楊雪山, 宋碧濤, 任茂, 何竹梅, 歐彪, 齊從麗
(1.中國石化江蘇油田石油工程技術(shù)研究院,江蘇揚(yáng)州225009;2. 中國石化西南油氣分公司工程院,四川德陽618000)
壓差卡鉆,是鉆井過程中最易發(fā)生的卡鉆類型之一[1-2]。壓差卡鉆的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)的正常運(yùn)行,導(dǎo)致時(shí)間和經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重?fù)p失。壓差卡鉆發(fā)生之后,通常采取強(qiáng)力上提下砸、震擊或泡油等手段[1-5],如果處理不當(dāng),可能誘發(fā)坍塌卡鉆、斷鉆具等次生復(fù)雜,更嚴(yán)重的是,會(huì)導(dǎo)致埋鉆具、報(bào)廢等事故。據(jù)統(tǒng)計(jì),一起普通的壓差卡鉆事故,平均損失時(shí)間3 d[3]。針對(duì)壓差卡鉆形成的機(jī)理及解除方法,國內(nèi)外進(jìn)行了大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。鄢捷年[6]、蔣希文[7]從摩擦作用的物理原理出發(fā),結(jié)合壓差、鉆具嵌入泥餅形成的封閉接觸面、泥餅?zāi)Σ料禂?shù)建立壓差卡鉆計(jì)算模型,其目的是為了研究壓差卡鉆的預(yù)防與解除方法。葉芊[2]等考慮到定向井中鉆具重力在垂直于鉆具方向分力會(huì)導(dǎo)致管柱與井壁接觸產(chǎn)生的摩擦力增加,建立定向井壓差卡鉆計(jì)算模型。王平[8]利用多元回歸分析方法建立了壓差卡鉆臨界值的計(jì)算模型。Helio Santos[8]考慮到假如沒有泥餅存在時(shí),如何最大限度地降低發(fā)生壓差卡鉆的可能性,并認(rèn)為防止壓差卡鉆的關(guān)鍵是鉆井液能有效地阻止流體進(jìn)入滲透性地層。這些模型為壓差卡鉆的預(yù)防與解除方法提供了有力的理論依據(jù),但這些模型未考慮到鉆井液在井壁上會(huì)形成內(nèi)、 外泥餅, 認(rèn)為發(fā)生卡鉆時(shí)黏附壓差是鉆井液液柱壓力和地層孔隙壓力之差, 鉆具與井壁的接觸面積未考慮泥餅的耐壓性, 而認(rèn)為鉆具和井壁直接接觸。根據(jù)壓差卡鉆發(fā)生的機(jī)理并結(jié)合鉆井液泥餅的特性, 進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)推導(dǎo), 建立了壓差卡鉆預(yù)測(cè)模型, 為壓差卡鉆的預(yù)防和解除提供理論依據(jù)。
在鉆井施工過程中,由于正壓差的作用使鉆井液向滲透性地層中滲透,在井壁形成一層濾餅。正常情況下,鉆具與井壁濾餅被一層鉆井液薄膜所潤滑,液柱壓力通過這層鉆井液傳遞到鉆具四周,鉆具各邊的壓力均相等[6]。
由于井眼軌跡調(diào)整、地層因素,井眼軌跡客觀上存在或大或小的曲率,鉆具自重和剛性、軸向拉伸擠壓和彈性變形產(chǎn)生的側(cè)向力,使部分鉆具緊貼井壁上的濾餅。當(dāng)鉆具在井內(nèi)出現(xiàn)靜止情況下,尤其在長裸眼存在多壓力系統(tǒng)時(shí),如果井壁泥餅很厚,產(chǎn)生的側(cè)向力使鉆具向?yàn)V餅中嵌入,擠走了鉆具與濾餅間的鉆井液,濾餅中的孔隙水流入地層,濾餅內(nèi)的孔隙壓力逐漸降低,作用在鉆具上的液柱壓力失衡,鉆具進(jìn)一步向?yàn)V餅中嵌入,壓縮泥餅,最終使鉆具和泥餅之間形成一個(gè)封閉接觸面[3-4],使液柱壓力無法傳遞到接觸面,液柱壓力作用在鉆具一側(cè)產(chǎn)生的強(qiáng)大擠壓力,當(dāng)鉆井液泥餅潤滑性差,摩阻系數(shù)大時(shí),增加了阻止鉆具運(yùn)動(dòng)的黏附力,而且封閉接觸面會(huì)隨時(shí)間而增大,如果該黏附力超過了鉆機(jī)的提升、旋轉(zhuǎn)能力,就造成了壓差卡鉆。
