调整钻井液性能,控制压力平衡。调整钻具组合包括使用加重钻杆,使用带稳定的钻具,控制斜井开槽,减小静止时间四种控制方法;调整钻井液性能着重对泥饼的性能控制;在控制压力平衡中,主要采用过平衡。卡钻控制方法对卡钻的预防很有效果。

压差卡钻 泥饼 剪切屈服力极限拉力

1 卡钻机理

压差卡钻是指钻具在井中静止时,在钻井液与地层孔隙压力之间的压差作用下,紧压在井壁泥饼上而导致的卡钻[1]。卡钻可以看作是钻柱不能在井眼中自由活动。(图1)当钻杆在井中长时间静止时,随着泥饼中钻井液的滤失,泥饼的孔隙压力将降低,而且当泥饼和地层岩石之间存在足够的压力差时,泥饼中的钻井液将持续地滤失。当滤失停止,泥饼压力与地层压力相等时,则在钻柱和井壁之间产生压差,从而导致了卡钻。如图2所示,泥饼的剪切屈服力可以看作是卡钻发生的主要因素。当钻柱拉力大于泥饼的剪切屈服力时,卡钻就不会发生;反之,则卡钻发生。在图3中,随着泥饼的滤失,钻铤与井壁接触面的泥饼压力将会持续地降低,泥饼的剪切屈服力将增大,当钻柱传递的有效拉力大于泥饼的剪切力时,即泥饼压力在钻柱传递的极限拉力线以上时,则钻柱在井眼中可任意移动,即卡钻没有发生;当泥饼压力在钻柱传递的极限拉力线以下时,则钻柱不能移动,即卡钻发生。综上所述,控制压差卡钻的原则就是使钻柱可传递的拉力大于泥饼的剪切力[2]。

图1 压差卡钻示意图

根据文献,压差卡钻时的钻柱会埋入泥饼中,因此钻柱运动阻力,即泥饼的剪切屈服力,可应用下式来计算[3]:

其中,Ac=ψarc·Lep

由式 (1)可知,要减小卡钻的发生,其设计原则是:降低剪切屈服力,关键在于减小接触面积和泥饼的摩擦系数。

2 压差卡钻控制方法

2.1 调整钻具组合

2.1.1 使用加重钻杆

钻铤的作用是给钻头加压,同时又由于钻铤有着很高的刚度,可以减小井眼的弯曲。但钻铤和泥饼的接触面积很大,因此钻柱在井中的自由活动有很大的阻力,这个力很有可能超过了钻柱可以传递的拉力极限,从而造成卡钻。而使用加重钻杆,就可以大幅度地减小钻杆和泥饼的接触面积,从而使钻柱在井中自由活动所需的力减小。加重钻杆之所以能减小接触面积,关键在于加重钻杆中部有耐磨带,同时加重钻杆的厚度也比较大,可以有效地抵抗弯曲,从而可以帮助加重钻杆减小和泥饼的接触面积。在实际的钻井工况中,当井斜角偏小或中等的工况下,尽可能少地使用普通钻杆,并且在钻柱最顶部的稳定器的上面接入加重钻杆,可以有效地减少钻柱移动所需要的拉力。在井斜角大的井中,使用常规的钻杆加较短的工具接头,也可以极大地减小钻杆和泥饼接触的长度,从而减小钻柱活动时需要克服的泥饼剪切屈服力。在当前钻井工程中,接1～3根加重钻杆到最顶端的稳定器之上,就可以取得比较好的卡钻控制效果。

2.1.2 使用带稳定器的井下钻具组合

在钻井过程中,应尽可能地不使用光钻铤钻具组合,而要使用带稳定器的钻具组合。当稳定器的数量和间距适当的时候,钻杆和泥饼将不会接触,从而避免发生压差卡钻。在定向井中,在稳定器的上面接入加重钻杆,可以更好地减小运动需要克服的泥饼剪切屈服力。

由于使用单个振击器往往造成卡钻,因此,应避免单个振击器的使用,振击器使用时要多个密集地使用。

2.1.3 控制大井斜角井中的开槽

卡槽的形成是由于在大斜度井中,钻具接头和钻柱管体本身旋转,从而摩擦井壁,使井壁出现凹陷而产生凹槽。由于凹槽很接近接头和管体的外径,从而增大了接触面积,增加了钻具活动的阻力。开槽的出现虽然不能避免,但可以减小由于开槽而产生的卡钻风险。在钻具中使用加重钻杆和使用较小的工具接头,可以有效地减小卡槽的几何尺寸,从而减小了卡钻的风险。

2.1.4 减小钻柱静止时间

由图1可知,压差卡钻并不会很快地发生,只有当泥饼的不断滤失使得泥饼的剪切屈服力足够大的时候才会发生卡钻。因此,应尽可能缩小钻柱静止时间,当钻柱静止时间小于钻柱极限传递拉力与泥饼压力线的交点时间时,卡钻就不会发生。

2.2 调整钻井液的性能

泥饼性能对卡钻的发生有很大的影响,良好的泥饼性能应满足以下条件:

◇厚度薄,减小接触面积;

◇泥饼致密,滤失小。

从而使钻柱活动阻力和泥饼剪切屈服力减小,使钻柱可以静止的时间增大。有效的泥饼能控制固相颗粒进入地层,同时将滤失量控制在比较小的范围。而泥饼性能的调整方法主要是使用合适的封堵剂和降滤失剂[4]。封堵孔喉是重晶石的作用之一,它是钻井液中主要的孔隙堵塞成分。在以下的几种情况,还应该使用其他的堵塞颗粒:

◇在低密度钻井液中重晶石含量很少;

◇在高渗透率的地层中,重晶石相对岩石孔喉还是很小,不能堵塞喉道;

◇泥饼可能出现的再次生长。

同时,碳酸钙也是常用的堵塞成分。如果在钻井液中使用胶质材料,可以使用较小直径颗粒堵塞孔喉,从而取得比较好的堵塞效果。使用CMC等降滤失剂,减小钻井液的滤失量,减小泥饼的厚度,形成薄而致密的泥饼,从而减小钻柱自由运动的阻力[5]。

在轻密度钻井液和高的机械钻速工况下,最初的泥饼是由钻井液中的颗粒组成的;在高密度钻井液和低的机械钻速下,泥饼的形成与重晶石有关。研究表明,泥饼表面只会吸附与表面孔隙相适应的颗粒。每一次稳定器的旋转都会摩擦泥饼表面,新的暴露在钻井液中的泥饼将吸附更小的粒子,从而降低了泥饼的渗透率,减小了泥饼的剪切屈服力。这时,虽然较大的颗粒也会出现在钻井液中,但是它不会吸附在泥饼上,从而确保泥饼有较低的渗透率。在高的机械钻速下,泥饼能被快速地磨掉,从而很快形成致密的泥饼。因此,在低密度钻井液中,除了重晶石,其他的粒子也是不可少的。在钻井液中加入润滑成分,减小摩擦系数,也可以减小卡钻的发生。

2.3 控制压力平衡

在钻井过程中,过平衡是为了控制井底的地层压力和保持钻杆的稳定性。但是,适当地降低过平衡,可以减小泥饼与钻柱之间的有效应力,也可以降低泥饼的剪切屈服力,降低钻柱与泥饼的接触面积。而适当地降低钻井液的密度,就可以达到控制压力过平衡的程度。降低过平衡的压差,便可以降低钻柱自由活动时的阻力,从而降低卡钻。

3 结论

◇用加重钻杆代替钻铤,可以有效地控制卡钻的发生;

◇减少光钻铤的使用,在不影响正常钻进的前提下,使用稳定器;

◇要调整好泥饼的性能,将过平衡钻井的压力控制在合理的范围内。

符号说明

Ac——接触面积,m2

Pm——钻井液压力,MPa

Pff——地层压力,MPa

Dh——井眼直径,m

tmc——泥饼厚度,m

μ——摩擦系数,m

Lep——钻柱埋入泥饼的长度,m

F——泥饼剪切屈服力,103kN

[1]Fred E,Dupriest,William C,et al.Design methodology and operationalpractices eliminate differential sticking:SPE 128129[R].

[2]Adriana Murillo,Johanna Neuman,Robello Samuel.Pipe sticking prediction and avoidance using adaptive fuzzy logic and neural network modeling:SPE 120128[R].

[3]鄢捷年.钻井液工艺学.北京:石油工业出版社.

[4]蒋希文.钻井事故与复杂问题.北京:石油工业出版社.

[5]刘希圣.钻井工艺原理.北京:石油工业出版社.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.014

2010-05-20)