從造成壓差卡鉆的機(jī)理中可以看出,壓差卡鉆的必要條件是:①存在較大壓差;②鉆具與井壁存在封閉接觸面。
根據(jù)井眼內(nèi)鉆井液、鉆具和井壁特點(diǎn),提出以下假設(shè):①假設(shè)井眼是圓形的,井壁是剛性的;②假設(shè)卡點(diǎn)處地層的滲透率是均勻的;③假設(shè)在井壁形成的內(nèi)、外泥餅是均勻的,滲透率和厚度相同;④假設(shè)卡點(diǎn)處管柱接觸井壁的上側(cè)或下側(cè),其曲率與井眼曲率相同。
考慮到卡點(diǎn)位置,鉆具緊貼著井壁,取鉆具微元體dl為研究對(duì)象,鉆具與井壁的摩阻計(jì)算公式[2]:
式中,α為井身彎曲段的井斜角,(°);△P為接觸處黏附壓差,為封閉接觸面壓力和鉆井液柱壓力之差,MPa;s為鉆具和泥餅的封閉接觸面積,mm2;f為摩阻系數(shù)。
眾多的研究表明:滑動(dòng)摩擦系數(shù)的大小取決于多種因素,它是材料與各種條件的綜合特性,而不是材料自身的固有特性。在實(shí)際工況下,泥餅的摩擦系數(shù)大小與接觸面積、正壓力和滑動(dòng)速度等因素有關(guān)。在鉆柱與井壁的相互作用中,隨著接觸載荷的增大,摩擦系數(shù)將增大。當(dāng)鉆具擠走了與濾餅間的鉆井液和濾餅中的水時(shí),泥餅性質(zhì)發(fā)生改變,摩阻系數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。不考慮到鉆具重力分力時(shí),鉆具與井壁的摩阻即黏附力[6]:
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,泥餅的滲透率一般為0.000 1~0.01 mD,在井下真實(shí)條件下,由于地層巖石滲透率不同,所形成泥餅絕非薄厚均勻的一層。
泥餅是具有可壓縮和塑性變形的,根據(jù)泥餅層狀結(jié)構(gòu)理論模型[9-10],泥餅的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其強(qiáng)度及密實(shí)程度的不同,自外而內(nèi)分為虛泥餅、可壓縮層泥餅、密實(shí)層泥餅及致密層泥餅(實(shí)際泥餅中并不存在這樣的“層”,而是連續(xù)變化的,只是為了研究問題方便,才根據(jù)其力學(xué)特征,人為進(jìn)行分層的),后3層又統(tǒng)稱為實(shí)泥餅層。第一層泥餅的厚度稱為虛泥餅厚度,后3層的厚度之和統(tǒng)稱為泥餅實(shí)厚,在實(shí)際鉆井過程中,由于鉆井液沖刷,只有實(shí)泥餅存在于井壁上。
當(dāng)鉆具靜止時(shí),鉆具上產(chǎn)生的側(cè)向力使鉆具擠走了與濾餅間的鉆井液,同時(shí)泥餅具有可壓縮性,鉆具壓向泥餅時(shí),泥餅被壓縮并會(huì)產(chǎn)生塑性變形,當(dāng)泥餅中水開始排出,作用在鉆具上的液柱壓力失衡,其合力指向封閉接觸面一側(cè)的鉆具面(此時(shí)鉆具對(duì)井壁的作用力不僅是鉆具自身產(chǎn)生的側(cè)向力,更主要的是液柱壓力作用),在鉆具和泥餅的封閉處產(chǎn)生的強(qiáng)大擠壓力,導(dǎo)致泥餅進(jìn)一步被壓縮和變形,接觸面積更大。
假設(shè)泥餅的厚度為h,在鉆具和泥餅的封閉處,壓實(shí)和變形后泥餅厚度為δ,根據(jù)三角函數(shù)公式,可以得出接觸面積為:
式中, d1為井眼半徑, mm;d2為鉆具半徑, mm;h為泥餅厚度, mm;δ為壓實(shí)及變形后的泥餅厚度, mm。
通常鉆具與井壁接觸是一段,從公式也可以看出泥餅越厚,接觸面積越大,擠壓力越大,產(chǎn)生的黏附力越高。
在鉆井過程中,井眼內(nèi)液柱壓力通常大于地層壓力,鉆井液不僅會(huì)在井壁上形成外泥餅,而且鉆井液中的懸浮固相還會(huì)進(jìn)入地層孔隙,在地層孔隙中沉積而形成內(nèi)泥餅。研究結(jié)果表明,對(duì)滲透率不同的地層,外泥餅的滲透率比近井地帶內(nèi)泥餅的滲透率低1~3個(gè)數(shù)量級(jí)[11]。鉆井液濾液會(huì)不斷侵入到地層中,井眼和地層之間的壓力分布類似漏斗狀。
假設(shè)在井壁形成的內(nèi)、外泥餅是均勻的,外泥餅滲透率為K1(μm2),厚度為h(cm),內(nèi)泥餅滲透率為K2,厚度為h’(通常為1~3 cm)。井眼半徑為R1(cm),內(nèi)泥餅與地層交界處壓力為P2(0.1 MPa),半徑為R2(R2=R1+h’)。井眼內(nèi)壓力為Pf(0.1 MPa),Rf=R1-h,距井眼遠(yuǎn)處的地層環(huán)形區(qū)域滲透率為 Ke,半徑為 Re,μ 為鉆井液濾液黏度(mPa s),如圖1所示。
利用滲流力學(xué)平面區(qū)域徑向穩(wěn)態(tài)滲流的壓力分布通式[12-13]:
結(jié)合Darcy公式,可以推出,穩(wěn)定后,井眼單位長度z的濾失量為:
從而在Rf和R1區(qū)間內(nèi)壓力分布規(guī)律為:
從而在R1和R2區(qū)間內(nèi)壓力分布規(guī)律為:
在R2和Re區(qū)間內(nèi)壓力分布規(guī)律為:
圖1 形成內(nèi)、外泥餅的井眼和地層
假設(shè)一口井,井深為6 500 m,鉆井液密度為1.9 g/cm3,地層壓力系數(shù)為1.4(地層壓力為89.19 MPa),地層滲透率為0.1 μm2,外泥餅滲透率為1.5×10-5μm2,內(nèi)泥餅厚度取2 cm,計(jì)算鉆井液在地層中形成的內(nèi)泥餅滲透率對(duì)井壁處壓力P1的影響。計(jì)算得到,外泥餅滲透率為1.5×10-4、 1.5×10-3、 1.5×10-2μm2時(shí),井壁處壓力分別為101.75、92.18、90.49 MPa??梢钥闯?,當(dāng)內(nèi)泥餅與外泥餅滲透率數(shù)量級(jí)相差越小時(shí),井壁處的壓力越高,黏附壓差越小,有利于預(yù)防壓差卡鉆的發(fā)生。
當(dāng)壓差卡鉆發(fā)生時(shí),在鉆具和泥餅的封閉處,由于鉆井液排出,相當(dāng)于封閉面,鉆具和泥餅的封閉處各處的壓差也并不相同[14-15]。
假設(shè)作用在鉆具和泥餅的封閉處的平均壓力為Pr',則黏附壓差:△P=Pf-Pr'。
如果泥餅的質(zhì)量較差,而且壓實(shí)后的泥餅滲透率與泥餅原始滲透率相差較大時(shí),在鉆具和泥餅的封閉接觸面壓力將接近井壁處的壓力,黏附壓差越大;如果泥餅的質(zhì)量較好,而且壓實(shí)后的泥餅滲透率與泥餅原始滲透率相差不大,那么封閉接觸面的壓力與相同厚度泥餅處的壓力接近,黏附壓差越小。
利用上述壓差卡鉆預(yù)測(cè)模型的計(jì)算方法,我們結(jié)合彭州海相探井PZ115井鉆井施工情況,采用本文公式,對(duì)PZ115井卡鉆過程中增加的摩阻進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)和分析,PZ115井井深為6 609 m,摩阻系數(shù)為0.12,卡點(diǎn)位置為井深6 500 m,卡點(diǎn)垂深為6 490 m,井眼直徑為φ241.3 mm,卡點(diǎn)處鉆具直徑為φ177.8 mm。鉆具組合:φ241.3 mm鉆頭+φ185直螺桿+鉆具止回閥+φ177.8 mm無磁鉆鋌×1根+φ177.8 mm鉆鋌×8根+φ178 mm震擊器+φ177.8 mm鉆鋌×6根+旁通閥+φ127 mm加重鉆桿×15根+φ127.0 mm新鉆桿×2 000 m+φ139.7 mm新鉆桿。
假設(shè)卡點(diǎn)處接觸段長為3 m,泥餅原始厚度為3 mm,壓實(shí)變形后泥餅厚度2.5 mm,黏附壓差分別為10、20、30、40、50 MPa時(shí),所產(chǎn)生的黏附力分別為136.6、273.1、409.7、546.2、682.8 kN。由此可見,黏附壓差越大,所產(chǎn)生的黏附力越高。
假設(shè)黏附壓差為30 MPa,接觸段長3 m,泥餅原始厚度為1、2、3、4和5 mm時(shí),δ為0.7 h時(shí),所產(chǎn)生的黏附力分別為310.2、442.6、547.2、637.9、720.2 kN。由此可見,泥餅厚度越厚,鉆具和泥餅的封閉接觸面積越大,所產(chǎn)生的黏附力越高。
泥餅原始厚度為3 mm時(shí),δ分別為0、 1、 1.5、2、 2.5和2.8 mm時(shí),所產(chǎn)生的黏附力分別為976.9、806.0、 701.8、 576.1、 409.7、 260.0 kN。由此可見,泥餅厚度一定時(shí),泥餅的壓縮性能越好,鉆具和泥餅的封閉接觸面積越小,所產(chǎn)生的黏附力越小。
從以上結(jié)果可以看出,鉆井液泥餅越厚,發(fā)生壓差卡鉆后,所所產(chǎn)生的黏附力就越大,如果泥餅的質(zhì)量越好,泥餅薄且耐壓縮性好,發(fā)生壓差卡鉆后,所產(chǎn)生的黏附力就越小,也容易解除。
1.建立了壓差卡鉆預(yù)測(cè)模型,得到封閉接觸面和黏附壓差計(jì)算方法。
2.鉆井液對(duì)地層所形成內(nèi)泥餅與外泥餅滲透率越接近,井壁處的壓力越高,有利于預(yù)防壓差卡鉆的發(fā)生。
3.計(jì)算實(shí)例表明,外泥餅質(zhì)量越差,所形成泥餅越厚,發(fā)生壓差卡鉆后,所產(chǎn)生黏附力就越大;如果外泥餅的質(zhì)量越好,泥餅薄且耐壓縮性好,發(fā)生壓差卡鉆后,所產(chǎn)生黏附力就越小,也容易解除。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 廖利軍.運(yùn)用關(guān)井蹩壓技術(shù)處理黏附解卡 [J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,25 (2):18-19.LIAO Lijun .On dealing with sticking release by shutting-in technique [J]. Journal of Jianghan Petroleum University of Staff and Workers,2012,25 (2):18-19.
[2] 葉芊,賈相健.定向鉆井中壓差卡鉆事故的成因及其處理方法 [J].中國井礦鹽,2010,41:20-22.YE Qian,JIA Xiangjian.The cause and the solution of differential pressure pipe-sticking in directional well drilling [J].China Well and Rock Salt,2010,41 :20-22.
[3] 劉禧元,夏廷波,張權(quán).黏附卡鉆機(jī)理與實(shí)踐探討 [J].吐哈油氣,2009, 14(3):271-274.LIU Xiyuan,XIA Tingbo,ZHANG Quan.Mechanism and practice study oil adhesion and drill pipe sticking [J].Tuha Oil & Gas,2009,14(3):271-274.
[4] 鄭述全, 胡衛(wèi)東, 歐云東.長裸眼多壓力系統(tǒng)卡鉆事故處理工藝技術(shù)應(yīng)用 [J].鉆采工藝,2010, 30(5):139-141.DENG Shuquan,HU Weidong,OU Yundong.Application of the solution of differential pressure pipesticking for long open-hole with multi-pressure system[J].Drilling & Production Technology,2010,30(5):139-141.
[5] 陳榮新,陳禮斌.特殊井眼中壓差卡鉆的處理 [J].鉆采工藝,1993,16(4):86-87.CHEN Rongxin,CHEN Libin.The solution of differential pressure pipe-sticking in special well[J].Drilling &Production Technology,1993,16(4):86-87.
[6] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].北京:石油大學(xué)出版社,2001,5:366-369.YAN Jienian.Drilling fluid technology[M].Beijing:China university of petroleum press,2001,5:366-369.
[7] 蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問題(第二版)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006,10:12-31.JIANG Xiwen.Drilling Accident and Complex Issues(Second Edition)[M].Beijing:Petroleum industry press,2006,10:12-31.
[8] SANTOS H. Differentially stuck pipe: early diagnostic and solution[C]//IADC/SPE Drilling Conference. Society of Petroleum Engineers,2000.
[9] 周風(fēng)山, 王世虎, 李繼勇,等.泥餅結(jié)構(gòu)物理模型與數(shù)學(xué)模型研究 [J].鉆井液與完井液,2003,20(3):4-8.ZHOU Fengshan,WANG Shihu,LI Jiyong,et al.Mathematical & physical models for drilling fluid filter cake [J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2003,20(3):4-8.
[10] 周風(fēng)山,趙明方,倪文學(xué),等.泥餅厚度影響因素研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,14(5):26-28.ZHOU Fengshan,ZHAO Mingfang,NI Wenxue,et al.A study on the factors influencing the thickness of drilling fluid filter cake[J].Journal of Xi'an Petroleum Institute(Natural Science Edition),1999,14(5):26-28.
[11] 黃立新, 王昌軍, 羅春芝.油氣層保護(hù)與內(nèi)外泥餅關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究 [J].斷塊油氣田,2000,7(6):24-26.HUANG Lixin,WANG Changjun,LUO Chunzhi.An experimental study on the relationship between reservoir protection and internal and external mud cake [J].Fault-Block Oil & Gas Field,2000,7(6):24-26.
[12] 張建國,杜殿發(fā),侯健,等.油氣層滲流力學(xué)(第二版)[M].北京:中國石油大學(xué)出版社,2010.5:58-73.ZHANG Jianguo,DU Dianfa,HOU Jian,et al.Hydrocarbon seepage mechanics (second edition) [M].Beijing:China university of petroleum press,2010.5:58-73.
[13] 王曉冬.滲流力學(xué)基礎(chǔ) [ M].北京:石油工業(yè)出版社,2006,9:49-53.WANG Xiaodong.The basis of seepage mechanics[M].Beijing:Petroleum industry press,2006,9:49-53.
[14] 宋吉明,陸玉亮,趙維青,等. 海上復(fù)雜軌跡深井坍塌卡鉆處理實(shí)踐[J].石油鉆采工藝, 2016,38(4):461-466.SONG Jiming, LU Yuliang, ZHAO Weiqing, et al.Treatment practice of sloughing and sticking in offshore deep wells with complex trajectories[J].Oil Drilling &Production Technology, 2016, 38(4):461-466.
[15] 趙家明,胡家森,劉秋霞,等.定向井泥頁巖地層復(fù)雜事故處理實(shí)踐技術(shù)研究[J].石油鉆采工藝,2016,38(1):23-29.ZHAO Jiaming, HU Jiasen, LIU Qiuxia, et al. Handling of complex accidents in shale formations of directional well[J]. Oil Drilling & Production Technology,2016, 38(1): 23-29.